Химия и Химики № 1 2012. Опыты с калий-натриевым сплавом

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Вступление

Как известно, самый легкоплавкий металл - ртуть. Это единственный металл, который находится в жидком состоянии при нормальных условиях (0°С). Температура плавления ртути минус 38.83°C. Сочетание "жидкий металл" нередко употребляется как синоним слова "ртуть". Ртуть - далеко не единственный "жидкий металл". Конечно, другие легкоплавкие металлы имеют гораздо более высокие температуры плавления [1], однако кроме индивидуальных металлов существует множество сплавов.

Калий и натрий замечательны своей химической активностью, но не менее интересными свойствами обладает их сплав. Сплав натрия и калия, который содержит 40-90% калия (по массе), при комнатной температуре представляет собой серебристо-белую жидкость. Химическая активность подобных сплавов очень велика, на открытом воздухе они мгновенно окисляются, теряя свой блеск, самовоспламеняются при контакте с влажными поверхностями или при растирании на горючих материалах (вроде бумаги), при реакции с водой выделяющийся водород воспламеняется.

В системе натрий - калий при температуре минус 12.5°С наблюдается эвтектическая точка, которая соответствует содержанию калия 77.2% (по массе). Другими словами, сплав натрия с калием может оставаться жидким при температурах ниже 0°С. В системе натрий - калий также установлено существование соединения Na₂K плавящегося при 7°С. Читателям, которые интересуются свойствами натрия, его соединений и сплавов, а также способами их получения, рекомендуем книгу М. Ситтиг Натрий, его производство, свойства и применение (1961) ссылка, а мы тем временем приступим к экспериментам.

_________________________________________________________
¹ Например: цезий (температура плавления 28.4 °C), галлий (Т_пл 29.8°C), индий (Т_пл 156.6°C), литий (Т_пл 180.5 °C).

Получение

Сплав можно приготовить путем сплавления калия и натрия в инертной среде - под слоем инертного растворителя или в атмосфере инертного газа. При этом металлы должны быть очищены от пленки продуктов окисления (пероксидов, супероксидов, гидроксидов, карбонатов).

Для получения сплава был выбран наиболее простой способ - сплавление под слоем вазелинового масла. При этом не обязательно нагревать металлы, достаточно потереть пинцетом друг о друга чистые кусочки металлов и хорошо размешать стеклянной палочкой до образования однородной жидкости. С металлов (под слоем керосина) были срезаны корочки и сформированы кубики приблизительно одинакового размера. Было использовано соотношение (по объему) две части калия к одной части натрия. Обрезанные кусочки были пинцетом перенесены в бюкс с чистым вазелиновым маслом.

Калий и натрий заметно отличаются по цвету. Первый имеет сине-фиолетовый оттенок, второй желтоватый.

Затем держа пинцетами кусочки металлов, нужно потереть их друг о друга. Постепенно в месте соприкосновения образуется жидкий сплав. Потом необходимо тщательно размешать стеклянной палочкой оставшиеся кусочки металлов до образования однородной жидкой массы.

Смотреть Видео (24 Мб, .avi )

Возникает вопрос, как провести опыты с таким неудобным, активным и опасным объектом? Как избавиться от мешающего вазелинового масла? Между тем метод очень прост и позволяет удобно хранить и дозировать чистый сплав!

Необходимо новым инсулиновым шприцем [2] аккуратно отделить жидкий сплав от вазелинового масла и плавающей на поверхности окисной пленки. Для этого погружаем иглу в каплю сплава и осторожно оттягиваем поршень. Постепенно шприц наполнится серебристо-белой жидкостью, похожей на ртуть. В некоторых случаях возможно забивание иголки и сплав "тянется" с трудом, тогда нет нужды заполнять весь шприц. Старайтесь не засосать вазелиновое масло.

Осторожно! Следует работать в защитных очках! Капли сплава попавшие в глаза приведут к слепоте! Попадание на кожу грозит ожогами. Сплав легко может вызвать пожар! Шприц должен быть абсолютно сухим изнутри!

Итак, мы отделили чистый сплав и можем хранить и дозировать его для дальнейших опытов. Резиновый поршень и герметично вставленная тонкая игла защитят сплав от окисления. Иглу после отбора сплава необходимо прикрывать колпачком, следя за тем, чтобы на ней не было капель. На следующий день сплав вблизи стенок шприца совсем немного потерял блеск, игла несколько забилась - сплав выдавливался значительно труднее. Можно немного обрезать иглу ножницами, нам это помогало.

___________________________________________________
² Мы использовали шприц Микро-Файн с тонкой иглой 0.30/8 мм.

На воздухе изначально серебристые и блестящие капли сплава мгновенно тускнеют. Вначале поверхность металла становится серой. Затем образуется белая влажная корочка (из гидроксидов и карбонатов), как скорлупа покрывающая остатки металла.

Отметим интересную особенность - при окислении сплав светится в темноте. Свечение довольно слабое, белого цвета. Напоминает свечение загрязненного фосфора полученного из спичечных терок. Опыт следует проводить в полной темноте, после адаптации глаз в течение нескольких минут. Используйте кусок жести с бортиками или обрезанную консервную банку. Свечение временно усиливается, если на капли сплава подышать.

Посмотреть на металлический блеск (помимо наблюдения сквозь прозрачные стенки шприца) можно выдавив немного сплава под слоем инертного растворителя. Мы использовали вазелиновое масло. Блестящие сферические капли сплава медленно тонут, блеск сохраняется длительное время.