Фторид калия и уран (светящиеся перлы). Potassium fluoride and uranium (glowing beads)

Перлы из фторида натрия с добавкой соединений урана дают яркую желто-зеленую флуоресценцию в ультрафиолетовом свете (лампа черного света). Перлы из фторида калия с добавкой соединений урана дают оранжевое свечение (в ультрафиолете). Причем перлы из фторида натрия я уже получал: их свечение удалось увидеть вживую и заснять [1], зато о том, как выглядят перлы из фторида калия (с добавкой урана), можно судить лишь на основе литературных данных (т.е. - из книг). Почему бы их не приготовить самому? Тем более, что температура плавления фторида калия (846°C) более чем на 100 градусов ниже, чем фторида натрия 993°C, а это не мелочи.

За несколько дней до этого коллега уже получил урановые перлы на основе фторида калия. Солей урана у него не было, зато был набор оптических стекол, а среди них - стекло ЗС7 (цинк-фосфатное оптическое стекло зеленое ЗС7, содержит 2.80% UO₃, который вводится [при изготовлении стекла] через уранат натрия Na₂UO₄).

Стекло ЗС7 нестойкое и покрыто для защиты двумя пластинками, причем незащищенные грани начали покрываться беловатой корочкой "выветривания". Коллега соскоблил немного порошка и использовал его для приготовления перлов с фторидом натрия. Метод "светящихся перлов" очень чувствителен: урана явно должно было хватить с избытком. И действительно перл на основе фторида натрия получился не хуже, чем с чистыми солями урана. Теперь он повторил эту процедуру с фторидом калия. Старался делать примерно в одинаковых условиях.

__________________________________________________
¹ Фторид натрия и уран (светящиеся перлы). Sodium fluoride and uranium (glowing beads) [Ссылка]

Слева - KF + U, в центре - KF, справа - NaF + U
Left - KF + U, center - KF, right - NaF + U

Результаты показаны на фотографии. Слева - урановый перл на основе фторида калия, в центре - просто сплавленный фторид калия, справа - урановый перл на основе фторида натрия. Перед объективом фотоаппарата пришлось поставить прозрачные защитные очки, чтобы отфильтровать ультрафиолет (иначе фотоаппарат видит ультрафиолет и еще дает синий фон). Перл на основе фторида калия дает очень слабое оранжевое свечение, перл на основе фторида натрия - яркое свечение примерно такое же, как урановое стекло. На снимке свечение перла на основе фторида натрия "забивает" свечение уранового перла на основе фторида калия.

Кроме того, фторид калия (чистый и с ураном) еще и быстро расплывается на воздухе - в отличие от фторида натрия.

Такими были исходные данные. Проблема в том, что фторида калия у меня не было, зато был бифторид калия KHF₂ (гидрофторид калия, кислый фторид калия). При нагревании гидрофторид калия разлагается на фторид калия и фтороводород.

KHF₂ = KF + HF

Казалось бы, чего проще: нагреть соль до разложения, а фторид калия пустить в дело? Вопрос: в чем греть? Стекло и фарфор будут реагировать с расплавом фторидов. Должны подойти медь и нержавейка. Следующий вопрос: где греть? Раз нет, ни лаборатории, ни вытяжки, разложение бифторида калия придется проводить на улице - тут без вариантов. Будет лететь фтороводород и, возможно, аэрозоль фторидов.

А почему бы не провести разложение гидрофоторида калия непосредственно в платиновой петельке? Так и сделал. Замысел был в том, что бифторид разложится в пламени до фторида калия, который даст расплав. Застывший перл нужно будет принести домой, опять расплавить и внести в него соль урана.

Дело было во дворе многоэтажки. Взял горелку, платиновую петельку и алюминиевую ложку для бифторида калия. Вместо рабочего столика приспособил пенек, на котором обычно сидит местная алкашня. Бифторид калия, как и ожидал, оказался легкоплавким. Он вспучивается в пламени, как бура (только выделяет при этом не воду, а токсичный фтороводород), легко прилипает к петельке, но легко и слетает. Сначала грел его аккуратно, потом - сильно. Если вынести капельку из пламени - виден белый дым. Все это прогнозируемо: бифторид калия разлагается, летит фтороводород.

Старался греть, как можно сильнее. Почему? Чтобы удалить фтороводород из расплава полностью. В Википедии написано, что гидрофторид калия плавится при температуре 238.7°C и разлагается при 400-500°C. Вот только я уже много раз убедился, что на Википедию полагаться нельзя (особенно - на русскоязычную): нередко там встречаются заведомо ложные факты. Про случайные ошибки - молчу (например, в другом месте этой же статьи приведено уравнение разложения гидрофторида калия, где указана другая температура - 300-400°C). Даже на солидные справочники не стоит слепо полагаться (например, недавно в одной из таких книг прочитал, что красный фосфор, оказывается, растворяется в этаноле - юмор и только).

Поэтому решил греть "до ручки": пока не перестанет выделяться белый дым фтористого водорода. Останется фторид калия: что с ним случится от перегрева? Ничего.

Процедура выглядела следующим образом: накалял платиновую петельку, затем прикасался к ней к гидрофториду калия в ложке. Он плавился, вспучивался и приставал к проволоке. Затем вносил петельку в пламя. Гидрофторид быстро плавился, превращался в прозрачную и подвижную жидкость - капельку, которая часто выскальзывала из петельки. Поэтому сначала приходилось греть осторожно. Потом прокаливал сильно. Пламя светилось - сначала желтым (примеси натрия - как же без них), потом - розово-фиолетовым (калий). Если расплавленный перл вынуть из племени, он активно дымил. Я решил, что это выделяется из расплава фтороводород. Так оно первоначально и было, но когда капелька нагревалась до температур, явно выше 500°C (яркий красный накал), она продолжала дымить. Сколько не нагревай, выносишь перл из пламени, а дым все идет... Да сколько же времени остатки фтороводорода будут удерживаться расплавом?!

Ветер задувал пламя, и это создавало проблему. Но он же и защищал от паров фтороводорода - я сознательно сел с надветренной стороны. Тем не менее, когда ветер поменял направление, я ощутил, что белый дым от капли - исключительно едкий.

Вторая неожиданность была в том, что капелька при нагревании постепенно уменьшается в объеме и испаряется полностью. Без остатка. Несколько раз переделал - результат одинаковый. Вот так. Неужели фторид калия нагревается до температуры кипения? Исключено: он кипит при 1502°C, не думаю, чтобы горелка давала такую температуру.

Остановился на том, что не стал греть каплю расплава "до победного конца" - т.е. до прекращения выделение белого дыма. Прогрел, дал застыть и принес домой. Там оказалось, что остывший перл активно поглощает воду: внешне я этого не заметил, но стоило пошевелить платиновой петелькой, и от перла отлетели белые капельки. Я помнил, что писал коллега: перл на основе фторида калия активно поглощает влагу, но я не думал, что насколько. Поэтому решил, что такая гигроскопичность связана с остатками кислых фторидов калия.

А как еще получить фторид калия из гидрофторида? Добавить бы поташ, чтобы перевести гидрофторид калия во фторид без термического разложения и поташ у меня есть, но разгребать залежи реактивов - дело очень долгое. Места не хватает, поэтому банка стоит на банке. Зато карбонат лития, как на зло, оказался под рукой (будь он неладен). Поташ хорош тем, что его избыток допустим (более того, некоторые авторы рекомендовали использовать для получения перлов не чистый фторид калия, а тройную смесь: фторид калия - поташ - сода). Пришлось вместо поташа использовать едкое кали. Насыпал немного гидрофторида калия в ложку из нержавейки, добавил гранулу KOH и немного воды. Растворил твердые вещества, проверил по универсальной индикаторной бумажке - реакция близка к нейтральной (т.е. избытка щелочи не было: я не был уверен, что избыток KOH в перлах с ураном допустим). Потом аккуратно упарил содержимое ложки на газовой плите до состояния кашицы. Эту кашицу поместил в платиновую петельку и нагрел.

В этот раз тоже грел не "до победного конца" (не до прекращения выделение белого дыма), в результате получил белый перл из фторида калия. Вся кухня заполнилась тяжелым, едким запахом. Он напомнил мне аэрозоль концентрированной серной кислоты ("белые пары", которые появляются при упаривании серной кислоты).

Полученный белый перл снова расплавил и прикоснулся ним к нитрату уранила. Несколько частичек вещества прилипли к расплаву и дали (при разложении) черный оксид урана. Теперь оксид урана нужно сплавить с фторидом калия. Стал нагревать. В результате перл с ураном начал таять в пламени, а затем резко "исчез". На кухне, кстати.

Расстроился я из-за этого гидрофторида. Если бы не получилось, например, из-за того, что рука дрожала и капелька соскальзывала - было бы понятно. Но тут другое: куда перл делся физически? Пробовал много раз. Результат - чистая петелька.

Посмотрел еще раз: температура кипения фторида калия - 1502°С. Неужели польская горелка дает сколько? Оказалось - да. Пропан-бутановая горелка вполне может нагреть маленькую каплю до такой температуры. Белый дым, который я наблюдал, только сначала был дымом фтористого водорода, а потом уже испарялся фторид калия. Испарялся в пламени и сразу же конденсировался за его пределами - образуя белый аэрозоль (дым). Если греть "до победного конца", весь перл испарится, останется только платиновая петелька (хорошо хоть у платины температура плавления 1768°C, иначе бы и проволока расплавилась...)

Раз так - взял горелку Бунзена, которая работала на природном газе и давала менее горячее пламя. И действительно, перлы в ее пламени не исчезали и дымили только с самого начала: пока не улетит весь фтористый водород (перл дымил, если его вынести из пламени на короткое время). Единственное, пламя польской пропан-бутановой горелки было горизонтальным, а горелки Бунзена - вертикальным. Последнее создавало неудобства, поскольку фторид калия нередко капал с петельки и попадал прямо на горелку (расположенную снизу). Один раз упавшая капля перекрыла сопло (то, что снизу - внутри трубки): пришлось остановить эксперимент и вытрушивать (выбивать) застывший фторид калия из горелки.

Зато перл из чистого фторида калия получился. Он оказался очень гигроскопичным: стоило оставить его на несколько минут после охлаждения, и перл успевал наглотаться воды. Это было четко заметно при последующем нагревании: перл шипел в пламени, его внешние слои становились рыхлыми - и только затем он превращался в каплю прозрачного расплава.

Нагретым перлом прикоснулся к нескольким крупинкам нитрата уранила - они прилипли. Снова внес перл в пламя, расплавил, затем охладил. Сразу же принес и включил лампу черного света. Убедился, что перл светится. Но дело было днем, единственное темное место - ванная комната. Использовать крышку унитаза в качестве предметного столика оказалось неудобно, поэтому хороших фото светящегося перла так и не получилось.

Пришлось ждать до вечера: я не сомневался, что перл до этого времени не доживет - поплывет из-за поглощения влаги. И действительно, вскоре при легком движении платиновой проволоки от перла стали отделяться капельки.

Вечером сделал новый перл: оранжевый с черными включениями (оксид урана). И заснял его свечение. Сразу же после приготовления перл светится ярко желто-зеленым светом, потом свечение тускнеет и становится оранжевым. Через несколько минут свечение тускнеет еще сильнее. Зато на видео перл почему-то все время выглядит желто-зеленым, хотя визуально он оранжевый (за исключением нескольких десятков секунд после остывания, когда он визуально также выглядит желто-зеленым).

Если взять потускневший перл и нагреть в пламени до плавления матрицы, интенсивность и цвет свечения восстановится. - Пока он снова не наглотается воды из воздуха. При "регенерации" перла держать петельку нужно с наклоном вниз - чтобы раствор и расплав фторида калия стекал вниз - в петельку, а не размазывался по платиновой проволоке.

Кстати, потом выяснилось, что коллега использовал для получения перлов из фторида калия с ураном вместо газовой горелки обычную спиртовку. Тепла пламени хватило. И никаких проблем с выкипанием фторида калия, разумеется.

По поводу гигроскопичности фторида калия (причем плавленого). Фторид калия активно поглощает воду из воздуха, а фторид натрия - нет: это удивительно. Ведь обычно именно соли натрия образуют кристаллогидраты и (или) отличаются гигроскопичностью, а аналогичные соли калия - нет. Конечно, бывает по-разному, но вспомните известные примеры: хлорат калия негигроскопичен, а хлорат натрия - гигроскопичен, он расплывается на воздухе и дает кристаллогидрат; калиевая селитра негигроскопична, натриевая - расплывается на воздухе. Так же обстоит дело и с перхлоратами калия и натрия. Перхлорат калия устойчив на воздухе и малорастворим в воде, перхлорат натрия растворим хорошо, дает гидрат, который расплывается на воздухе. Именно поэтому в пиротехнике используют перхлорат, хлорат и нитрат калия, а не аналогичные натриевые соли.

Практически все имели дело с перманганатом калия - несмотря на всякие запреты "марганцовки", но далеко не каждый задумывался о самом существовании перманганата натрия. Почему выпускают именно калиевую соль, а не натриевую? Причина та же: перманганат натрия гигроскопичен, дает гидраты, зато перманганат калия не плывет на воздухе и не дает гидратов (кроме того, перманганат натрия намного лучше растворим в воде, чем калиевая соль).

С другой стороны, свойства фторидов не так и редко отличаются аномалиями по сравнению со свойствами других аналогичных солей. Поэтому удивляться не приходится.

Так бывает часто: описание процедуры опыта можно изложить в 2-3 предложениях, зато злоключений экспериментатора хватило на целый рассказ. Именно поэтому помещаю его в раздел "Литпортал".

Potassium fluoride and uranium (glowing beads)

Download the Video / Скачать Видео (86 Мб, .avi )