Kovový vzor 3. část - Všechno ostatní

Po lithiu, které se stále více používá v moderní ekonomice, a sodíku a draslíku, které patří k nejdůležitějším prvkům v průmyslu a živém světě, přišel čas na zbytek alkalických prvků. Před námi je rubidium, cesium a franc.

Poslední tři prvky jsou si navzájem velmi podobné a zároveň mají podobné vlastnosti s draslíkem a spolu s ním tvoří podskupinu zvanou draslík. Protože s rubidiem a cesiem téměř jistě nebudete moci dělat žádné experimenty, musíte se spokojit s informací, že reagují jako draslík a že jejich sloučeniny mají stejnou rozpustnost jako jeho sloučeniny.

1. Otcové spektroskopie: Robert Wilhelm Bunsen (1811-99) vlevo, Gustav Robert Kirchhoff (1824-87) vpravo

Rané pokroky ve spektroskopii

Fenomén barvení plamene sloučeninami určitých prvků byl znám a využíván při výrobě ohňostrojů dlouho předtím, než byly uvolněny do volného stavu. Na začátku devatenáctého století vědci studovali spektrální čáry, které se objevují ve světle Slunce a emitují zahřáté chemické sloučeniny. V roce 1859 dva němečtí fyzici - Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff - postavili zařízení pro testování vyzařovaného světla (1). První spektroskop měl jednoduchý design: sestával z hranolu, který rozděloval světlo na spektrální čáry a okulár s čočkou pro jejich pozorování (2). Užitečnost spektroskopu pro chemickou analýzu byla okamžitě zaznamenána: látka se při vysoké teplotě plamene rozpadá na atomy a ty vyzařují čáry charakteristické pouze pro ni.

2. G. Kirchhoff u spektroskopu

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

Bunsen a Kirchhoff zahájili výzkum a o rok později odpařili 44 tun minerální vody z pramene v Durkheimu. Ve spektru sedimentu se objevily čáry, které nebylo možné přiřadit žádnému v té době známému prvku. Bunsen (byl také chemik) izoloval chlorid nového prvku ze sedimentu a dal jméno kovu v něm obsaženém. ČEZ na základě silných modrých čar v jejím spektru (latinsky = modrá) (3).

O pár měsíců později, již v roce 1861, vědci prozkoumali spektrum solného ložiska podrobněji a objevili v něm přítomnost dalšího prvku. Dokázali izolovat jeho chlorid a určit jeho atomovou hmotnost. Vzhledem k tomu, že ve spektru byly jasně viditelné červené čáry, byl pojmenován nový lithiový kov rubidní (z latiny = tmavě červená) (4). Objev dvou prvků prostřednictvím spektrální analýzy přesvědčil chemiky a fyziky. V následujících letech se spektroskopie stala jedním z hlavních výzkumných nástrojů a objevy pršely jako roh hojnosti.

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

Rubidní netvoří vlastní minerály a cesium je pouze jedno (5). Oba prvky. Povrchová vrstva Země obsahuje 0,029 % rubidia (17. místo v seznamu elementárních četností) a 0,0007 % cesia (39. místo). Nejsou to bioprvky, ale některé rostliny selektivně ukládají rubidium, jako je tabák a cukrová řepa. Z fyzikálně-chemického hlediska jsou oba kovy „draslíkem na steroidech“: ještě měkčí a tavitelný a ještě reaktivnější (např. na vzduchu se samovolně vznítí, s vodou dokonce reagují výbuchem).

přes je to nejvíce „kovový“ prvek (v chemickém, nikoli v hovorovém smyslu slova). Jak bylo uvedeno výše, vlastnosti jejich sloučenin jsou také podobné vlastnostem analogických sloučenin draslíku.

5 Pollucit je jediný minerál cesia (USGS)

kovové rubidium a cesium se získává redukcí jejich sloučenin hořčíkem nebo vápníkem ve vakuu. Vzhledem k tomu, že jsou potřeba pouze k výrobě některých typů solárních článků (dopadající světlo snadno vyzařuje z jejich povrchů elektrony), pohybuje se roční produkce rubidia a cesia v řádu stovek kilogramů. Jejich sloučeniny také nejsou široce používány.

Stejně jako u draslíku, jeden z izotopů rubidia je radioaktivní. Rb-87 má poločas rozpadu 50 miliard let, takže radiace je velmi nízká. Tento izotop se používá k datování hornin. Cesium nemá žádné přirozeně se vyskytující radioaktivní izotopy, ale CS-137 je jedním ze štěpných produktů uranu v jaderných reaktorech. Odděluje se od vyhořelých palivových tyčí, protože tento izotop byl používán jako zdroj g-záření například k ničení rakovinných nádorů.

Na počest Francie

6. Objevitelka francouzského jazyka - Marguerite Perey (1909-75)

Mendělejev již předvídal existenci lithiového kovu těžšího než cesium a dal mu pracovní název. Chemici ho hledali v jiných lithiových minerálech, protože by tam stejně jako jejich příbuzný měl být. Několikrát se zdálo, že byl objeven, i když hypoteticky, ale nikdy se nezhmotnil.

Na počátku 87. let vyšlo najevo, že prvek 1914 je radioaktivní. V roce 227 byli rakouští fyzici blízko objevu. S. Meyer, W. Hess a F. Panet pozorovali slabou emisi alfa z přípravku aktinium-89 (kromě hojně vylučovaných beta částic). Protože atomové číslo aktinia je 87 a emise alfa částice je způsobena „redukcí“ prvku na dvě místa v periodické tabulce, izotop s atomovým číslem 223 a hmotnostním číslem XNUMX by měly být alfa částicemi podobná energie však (dosah částic ve vzduchu se měří úměrně jejich energii) také vysílá izotop protaktinia, jiní vědci navrhli kontaminaci léku.

Brzy vypukla válka a vše bylo zapomenuto. Ve 30. letech 85. století byly navrženy urychlovače částic a získány první umělé prvky, např. dlouho očekávaný astatium s atomovým číslem 87. V případě prvku XNUMX tehdejší úroveň technologie neumožňovala získat potřebné množství materiál pro syntézu. Francouzský fyzik nečekaně uspěl Marguerite Pereyová, studentka Marie Sklodowské-Curie (6). Ta, stejně jako Rakušané před čtvrt stoletím, studovala rozpad aktinia-227. Technologický pokrok umožnil získat čistý preparát a tentokrát nikdo nepochyboval, že byl konečně identifikován. Průzkumník ho pojmenoval Francouzský na počest své vlasti. Prvek 87 byl v minerálech objeven jako poslední, další byly získány uměle.

Frans vzniká v postranní větvi radioaktivní řady, v procesu s nízkou účinností a navíc je velmi krátkodobý. Nejsilnější izotop objevený paní Pereyovou, Fr-223, má poločas rozpadu něco málo přes 20 minut (to znamená, že po hodině zbývá pouze 1/8 původního množství). Bylo spočítáno, že celá zeměkoule obsahuje jen asi 30 gramů franku (rovnováha je ustavena mezi rozkládajícím se izotopem a nově vzniklým izotopem).

Přestože viditelná část sloučenin franku nebyla získána, byly studovány její vlastnosti a bylo zjištěno, že patří do alkalické skupiny. Například, když je chloristan přidán do roztoku obsahujícího franky a draselné ionty, bude radioaktivní sraženina, nikoli roztok. Toto chování dokazuje, že FrClO₄ mírně rozpustný (sráží se s KClO₄) a vlastnosti francia jsou podobné vlastnostem draslíku.

Francie, jak by byl...

… Kdybych mohl získat jeho vzorek viditelný pouhým okem? Samozřejmě měkký jako vosk a možná se zlatým odstínem (cesium nad ním je velmi jemné a nažloutlé barvy). Roztál by se při 20-25°C a vypařoval by se kolem 650°C (odhad na základě dat z předchozí epizody). Navíc by byl velmi chemicky aktivní. Proto by měl být skladován bez přístupu kyslíku a vlhkosti a v nádobě, která chrání před zářením. S pokusy by bylo potřeba si pospíšit, protože za pár hodin by na Francouze prakticky nezbyli.

Čestné lithium

Pamatujete na pseudohalogeny z loňského halogenového cyklu? Jsou to ionty, které se chovají jako anionty jako je Cl^- nebo ne^-. Patří mezi ně například kyanidy CN^- a moly SCN^-, tvořící soli s rozpustností podobnou rozpustnosti aniontů skupiny 17.

Litevci mají také následovníka, kterým je amonný iont NH. ₄ ⁺ - produkt rozpouštění amoniaku ve vodě (roztok je alkalický, i když slabší než v případě hydroxidů alkalických kovů) a jeho reakce s kyselinami. Iont podobně reaguje s těžšími alkalickými kovy a jeho nejbližší příbuznost je například draslíku, velikostí se podobá kationtu draslíku a často nahrazuje ve svých přírodních sloučeninách K+. Lithné kovy jsou příliš reaktivní, než aby je bylo možné získat elektrolýzou vodných roztoků solí a hydroxidů. Pomocí rtuťové elektrody se získá kovový roztok ve rtuti (amalgám). Amonný iont je tak podobný alkalickým kovům, že také tvoří amalgám.

V systematickém průběhu analýzy L.hořčíkové iontové materiály jsou poslední objevené. Důvodem je dobrá rozpustnost jejich chloridů, síranů a sulfidů, což znamená, že se nesrážejí působením dříve přidaných činidel používaných ke stanovení přítomnosti těžších kovů ve vzorku. Ačkoli jsou amonné soli také vysoce rozpustné, jsou detekovány na samém začátku analýzy, protože nesnesou zahřívání a odpařování roztoků (s uvolňováním amoniaku se poměrně snadno rozkládají). Postup zná snad každý: do vzorku se přidá roztok silné zásady (NaOH nebo KOH), která způsobí uvolnění amoniaku.

Sam amoniaku zjišťuje se čichem nebo přiložením univerzálního papíru navlhčeného vodou na hrdlo zkumavky. NH plyn₃ rozpouští se ve vodě a zalkalizuje roztok a zbarví papír do modra.

7. Detekce amonných iontů: vlevo testovací proužek zmodrá působením uvolněného amoniaku, vpravo pozitivní výsledek Nesslerova testu

Pokud je čpavek detekován čichem, nezapomeňte na pravidla pro použití nosu v laboratoři. Nenaklánějte se proto nad reakční nádobu, vějířovým pohybem ruky nasměrujte páry k sobě a nevdechujte vzduch „plnou hrudí“, ale nechte aroma sloučeniny, aby se k vašemu nosu dostalo samo.

Rozpustnost amonných solí je podobná jako u analogických sloučenin draslíku, takže může být lákavé připravit chloristan amonný NH.₄ClO₄ a komplexní sloučenina s kobaltem (podrobnosti viz předchozí epizoda). Uvedené metody však nejsou vhodné pro detekci velmi malých množství amoniaku a amonných iontů ve vzorku. V laboratořích se k tomuto účelu používá Nesslerovo činidlo, které se vysráží nebo změní barvu i za přítomnosti stop NH₃ (7).

Důrazně však nedoporučuji provádět vhodný test doma, protože je nutné použít toxické sloučeniny rtuti.

Počkejte, až budete v odborné laboratoři pod odborným dohledem mentora. Chemie je fascinující, ale - pro ty, kteří ji neznají nebo jsou nedbalí - může být nebezpečná.

Viz též: