Металлический узор Часть 3 – Все остальное
После лития, который находит все большее применение в современном хозяйстве, и натрия и калия, являющихся одними из важнейших элементов в промышленности и живом мире, наступает время остальных щелочных элементов. Перед нами рубидий, цезий и франк.
Последние три элемента очень похожи друг на друга, и в то же время обладают сходными свойствами с калием и вместе с ним образуют подгруппу, называемую калием. Поскольку с рубидием и цезием вы почти наверняка не сможете провести никаких опытов, вы должны довольствоваться информацией, что они реагируют подобно калию и что их соединения обладают такой же растворимостью, как и его соединения.
1. Отцы спектроскопии: слева Роберт Вильгельм Бунзен (1811-99), справа Густав Роберт Кирхгоф (1824-87)
Первые успехи спектроскопии
Явление окрашивания пламени соединениями некоторых элементов было известно и использовалось при изготовлении фейерверков задолго до их выпуска в свободное состояние. В начале девятнадцатого века ученые изучали спектральные линии, появляющиеся в свете Солнца и испускаемые нагретыми химическими соединениями. В 1859 году два немецких физика – Роберт Бунзен i Густав Кирхгоф – построил прибор для проверки излучаемого света (1). Первый спектроскоп имел простую конструкцию: он состоял из призмы, разделяющей свет на спектральные линии и окуляр с линзой за их наблюдение (2). Сразу была замечена полезность спектроскопа для химического анализа: вещество распадается на атомы при высокой температуре пламени, и эти испускают характерные только для себя линии.
2. Г. Кирхгоф у спектроскопа
3. Металлический цезий (http://images-of-elements.com)
Бунзен и Кирхгоф начали свои исследования и через год испарили 44 тонны минеральной воды из источника в Дюркгейме. В спектре осадка появились линии, которые нельзя было отнести ни к одному известному в то время элементу. Бунзен (он тоже был химиком) выделил из осадка хлорид нового элемента, а содержащемуся в нем металлу дал название CEZ исходя из сильных синих линий в его спектре (лат. = синий) (3).
Через несколько месяцев, уже в 1861 году, ученые более детально исследовали спектр соляного месторождения и обнаружили в нем присутствие еще одного элемента. Им удалось выделить его хлорид и определить его атомную массу. Поскольку в спектре были отчетливо видны красные линии, новый металлический литий был назван рубидный (от латинского = темно-красный) (4). Открытие двух элементов с помощью спектрального анализа убедило химиков и физиков. В последующие годы спектроскопия стала одним из основных инструментов исследования, а открытия посыпались как из рога изобилия.
4. Металлический рубидий (http://images-of-elements.com)
Рубид он не образует собственных минералов, а цезий только один (5). Оба элемента. Поверхностный слой Земли содержит 0,029 % рубидия (17-е место в списке содержаний элементов) и 0,0007 % цезия (39-е место). Они не являются биоэлементами, но некоторые растения выборочно хранят рубидий, например табак и сахарная свекла. С физико-химической точки зрения оба металла представляют собой «калий на стероидах»: еще более мягкие и легкоплавкие, и еще более реакционноспособные (например, они самовозгораются на воздухе, а с водой реагируют даже со взрывом).
через это самый «металлический» элемент (в химическом, а не в просторечном смысле слова). Как указывалось выше, свойства их соединений также аналогичны свойствам аналогичных соединений калия.
5. Поллуцит – единственный минерал цезия (Геологическая служба США)
Металлический рубидий а цезий получают восстановлением их соединений магнием или кальцием в вакууме. Поскольку они нужны только для производства некоторых типов фотоэлементов (падающий свет легко испускает электроны с их поверхностей), годовое производство рубидия и цезия составляет порядка сотен килограммов. Их соединения также не находят широкого применения.
Как и в случае с калием, один из изотопов рубидия радиоактивен. Rb-87 имеет период полураспада 50 миллиардов лет, поэтому излучение очень низкое. Этот изотоп используется для датирования горных пород. У цезия нет естественных радиоактивных изотопов, но CS-137 является одним из продуктов деления урана в ядерных реакторах. Его отделяют от отработавших топливных стержней, поскольку этот изотоп использовался в качестве источника g-излучения, например, для уничтожения раковых опухолей.
В честь Франции
6. Первооткрывательница французского языка – Маргерит Перей (1909-75)
Менделеев уже предвидел существование металлического лития тяжелее цезия и дал ему рабочее название. Химики искали его в других минералах лития, потому что, как и их родственник, он должен там быть. Несколько раз казалось, что оно было обнаружено, хотя и гипотетически, но так и не материализовалось.
В начале 87-х годов стало ясно, что элемент 1914 радиоактивен. В 227 году австрийские физики были близки к открытию. С. Мейер, В. Гесс и Ф. Панет наблюдали слабое альфа-излучение препарата актиния-89 (помимо обильно секретируемых бета-частиц). Поскольку атомный номер актиния равен 87, а испускание альфа-частицы связано с «отведением» элемента на два места в периодической таблице, изотоп с атомным номером 223 и массовым числом XNUMX должен был быть Однако альфа-частицы аналогичной энергии (диапазон частиц в воздухе измеряется пропорционально их энергии) также посылает изотоп протактиния, другие ученые предположили загрязнение препарата.
Вскоре разразилась война, и все было забыто. В 30-е годы были сконструированы ускорители частиц и получены первые искусственные элементы, например долгожданный астатий с атомным номером 85. В случае с элементом 87 уровень техники того времени не позволял получить необходимое количество материала для синтеза. Французский физик неожиданно преуспел Маргарита Перей, ученица Марии Склодовской-Кюри (6). Она тоже, как и австрийцы четверть века назад, изучала распад актиния-227. Технический прогресс позволил получить чистый препарат, и на этот раз уже ни у кого не возникало сомнений в том, что он окончательно идентифицирован. Исследователь дал ему имя французский в честь своей Родины. Элемент 87 был последним, обнаруженным в минералах, последующие были получены искусственным путем.
Frans он образуется в боковой ветви радиоактивного ряда, в процессе с малой эффективностью и, кроме того, очень недолговечен. Самый прочный изотоп, открытый миссис Перей, Fr-223, с периодом полураспада чуть более 20 минут (это значит, что через час остается только 1/8 от первоначального количества). Было подсчитано, что на всем земном шаре содержится всего около 30 граммов франса (устанавливается равновесие между распадающимся изотопом и вновь образующимся изотопом).
Хотя видимой части соединений франса получено не было, были изучены его свойства, и было установлено, что он принадлежит к щелочной группе. Например, при добавлении перхлората к раствору, содержащему ионы франка и калия, радиоактивным будет осадок, а не раствор. Такое поведение доказывает, что FrClO4 мало растворим (выпадает в осадок вместе с KClO4), а свойства франция аналогичны калию.
Франс, как бы он был…
… Если бы я мог получить его образец, видимый невооруженным глазом? Конечно, мягкий, как воск, и, возможно, с золотистым оттенком (цезий над ним очень мягкий и желтоватого цвета). Он плавился бы при 20-25°С, а около 650°С испарялся бы (оценка на основе данных предыдущего эпизода). Кроме того, он был бы очень химически активен. Поэтому хранить его следует без доступа кислорода и влаги и в таре, защищающей от радиации. С экспериментами надо было бы поторопиться, потому что через несколько часов французов практически не осталось бы.
Почетный литий
Помните псевдогалогены из прошлогоднего цикла по галогенам? Это ионы, которые ведут себя как анионы, такие как Cl– или бр–. К ним относятся, например, цианиды CN– и родинки SCN–, образуя соли с растворимостью, аналогичной растворимости анионов группы 17.
У литовцев также есть последователь, которым является ион аммония NH. 4 + – продукт растворения аммиака в воде (раствор щелочной, хотя и слабее, чем в случае гидроксидов щелочных металлов) и его реакции с кислотами. Ион аналогично реагирует с более тяжелыми щелочными металлами, и его наиболее близкое родство с калием, например, он подобен по размеру катиону калия и часто заменяет K + в его природных соединениях. Металлы лития слишком реакционноспособны, чтобы их можно было получить электролизом водных растворов солей и гидроксидов. С помощью ртутного электрода получают раствор металла в ртути (амальгаму). Ион аммония настолько похож на щелочные металлы, что тоже образует амальгаму.
В систематическом ходе анализа Л.материалы с ионом магния обнаруживаются последними. Причина в хорошей растворимости их хлоридов, сульфатов и сульфидов, а значит, в том, что они не выпадают в осадок под действием ранее добавленных реагентов, используемых для определения наличия в пробе более тяжелых металлов. Хотя соли аммония также хорошо растворимы, их обнаруживают в самом начале анализа, так как они не выдерживают нагревания и выпаривания растворов (достаточно легко разлагаются с выделением аммиака). Процедура, наверное, всем известна: в пробу добавляется раствор сильного основания (NaOH или KOH), который вызывает выделение аммиака.
Сэм аммиак его обнаруживают по запаху или прикладыванием к горлышку пробирки универсальной бумажки, смоченной водой. Газ NH3 растворяется в воде и делает раствор щелочным и окрашивает бумагу в синий цвет.
7. Обнаружение ионов аммония: слева тест-полоска синеет под действием выделившегося аммиака, справа – положительный результат теста Несслера
При обнаружении аммиака с помощью запаха следует помнить о правилах пользования носом в лаборатории. Поэтому не наклоняйтесь над реакционным сосудом, направляйте пары веерным движением руки на себя и не вдыхайте воздух «полной грудью», а дайте аромату соединения самому достичь носа.
Растворимость солей аммония аналогична растворимости аналогичных соединений калия, поэтому может возникнуть соблазн получить перхлорат аммония NH.4ClO4 и комплексное соединение с кобальтом (подробности см. в предыдущем эпизоде). Однако представленные методы не подходят для обнаружения очень малых количеств аммиака и ионов аммония в образце. В лабораториях для этой цели используют реактив Несслера, который дает осадок или меняет цвет даже при наличии следов NH3 (7).
Однако настоятельно не советую делать подходящий тест дома, так как необходимо использовать ядовитые соединения ртути.
Подождите, пока вы не окажетесь в профессиональной лаборатории под профессиональным контролем наставника. Химия увлекательна, но — для тех, кто ее не знает или небрежен — может быть опасна.
Смотрите также:
