Химия и Химики № 7 2016. Рассказ о натрии, калии, рубидии и цезии (художественное произведение из области химии). Story about sodium, potassium, rubidium and cesium

Запаивание натрия в ампулы (неудачный эксперимент)
Ampoules with metallic sodium (failed experiment)

Итак, стояла задача запаять натрий в ампулы. Запаять так, чтобы металл в ампулах остался блестящим. Задача эта сложная даже для оснащенной лаборатории (разве что вы разжились установкой для запаивания ампул под вакуумом), в нашем же случае все пришлось делать на коленках (или почти на коленках). Про опасность работы с натрием - молчу, т.к. сказал об этом более чем достаточно в первой и второй части статьи.

Первая проблема, с которой я столкнулся, - пробирки из тугоплавкого боросиликатного стекла. Директор, будучи профессиональным менеджером, естественно, купил пробирки покрасивее (для них главное не товар, а товарный вид). Вот только "красота" эта не желала формоваться в ампулы, даже если сосредоточить пламя сразу двух горелок. Стекло слегка размякло, но не более.

На следующий день принес из дома легкоплавких пробирок ("обычных") и стал вспоминать, как делать ампулы. После нескольких неуклюжих попыток получилось удовлетворительно. Сходу запаял ртуть из разбитого термометра [1].

Зачем? - Ну, надо же хоть что-то сделать! Получится ли сделать "блестящий натрий в ампулах", я не знал, но не сомневался, что задача трудная и шансы на успех невелики (учитывая отсутствие условий, а, главное, - времени). Зато хотя бы ампулу со ртутью показать можно будет. Показал, причем, не директору, а сотруднице, которая должна была снабжать всем необходимым (показал, как бы случайно, между прочим). Естественно, она все рассказала директору.

Если бы нужно было запаять в ампулы ртуть, а не натрий... Работа - не бей лежачего! И ртуть тоже, кстати,- "блестящий металл". Но нужен был натрий. А потом - калий, рубидий и цезий. Додумались ли они до франция - не знаю. Не удивлюсь, если да.

После того, как научился делать ампулы из пробирок, приступил к запаиванию.

Для пробного опыта заполнил лоток аргоном, отрезал под слоем газа немного натрия, поместил в пробирку, прикрыл пробкой. Попробовал запаять. При нагреве в прикрытой пробирке поверхность натрия стала матовой, но запаять удалось (пробку плотно закрывать нельзя, иначе место спая раздувается за счет избыточного давления внутри пробирки).

Блестящая поверхность металла покрылась серой пленкой. Может натрий аккуратно подогреть в пробирке, чтобы обновить поверхность? Нагрел в пламени. Результат оказался неожиданным. Ни взрыва, ни треснувшего стекла - все обошлось.

Зато внутри пробирки появились белые пары, которые конденсировались в капли маслянистой жидкости на стенках пробирки. На воду не похоже, но я не мог исключить, что это все-таки вода, которая десорбировалась с поверхности стекла и конденсировалась над натрием. Звучит маловероятно, но если это все-таки капли воды, при попадании их на натрий будет взрыв (ампула ведь запаяна). Отложил ампулу со всеми предосторожностями в сторону.

Ампулы перед подобными операциями нужно тщательно сушить в сушильном шкафу - несколько часов при температуре 150°С, чтобы влага улетела с гарантией. Другую посуду (колбы, стаканы...), которая используется для синтеза веществ, которые взаимодействуют с водой, также тщательно сушат. Классический пример - синтез реактива Гриньяра.

Разумеется, сушильного шкафа не было - директор пообещал его купить (прямо, как в фильме Кин-дза-дза: "Ты нам спичку сейчас отдашь, а мы тебе потом жёлтые штаны привезём, идёт?"). Оборудование нужно здесь и сейчас - для того, чтобы сделать работу, но ты сначала сделай, а все необходимое мы купим потом.

Со временем капли внутри ампулы не исчезли, плюс оттенок их был желтоватым. Забегая наперед, скажу, что это был парафин. Парафин содержался в самом натрии (в монолите металла) - по большому счету, работу нужно было прекращать уже тогда: как только выяснилось, что натрий грязный.

1. Поставили нереальные сроки? - Хорошо.

2. Дали три задания под видом одного? (Организация лаборатории, разработка методики и собственно запаивания натрия в ампулы). - Даже это - хорошо.

3. Один человек не имеет права работать в лаборатории (из соображений ТБ), а вы поставили тут меня одного? - Хорошо: до поры до времени забудем про это. - Тем более, что директор с радостью согласился бы мне помогать, вот только "помощь" неквалифицированного человека в лаборатории может дорого обойтись. - Для всех.

4. Но вы подсунули некачественный натрий - а это уже совсем нехорошо, т.к. создается угроза для здоровья и жизни людей.

К сожалению, тогда я от работы не отказался. Кроме того, сразу не было уверенности, что парафин (или другие высококипящие углеводороды) содержался именно в объеме натрия, а не попали в него за счет плохо очищенной поверхности натрия.

Узнав о моих злоключениях, коллега прислал методику, как запаивать натрий в ампулы. Коллега сам этого не делал, но методика взята из книги Верховского [2], а методики данного автора отличаются достоверностью. Приведу эту методику полностью.

Щелочные металлы
ПОЛУЧЕНИЕ ПРЕПАРАТОВ КАЛИЯ И НАТРИЯ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ НА УРОКАХ
Куски калия и натрия, хранящиеся в керосине, не удобны для демонстрации на уроках, так как они бывают покрыты слоем веществ, маскирующих их металлический блеск.

В школе можно приготовить запаянные ампулы с калием и натрием, которые могут служить очень удобными учебными пособиями. Для этой цели монтируется следующий простой прибор (рис. 399).

Запаивание натрия в ампулы. Ampoules with metallic sodium

У обыкновенной пробирки из легкоплавкого стекла на расстоянии 1/3 от дна делается перетяжка с внутренним диаметром 1.5-2 мм. К отверстию пробирки подбирается резиновая пробка, в которую вставляется тройник, на концы которого надеваются резиновые трубки с винтовыми зажимами. Резиновая трубка с зажимом а присоединяется к прибору для получения сухого аммиака, резиновая трубка с зажимом б (толстостенная) - к водоструйному или другому разрежающему насосу.

Когда прибор собран, извлекают из реактивной банки кусок металла, калия или натрия, и помещают его в фарфоровую чашку с сухим керосином или толуолом. Фарфоровую чашку нагревают до плавления металла (осторожно! Не перегревать, чтобы жидкость не вспыхнула; иметь наготове картон, чтобы прикрыть чашку в случае вспышки). Металл плавится, поверхность его освобождается от посторонних веществ и принимает металлический блеск. Нагревание прекращают и дают чашке охладиться.

Металл застывает в форме шариков. Шарики металла берут щипцами, обтирают фильтровальной бумагой, быстро переносят в приготовленную пробирку и последнюю закрывают пробкой, с тройником; открывают зажим б (зажим а закрыт) и насосом откачивают воздух. Закрыв зажим б, пробирку в наклонном положении осторожно нагревают до плавления металла. На поверхности расплавленного металла всплывает слой окислов и других посторонних веществ. Пробирке быстро придают вертикальное положение, на момент открывают зажим а и дают чистому расплавленному металлу пройти через перетяжку в нижнюю часть пробирки. В это время металл можно слегка нагревать сбоку, чтобы он не затвердел раньше времени. Как только уровень слоя посторонних веществ дойдет до перетяжки, пробирке придают горизонтальное положение и отплавляют нижнюю часть пробирки в остром пламени паяльной горелки.

В изготовленной ампуле удобно наблюдать внешний вид металла. Кроме того, ее можно опустить в стакан с кипящей водой. Металл при этом плавится, и, таким образом, удобно показать легкоплавкость калия и натрия.

Таким же способом можно изготовить ампулу с жидким сплавом калия с натрием. При изготовлении такой ампулы в верхнюю часть пробирки помещают калий и натрий приблизительно в равных количествах (Коковин).

Вместо аммиака решил использовать аргон, а для пробных опытов - обойтись без инертной атмосферы ("блестящий натрий" так не получишь, но можно хотя бы отработать саму "технику перемещения" натрия в ампулы). Водоструйный насос директор купил, осталась "мелочь": сделать кран и раковину, чтобы можно было его установить.

Сантехник, по-видимому, себя уважал и ценил свой труд (не то, что я), поэтому он не стал делать работу в авральном темпе: с сегодня на вчера. О деталях могу только догадываться, но обещания директора, что раковину сделают "завтра", так и остались обещаниями.

У директора возникла "гениальная" идея открутить гибкий шланг, который подводит воду к крану и напрямую присоединить туда водоструйный насос. Я представил себе лабораторию с натрием и калием, по колена затопленную водой, а также затопленных соседей снизу, которые ломятся в дверь. Представил и отказался: здравый смысл все-таки мне до конца не изменил.

Вместо водоструйного насоса решил использовать большой медицинский шприц, которым меня снабдил коллега. Столкнулся еще с одной проблемой: нехватка рук. Мимо воли вспомнил одноименную песню Ромы Федорова [3].

Попросил товарища прийти и немного помочь. Сделал из пробирки ампулу. Поместил в нее куски натрия (выше перетяжки), пробирку закрыл пробкой с трубкой и краном, отсосал из пробирки шприцем воздух, перекрыл кран. Внес верхнюю часть пробирки в пламя. Натрий начал плавиться, и тут снова внутри пробирки появились белые пары и... и какая-то бесцветная жидкость.

Пробирка неожиданно треснула. - Понятно почему: жидкость попала на горячие участки пробирки - стекло этого не выдержало. Попробовал-таки запаять треснувшую пробирку: для начала жидкий натрий нужно было продавить вниз - ниже перемычки. Пробирка окончательно треснула, жидкий натрий потек вниз.

Предвидя такую "пакость", я кроме металлического листа положил снизу картонный лоток для яиц: он хоть и горючий, но горит плохо и не создаст проблем.

Откуда внутри пробирки взялись бесцветная жидкость и белые пары? Натрий я тщательно вытер от вазелинового масла, обрезал от корки продуктов окисления, в которой могло что-то содержаться. Вывод один: парафин содержится в самом металле - в качестве механического включения.

Следующая попытка запаять натрий в ампулу закончилась аналогично: треснувшее стекло, белые пары и белая жидкость внутри пробирки. Запомнилось то, что белые пары на выходе из пробирки загорелись от контакта с пламенем (и кто бы мог подумать!? Улыбка

).

Потом я попытался запаивать ампулы, когда был сам, и рук снова не хватало. Вернее - не хватило. От подачи инертного газа (аргон) по этой причине пришлось отказаться. А на воздухе натрий, либо застывал (когда нагрев был умеренным), либо загорался прямо внутри пробирки.

Выяснилась еще одна - очень неприятная - подробность. При слишком сильном нагревании натрий реагировал со стеклом. Если нагревать стекло, внутри которого находится натрий, стекло становилось черным, причем в момент реакции оно раскалялось до желтого свечения. Это было полбеды, но такое стекло не желало паяться вообще, или паялось, но с трудом. По-видимому, черный цвет стекла был обусловлен тем, что в результате реакции натрий частично вытеснил кремний из силикатов. Скорее всего, этим же объясняется и тот факт, что стекло теряет или почти теряет способность паяться.

Другими словами, на момент запаивания в перемычке ампулы не должно быть натрия. Это не проблема, если у вас есть термостат (сушильный шкаф): выставить в нем температуру 150-200°С и проводить процедуры по заполнению ампул внутри термостата. Температура плавления натрия - чуть ниже 100°С, поэтому натрий не стал бы застывать внутри перемычки ампулы. А при нагреве в пламени горелки натрий либо застывал, либо перегревался и загорался, либо перегревался и реагировал со стеклом (в последнем случае никакая атмосфера аргона или аммиака не поможет).

Попытка использовать вместо термостата песчаную баню (обогреваемую электроплиткой) не дала удовлетворительного результата.

Кстати, заметил: в ходе моих неудачных попыток синее пламя горелок надолго окрасилось в желтый цвет. - Явно на горелки попало много натрия и продуктов его окисления.

Большинство ампул все-таки удалось запаять, в некоторых ампулах натрий даже остался блестящим, но, ни о каком "товарном виде" говорить не приходилось. Плюс "белые пары" парафина никуда не делись: они конденсировались внутри пробирки, покрывая стенки белым налетом.

Выхода было два: умный и глупый. Умный - немедленно позвонить директору и сообщить, что его натрий грязный, что категорически недопустимо: на этом все мои обязательства заканчиваются. Глупый выход - пробовать как-то очистить натрий от парафина.

Я выбрал глупый выход: о грязном натрии сообщил, но продолжил работу (даже звонить специально не пришлось: директор сам мне часто названивал).

Кстати, тоже на заметку: человека, который работает, отвлекать нельзя. Это касается, и химика, который работает с опасными веществами, и сантехника, который чинит кран, и повара, который варит борщ. Не касается это, разве что "офисного планктона". Если менеджер не понимает разницу между планктоном и специалистом, и обращается со специалистом, как с подручным офисным планктоном - он гарантированно запорет дело, независимо от вашего и даже от его собственного желания.

Как удалить из натрия парафин? Первая идея - переплавить натрий под слоем вазелинового масла, чтобы углеводороды перешли из натрия в вазелиновое масло. Затем в лотке с аргоном вынуть кусочек натрия, протереть, прополоскать его в гексане (чтобы удалить остатки масла с гарантией), подождать, пока гексан улетит и поместить натрий в ампулу (все под аргоном).

__________________________________________________
¹ Ампула со ртутью (запаивание). Ampoule with metallic mercury (ampoule sealing) [ссылка]

² В.Н. Верховский Техника и методика химического эксперимента в школе. Том 2 (1960), С.530-531 [ссылка]

³ Рома Федоров - Если вдруг не хватает рук [ссылка]

Watch the video / Смотреть Видео (86 Мб, .avi ) Watch the video / Смотреть Видео 2 (191 Мб, .avi )

Плавление натрия (в вазелиновом масле)
Melting of sodium (in mineral oil)

Итак, чтобы запаять в ампулы "блестящий натрий", предстояло удалить из натрия парафин. Для этого решил переплавить натрий под слоем вазелинового масла. Собственно, вазелиновое масло - единственная подходящая жидкость, которая была в этой "лаборатории". Недостаток вазелинового масла в том, что оно почти не летучее: остатки масла на натрии можно разве что вытереть фильтровальной бумагой: сами они не улетят. Идеально удалить остатки масла таким способом, разумеется, не получится. Я принес с дому гексан, для переплавки натрия под слоем жидкости он не годился, поскольку температура кипения гексана ниже точки плавления натрия. Зато после вазелинового масла натрий можно "прополоскать" в гексане, после этой процедуры остатки гексана быстро испарятся.

В лаборатории было несколько литров вазелинового масла, которое предназначалось для церковных лампад. Директор заверил меня, что масло сухое (не содержит примеси воды). Более того, именно это масло пыталась использовать моя предшественница для получения металлического калия. По методике требовались: магний, едкое кали, тетралин и трет-бутанол. Если бы удалось заменить тетралин лампадным маслом, это удешевило бы процесс. Получить калий в вазелиновом масле не вышло, поэтому несколько литров масла остались в канистре (эту процедуру опишу в следующих частях статьи, хотя процесс получения калия я не видел - только результат).

Я поверил директору на слово, что масло сухое, но, разумеется, проверил, так ли это? Ошибка могла дорого обойтись. Налил в стаканчик немного масла и поместил туда небольшой кусочек натрия: водород не выделился, значит в масле действительно нет воды. Причем эту проверку я провел с самого начала работы с натрием: задолго до того, как возникла потребность плавить натрий под слоем вазелинового масла.

В моем распоряжении была плитка с внешним регулированием температуры (термопара плюс блок регулирования).

Я надеялся, что в процессе плавления включения парафина в натрии растворятся в вазелиновом масле, и на дне стакана останется чистый металл. Обрезал с натрия корку продуктов окисления и поместил его в стакан с маслом. Включил нагрев. Сам момент, когда "кубик" натрия расплавился, заснять не удалось, поскольку в фотоаппарате сели аккумуляторы, а работу надо было продолжать. На следующий день заснял, как плавится этот же натрий, который застыл на дне стакана в виде неправильной формы шариков. Поверхность металла даже под вазелиновым маслом потускнела и стала матовой. На дне стакана образовался светло-коричневый, легкий и объемный осадок продуктов окисления. Из-за мелких частиц осадка масло стало мутным.

Зеркальный блеск поверхность натрия восстановила только после плавления - причем, не сама по себе. Для этого пришлось проводить манипуляции пинцетом. Три больших капли натрия слились в одну. Капли меньшего размера не желали объединяться, зато, и большие, и маленькие капли охотно разделялись на части при перемешивании палочкой.

Расплавленный натрий напоминал ртуть, только мелкая белая взвесь в масле портила впечатление.

Добавил еще два больших куска натрия - прямо в горячее масло. Произошло слабое вскипание (на поверхности кусков - в корке продуктов окисления была вода, сейчас она испарялась: эти куски я не стал тщательно обчищать). Жидкость стала мутной. Блестящая поверхность натрия проступала только при перемешивании.

Я заподозрил, что коричневатый осадок и белая муть - никакие не "продукты окисления натрия", а именно та "грязь", которая содержалась в монолите металла (парафин и что там еще?). Дело в том, что продукты окисления натрия (гидроксид, карбонат) достаточно плотные и должны оседать на дно, а не давать стойкую взвесь. Так ли это - не знаю.

Зато, что можно сказать точно - плавление под вазелином не помогло. Я извлек несколько шариков натрия из масла, вытер фильтровальной бумагой, промыл гексаном, просушил. Когда попробовал нагреть этот натрий в пробирке - снова полетели "белые пары". Значит, переплавка под маслом не освободила натрий от примеси парафина. Предстояло найти другой способ удаления парафина.

Watch the video / Смотреть Видео (135 Мб, .avi )