דפוס מתכת חלק 3 - כל השאר
אחרי הליתיום, המשמש יותר ויותר בכלכלה המודרנית, והנתרן והאשלגן, שהם מהיסודות החשובים בתעשייה ובעולם החי, הגיע הזמן לשאר היסודות האלקליים. לפנינו רובידיום, צסיום ופרנק.
שלושת היסודות האחרונים דומים מאוד זה לזה, ובמקביל בעלי תכונות דומות לאשלגן ויחד איתו יוצרים תת-קבוצה הנקראת אשלגן. מכיוון שכמעט בוודאות לא תוכל לערוך ניסויים עם רובידיום וצסיום, עליך להסתפק במידע שהם מגיבים כמו אשלגן ושהתרכובות שלהם הן בעלות מסיסות זהה לתרכובות שלה.
1. אבות הספקטרוסקופיה: רוברט וילהלם בונסן (1811-99) משמאל, גוסטב רוברט קירכהוף (1824-87) מימין
התקדמות מוקדמת בספקטרוסקופיה
תופעת צביעת הלהבה בתרכובות של יסודות מסוימים הייתה ידועה ושימשה לייצור זיקוקים הרבה לפני ששוחררו למצב החופשי. בתחילת המאה התשע-עשרה חקרו מדענים את הקווים הספקטרליים המופיעים באור השמש ונפלטים על ידי תרכובות כימיות מחוממות. בשנת 1859, שני פיזיקאים גרמנים - רוברט בונסן i גוסטב קירכהוף - בנה מכשיר לבדיקת האור הנפלט (1). הספקטרוסקופ הראשון היה בעל עיצוב פשוט: הוא מורכב ממנסרה שהפרידה בין אור לקווים ספקטרליים עינית עם עדשה להתבוננותם (2). התועלת של הספקטרוסקופ לניתוח כימי הבחינה מיד: החומר מתפרק לאטומים בטמפרטורה הגבוהה של הלהבה, ואלה פולטים קווים האופייניים רק לעצמם.
2. G. Kirchhoff בספקטרוסקופ
3. צזיום מתכתי (http://images-of-elements.com)
בונסן וקירצ'הוף החלו במחקר שלהם ושנה לאחר מכן הם התאידו 44 טונות של מים מינרליים ממעיין בדורקהיים. בספקטרום המשקעים הופיעו קווים שלא ניתן היה לייחסם לשום יסוד ידוע באותה תקופה. בונסן (גם הוא היה כימאי) בודד את הכלוריד של יסוד חדש מהמשקע, ונתן את השם למתכת הכלולה בו. CEZ מבוסס על הקווים הכחולים החזקים בספקטרום שלו (לטינית = כחול) (3).
כמה חודשים לאחר מכן, כבר ב-1861, מדענים בחנו ביתר פירוט את הספקטרום של מרבץ המלח וגילו נוכחות של יסוד נוסף בו. הם הצליחו לבודד את הכלוריד שלו ולקבוע את המסה האטומית שלו. מכיוון שקווים אדומים נראו בבירור בספקטרום, שמה של מתכת הליתיום החדשה אדיש (מלטינית = אדום כהה) (4). גילוי שני יסודות באמצעות ניתוח ספקטרלי שכנע כימאים ופיזיקאים. בשנים שלאחר מכן הפכה הספקטרוסקופיה לאחד מכלי המחקר העיקריים, ותגליות ירדו כמו קרן שפע.
4. רובידיום מתכת (http://images-of-elements.com)
רוביד הוא אינו יוצר מינרלים משלו, וצסיום הוא רק אחד (5). שני האלמנטים. שכבת פני השטח של כדור הארץ מכילה 0,029% רובידיום (מקום 17 ברשימת שפע היסודות) ו-0,0007% צזיום (מקום 39). הם אינם ביולוגיים, אך חלק מהצמחים מאחסנים רובידיום באופן סלקטיבי, כגון טבק וסלק סוכר. מנקודת מבט פיזיקוכימית, שתי המתכות הן "אשלגן על סטרואידים": אפילו יותר רכות ומתמזגות, ואפילו יותר תגובתיות (למשל, הן מתלקחות באופן ספונטני באוויר, ואפילו מגיבות עם מים בפיצוץ).
דרך זה היסוד הכי "מתכתי" (בכימי, לא במובן השגור של המילה). כפי שהוזכר לעיל, תכונות התרכובות שלהם דומות גם לאלו של תרכובות אשלגן אנלוגיות.
5 פולוציט הוא מינרל הצזיום היחיד (USGS)
רובידיום מתכתי וצסיום מתקבל על ידי הפחתת התרכובות שלהם עם מגנזיום או סידן בוואקום. מכיוון שהם נחוצים רק לייצור סוגים מסוימים של תאים פוטו-וולטאיים (אור מקרי פולט בקלות אלקטרונים ממשטחיהם), הייצור השנתי של רובידיום וצסיום הוא בסדר גודל של מאות קילוגרמים. התרכובות שלהם גם לא נמצאות בשימוש נרחב.
כמו אשלגן, אחד האיזוטופים של רובידיום הוא רדיואקטיבי. ל-Rb-87 זמן מחצית חיים של 50 מיליארד שנים, כך שהקרינה נמוכה מאוד. איזוטופ זה משמש לתארך סלעים. לצסיום אין איזוטופים רדיואקטיביים טבעיים, אבל CS-137 הוא אחד מתוצרי הביקוע של אורניום בכורים גרעיניים. הוא מופרד ממוטות דלק בשימוש מכיוון שהאיזוטופ הזה שימש כמקור לקרינת g, למשל, להשמדת גידולים סרטניים.
לכבוד צרפת
6. מגלה השפה הצרפתית - מרגריט פרי (1909-75)
מנדלייב כבר חזה את קיומה של מתכת ליתיום כבדה מצסיום ונתן לה שם עבודה. כימאים חיפשו אותו במינרלים אחרים של ליתיום, כי כמו קרוב משפחה שלהם, הוא צריך להיות שם. כמה פעמים נראה היה שהוא התגלה, אמנם באופן היפותטי, אך מעולם לא התממש.
בתחילת שנות ה-87, התברר שהיסוד 1914 הוא רדיואקטיבי. בשנת 227, פיזיקאים אוסטרים היו קרובים לגילוי. S. Meyer, W. Hess ו-F. Panet צפו בקרינת אלפא חלשה מאקטיניום-89 (בנוסף לחלקיקי בטא המופרשים בשפע). מכיוון שהמספר האטומי של אקטיניום הוא 87, ופליטת חלקיק אלפא נובעת מ"הפחתה" של היסוד לשני מקומות בטבלה המחזורית, האיזוטופ עם המספר האטומי 223 ומספר המסה XNUMX היה צריך להיות חלקיקי אלפא של אולם אנרגיה דומה (טווח החלקיקים באוויר נמדד באופן פרופורציונלי לאנרגיה שלהם) שולחת גם איזוטופ של פרוטקטיניום, מדענים אחרים הציעו זיהום של התרופה.
עד מהרה פרצה מלחמה והכל נשכח. בשנות ה-30 תוכננו מאיצי חלקיקים והושגו היסודות המלאכותיים הראשונים, כמו האסטטיום המיוחל עם המספר האטומי 85. במקרה של יסוד 87, רמת הטכנולוגיה של אז לא אפשרה להשיג את הכמות הנדרשת של חומר לסינתזה. הפיזיקאי הצרפתי הצליח באופן בלתי צפוי מרגריט פרי, תלמידתה של מריה סקלודובסקה-קירי (6). היא, כמו האוסטרים לפני רבע מאה, חקרה את ריקבון האקטיניום-227. ההתקדמות הטכנולוגית אפשרה להשיג הכנה טהורה, והפעם לאף אחד לא היו ספקות שהוא זוהה סופית. החוקר קרא לו צרפתי לכבוד מולדתם. יסוד 87 היה האחרון שהתגלה במינרלים, הבאים הושגו באופן מלאכותי.
צרפתית הוא נוצר בענף הצדדי של הסדרה הרדיואקטיבית, בתהליך בעל יעילות נמוכה, ויתרה מכך, הוא קצר מועד. לאיזוטופ החזק ביותר שהתגלה על ידי גברת פרי, Fr-223, יש זמן מחצית חיים של קצת יותר מ-20 דקות (כלומר, רק 1/8 מהכמות המקורית נשאר לאחר שעה). בוצע חישוב שכל הגלובוס מכיל רק כ-30 גרם פרנק (נוצר שיווי משקל בין האיזוטופ המתכלה לאיזוטופ החדש שנוצר).
למרות שלא הושג החלק הגלוי של תרכובות הפרנק, נחקרו תכונותיו, ונמצא שהוא שייך לקבוצה הבסיסית. לדוגמה, כאשר מוסיפים פרכלורט לתמיסה המכילה יוני פרנק ואשלגן, המשקע יהיה רדיואקטיבי, לא התמיסה. התנהגות זו מוכיחה כי FrClO4 מעט מסיס (משקע עם KClO4), ותכונותיו של פרנציום דומות לאלו של אשלגן.
צרפת, איך הוא יהיה...
... אם הייתי יכול לקבל דגימה שלו גלויה לעין בלתי מזוינת? כמובן, רך כמו שעווה, ואולי עם גוון זהוב (הצזיום שמעליו רך מאוד וצבעו צהבהב). הוא יימס ב-20-25 מעלות צלזיוס ויתאדה בסביבות 650 מעלות צלזיוס (הערכה מבוססת על נתונים מהפרק הקודם). בנוסף, זה יהיה מאוד פעיל מבחינה כימית. לכן יש לאחסן אותו ללא גישה לחמצן ולחות ובמכל המגן מפני קרינה. יהיה צורך להזדרז עם הניסויים, כי בעוד כמה שעות כמעט ולא יישארו צרפתים.
ליתיום כבוד
זוכרים את הפסאודו-הלוגנים ממחזור ההלוגן של השנה שעברה? אלו יונים שמתנהגים כמו אניונים כמו Cl- או לא-. אלה כוללים, למשל, ציאנידים CN- ושומות SCN-, יוצרים מלחים בעלי מסיסות דומה לזו של אניונים מקבוצה 17.
גם לליטאים יש חסיד, שהוא יון האמוניום NH. 4 + - תוצר של התמוססות אמוניה במים (התמיסה היא בסיסית, אם כי חלשה יותר מאשר במקרה של הידרוקסיד מתכת אלקלי) והתגובה שלה עם חומצות. היון מגיב באופן דומה עם מתכות אלקליות כבדות יותר, והקשר הקרוב ביותר שלו הוא לאשלגן, למשל, הוא דומה בגודלו לקטיון האשלגן ולעיתים מחליף את K+ בתרכובותיו הטבעיות. מתכות ליתיום הן תגובתיות מדי מכדי להתקבל על ידי אלקטרוליזה של תמיסות מימיות של מלחים והידרוקסידים. באמצעות אלקטרודת כספית מתקבלת תמיסת מתכת בכספית (אמלגם). יון האמוניום כל כך דומה למתכות אלקליות שהוא גם יוצר אמלגם.
במהלך השיטתי של הניתוח של ל.חומרים של יוני מגנזיום הם האחרונים שהתגלו. הסיבה היא המסיסות הטובה של הכלורידים, הסולפטים והסולפידים שלהם, מה שאומר שהם אינם משקעים תחת פעולתם של ריאגנטים שנוספו בעבר ששימשו לקביעת נוכחותן של מתכות כבדות יותר בדגימה. למרות שמלחי אמוניום הם גם מסיסים מאוד, הם מתגלים כבר בתחילת הניתוח, מכיוון שהם אינם עומדים בחימום ובאיידוי של תמיסות (הם מתפרקים די בקלות עם שחרור אמוניה). ההליך כנראה ידוע לכולם: לדגימה מוסיפים תמיסה של בסיס חזק (NaOH או KOH), הגורמת לשחרור אמוניה.
סם אמוניה זה מזוהה על ידי ריח או על ידי מריחת פיסת נייר אוניברסלית הרטובה במים על צוואר המבחנה. גז NH3 מתמוסס במים והופך את התמיסה לבסיסית והופך את הנייר לכחול.
7. איתור יוני אמוניום: משמאל רצועת הבדיקה הופכת לכחול בפעולת האמוניה המשתחררת, מימין תוצאה חיובית של בדיקת נסלר
כאשר מזהים אמוניה בעזרת ריח, כדאי לזכור את כללי השימוש באף במעבדה. לכן, אין להישען על כלי התגובה, לכוון את האדים לעבר עצמך בתנועת מניפה של ידך ואל לשאוף את האוויר "מלוא החזה", אלא לתת לארומת התרכובת להגיע לאף בעצמו.
המסיסות של מלחי אמוניום דומה לזו של תרכובות אשלגן אנלוגיות, ולכן עשוי להיות מפתה להכין אמוניום פרכלוראט NH.4קלו4 ומתחם מורכב עם קובלט (לפרטים ראו בפרק הקודם). עם זאת, השיטות המוצגות אינן מתאימות לאיתור כמויות קטנות מאוד של יוני אמוניה ואמוניום בדגימה. במעבדות נעשה שימוש במגיב של נסלר למטרה זו, אשר מזרז או משנה צבע גם בנוכחות עקבות של NH3 (7).
עם זאת, אני ממליץ בחום לא לעשות בדיקה מתאימה בבית, שכן יש צורך להשתמש בתרכובות כספית רעילות.
המתן עד שתהיה במעבדה מקצועית בפיקוח מקצועי של מנטור. כימיה מרתקת, אבל - למי שלא יודע אותה או לא זהיר - היא עלולה להיות מסוכנת.
ראה גם:
