Metal Pattern Część 3 - Wszystko inne
Po litu, który jest coraz częściej stosowany we współczesnym rolnictwie, oraz sodzie i potasie, które są jednymi z najważniejszych pierwiastków w przemyśle i świecie żywym, przychodzi czas na pozostałe pierwiastki alkaliczne. Przed nami rubid, cez i frank.
Trzy ostatnie pierwiastki są do siebie bardzo podobne, a jednocześnie mają właściwości podobne do potasu i razem z nim tworzą podgrupę zwaną potasem. Ponieważ prawie na pewno nie będziesz w stanie przeprowadzić żadnych eksperymentów z rubidem i cezem, musisz zadowolić się informacją, że reagują one jak potas i że ich związki mają taką samą rozpuszczalność jak jego związki.
1. Ojcowie spektroskopii: po lewej Robert Wilhelm Bunsen (1811-99), po prawej Gustav Robert Kirchhoff (1824-87)
Pierwsze sukcesy spektroskopii
Zjawisko barwienia płomienia związkami niektórych pierwiastków było znane i stosowane w produkcji fajerwerków na długo przed ich uwolnieniem. Na początku XIX wieku naukowcy badali linie widmowe pojawiające się w świetle Słońca i emitowane przez ogrzane związki chemiczne. W 1859 roku dwóch niemieckich fizyków - Roberta Bunsena i Gustava Kirchhoffa - zbudował urządzenie do badania emitowanego światła (1). Pierwszy spektroskop miał prostą konstrukcję: składał się z pryzmatu, który rozdzielał światło na linie widmowe i okular z soczewką za ich obserwację (2). Od razu zauważono przydatność spektroskopu do analiz chemicznych: substancja pod wpływem wysokiej temperatury płomienia rozpada się na atomy, a te emitują charakterystyczne tylko dla siebie linie.
2. G. Spektroskop Kirchhoffa
3. Cez metaliczny (http://images-of-elements.com)
Bunsen i Kirchhoff rozpoczęli badania, a rok później odparowali 44 tony wody mineralnej ze źródła w Durkheim. W widmie osadu pojawiły się linie, których nie można było przypisać żadnemu znanemu wówczas pierwiastkowi. Bunsen (był także chemikiem) wyizolował z osadu chlorek nowego pierwiastka i nadał nazwę zawartemu w nim metalowi CEZ w oparciu o mocne niebieskie linie w jego widmie (łac. = niebieski) (3).
Kilka miesięcy później, już w 1861 roku, naukowcy dokładniej zbadali widmo złoża soli i odkryli w nim obecność innego pierwiastka. Udało im się wyizolować jego chlorek i określić jego masę atomową. Ponieważ w widmie były wyraźnie widoczne czerwone linie, nazwano nowy metaliczny lit rubidowy (z łac. = ciemnoczerwony) (4). Odkrycie dwóch pierwiastków za pomocą analizy spektralnej przekonało chemików i fizyków. W kolejnych latach spektroskopia stała się jednym z głównych narzędzi badawczych, a odkryć sypało się jak róg obfitości.
4. Rubid metaliczny (http://images-of-elements.com)
Rubin nie tworzy własnych minerałów i występuje tylko jeden cez (5). Obydwa elementy. Warstwa powierzchniowa Ziemi zawiera 0,029% rubidu (17 miejsce na liście zawartości pierwiastków) i 0,0007% cezu (39 miejsce). Nie są biopierwiastkami, ale niektóre rośliny selektywnie magazynują rubid, np. tytoń i buraki cukrowe. Z fizykochemicznego punktu widzenia oba metale to „potas na sterydach”: jeszcze bardziej miękki i topliwy, a jeszcze bardziej reaktywny (np. samozapalają się w powietrzu, a nawet reagują wybuchowo z wodą).
przez jest to najbardziej „metaliczny” pierwiastek (w sensie chemicznym, a nie w potocznym znaczeniu tego słowa). Jak stwierdzono powyżej, właściwości ich związków są również podobne do właściwości podobnych związków potasu.
5 Pollucyt jest jedynym minerałem cezu (USGS)
Rubid metaliczny a cez otrzymuje się przez redukcję ich związków magnezem lub wapniem w próżni. Ponieważ są one potrzebne tylko do produkcji niektórych typów ogniw słonecznych (wpadające światło łatwo uwalnia elektrony z ich powierzchni), roczna produkcja rubidu i cezu sięga setek kilogramów. Ich związki również nie są powszechnie stosowane.
Podobnie jak w przypadku potasu, jeden z izotopów rubidu jest radioaktywny. Okres półtrwania Rb-87 wynosi 50 miliardów lat, więc promieniowanie jest bardzo niskie. Izotop ten służy do datowania skał. Cez nie ma naturalnie występujących izotopów promieniotwórczych, ale CS-137 jest jednym z produktów rozszczepienia uranu w reaktorach jądrowych. Jest oddzielany od zużytych prętów paliwowych, ponieważ izotop ten był używany jako źródło promieniowania gra, na przykład do niszczenia guzów nowotworowych.
Na cześć Francji
6. Odkrywczyni języka francuskiego – Marguerite Perey (1909-75)
Mendelejew przewidział już istnienie litu metalicznego cięższego od cezu i nadał mu roboczą nazwę. Chemicy szukali go w innych minerałach litu, bo podobnie jak jego krewny powinien tam być. Kilka razy wydawało się, że zostało odkryte, choć hipotetycznie, ale nigdy się to nie zmaterializowało.
Na początku lat 87. stało się jasne, że pierwiastek 1914 jest radioaktywny. W 227 r. austriaccy fizycy byli bliscy odkrycia. S. Meyer, W. Hess i F. Paneth zaobserwowali słabą emisję alfa z leku aktynu-89 (oprócz obficie wydzielanych cząstek beta). Ponieważ liczba atomowa aktynu wynosi 87, a emisja cząstki alfa wiąże się z „przyporządkowaniem” pierwiastka do dwóch miejsc w układzie okresowym, to izotop o liczbie atomowej 223 i liczbie masowej XNUMX miałby jednak cząstki alfa o masie podobną energię (zakres cząstek w powietrzu mierzy się proporcjonalnie do ich energii) wysyła również izotop protaktynu, inni naukowcy sugerują zanieczyszczenie leku.
Wkrótce wybuchła wojna i wszystko zostało zapomniane. W latach 30. XX wieku zaprojektowano akceleratory cząstek i uzyskano pierwsze sztuczne pierwiastki, np. długo oczekiwany astat o liczbie atomowej 85. W przypadku pierwiastka 87 ówczesny poziom technologii nie pozwalał na uzyskanie niezbędnej ilości materiału do syntezy. Francuskiemu fizykowi nieoczekiwanie udaje się to osiągnąć Margarita Perey, uczennica Marii Skłodowskiej-Curie (6). Ona również, podobnie jak Austriacy ćwierć wieku temu, badała rozpad aktynu-227. Postęp techniczny umożliwił otrzymanie czystego leku i tym razem nikt nie wątpił, że został on w końcu zidentyfikowany. Badacz nadał mu imię Francuski na cześć swojej ojczyzny. Jako ostatni odkryto w minerałach pierwiastek 87, kolejne otrzymywano sztucznie.
francuski powstaje w bocznej gałęzi szeregu promieniotwórczego, w procesie o małej wydajności, a ponadto bardzo krótkotrwałym. Najsilniejszym izotopem odkrytym przez panią Perey jest Fr-223, którego okres półtrwania wynosi nieco ponad 20 minut (co oznacza, że po godzinie pozostaje tylko 1/8 pierwotnej ilości). Oszacowano, że na całej kuli ziemskiej znajduje się zaledwie około 30 gramów franka (pomiędzy rozpadającym się izotopem a nowo powstałym izotopem ustala się równowaga).
Choć nie otrzymano żadnych widocznych związków franka, zbadano jego właściwości i stwierdzono, że należy on do grupy zasadowej. Na przykład, gdy do roztworu zawierającego jony franka i potasu doda się nadchloran, radioaktywny będzie osad, a nie roztwór. To zachowanie dowodzi, że FrClO4 słabo rozpuszczalny (wytrąca się razem z KClO4), a właściwości fransu są podobne do potasu.
Francja, jak by się czuł...
...Gdybym mógł dostać jego próbkę widoczną gołym okiem? Oczywiście miękki, jak wosk i być może ze złotym odcieniem (cez nad nim jest bardzo miękki i żółtawy). Topiłby się w temperaturze 20-25°C i odparowywał w temperaturze około 650°C (szacunkowo na podstawie danych z poprzedniego odcinka). Ponadto byłby bardzo reaktywny chemicznie. Dlatego należy go przechowywać bez dostępu tlenu i wilgoci oraz w pojemnikach chroniących przed promieniowaniem. Z eksperymentami trzeba było się spieszyć, bo za kilka godzin Francuzów już praktycznie nie będzie.
Honorowy Lit
Pamiętacie pseudohalogeny z zeszłorocznej serii halogenów? Są to jony zachowujące się jak aniony, takie jak Cl- albo nie-. Należą do nich na przykład cyjanki CN- i mole SCN-, tworząc sole o rozpuszczalności podobnej do anionów grupy 17.
Litwini mają także naśladowcę, którym jest jon amonowy NH. 4 + - produkt rozpuszczania amoniaku w wodzie (roztwór ma odczyn zasadowy, choć słabszy niż w przypadku wodorotlenków metali alkalicznych) i jego reakcji z kwasami. Jon podobnie reaguje z cięższymi metalami alkalicznymi, a jego najbliższy związek jest na przykład z potasem, jest podobny pod względem wielkości do kationu potasu i często zastępuje K+ w swoich naturalnych związkach. Metaliczne lity są zbyt reaktywne, aby można je było otrzymać przez elektrolizę wodnych roztworów soli i wodorotlenków. Za pomocą elektrody rtęciowej uzyskuje się roztwór metalu w rtęci (amalgamat). Jon amonowy jest tak podobny do metali alkalicznych, że również tworzy amalgamat.
W systematycznym toku analizy L.materiały zawierające jon magnezu są odkrywane jako ostatnie. Dzieje się tak dlatego, że ich chlorki, siarczany i siarczki są dobrze rozpuszczalne, co oznacza, że nie wytrącają się pod wpływem wcześniej dodanych odczynników służących do oznaczania obecności w próbce metali cięższych. Chociaż sole amonowe są również dobrze rozpuszczalne, wykrywa się je na samym początku analizy, ponieważ nie wytrzymują ogrzewania i parowania roztworów (dość łatwo rozkładają się z uwolnieniem amoniaku). Procedura jest chyba znana każdemu: do próbki dodaje się roztwór mocnej zasady (NaOH lub KOH), co powoduje wydzielanie się amoniaku.
Sam amoniak wykrywa się go po zapachu lub poprzez przyłożenie uniwersalnego papieru zwilżonego wodą do szyjki probówki. Gaz NH3 rozpuszcza się w wodzie i powoduje, że roztwór jest alkaliczny i zabarwia papier na niebiesko.
7. Wykrywanie jonów amonowych: po lewej pasek testowy zmienia kolor na niebieski pod wpływem uwolnionego amoniaku, po prawej pozytywny wynik testu Nesslera
Wykrywając amoniak po zapachu, pamiętaj, aby w laboratorium używać nosa. Dlatego nie należy pochylać się nad naczyniem reakcyjnym, kieruj opary wachlarzowym ruchem ręki w swoją stronę i nie wdychaj powietrza „pełną klatką piersiową”, ale pozwól, aby aromat związku dotarł do nosa.
Rozpuszczalność soli amonowych jest podobna do rozpuszczalności podobnych związków potasu, dlatego kuszące może być przygotowanie nadchloranu amonu NH.4ClO4 i kompleks kobaltu (szczegóły w poprzednim odcinku). Przedstawione metody nie nadają się jednak do wykrywania bardzo małych ilości amoniaku i jonów amonowych w próbce. W laboratoriach wykorzystuje się do tego celu odczynnik Nesslera, który wytrąca się lub zmienia kolor nawet w obecności śladowych ilości NH3 (7).
Zdecydowanie odradzam jednak wykonywanie tego testu w domu, gdyż wiąże się to z koniecznością użycia trujących związków rtęci.
Poczekaj aż znajdziesz się w profesjonalnym laboratorium pod fachowym okiem mentora. Chemia jest fascynująca, ale dla tych, którzy jej nie znają lub są nieostrożni, może być niebezpieczna.
Zobacz także:
