Grundämnenas upptäckt - laboration

Grundämnenas upptäckt - laboration Lars Eriksson 23 april 2019 Innehåll 1 Spektroskopi 2 1.1 Laborationens syfte................................. 2 1.2 Teori - Kontinuerliga Spektra - Svartkroppstrålning............... 2 1.2.1 Stefan Boltzmanns strålningslag..................... 2 1.2.2 Plancks strålningslag............................ 2 1.3 Teori - Diskreta Spektra - Vätets spektrum................... 4 1.4 Teori - Diskreta Spektra - Flamfärger...................... 4 1.4.1 Tillämpningar för flamfärger och flamspektra.............. 5 1.5 Spektroskopi.................................... 6 1.5.1 Utrustning för laborationen........................ 6 1.5.2 Utförande.................................. 6 1.5.3 Kommentarer angående säkerheten.................... 6 2 Framställning av några grundämnen 7 2.1 Framställning av bly, reduktion med kol..................... 7 2.2 Framställning av silver, reduktion med askorbinsyra.............. 8 2.3 Framställning av klorgas, oxidation med brunsten................ 8 2.4 Framställning av mangan, reduktion med aluminium, demo.......... 8 1

1 Spektroskopi 1.1 Laborationens syfte Syftet med laborationen är att studera och få kunskap om följande: Kontinuerliga respektive diskreta spektra samt några likheter och skillnader mellan dessa typer av spektra. Hur utstrålningen varierar med temperaturen hos en svartkroppsstrålare. Hur diskreta spektra uppkommer ifrån atomära processer samt känna till några tillämpningar för dessa spektra. Rydbergs beskrivning av väteatomens spektrum. 1.2 Teori - Kontinuerliga Spektra - Svartkroppstrålning Alla materiella ting, fasta, flytande och gasformiga, ger ett kontinuerligt spektrum. Intensitetsfördelningen eller spektral-tätheten som den också kan kallas beror bara av temperaturen. 1.2.1 Stefan Boltzmanns strålningslag Relationen mellan totala emitterade energin och temperaturen är känd under namnet Stefan Boltzmanns lag eller Stefans lag. Detta betyder bland annat: E tot = ρ T 4 där ρ = 5.67 10 8 Js 1 m 2 K 4 (1) En het kropp utsänder mer ljus än en kall kropp. När temperaturen fördubblas så ökar utstrålningen 16 gånger. Det går åt mindre energi att värma en kall kropp än en redan varm kropp. Vid temperaturer under 1000 C utsänds huvudsakligen infraröd strålning (IR). Vid högre temperaturer förskjuts den maximala emissionen mot kortare våglängder (högre frekvenser). Vid höga temperaturer som förekommer vid t.ex. elsvetsning utsänds mycket UVstrålning som är mycket skadligt för ögon. 1.2.2 Plancks strålningslag Relationen mellan spektraltätheten och temperatur beskrivs av Plancks strålningslag. Flera olika ekvivalenta uttryck förekommer. Den emitterade strålningen beror inte av den materiella kroppens sammansättning utan bara av att den glöder. Den maximala spektraltätheten förskjuts till kortare våglängder när temperaturen ökar respektive till längre våglängder när temperaturen minskar. I(T, λ) = 8πhc λ 5 1 e hc kλt 1 (2) 2

Tabell 1: Konstanter som används för att beräkna Planck-fördelningen. Plancks konstant h 6.6261 10 34 Js Boltzmanns konstant k 1.3807 10 23 J/K Ljushastigheten i vakuum c 2.99792458 10 8 m/s. Figur 1: Plancks strålningslag illustrerar spektraltätheten för svartkroppstrålare med olika temperatur. Högre temperatur ger mer intensitet vid kortare våglängder. Figur 2: Spektraltätheten hos några svartkroppstrålare vid fem olika temperatur. Skillnaden jämfört med den tidigare figuren är att såväl våglängd som spektraltäthet visas med en logaritmisk skala. 3

1.3 Teori - Diskreta Spektra - Vätets spektrum Energinivåerna i väteatomen kan beskrivas rätt bra i termer av Rydbergs konstant, R och huvudkvanttalet, n enligt formeln nedan. Alla bundna tillstånd har negativ energi. Energi behöver tillföras för att få loss elektroner ifrån atomer. Kvanttalet n antar värdena 1, 2, 3,..., E n = R n 2 (3) Övergångarna i vätets spektra kan beskrivas rätt bra med den s.k. Rydbergs formel, där elektronövergången är n m. Energiskillnaden mellan tillstånden ges av formeln nedan. ( 1 E = R m 2 1 ) n 2 (4) Energidifferensen mellan två tillstånd, t.ex. grundtillståndet och något exciterat tillstånd och det ljus som uppkommer vid övergången mellan dessa tillstånd, kan beskrivas med Plancks formel nedan. Strålningens frekvens kan betecknas ν eller f. E = h ν eller E = h f (5) Istället för frekvens kan energidifferensen beskrivas som omvänt proportionell mot våglängden eller som proportionell mot vågtalet för ljuset som avges, enligt formeln nedan. Vanliga enheter för vågtalet, ν är m 1 och cm 1. E = h c 1 och = ν ger E = h c ν (6) λ λ Beroende på vilken enhet som används för Rydbergs konstant kan flera olika värden hittas i litteraturen. Förutom enhet varierar också värdet på Rydbergs konstant med hur tung kärnan är i den väteliknande atomen. En väteliknande atom är t.ex. He +, Li 2+, Na 10+ etc. Värden med olika enheter för Rydbergs konstant, där kärnan är oändligt tung, anges nedan. Tabell 2: Rydbergs konstant,r med olika enheter. 3.2190 10 15 s 1 1.0973732 10 5 cm 1 1.0973732 10 7 m 1 2.1329 10 18 J 13.605692 ev 1.4 Teori - Diskreta Spektra - Flamfärger Atomer i gasfas kan exciteras termiskt. Ljus emitteras när atomerna återgår till grundtillståndet. Till skillnad från den kontinuerliga utstrålningen hos fasta kroppar observeras diskreta övergångar ifrån gasformiga prov. Endast vissa energitillstånd är tillåtna för elektroner bundna i atomer. Diskreta övergångar är associerade med processer inom enskilda atomer, eller molekyler. Varje grundämne ger upphov till ett karakteristiskt absorptionseller emissions-spektrum när det utsätts för elektromagnetisk strålning. Energin upptas eller avges diskontinuerligt, i bestämda kvanta, vilket ger upphov till s k diskreta linjespektra. När en lösning innehållande Na + (aq) upphettas bildas troligen neutrala atomer, Na(g) där 3s-elektronen kan exciteras till olika ovanförliggande nivåer. Därefter relaxerar de genom utsändande av ljus. Just 3p 3s övergången är mycket lätt att observera och ger väldigt mycket ljus varför även ytterst låga halter av Na syns i lågspektra. 4

Figur 3: Några möjliga övergångar inom väteatomen. Obs: energiskalan är inte linjär. 1.4.1 Tillämpningar för flamfärger och flamspektra Flamfärgsanalys används inom kemin som en kvalitativ metod för att påvisa olika ämnen. Emissionsspektra av olika metaller ger ofta vackra lågfärger, vilket utnyttjas i fyrverkeripjäser. 5

1.5 Spektroskopi 1.5.1 Utrustning för laborationen Datorstyrd spektrometer med tillbehör och ev. fickspektroskop. Ljuskällor, lysrör och glödlampor samt solljus projicerat på ett moln etc. Lösningar av några olika kloridsalter exempelvis: LiCl, N acl, KCl, RbCl, CsCl, MgCl 2, CaCl 2, SrCl 2, och BaCl 2. 1.5.2 Utförande Använd den datorstyrda spektrometern för att titta på ljuset ifrån några olika ljuskällor. Notera vad du ser, speciellt om det är kontinuerliga spektra eller linjespektra. en glödlampa. en lysdiod. olika delar av en mobiltelefonskärm. De tre olika grundfärgerna, röd, grön och blå bör kunna observeras mer eller mindre i olika färgade ikoner etc. ett lysrör. ett moln eller något annat som reflekterar solljuset. ett ihop-rullat filtrerpapper eller platinatråden doppas i någon lösningen och håll den i nedre ändan av bunsen-lågan samtidigt som du rikta den optiska fibern mot ljuskällan. Med de datorstyrda spektrometrarna kan spektra sparas på fil om du vill ha bilder till labbrapporter etc. Enklast görs detta som s.k. skärmdump. Solens yt-temperatur kan beskrivas genom att rita en Planck-fördelning som ungefär ser ut som solspektra. Solspektra (sol.xy) och skriptet soltemp.m finns tillgängligt. 1.5.3 Kommentarer angående säkerheten Titta INTE direkt på solen, vare sig med den optiska fibern eller direkt med dina ögon. Bränner du dig på något som hör ihop med brännaren så kyl med vatten. 6

2 Framsta llning av na gra grunda mnen Metaller fo rekommer ofta som oxider i naturen. Ett enkelt och billigt sa tt att renframsta lla dem a r att reducera dessa oxider med na got billigt, la tt tillga ngligt a mne som la tt donerar elektroner, na mligen kol. 2.1 Framsta llning av bly, reduktion med kol Ett vanligt reduktionsmedel fo r framsta llning av metaller a r kol. Metalliskt bly kan framsta llas genom att reducera blyoxid med kol. Reaktionen kallas karbotermal reduktion. 2P bo(s) + C(s) 2P b(l) + CO2 (g) (7) Enligt sto kiometrin ska 0.050 mol PbO (11.16 g) blandas med 0.025 mol C (0.3 g) och hettas upp. Blanda kolpulver och blyoxid ordentligt i en ba gare. Placera i en degel och ta ck med ett tunt lager av borax eller ett degellock samt upphetta med gasbra nnare. I praktiken bo r ordentligt o verskott av kol anva ndas, totalt ca 1-2 g. Ro r om fo rsiktigt i degeln efter ca 15-20 min fo r att se om det bildats metalliskt bly. Sma blypartiklar kan fa s attt samlas till sto rre, vid omro rning i degel-inneha llet. Teoretiskt utbyte av P b(s) blir 0.05 mol (10.36 g). Sma ltpunkt, mp(pb) = 328 C. Figur 4: Va g upp kemikalierna i en ba gare. Ha ll till i dragska p ty blyoxiden a r giftig. 7

2.2 Framställning av silver, reduktion med askorbinsyra Ädelmetallen silver förekommer gedigen samt som sulfidmineral. Den kan framställas genom att reducera silverjoner, Ag + (aq) med ett milt reduktionsmedel som askorbinsyra. Naturligtvis kan även effektivare reduktionsmedel som zink eller magnesium användas för att reducera silverjoner ur lösning. 2Ag + (aq) + C 6 H 8 O 6 (aq) 2Ag(s) + C 6 H 6 O 6 (aq) + 2H + (aq) (8) Två lösningar blandas: den ena lösningen består av 0.0200 mol (3.396 g) silvernitrat löst i 100 ml vatten och den andra består av 0.0100 mol (1.761 g) askorbinsyra löst i 100 ml vatten. I praktiken bör överskott av askorbinsyra användas, totalt ca 3 g, d.v.s. lös 3.4 g silvernitrat samt 3.0 g askorbinsyra i vardera 100 ml vatten och blanda därefter lösningarna. Sugfiltrera med Büchnertratt, gummimanchett och filtrerkolv. Tvätta produkten som består av finkorningt silver. Bestäm utbytet genom att väga metallpulvret. Eventuellt bör pulvret torkas. Ett filtrerpapper med blött finkornigt silverpulver kan formas, torkas och sintras i ugn vid ca 5-600 grader. För hög temperatur smälter silvret. I bästa fall kan intressanta formationer skapas. Teoretiskt utbyte av Ag(s) blir 0.0200 mol (2.16 g). Smältpunkt, mp(ag) = 961 C. 2.3 Framställning av klorgas, oxidation med brunsten Grundämnet klor förekommer i stora mängder som kloridjoner, Cl. Ett klassiskt sätt att oxidera dessa till klorgas är att använda brunsten, MnO 2 enligt nedan. Sur: 4H + (aq) + 2Cl (aq) + MnO 2 (s) Cl 2 (g) + Mn 2+ (aq) + 2H 2 O(l) (9) Basisk: 2H 2 O(l) + 2Cl (aq) + MnO 2 (s) Cl 2 (g) + Mn(OH) 2 (s) + 2OH (aq) (10) För att klorgasen ska frigöras är det fördelaktigt om det inte finns så mycket vatten närvarande samt att det dessutom är rätt surt. Att droppa koncentrerad saltsyra på fast brunsten borde alltså vara utmärkt. Ett starkare oxidationsmedel (än brunsten) är kaliumpermanganat, KMnO 4. 8H + (aq) + 6Cl (aq) + 2KMnO 4 (s) 3Cl 2 (g) + 2MnO 2 (s) + 2K + (aq) + 4H 2 O(l) (11) Även om stora mängder klorgas är knepigt att framställa kan i alla fall lukten av klorgas lätt dentifieras. Lukta försiktigt! Assistenten visar hur det går till att lukta försiktigt. 2.4 Framställning av mangan, reduktion med aluminium, demo Mangan kan framställas genom att reducera magnanoxid med aluminium eller någon annan oädel metall. Reaktionen kallas aluminotermisk reduktion och har en del praktiska användningar inom bl.a. svetsteknik. 3MnO 2 (s) + 4Al(s) 2Al 2 O 3 (s) + Mn(s) (12) I praktiken torkas mangandioxiden i en ugn eller över en gaslåga. Efter att mangandioxiden svalnat blandas den med finkorningt aluminiumpulver. Blandningen överförs till sanddegel eller lerkruka och antänds utomhus med en lämplig stubintråd. Salpeterindränkt papper blir utmärkt stubin. Lite magnesiumpulver på toppen av blandningen hjälper till att antända den. 8