От атома до аналитичната лаборатория

Ядрото и изотопите

Ядрото се състои от протони и неутрони. Броят на протоните Z определя елемента. Масовото число е сборът им:

A = Z + N

Ядра с еднакъв брой протони и различен брой неутрони са изотопи на един и същ елемент. Хлорът има два природни изотопа – с 18 и с 20 неутрона. Затова масата му в таблицата е 35,45 – средна стойност, а не цяло число. Добавиш ли неутрон, елементът не се сменя; добавиш ли протон, получаваш друг елемент.

Радиоактивност и полуразпадане

Някои ядра са нестабилни и се разпадат. При алфа разпад ядрото изхвърля хелиево ядро: протоните намаляват с 2, масовото число – с 4. Радият-226 става радон-222. При бета разпад един неутрон става протон: протоните растат с 1, а масовото число остава същото. Въглеродът-14 става азот-14.

Периодът на полуразпадане е времето, за което остава половината от ядрата. Чете се от графиката. След първия период остава 50 %, след втория – 25 %, после 12,5 % и 6,25 %.

След два периода радиоактивното вещество не е изчезнало. Остава една четвърт, а след десет периода – около една хилядна, но никога нула.

Нива, линии и спектър

Електронът в атома може да е само на определени енергийни нива. Поглъща ли порция енергия, скача на по-високо ниво. Връща ли се, атомът излъчва светлина с точно определена дължина на вълната – една линия в спектъра. Същият преход, обратно, поглъща светлина със същата дължина на вълната: така в слънчевата светлина се виждат тъмни линии.

E = 1239,84 : λ (E в eV, λ в nm)

По-голям скок на електрона дава по-къса дължина на вълната, тоест по-синя светлина. Жълтото на натрия не е цвят на атома: това е светлината при прехода от ниво 3p към ниво 3s.

Пламъкът и качественият анализ

В пламъка пробата не „гори“. Топлината възбужда частиците, а те излъчват светлина, когато се връщат. Литият дава карминеночервен пламък, натрият – ярко жълт, калият – люляков, калцият – тухленочервен, стронцият – пурпурен до алено червен, барият – светло ябълковозелен, а медта – синьо-зелен.

Калцият, стронцият и барият имат не само тясна атомна линия, но и широки ивици от молекули като CaOH. Затова цветът на калция е оранжево-червен, макар атомната му линия да е виолетова. Литият и стронцият са червени, но се различават по линиите: стронцият има синя линия при 460,7 nm и ивица около 605 nm.

Жълтото на натрия скрива калия. Синьото кобалтово стъкло спира натрия и пропуска линиите на калия – затова калият „се включва“.

Утайките и цветовете в епруветката са другата част от качествения анализ. Сребърният хлорид е бял и се разтваря в разреден амоняк, бромидът е кремав и се разтваря само в концентриран, а йодидът е жълт и не се разтваря. Медта с малко амоняк дава светлосиня утайка, а с излишък – тъмносин разтвор на комплексния йон.

Комплексни съединения

В [Cu(NH₃)₄]SO₄ вътрешната сфера е комплексният йон, а сулфатът е външната сфера. Солта се разпада на комплексен йон и сулфат; самият комплексен йон се разпада едва съвсем слабо на медни йони и амоняк. Колко здраво е вързан металът, казва константата на устойчивост. По нея се сравняват само комплекси от един тип – със същия брой лиганди, защото иначе константите имат различни единици.

Комплексната сол не се разпада докрай на метален йон и всички лиганди. При 1 mol/L амоняк свободна е само една част от около сто хиляди милиарда от медта.

Спектрофотометър

Оцветените разтвори поглъщат светлина. Абсорбцията расте право пропорционално на концентрацията и на дължината на кюветата:

A = ε · l · c

Пропускането е различно: T = 100 · 10^−A %. Удвоиш ли концентрацията, абсорбцията се удвоява, но пропускането се повдига на квадрат – от 59,7 % на 35,6 %, а не на 29,9 %.

Затова от няколко стандартни разтвора се построява права на калибриране. Наклонът ѝ е ε, а неизвестната концентрация се чете от правата – но само между най-слабия и най-силния стандарт и при абсорбция до 1,0. Извън тях пробата се разрежда.

Безопасност

Симулацията допълва лабораторните упражнения, не ги замества. Пламъковите проби се правят само под надзор, с очила и далеч от лесно запалими предмети. Бариевите съединения са отровни при поглъщане, а солите на медта дразнят. Цианидът присъства само в таблицата с константи и е изключително отровен – не се ползва в училище.