Kovový vzor 3. časť – Všetko ostatné
Po lítiu, ktoré sa čoraz viac využíva v modernej ekonomike, a sodíku a draslíku, ktoré patria medzi najdôležitejšie prvky v priemysle a vo svete živých, prišiel čas na zvyšok alkalických prvkov. Pred nami je rubídium, cézium a frank.
Posledné tri prvky sú si navzájom veľmi podobné a zároveň majú podobné vlastnosti s draslíkom a spolu s ním tvoria podskupinu nazývanú draslík. Keďže s rubídiom a céziom takmer určite nebudete môcť robiť žiadne experimenty, musíte sa uspokojiť s informáciou, že reagujú ako draslík a že ich zlúčeniny majú rovnakú rozpustnosť ako jeho zlúčeniny.
1. Otcovia spektroskopie: Robert Wilhelm Bunsen (1811-99) vľavo, Gustav Robert Kirchhoff (1824-87) vpravo
Skoré pokroky v spektroskopii
Fenomén zafarbenia plameňa zlúčeninami určitých prvkov bol známy a využívaný pri výrobe zábavnej pyrotechniky dávno predtým, ako sa uvoľnila do voľného stavu. Na začiatku devätnásteho storočia vedci študovali spektrálne čiary, ktoré sa objavujú vo svetle Slnka a vyžarujú zahriate chemické zlúčeniny. V roku 1859 dvaja nemeckí fyzici - Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff - postavili zariadenie na testovanie vyžarovaného svetla (1). Prvý spektroskop mal jednoduchý dizajn: pozostával z hranola, ktorý rozdeľoval svetlo na spektrálne čiary a okulár so šošovkou na ich pozorovanie (2). Užitočnosť spektroskopu na chemickú analýzu bola okamžite zaznamenaná: látka sa pri vysokej teplote plameňa rozpadá na atómy a tieto vyžarujú čiary, ktoré sú charakteristické len pre seba.
2. G. Kirchhoff pri spektroskope
3. Kovové cézium (http://images-of-elements.com)
Bunsen a Kirchhoff začali svoj výskum a o rok neskôr odparili 44 ton minerálnej vody z prameňa v Durkheime. V spektre sedimentov sa objavili čiary, ktoré nebolo možné pripísať žiadnemu v tom čase známemu prvku. Bunsen (tiež bol chemikom) izoloval chlorid nového prvku zo sedimentu a dal meno kovu, ktorý sa v ňom nachádzal. ČEZ na základe silných modrých čiar v jeho spektre (latinčina = modrá) (3).
O niekoľko mesiacov neskôr, už v roku 1861, vedci podrobnejšie skúmali spektrum soľného ložiska a zistili v ňom prítomnosť ďalšieho prvku. Dokázali izolovať jeho chlorid a určiť jeho atómovú hmotnosť. Keďže v spektre boli jasne viditeľné červené čiary, bol pomenovaný nový lítium rubidný (z latinčiny = tmavočervená) (4). Objav dvoch prvkov prostredníctvom spektrálnej analýzy presvedčil chemikov a fyzikov. V nasledujúcich rokoch sa spektroskopia stala jedným z hlavných výskumných nástrojov a objavy pršali ako roh hojnosti.
4. Kovové rubídium (http://images-of-elements.com)
Rubid netvorí vlastné minerály a cézium je len jedno (5). Oba prvky. Povrchová vrstva Zeme obsahuje 0,029 % rubídia (17. miesto v zozname prvkov abundancií) a 0,0007 % cézia (39. miesto). Nie sú to bioelementy, ale niektoré rastliny selektívne ukladajú rubídium, ako je tabak a cukrová repa. Z fyzikálno-chemického hľadiska sú oba kovy „draslíkom na steroidoch“: ešte mäkšie a taviteľné a ešte reaktívnejšie (napríklad sa spontánne vznietia na vzduchu a dokonca reagujú s vodou s výbuchom).
cez je to najviac „kovový“ prvok (v chemickom, nie v hovorovom zmysle slova). Ako je uvedené vyššie, vlastnosti ich zlúčenín sú tiež podobné vlastnostiam analogických zlúčenín draslíka.
5 Pollucit je jediný minerál cézia (USGS)
kovové rubídium a cézium sa získava redukciou ich zlúčenín horčíkom alebo vápnikom vo vákuu. Keďže sú potrebné len na výrobu niektorých typov fotovoltaických článkov (dopadajúce svetlo ľahko vyžaruje z ich povrchu elektróny), ročná produkcia rubídia a cézia sa pohybuje rádovo v stovkách kilogramov. Ich zlúčeniny tiež nie sú široko používané.
Rovnako ako draslík, jeden z izotopov rubídia je rádioaktívny. Rb-87 má polčas rozpadu 50 miliárd rokov, takže radiácia je veľmi nízka. Tento izotop sa používa na datovanie hornín. Cézium nemá žiadne prirodzene sa vyskytujúce rádioaktívne izotopy, ale CS-137 je jedným zo štiepnych produktov uránu v jadrových reaktoroch. Oddeľuje sa od vyhorených palivových tyčí, pretože tento izotop sa používal ako zdroj g-žiarenia napríklad na ničenie rakovinových nádorov.
Na počesť Francúzska
6. Objaviteľka francúzštiny - Marguerite Perey (1909-75)
Mendelejev už predvídal existenciu kovu lítia ťažšieho ako cézium a dal mu pracovný názov. Chemici ho hľadali v iných lítiových mineráloch, pretože by tam rovnako ako ich príbuzný mal byť. Niekoľkokrát sa zdalo, že bol objavený, aj keď hypoteticky, ale nikdy sa nezrealizoval.
Začiatkom 87. rokov sa ukázalo, že prvok 1914 je rádioaktívny. V roku 227 boli rakúski fyzici blízko k objavu. S. Meyer, W. Hess a F. Panet pozorovali slabé alfa žiarenie z aktínia-89 (okrem hojne vylučovaných beta častíc). Keďže atómové číslo aktínia je 87 a emisia častice alfa je spôsobená „redukciou“ prvku na dve miesta v periodickej tabuľke, izotop s atómovým číslom 223 a hmotnostným číslom XNUMX by mali byť alfa časticami podobná energia (dosah častíc vo vzduchu sa meria úmerne ich energii) však vysiela aj izotop protaktínia, iní vedci navrhli kontamináciu lieku.
Čoskoro vypukla vojna a na všetko sa zabudlo. V 30. rokoch boli navrhnuté urýchľovače častíc a získali sa prvé umelé prvky, ako dlho očakávaný astatium s atómovým číslom 85. V prípade prvku 87 vtedajšia úroveň technológie neumožňovala získať potrebné množstvo materiál na syntézu. Francúzskym fyzikom sa to nečakane podarilo Marguerite Pereyová, študentka Márie Sklodowskej-Curie (6). Rovnako ako Rakúšania pred štvrťstoročím študovala rozpad aktínia-227. Technologický pokrok umožnil získať čistý preparát a tentoraz už nikto nepochyboval, že bol konečne identifikovaný. Prieskumník ho pomenoval Francúzsky na počesť svojej vlasti. Prvok 87 bol v mineráloch objavený ako posledný, ďalšie boli získané umelo.
francúzsky vzniká vo vedľajšej vetve rádioaktívneho radu, v procese s nízkou účinnosťou a navyše je veľmi krátkodobý. Najsilnejší izotop objavený pani Pereyovou, Fr-223, má polčas rozpadu niečo vyše 20 minút (čo znamená, že po hodine zostáva len 1/8 pôvodného množstva). Vypočítalo sa, že celá zemeguľa obsahuje len asi 30 gramov franku (rovnováha je nastolená medzi rozpadajúcim sa izotopom a novovzniknutým izotopom).
Hoci sa viditeľná časť zlúčenín franku nezískala, skúmali sa jej vlastnosti a zistilo sa, že patrí do alkalickej skupiny. Napríklad, keď sa chloristan pridá do roztoku obsahujúceho ióny franku a draslíka, zrazenina bude rádioaktívna, nie roztok. Toto správanie dokazuje, že FrClO4 mierne rozpustný (zráža sa s KClO4) a vlastnosti francia sú podobné vlastnostiam draslíka.
Francúzsko, aký by bol...
... Ak by som mohol získať jeho vzorku viditeľnú voľným okom? Samozrejme, jemné ako vosk a možno so zlatým odtieňom (cezium nad ním je veľmi jemné a má žltkastú farbu). Topila by sa pri 20-25°C a vyparovala by sa okolo 650°C (odhad na základe údajov z predchádzajúcej epizódy). Okrem toho by bol veľmi chemicky aktívny. Preto ho treba skladovať bez prístupu kyslíka a vlhkosti a v nádobe, ktorá chráni pred žiarením. S pokusmi by sa bolo treba poponáhľať, lebo o pár hodín by už prakticky nezostali francúzi.
Čestné lítium
Pamätáte si na pseudohalogény z minuloročného halogénového cyklu? Sú to ióny, ktoré sa správajú ako anióny ako Cl- alebo nie-. Patria sem napríklad kyanidy CN- a móly SCN-tvoriace soli s rozpustnosťou podobnou rozpustnosti aniónov 17. skupiny.
Litovčania majú tiež nasledovníka, ktorým je amónny ión NH. 4 + - produkt rozpúšťania amoniaku vo vode (roztok je alkalický, aj keď slabší ako v prípade hydroxidov alkalických kovov) a jeho reakcie s kyselinami. Ión podobne reaguje s ťažšími alkalickými kovmi a jeho najbližší vzťah je napríklad k draslíku, veľkosťou je podobný katiónu draslíka a často nahrádza K+ vo svojich prírodných zlúčeninách. Lítiové kovy sú príliš reaktívne na to, aby sa dali získať elektrolýzou vodných roztokov solí a hydroxidov. Pomocou ortuťovej elektródy sa získa roztok kovu v ortuti (amalgám). Amónny ión je taký podobný alkalickým kovom, že tvorí aj amalgám.
V systematickom priebehu analýzy L.materiály s horčíkovými iónmi sú posledné objavené. Dôvodom je dobrá rozpustnosť ich chloridov, síranov a sulfidov, čo znamená, že sa pôsobením vopred pridaných činidiel používaných na stanovenie prítomnosti ťažších kovov vo vzorke nezrážajú. Aj keď sú amónne soli tiež vysoko rozpustné, zisťujú sa na samom začiatku analýzy, pretože neznášajú zahrievanie a odparovanie roztokov (s uvoľňovaním amoniaku sa pomerne ľahko rozkladajú). Postup pozná snáď každý: do vzorky sa pridá roztok silnej zásady (NaOH alebo KOH), ktorá spôsobí uvoľnenie amoniaku.
Sam amoniak zisťuje sa čuchom alebo priložením univerzálneho papiera navlhčeného vodou na hrdlo skúmavky. NH plyn3 rozpúšťa sa vo vode a robí roztok alkalickým a sfarbuje papier do modra.
7. Detekcia amónnych iónov: vľavo testovací prúžok pôsobením uvoľneného amoniaku zmodrie, vpravo pozitívny výsledok Nesslerovho testu
Pri zisťovaní amoniaku pomocou vône by ste si mali pamätať na pravidlá používania nosa v laboratóriu. Preto sa nenakláňajte nad reakčnú nádobu, vejárovým pohybom ruky nasmerujte pary k sebe a nevdychujte vzduch „plnou hruďou“, ale nechajte arómu zlúčeniny, aby sa vám dostala do nosa sama.
Rozpustnosť amónnych solí je podobná ako v prípade analogických zlúčenín draslíka, takže príprava chloristanu amónneho NH môže byť lákavá.4ClO4 a komplexná zlúčenina s kobaltom (podrobnosti pozri v predchádzajúcej epizóde). Predložené metódy však nie sú vhodné na detekciu veľmi malých množstiev amoniaku a amónnych iónov vo vzorke. V laboratóriách sa na tento účel používa Nesslerovo činidlo, ktoré sa zráža alebo mení farbu aj za prítomnosti stôp NH3 (7).
Dôrazne však neodporúčam robiť vhodný test doma, pretože je potrebné použiť toxické zlúčeniny ortuti.
Počkajte, kým budete v profesionálnom laboratóriu pod odborným dohľadom mentora. Chémia je fascinujúca, no – pre tých, ktorí ju nepoznajú alebo sú neopatrní – môže byť nebezpečná.
Pozri tiež:
