Na cześć złośliwych duchów (2)
Nie tylko stopy
Nikiel i kobalt, jak wiele innych pierwiastków, stanowią dodatki do różnych rodzajów stali. Metale te jednak tworzą również własne stopy. O zastosowaniu niklu do wytwarzania monet była już mowa w poprzednim odcinku. Z udziałem tego metalu produkuje się także stopy podobne do srebra, np. nowe srebro, używane jako ozdoby, sztućce, elementy sprzętu medycznego i aparatury naukowej.
Stosowane w urządzeniach grzejnych oraz opornikach stopy oporowe (nikielin, konstantan, chromonikielina) także zawierają nikiel. Nawet niewielki dodatek tego metalu zwiększa odporność chemiczną i dlatego stanowi on składnik stopów wykorzystywanych w konstrukcji aparatury dla przemysłu chemicznego. Prawie cała produkcja kobaltu zużywana jest w specjalnych stopach, np. bardzo twardych stellitach (zawierających także chrom i wolfram), stalach szybkotnących i odpornych na ścieranie. W jeszcze twardszej widii ziarna węglików spojone są za pomocą metalicznego kobaltu. Metal ten zwiększa własności magnetyczne stali i sam służy do produkcji magnesów (kobalt to ferromagnetyk, podobnie jak żelazo i nikiel).
Nikiel stosowany jest do galwanicznego pokrywania przedmiotów stalowych oraz metalizowania specjalnie przygotowanych tworzyw sztucznych. Ponieważ powłoka niklu najlepiej wiąże się z miedzią, zarówno stal, jak i plastiki najpierw pokrywa się warstwą tego metalu. Nikiel jest odporny na korozję i dzięki jego powłoce przedmioty długo zachowują ceniony przez użytkowników metaliczny połysk. Jednak uszkodzenie niklowej powłoki powoduje przyspieszone niszczenie stali (patrz odcinki o korozji).
Nikiel i kobalt to również katalizatory dla przemysłu chemicznego. Kobaltu używa się w roli katalizatora utleniania, natomiast nikiel, podobnie jak pierwiastki grupy 10 - pallad i platyna - przyspiesza reakcje z udziałem wodoru, dlatego często stosuje się go jako zamiennik tych drogich metali, np. podczas otrzymywania margaryny z ciekłych tłuszczów roślinnych.
Związki niklu używane są do produkcji akumulatorów, w tym i do sprzętu domowego (niklowo-kadmowe NiCd i niklowo-wodorkowe NiH), (1) natomiast połączenia kobaltu to wspomniane uprzednio pigmenty. Organizmy żywe również wykorzystały właściwości niklu i kobaltu (patrz: w świecie przyrody), a ten ostatni metal posłużył do skonstruowania specjalnej bomby (patrz: Bomba kobaltowa).
Problemy z amoniakiem
Próby wykonane w ubiegłym miesiącu pokazały, że kobalt i nikiel reagują tak, jak żelazo: pod wpływem zasad jony tych metali tworzą nierozpuszczalne w wodzie wodorotlenki, w których kationy o ładunku +2 utleniają się do połączeń trójwartościowych (kobaltu i żelaza łatwo, niklu trudniej). Ponadto wodorotlenki te nie są amfoteryczne i nie rozpuszczają się w nadmiarze dodanej zasady.
Roztwór amoniaku w wodzie ma odczyn zasadowy i również służy do wytrącania osadu wodorotlenków. Sporządź roztwory soli kobaltu i niklu. Do każdej z probówek dodawaj kroplami wodę amoniakalną (roztwór NH3). Zaobserwujesz powstawanie osadów: niebieskiego w przypadku jonów kobaltu(II) i zielonego w naczyniu z jonami niklu(II). Tego mogłeś się spodziewać - reakcje przebiegają w taki sam sposób, jak w ubiegłym miesiącu pod wpływem roztworu NaOH. Zatem nic nowego, potwierdziłeś tylko wnioski z poprzedniego odcinka (jony żelaza zareagują w ten sam sposób: kationy Fe2+ dadzą osad zielonkawy, a Fe3+ - brunatny; sam wykonaj odpowiednie próby). Jednak nie kończ jeszcze doświadczenia, nadal dodawaj roztwór amoniaku i mieszaj zawartościami probówek.
Reakcja przebiega dalej: osady znikają, a powstające roztwory barwią się na kolor szafirowy w przypadku niklu (2) i różowy dla kobaltu (ale barwa ta wkrótce staje się brunatna). Jeżeli równolegle przeprowadzisz próby dla żelaza, nie zauważysz rozpuszczania osadów. Czyżby wnioski z ubiegłego miesiąca były fałszywe i osady wodorotlenków niklu i kobaltu są jednak amfoteryczne (rozpuściły się przecież w nadmiarze dodanego odczynnika), a samo pokrewieństwo z żelazem niepewne (skoro jego jony tak nie zareagowały)?
Nie, wnioski były prawidłowe, a ty byłeś świadkiem powstawania połączeń kompleksowych niklu i kobaltu. Są one rozpuszczalne w wodzie, dlatego osady zniknęły (podobnie reaguje miedź - jej wodorotlenek również rozpuszcza się w roztworze amoniaku). Brunatnienie roztworu zawierającego jony kobaltu to efekt utleniania do połączeń trójwartościowych (3). Dlaczego żelazo nie daje takich wyników? Co prawda jony Fe2+ i Fe3+ tworzą liczne kompleksy, lecz te z amoniakiem są akurat bardzo mało trwałe.
z prawej - kompleks szybko się utlenia
Powtórz eksperyment, ale tym razem do roztworów soli dodaj najpierw roztwór chlorku amonu NH4Cl. Gdy teraz wlejesz wodę amoniakalną, nie zauważysz wytrącania osadów - roztwory od razu przybiorą barwy charakterystyczne dla kompleksów.
Chlorek amonu cofnął dysocjację amoniaku tak, że roztwór nie wykazuje odczynu zasadowego i nie dochodzi do wytrącania osadów, natomiast amoniak bezpośrednio tworzy związki kompleksowe. Przedstawiony sposób jest "chemiczną sztuczką" pozwalającą otrzymać kompleksy z amoniakiem z pominięciem przeszkadzającego czasem wytrącania osadu. W przypadku jonów Fe3+ wytrąci się brunatny osad, ale to efekt jego ekstremalnie nikłej rozpuszczalności - tworzy się on nawet w słabo zakwaszonych roztworach.
Różowy i niebieski
Wodne roztwory soli kobaltu(II) mają różowe zabarwienie, ale związki tego pierwiastka często przybierają również niebieski kolor (co zauważyłeś wytrącając osad przy pomocy zasady). Jaki jest powód zmiany barwy? Sporządź dość stężony roztwór chlorku kobaltu(II) o ciemnoróżowej barwie i wlej go do probówek (wystarczy po 0,5 cm3). Do pierwszej z nich dodaj kroplami stężony kwas solny, do drugiej kilka kryształów bezwodnego (koniecznie!) chlorku wapnia CaCl2 lub magnezu MgCl2, a do trzeciej nieco acetonu. W każdym przypadku roztwór zmienił barwę na niebieską lub niebieskofioletową. Dodane substancje "wyciągnęły" cząsteczki wody z najbliższego otoczenia jonu Co2+, powodując zmianę zabarwienia. Zapamiętaj, że uwodnione sole kobaltu mają różowe zabarwienie, natomiast bezwodne (tak naprawdę miejsce cząsteczek wody w pobliżu jonu zajmują inne drobiny) - niebieskie.
Opisane zmiany barwy znalazły zastosowanie do sporządzenia atramentu sympatycznego. Napis wykonany rozcieńczonym roztworem chlorku kobaltu(II) jest po wyschnięciu praktycznie niewidoczny. Po ogrzaniu do 30-40°C na kartce ukazują się niebieskie litery (4). Związek pochłania wodę z otoczenia i po ochłodzeniu napis ponownie znika. Również żel krzemionkowy używany do osuszania nasyca się roztworem CoCl2. Zmiana zabarwienia żelu z niebieskiego na różowy sygnalizuje pochłonięcie znacznej ilości wody przez absorbent. Ogrzanie powoduje odwodnienie (powraca niebieski kolor) i regenerację środka suszącego.
potwierdza obecność jonów kobaltu(II)
I jeszcze bardzo prosty test analityczny. Odrobinę tiosiarczanu sodu Na2S2O3 zwilż kroplą analizowanego roztworu. Jeżeli zawierał on jony Co2+, kryształ tiosiarczanu zabarwi się na niebieski kolor (5).
Żelazo przeszkadza
Jednym z odczynników do identyfikacji kationów Co2+ jest rodanek potasu KNCS lub amonu NH4NCS. Wykonaj próbę mieszając roztwór rodanku oraz soli kobaltu - niebieska barwa pozwala potwierdzić obecność jonów tego metalu.[reakcja_z_rodankiem]
Żelazo i kobalt często występują obok siebie, a fakt ten sprawia trudności w ich wykrywaniu. Klasyczna analiza opiera się na wytrącaniu osadów i obserwacji zmian zabarwienia. W mieszaninie trudno jednak zauważyć kolory poszczególnych związków. Dla przykładu: wykonanie opisanej wyżej próby w roztworze zawierającym jony Fe3+ i Co2+ nie powiedzie się, ponieważ krwista barwa związku żelaza (znana jako "chemiczna krew") zamaskuje kolor połączenia kobaltu.
Rozwiązaniem jest dodatek fluorku sodu NaF przed wlaniem do probówki roztworu rodanku. Jony fluorkowe tworzą bardzo trwały kompleks z żelazem i czerwona barwa nie wystąpi, co umożliwia obserwację niebieskiego koloru połączenia kobaltu. Czynność ta - częsta w praktyce laboratoryjnej - to maskowanie. Opisane wyżej próby pozostawiam ci do samodzielnego wykonania.
Krzysztof Orliński
