Металлический узор, часть 2 — самое главное

Литий — это элемент, который немного отличается от остальных элементов группы 1. В предыдущем эпизоде ​​вы узнали, что это не аномалия таблицы Менделеева, а одно из правил, которым она подчиняется. В последней статье настала очередь металлов, которые уже соответствуют стандартам литиевого семейства.

Натрий i калий они являются важнейшими элементами группы 1 и одними из важнейших как в промышленности, так и в живом мире. Поверхностный слой Земли содержит целых 2,8 % натрия и 2,5 % калия, что дает им 6-е и 7-е места в списке распределения элементов.

Длинная история

Начало знакомства людей с соединениями натрия и калия теряется во мраке предыстории. Соль, то есть хлорид натрия и NaCl, всегда была необходима в качестве основного пищевого ингредиента и консерванта (1). Натрон представляет собой встречающийся в природе карбонат натрия, Na₂CO₃которым в Древнем Египте плавили стекло, омывали и сушили трупы при мумификации.

1. Хлорид натрия: внешне незаметен, но имеет большое значение.

2. Первооткрыватель натрия и калия — сэр Хамфри Бартоломью Дэви (1778-1829), на портрете Х. Говарда 1803 г.

Карбонат калия получали, поливая водой золу растений и выпаривая раствор.₂CO₃, называемое арабами и европейцами поташем (с англ. — potash) Это соединение также использовалось в качестве ингредиента в стекле и элемента, используемого в производстве чистящих средств.

Алхимики обрабатывали натрон и поташ известковым молоком (раствором гидроксида кальция), получая соединения с более сильной щелочной реакцией, т. е. гидроксиды натрия и калия. С тех пор NaOH и KOH стали называть едкими щелочами, а карбонаты этих металлов — мягкими щелочами.

В восемнадцатом веке стали проводить четкое различие между соединениями натрия и калия, ранее считавшимися одним и тем же веществом. В конце века Лавуазье он включил щелочь в список элементов, потому что ее еще нельзя было разложить на составляющие. Только один из самых известных химиков того времени — сэр Хамфри Дэви в 1807 г. (2). Электролизом влажных гидроксидов он выделил из них металлы, которым дал латинские названия i (3, 4). В отдельных языках их названия происходят от латинских названий или похожи на польские натрий и калий.

3. Металлический натрий настолько мягок, что его можно резать ножом,…

4. …и при броске в воду — бурно с ней реагирует (вода с добавлением фенолфталеина, виден шарик расплавленного металла)

Вездесущий

На Земле нет мест, где не присутствуют соединения этих элементов. Они образуют многочисленные минералы, входящие в состав горных пород. Из них они смываются дождевой водой и уходят в моря. Однако почва и растения удерживают соли калия, поэтому в морской воде много натрия и мало калия. В результате геологических процессов морские водоемы пересыхают, в результате чего образуются отложения растворенных в воде солей. Так образовались месторождения каменной соли NaCl, сопровождаемые месторождениями калийных солей (обычно KCl).

Растительный мир предпочитает ионы калия, необходимые ему для правильного роста и развития (калий — один из основных компонентов удобрений, наряду с азотом и фосфором). В жидкостях организма животных ионов натрия больше, но в случае обоих миров важнее всего соотношение между двумя элементами — его нарушение приводит к нарушениям. Натрий и калий активируют многие ферменты, сохраняют гидратацию клеток, поддерживают правильную работу клеточных мембран и участвуют в проведении нервных импульсов.

Изотоп калия-40 является радиоактивным с периодом полураспада более одного миллиарда лет. Радиоактивная форма составляет всего 0,01% всего калия, но содержание этого элемента настолько велико, что К-40 является одним из изотопов, наиболее влияющих на окружающую среду нашей планеты. Одним из путей распада является образование аргона, и именно благодаря радиоактивности калия в атмосфере Земли содержится почти 1% этого благородного газа.

Определяя содержание аргона, образующегося из калия в горных породах, можно определить возраст их образования. К-40 также является одним из основных источников геотермального тепла и фонового излучения Земли. Последний является постоянным фактором среды, влияющим на частоту мутаций и ход эволюции. Калий-40 является, помимо углерода-14, еще и основным источником радиоактивного распада, происходящего внутри нас. Подсчитано, что в организме человека весом 70 кг за секунду распадается более 4 атомов калия и около 3 атомов углерода. Однако, как видите, механизмы восстановления наших клеток работают эффективно, и внутренняя радиоактивность не оказывает негативного влияния на здоровье.

Соединения натрия и калия широко используются в промышленности. Если требуется некоторое количество соли, и это не какой-то конкретный катион, это, вероятно, будет натрий или калий (они дешевы, легко доступны и растворимы в воде). Каменная соль, добываемая из пластов или полученная из морской воды, является сырьем для производства соединений натрия (основные из них – NaOH и Na₂CO₃), а соединения калия получают из KCl (в основном калийные удобрения).

Металлический натрий и калий получают электролизом расплавленных хлоридов или гидроксидов. Если позволяют технические условия, используется более дешевый натрий. Расплавленный натрий или смесь натрия и калия является теплоносителем, например, в ядерных реакторах. Сам натрий используется в качестве восстановителя в синтезе органических соединений и в качестве катализатора полимеризации пластмасс, например, бутадиена, используемого в производстве шин.

Красочное пламя

5. Испытание пламенем натрия

Металлы лития легко возбуждаются при высокой температуре и излучают видимый свет. В случае с литием (см. предыдущий эпизод) он имеет карминовый цвет. Цвет свечения является важным диагностическим показателем, позволяющим определить наличие в образце соединений щелочных металлов.

Набор для тестирования очень прост: газовая горелка, железная проволока (в лабораториях используются платиновые проволоки) и соляная кислота для очистки поверхности проволоки.

Окуните конец проволоки в раствор кислоты и поместите его на пламя. Через некоторое время он перестанет окрашиваться, а это значит, что поверхность очищена. Прикоснитесь проволокой к образцу соединения — так, чтобы кристалл прилип (можно смочить проволоку дистиллированной водой) — и поместите образец в пламя.

В случае с натрием вы заметите интенсивный желтый цвет (такой же цвет создается, когда немного подсоленной воды брызнет из кастрюли на горелку во время приготовления пищи) (5).

Желтая спектральная линия натрия имеет длину волны около 589 нм (точнее: это две линии, расположенные очень близко друг к другу), и она используется для калибровки оптических приборов и определения значений различных физических величин, например преломления показатель. Возбуждение атомов натрия используется для окраски фейерверков и в натриевых лампах для освещения дорог (электроэнергии они потребляют мало, но их свет неприятен для глаз) (6).

Испытание пламенем на натрий настолько чувствительно, что даже другие соединения (формально не содержащие натрий) при горении дают желтую вспышку, которая происходит от загрязнения этим элементом. Это проблема, с которой вы столкнетесь при выполнении теста на калий. Розово-фиолетовый цвет пламени (7) может маскироваться желтым цветом натрия.

7. Испытание пламенем калия

В лабораториях используется синее кобальтовое стекло, поглощающее желтую часть спектра и позволяющее наблюдать окраску света возбужденных атомов калия. В вашем случае достаточно плоской бутылки, наполненной водой синего цвета (например, индиго, синими чернилами или метилвиолетом из дезинфицирующего средства для ран – пиоктана).

Скорее всего, у вас не будет возможности провести испытания пламенем для других щелочных металлов, поэтому позвольте мне лишь упомянуть, что цвета света, излучаемого рубидием и цезием, подобны цветам калия, но они становятся ближе к фиолетовому.

Сложный аналитик

Натрий и калий, в отличие от катионов многих других металлов, не могут похвастаться четкими аналитическими тестами, подтверждающими их наличие. В случае с натрием это практически только тест на пламя, но он настолько чувствителен, а желтый цвет пламени настолько характерен, что подтвердить наличие этого элемента не составляет труда. Есть некоторые труднорастворимые соединения натрия, но вы не найдете в своей лаборатории «экзотических» реагентов, таких как уранилацетат магния или антимонат калия (V).

8. Одна из немногих реакций, позволяющих обнаружить ионы калия.

Немного лучше с калием. Вы прочитали выше о тесте пламенем и связанных с ним проблемах. Классический анализ в значительной степени зависит от образования осадка, но взгляд на таблицу растворимости показывает, что практически все простые соединения калия хорошо растворимы в воде. Исключение составляет хлорат (VII) или, чаще, перхлорат.

При обработке калиевой соли раствором хорошо растворимого перхлората натрия выпадает белый осадок. Однако вы заметите это только в концентрированных растворах, так как KClO₄ он гораздо более растворим, чем другие отложения, используемые в химическом анализе. Добавление этилового спирта (например, денатурата) снижает растворимость и легче наблюдать за образованием осадка.

Поэтому приходится использовать более сложные реагенты. Вы можете сделать один из них самостоятельно. Потребуются растворы хлорида кобальта (II) CoCl.₂ и нитрат натрия (III) NaNO₂ (он же нитрит натрия), который получают растворением половины чайной ложки соли в 50 см³ вода (можно уменьшить количество реагентов, но сохранить пропорцию). Также включают 5-10% пищевой уксус (раствор уксусной кислоты CH₃COOH) и, конечно, соль калия.

В пробирку насыпать 5 см.³ раствора соли кобальта, затем подкислить его на 1 см³ уксуса и добавить 5 см.³ раствор нитрита натрия. Все смешать и быстро влить в пробирку раствор любой калиевой соли. Содержимое пожелтеет, а через некоторое время смешанная соль начнет выпадать в осадок (8):

Отметим, что в ходе реакции ион кобальта (II) окислялся нитрат-анионами (III). Только комплексное соединение кобальта (III) с ионами калия и натрия является малорастворимым, что позволяет обнаружить катионы К + в исследуемом растворе.

Через месяц вы сравните свои оценки франков с результатами других (см. рамку: Что такое Франция?), прочтете о следующих элементах группы 1 и узнаете о… почетном литии.

Смотрите также: