Wie lässt sich Caesium im Labor leicht herstellen? In dem folgenden Artikel geht es darum, diese Fragestellung möglichst genau zu beantworten.
Geräte:
Drehschieberpumpe, Dreiweghahn, Stativmaterial, Caesium-Destille*, Reagenzglasampulle, Gasbrenner, Vakuumschläuche, Laborwaage, Luftballon
Chemikalien:
Stickstoff
Caesiumchlorid
Rubidiumchlorid
Lithium
Caesium
Rubidium
Durchführung:
Die Beschreibung gliedert sich in drei Teile:
1. Woraus setzt sich eine einfache, kostengünstige und effektive Apparatur zusammen?
2. Darstellung von Caesium/Rubidium
3. Anmerkungen:
1. Woraus setzt sich eine einfache, kostengünstige und effektive Apparatur zusammen?
Für die Herstellung einer einfachen "Caesium - Destille" werden folgende Materialien benötigt:
- Eisen bzw. Stahlrundrohr (12mm Durchmesser)
- Kupferrundrohr (12mm Durchmesser)
- Messingrundrohr (6mm Durchmesser)
- Passender Klemmfitting (90°)
- Lötzinn
- Kupferstab
- Flußmittel
- Lötbrenner und Autogenschweißbrenner
- Metallsäge
- Metallfeile
- Teflonband
Zuerst wird das Stahlhohlrohr auf eine Länge von circa 15cm zurechtgesägt. Nun wird ein Ende bis zur Rotglut erwärmt und so weit zugedrückt, bis sich ein "enger Schlitz" ergibt. Dieser Spalt wird nun entweder direkt (elektrisch) zugeschweißt oder mittels Kupferstab mit einem Autogenschweiß bzw. Hartlötbrenner (ein normaler Gasbrenner reicht hierfür nicht aus) zugelötet. Nach diesem Schritt kann nun an das unbeschädigte und saubere Ende des Rohres mit dem Klemmring mittels Klemmfitting und der Überwurfschraube befestig werden. Alle Enden, an denen ein Klemmring befestigt wird, müssen rund und sauber sein, sonst kann dieser nicht abdichten!
Im nächsten Schritt wird das Kupferrohr wie in der Abb. vorsichtig gebogen und auf mind. 20cm zugesägt. Parallel dazu wird das kleine Messingrohr auf eine Länge von circa 8cm zugesägt. In der "gebogenen Kurve" des Cu-Rohrs wird nun ein passendes Loch gebohrt, in welches das zugesägte Messingröhrchen gerade hineinpasst. Dieses wird jetzt gasdicht mit Lötzinn festgelötet, wobei darauf zu achten ist, dass alle Lötsellen sauber sind. Das obere Ende des Cu-Rohrs kann nun ebenfalls mit dem Klemmfitting verbunden werden, auf das untere Ende wird ein "vorverengter" Klemmring gesteckt, wecher ebenfalls an einer Seite gasdicht festgelötet wird und als "Dichtolive" dienen soll. Schlussendlich wird dieser noch mit einigen Lagen PTFE - Band umwickelt, wodurch eine dichte Verbindung zur entsprechenden Ampulle/Reagenzglas gewährleistet werden kann.
2. Darstellung von Caesium/Rubidium:
Zuerst wird die in der Abbildung gezeigte Destillationsapparatur aufgebaut. Dabei wird der Dreiweghahn am einen Ende mit der Vakuumpumpe, das andere Ende mit der Apparatur und die dritte Abzweigung mit einem mit Stickstoff gefüllten Luftballon verbunden. Um sicherzustellen, dass ein gutes Endvakuum erzeugt werden kann, muss die Drehschieberpumpe bei geöffnetem Gasballastventil und verschlossenem Ansaugschlauch für c.a. 15 Min. warmlaufen.
3g Caesium bzw. Rubidiumchlorid werden in das Reaktionsrohr eingefüllt und anschließend bei Gluthitze mit dem Gasbrenner für einige Minuten vorgetrocknet. Im Anschluss daran wägt man 0,3g metallisches Lithium ab und füllt dieses ebenfalls in das Reaktionsrohr.
Jetzt wird die Apparatur gut verschlossen., woraufhin sie evakuiert und mindestens 5-10 mal mit Stickstoff gespült wird.
Nach dem letzten Spülvorgang wird die Destille bei laufender Pumpe erneut unter Vakuum gesetzt, woraufhin nun das Reaktionsgemisch vorsichtig im Zeitraum von 10min. auf Rotglut erwärmt wird. Ist alles Cs/Rb überdestilliert (das Kühlerrohr sollte wärmer als 30°C im Falle von Caesium, bei Rb 40°C, aber nicht wärmer als 100°C sein), so wird die Vakuumzufuhr unterbrochen und erneut Stickstoff in die Apparatur eingelassen. Das Destillat wird nun zügig ampulliert.
Ausbeute: ca. 1 ml (80 % d. Th.) golden und silberglänzendes Caesiummetall.
3. Anmerkungen:
Sicherlich muss ich sagen, dass dieser Versuch nur einer von vielen ist. Insgesamt habe ich viele Wochen mit der Planung verbracht, wobei es ständig notwendig war, Kleinigkeiten wie z.B. das Material der Apparatur (Edelstahl, Kupfer, Messing, Eisen) abzuändern. So musste ich beispielsweise von einem "Kupfersumpf" auf ein Eisenrohr umsteigen, da sich mitunter beim Erhitzen das Lithium durch das Cu-Rohr durchgebrannt hat. Bei meinem ersten "Erfolg" habe ich das Metall zwar unter Paraffinöl auffangen müssen, dies allerdings nur, da ich zu diesem Zeitpunkt noch keine Drehschieberpumpe zur verfügung hatte. Sicherlich ist demnach auch eine Wasserstrahlpumpe geeignet, allerdings oxidiert so das Cs relativ schnell. Desweiteren muss auch darauf geachtet werden, dass das Gemisch langsam erwärmt wird, da es sonst passieren kann, dass sich Li - Stücke im Kühler oder der Vorlage sammeln. Um dem vorzubeugen, empfehle ich etwas Stahlwolle in das bereits befüllte Rohr zu stopfen.
Dass auch gasförmiges Lithium herüberdestillieren kann, ist durchaus möglich und auf dem entsprechenden Bild zu erkennen. Gelindes Erwärmen kann dies verhindern.
Es muss während der Destillation ebenfalls beachtet werden, dass der Kühler warm genug ist, da sich sonst festes Caesium darin ansammelt. Das Ende darf jedoch - auf Grund der Weichlötstelle - auf gar keinen Fall zu heiß werden. Hierfür empfehle ich ein leicht angefeuchtetes Tuch auf das Vorstoßende zu legen und einen Heißluftföhn bereit zu halten.
Beim Ampullieren des Cs gibt es auch die Möglichkeit, dieses unter Vakuum durchzuführen, wobei eventuell auch auf Schutzgas verzichtet werden kann.
Dass sich Li im Endprodukt befindet, ist relativ unwahrscheinlich, da es sich nicht legieren lässt.
Alles in allem ist der Versuch in jedem Fall eine knifflige Angelegenheit und bedarf an Erfahrung im Umgang mit flüssigem Caesium sowie etwas handwerklichem Geschick.
Entsorgung:
Metallisches Caesium/Rubidium und Lithium werden verbrannt, wobei die in geringen Mengen anfallenden Oxide über das kommunale Abwassernetz entsorgt werden können. Caesiumchlorid kann im Hausmüll entsorgt werden.
Erklärung:
Das Lithium reagiert mit dem Caesium- bzw. Rubidiumchlorid zu elementarem Caesium/Rubidium und Lithiumchlorid, wobei das entstehende Metall im Vakuum abdestilliert und zugleich für eine Gleichgewichtsverschiebung sorgt, sodass letztendlich eine vollständige Umsetzung nach der folgenden Gleichung eintritt:
Li + Cs/RbCl → Cs/Rb↑ + LiCl
Bilder:
Zurechtgesäges Eisenrohr
Messingrohr für den Schlauchanschluss
"Zuschmieden" des anderen Endes vom Stahlrohr
Zulöten mit Lötwasser und Kupferstab
Gereinigte Lötstelle
Und so sehen die Klemmfittinge aus...
Weichgelöteter Vorstoß
Umwickeln der Olive mit Teflonband
Das fertige Ende
Die fertige "Caesium - Destille"
Die Apparatur:
Abwägen der Reagenzien
Erhitzen der Reaktionsmischung
(Schärferes Bild (von unserem User Kaliumperoxid fotografiert))
Überdestillertes Caesium
(Schärferes Bild (von unserem User Kaliumperoxid fotografiert)
Die ferige Ampulle
überdestilliertes Lithium durch überhitzte Apparatur
zerstörter Vakuumvorstoß durch brennendes Li - Cs
Mit Cs abreagiertes PTFE - Dichtstück
Für Hobbychemiker wäre es noch interessanter dass man die Apparatur auch als einfache Version machen könnte, da so ja doch ein gewisser Aufwand dahinter steckt und ich denke so jeder die Möglichkeit hätte es für die Elementesammlung selber herzustellen, da CsCl heute scheinbar nix mehr kostet.
