Metaalpatroon Deel 3 - Al het andere

Na lithium, dat steeds vaker wordt gebruikt in de moderne landbouw, en natrium en kalium, die een van de belangrijkste elementen zijn in de industrie en de levende wereld, komt de tijd voor de resterende alkalische elementen. Voor ons liggen rubidium, cesium en frank.

De laatste drie elementen lijken erg op elkaar en hebben tegelijkertijd vergelijkbare eigenschappen als kalium en vormen samen daarmee een subgroep die kalium wordt genoemd. Omdat je vrijwel zeker geen experimenten met rubidium en cesium zult kunnen doen, moet je genoegen nemen met de informatie dat ze reageren als kalium en dat hun verbindingen dezelfde oplosbaarheid hebben als de verbindingen ervan.

1. Vaders van de spectroscopie: links Robert Wilhelm Bunsen (1811-99), rechts Gustav Robert Kirchhoff (1824-87)

De eerste successen van spectroscopie

Het fenomeen van het kleuren van de vlam met verbindingen van bepaalde elementen was bekend en werd gebruikt bij de vervaardiging van vuurwerk lang voordat ze in de vrije staat werden vrijgegeven. Aan het begin van de negentiende eeuw bestudeerden wetenschappers de spectraallijnen die verschijnen in het licht van de zon en worden uitgezonden door verhitte chemische verbindingen. In 1859, twee Duitse natuurkundigen - Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff - een apparaat gebouwd om het uitgezonden licht te testen (1). De eerste spectroscoop had een eenvoudig ontwerp: hij bestond uit een prisma dat licht scheidde in spectraallijnen en een oculair met een lens voor hun observatie (2). Het nut van de spectroscoop voor chemische analyse werd onmiddellijk opgemerkt: de stof valt bij de hoge temperatuur van de vlam uiteen in atomen, en deze zenden lijnen uit die alleen voor zichzelf kenmerkend zijn.

2. G. Kirchhoff bij de spectroscoop

3. Cesiummetaal (http://images-of-elements.com)

Bunsen en Kirchhoff begonnen hun onderzoek en een jaar later verdampten ze 44 ton mineraalwater uit een bron in Durkheim. In het spectrum van het sediment verschenen lijnen die aan geen enkel op dat moment bekend element konden worden toegeschreven. Bunsen (hij was ook scheikundige) isoleerde het chloride van een nieuw element uit het sediment en gaf de naam aan het metaal dat zich daarin bevond CEZ gebaseerd op de sterke blauwe lijnen in zijn spectrum (Latijn = blauw) (3).

Een paar maanden later, al in 1861, onderzochten wetenschappers het spectrum van de zoutafzetting gedetailleerder en ontdekten ze de aanwezigheid van een ander element daarin. Ze waren in staat het chloride te isoleren en de atomaire massa te bepalen. Omdat rode lijnen duidelijk zichtbaar waren in het spectrum, werd het nieuwe lithiummetaal genoemd robijn (uit het Latijn = donkerrood) (4). De ontdekking van twee elementen met behulp van spectrale analyse overtuigde scheikundigen en natuurkundigen. In de daaropvolgende jaren werd spectroscopie een van de belangrijkste onderzoeksinstrumenten, en de ontdekkingen stroomden binnen als een hoorn des overvloeds.

4. Metaalrubidium (http://images-of-elements.com)

Robijn het vormt geen eigen mineralen, en er is slechts één cesium (5). Beide elementen. De oppervlaktelaag van de aarde bevat 0,029% rubidium (17e plaats in de lijst met elementaire inhoud) en 0,0007% cesium (39e plaats). Het zijn geen bio-elementen, maar sommige planten slaan selectief rubidium op, zoals tabak en suikerbieten. Vanuit fysisch-chemisch oogpunt zijn beide metalen ‘kalium op steroïden’: nog zachter en smeltbaarder, en nog reactiever (ze ontbranden bijvoorbeeld spontaan in de lucht en reageren zelfs explosief met water).

door dit is het meest "metaalachtige" element (in de chemische, en niet in de informele zin van het woord). Zoals hierboven vermeld, zijn de eigenschappen van hun verbindingen ook vergelijkbaar met die van vergelijkbare kaliumverbindingen.

5 Pollucite is het enige cesiummineraal (USGS)

Rubidium-metaal en cesium wordt verkregen door hun verbindingen in vacuüm te reduceren met magnesium of calcium. Omdat ze alleen nodig zijn voor de productie van bepaalde soorten zonnecellen (inkomend licht laat gemakkelijk elektronen los van hun oppervlak), bedraagt ​​de jaarlijkse productie van rubidium en cesium in de orde van honderden kilogrammen. Hun verbindingen worden ook niet veel gebruikt.

Net als bij kalium, een van de isotopen van rubidium is radioactief. Rb-87 heeft een halfwaardetijd van 50 miljard jaar, dus de straling is erg laag. Deze isotoop wordt gebruikt om gesteenten te dateren. Cesium heeft in de natuur geen radioactieve isotopen, maar CS-137 is een van de splijtingsproducten van uranium in kernreactoren. Het wordt gescheiden van gebruikte splijtstofstaven omdat deze isotoop is gebruikt als bron van g-straling, bijvoorbeeld om kankertumoren te vernietigen.

Ter ere van Frankrijk

6. De ontdekker van de Franse taal - Marguerite Perey (1909-75)

Mendelejev had het bestaan ​​van lithiummetaal zwaarder dan cesium al voorzien en gaf het een werknaam. Chemici zochten ernaar in andere lithiummineralen omdat het, net als zijn verwant, daar zou moeten zijn. Meerdere keren leek het erop dat het ontdekt was, zij het hypothetisch, maar het is nooit uitgekomen.

Begin jaren tachtig werd duidelijk dat element 87 radioactief was. In 1914 waren Oostenrijkse natuurkundigen dicht bij de ontdekking. S. Meyer, W. Hess en F. Paneth observeerden zwakke alfa-emissie van het medicijn actinium-227 (naast overvloedig uitgescheiden bètadeeltjes). Aangezien het atoomnummer van actinium 89 is, en de emissie van een alfadeeltje verband houdt met de "toewijzing" van het element aan twee plaatsen in het periodiek systeem, zou een isotoop met atoomnummer 87 en massagetal 223 echter alfadeeltjes hebben van soortgelijke energie (het bereik van deeltjes in de lucht wordt proportioneel gemeten met hun energie) stuurt ook de protactiniumisotoop, andere wetenschappers hebben besmetting van het medicijn gesuggereerd.

Al snel brak de oorlog uit en was alles vergeten. In de jaren dertig werden deeltjesversnellers ontworpen en werden de eerste kunstmatige elementen verkregen, bijvoorbeeld het langverwachte astatium met atoomnummer 30. In het geval van element 85 stond het toenmalige technologieniveau het niet toe om de benodigde hoeveelheid te verkrijgen. van materiaal voor synthese. Franse natuurkundige slaagt onverwacht Margarita Perey, leerling van Marie Skłodowska-Curie (6). Ook zij bestudeerde, net als de Oostenrijkers een kwart eeuw geleden, het verval van actinium-227. De technische vooruitgang maakte het mogelijk een puur medicijn te verkrijgen, en deze keer twijfelde niemand eraan dat het eindelijk was geïdentificeerd. De onderzoeker gaf hem een ​​naam Frans ter ere van hun vaderland. Element 87 was het laatste dat in mineralen werd ontdekt; daaropvolgende werden kunstmatig geproduceerd.

Frans het wordt gevormd in een zijtak van de radioactieve reeks, in een proces met weinig efficiëntie en is bovendien van zeer korte duur. De sterkste isotoop ontdekt door mevrouw Perey is Fr-223, met een halfwaardetijd van iets meer dan 20 minuten (wat betekent dat na een uur nog maar 1/8 van de oorspronkelijke hoeveelheid overblijft). Er wordt geschat dat de hele aardbol slechts ongeveer 30 gram frank bevat (er wordt een evenwicht tot stand gebracht tussen de rottende isotoop en de nieuw gevormde isotoop).

Hoewel er geen zichtbare frankverbindingen werden verkregen, werden de eigenschappen ervan bestudeerd en werd vastgesteld dat het tot de alkalische groep behoort. Wanneer bijvoorbeeld perchloraat wordt toegevoegd aan een oplossing die frank- en kaliumionen bevat, zal het neerslag radioactief zijn en niet de oplossing. Dit gedrag bewijst dat FrClO₄ enigszins oplosbaar (slaat samen met KClO neer₄), en de eigenschappen van frankium zijn vergelijkbaar met kalium.

Frankrijk, hoe zou hij zijn...

...Als ik er een monster van kon krijgen dat zichtbaar is voor het blote oog? Natuurlijk zacht, zoals was, en misschien met een gouden tint (het cesium erboven is erg zacht en gelig van kleur). Het zou smelten bij 20-25°C en verdampen rond 650°C (geschat op basis van gegevens uit de vorige episode). Bovendien zou het zeer chemisch reactief zijn. Daarom moet het worden opgeslagen zonder toegang tot zuurstof en vocht en in containers die beschermen tegen straling. Het zou nodig zijn om met de experimenten op te schieten, want binnen een paar uur zouden er vrijwel geen Fransen meer zijn.

Ere-Lithium

Herinner je je de pseudohalogenen uit de halogeenreeks van vorig jaar nog? Dit zijn ionen die zich gedragen als anionen, zoals Cl^- of niet^-. Deze omvatten bijvoorbeeld cyaniden CN^- en moedervlekken SCN^-, waarbij zouten worden gevormd met een oplosbaarheid vergelijkbaar met die van anionen uit groep 17.

Litouwers hebben ook een volger, namelijk het ammoniumion NH. ₄ ⁺ - een product van het oplossen van ammoniak in water (de oplossing is alkalisch, hoewel zwakker dan in het geval van alkalimetaalhydroxiden) en de reactie ervan met zuren. Het ion reageert op dezelfde manier met de zwaardere alkalimetalen, en de nauwste relatie is bijvoorbeeld met kalium. Het is bijvoorbeeld vergelijkbaar in grootte met het kaliumkation en vervangt vaak K + in zijn natuurlijke verbindingen. Lithiummetalen zijn te reactief om te worden verkregen door elektrolyse van waterige oplossingen van zouten en hydroxiden. Met behulp van een kwikelektrode wordt een metaaloplossing in kwik (amalgaam) verkregen. Het ammoniumion lijkt zo op alkalimetalen dat het ook een amalgaam vormt.

In het systematische verloop van de analyse L.materialen met magnesiumionen worden als laatste ontdekt. De reden is dat hun chloriden, sulfaten en sulfiden goed oplosbaar zijn, wat betekent dat ze niet neerslaan onder invloed van eerder toegevoegde reagentia die worden gebruikt om de aanwezigheid van zwaardere metalen in het monster te bepalen. Hoewel ammoniumzouten ook zeer goed oplosbaar zijn, worden ze helemaal aan het begin van de analyse gedetecteerd, omdat ze niet bestand zijn tegen verwarming en verdamping van oplossingen (ze ontleden vrij gemakkelijk onder het vrijkomen van ammoniak). De procedure is waarschijnlijk bij iedereen bekend: er wordt een oplossing van een sterke base (NaOH of KOH) aan het monster toegevoegd, waardoor ammoniak vrijkomt.

Sam аммиак het wordt gedetecteerd door de geur of door met water bevochtigd universeel papier op de hals van de reageerbuis aan te brengen. GasNH₃ lost op in water en maakt de oplossing alkalisch en kleurt het papier blauw.

7. Detectie van ammoniumionen: links wordt de teststrip blauw onder invloed van vrijgekomen ammoniak, rechts een positief resultaat van de Nessler-test

Wanneer u ammoniak op geur detecteert, vergeet dan niet om uw neus in het laboratorium te gebruiken. Leun daarom niet over het reactievat, richt de dampen met een waaierbeweging van uw hand naar u toe en inhaleer de lucht niet “met volle borst”, maar laat de geur van de verbinding uw neus bereiken.

De oplosbaarheid van ammoniumzouten is vergelijkbaar met die van vergelijkbare kaliumverbindingen, dus het kan verleidelijk zijn om ammoniumperchloraat NH te bereiden.₄ClO₄ en een kobaltcomplex (zie vorige aflevering voor details). De gepresenteerde methoden zijn echter niet geschikt voor het detecteren van zeer kleine hoeveelheden ammoniak- en ammoniumionen in een monster. In laboratoria wordt hiervoor het reagens van Nessler gebruikt, dat zelfs bij aanwezigheid van sporen van NH neerslaat of van kleur verandert₃ (7).

Ik raad echter ten zeerste af om deze test thuis uit te voeren, omdat hiervoor giftige kwikverbindingen nodig zijn.

Wacht tot je in een professioneel laboratorium bent onder professionele begeleiding van een mentor. Scheikunde is fascinerend, maar - voor degenen die het niet weten of onzorgvuldig zijn - kan het gevaarlijk zijn.

Zie ook: