вернуться в досье элемента "Калий"

ПОЛУЧЕНИЕ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ В ЛАБОРАТОРИИ

Источник: Джон Стронг. Практика современной физической лаборатории. Пер. с англ. ОГИЗ. Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва-1948-ленинград. ГЛАВА XIII НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЛАБОРАТОРНЫХ МАТЕРИАЛАХ.
 

    Щелочные металлы. Щелочные металлы применяются в лаборатории весьма широко; так, некоторые из них употребляются при образовании светочувствительной поверхности фотоэлемента и для получения тонких плёнок — фильтров, применяемых в ультрафиолетовой части спектра;, наконец, в парообразном состоянии щелочные металлы могут быть использованы для демонстрации эффекта резонансного излучения. Вот почему мы вкратце остановимся на некоторых способах обращения с этими, легко реагирующими металлами.
Щелочной металл может быть получен в откачанной стеклянной трубке путём вытеснения его кальцием из соответствующего хлорида:

2МС1 + Са = 2М +СаС1₂. (1)

    Реакция будет развиваться в указанном направлении, если, повышая температуру, удалять свободный щелочной металл (М) путем испарения. Для получения щелочного металла можно воспользоваться также другой реакцией, беря вместо хлорида соль хромовой кислоты, а вместо кальция цирконий. Способ этот применим для получения всех щелочных металлов, за исключением лития, который вступает в реакцию со стеклом или с кварцем; литий лучше всего вытеснять цирконием из соли хромовой кислоты в железной аппаратуре.

    Рассмотрим подробнее, как, воспользовавшись реакцией (1), можно получить калий. Для этого измельчённый хлористый калий смешивается в стехиометрической пропорции (3,7 г КС1 на 1 г Са) со стружками металлического кальция внутри закрытой с одного конца железной трубочки. Последнюю помещают в трубку из тугоплавкого стекла с утолщёнными стенками, как показано на рис. 355. Стекло в этом месте сделано более толстым для того, чтобы можно было максимально повысить температуру: при более низких температурах реакция протекает очень медленно, тонкостенная же трубка будет смята атмосферным давлением. После того как железная трубочка помещена внутрь стеклянной, последняя запаивается с помощью ручной горелки. Затем, когда получен хороший вакуум, химикалии постепенно подогревают, пока они полностью не прореагируют. Нагревание производится сперва медленно, затем более интенсивно, до температуры, при которой начинает размягчаться стекло. Слишком сильного нагрева следует избегать, так как при этом можно перегнать кальций. Освобождённый и перегнанный калий конденсируется на сгибе трубки (как это показано на рис. 1), откуда он вновь перегоняется в ампулу, отпаиваемую под вакуумом.
Так как щелочные металлы энергично реагируют с воздухом, то вскрывать ампулу следует так, чтобы в неё не попал воздух. Операция эта производится следующим образом. Ампулу, изготовленную из стекла пайрекс, с надетым на неё вольфрамовым колечком, помещают в вакуум и затем с помощью высокочастотной индукционной катушки нагревают вольфрамовое колечко до тех пор, пока стекло не треснет (рис. 2).

    Можно вскрыть ампулу без помощи нагрева высокой частотой, воспользовавшись бойком, как показано на рис. 3. Как видно из рисунка, в стенке боковой стеклянной трубки имеется вмятина, задерживающая боёк и не позволяющая ему разбить ампулу до того, как вся конструкция напаяна на вакуумный пост. Во время напайки на пост вмятина выдувается, что освобождает бойку путь. Управляя бойком с помощью внешнего электромагнита, можно отбить кончик ампулы. Чтобы облегчить эту операцию, можно предварительно поцарапать кончик ампулы напильником.

    Можно также охладить ампулу в наполненном углекислым газом стакане, на дне которого находится сухой лёд. Ампула вскрывается в атмосфере углекислого газа, быстро переносится к вакуумному посту, припаивается и откачивается. Заполняющий ампулу углекислый газ не позволяет воздуху соприкоснуться со щелочным металлом. Имеющиеся в продаже щелочные металлы в виде небольших кубиков или кусков неправильной формы хранятся погружёнными в керосин. Чтобы очистить их и сделать пригодными к употреблению, поступают следующим образом. Прежде всего, чтобы избавиться от керосина, металл промывают в пётролейном эфире или в бензоле, предварительно обезвоженных путём встряхивания с хлористым кальцием. Ни в коем случае не следует производить промывку щелочных металлов в четырёххлористом углероде или в хлороформе, так как при этом образуются сильно взрывчатые соединения. Затем металл расплавляется на дне 8-мм пробирки и засасывается в стеклянный капилляр диаметром 1 мм, снабжённый для этой цели резиновой трубочкой.

Капилляр отпаивается над самым металлом и закрывается с другого конца мягким парафином. Если металл необходимо ввести в вакуумную систему, то нужный кусок начинённого металлом капилляра отрезается с помощью кусачек и помешается в припаянную к откачному посту колбочку, откуда металл затем перегоняется в систему (рис. 4).
    На рис. 5 показано, как производится перегонка натрия под вакуумом с целью освободить его от водорода и углеводородов (водород, содержащийся в калии или в натрии, будучи измерен при атмосферном давлении, может составить от ста до двухсот объёмов металла). Чтобы очистить натрий от керосина, кубики металла промывают способом, описанным выше, и затем помещают в камеру I. Здесь, после того как система откачана, металл расплавляют, подогревая камеру коптящим пламенем.

    При этом металл стекает в камеру II, а камера I с остатками затем отпаивается. В камере II металл в течение нескольких часов подогревается маленькой электрической печью. Испарённый металл конденсируется в изолированной асбестом трубке над камерой II. За это время успевают откачаться водород и углеводороды. После этого металл перегоняют в камеру III, пропуская ток через проволоку, обмотанную вокруг трубки, где конденсировался металл. Затем отпаивают камеру II. Камера III может быть приёмником металла; можно также перегнать металл в следующую приемную ампулу. При дистилляции щелочных металлов рекомендуется пользоваться электрическими нагревателями, так как при нагреве пламенем горелки может треснуть стекло.
    При работе со щелочными металлами необходимо соблюдать следующие предосторожности: не следует обрабатывать больших количеств металла, чем это требуется: под рукой на случай пожара должен находиться ящик с песком; ни в коем случае нельзя допускать соприкосновения щелочных металлов с водой; использованный металл и негодные приборы, в которых находится металл, надо зарывать в землю. Желательно при работе со щелочными металлами пользоваться защитными очками. Натрий можно получить путём электролиза через стенки колбы электрической лампы, изготовленной из натриевого стекла. Для этой цели лучше всего воспользоваться 32-вольтовой лампой, обладающей более массивной вольфрамовой нитью, чем 110-вольтовая лампа. Лампа, откачанная предварительно через специально впаянную боковую трубку, погружается в ванну с расплавленным азотнокислым и азотистокислым натрием и включается в электрическую цепь, как показано на рис. 6.

От вольфрамовой нити к стеклянным стенкам колбы ток переносится электронами или разрядом в парах натрия, либо в некоторых специальных случаях разрядом в аргоне. Практические особенности этого процесса описал Р. Берт. Свободный металл образуется из рекомбинировавших ионов натрия, которые при протекании тока проходят сквозь стекло, являющееся твёрдым электролитом. Рекомбинация происходит благодаря присутствию электронов и отрицательных ионов натрия (или аргона). Описанный процесс электролиза подчиняется закону Фарадея. При фотографировании спектра разряда в парах натрия подтвердилась высокая степень чистоты металла, полученного путём электролиза. Загрязнения по оценке Берта не превышают 0,000002. Для металла, полученного электролизом, характерно полное отсутствие водорода и углеводородов. Сила тока при электролизе меняется от нескольких миллиампер, когда ток имеет исключительно электронный характер, до нескольких сот миллиампер, когда он становится ионным. Чтобы получить разряд в парах натрия, достаточно прекратить воздушное дутьё, охлаждающее колбу лампы для конденсации на ней металла. Берт утверждает, что спектр разряда в натрии не является самообращённым; лампа, содержащая натрий, будучи подогрета, флуоресцирует, если на неб фокусировать свет натриевого разряда, происходящего в другой лампе (см. рис. 7).

    В кварцевый фотоэлемент натрий можно ввести путём электролиза, используя переходный спай стекло-кварц, как показано на рис. 8. Калий можно получать путём электролиза сквозь калиевое стекло, свободное от натрия и свинца; ванна наполняется в этом случае расплавленным азотнокислым и азотистокислым калием. Калий и натрий можно растворять в нашатырном спирте и затем осаждать их в нужных местах, выпаривая растворитель; для лития растворителем служит этиламин. Все щелочные металлы при повышенных температурах реагируют со стеклом, особенно со свинцовым, с которым они по этой причине вообще не должны соприкасаться. Покрывая трубки из стекла пайрекс бурой или борной кислотой, можно повысить их стойкость по отношению к натрию. Чтобы покрыть трубку, её наполняют горячим насыщенным раствором буры, осаждающимся при охлаждении раствора в виде кристаллов на внутренних стенках трубки. Когда стекло покроется тонким слоем кристаллов, раствор выливают и трубку осторожна просушивают, после чего откачивают её, нагревая пламенем горелки для устранения воды. Сначала нагревание ведут осторожно, доводя в конце 1 концов трубку до максимальной температуры, выдерживаемой стеклом. Образуется гладкая внутренняя поверхность, стойкая по отношению к натрию.

Сплавы натрия с калием, содержащие от 45 до 90% калия, остаются жидкими при комнатной температуре.