Priodweddau aloion: dod o hyd i’r NaK

Yn yr erthygl ar gemeg arddangos o fis Gorffennaf 2012, buom yn edrych ar fetel Field, sy’n ymdoddi ar dymheredd rhyfeddol o isel, sef 61°C. Mae’r gymysgedd hon o indiwm, bismwth a thun yn ffordd wych o ddangos sut y bydd gan aloi briodweddau gwahanol i’w ansoddau. Aloi arall fel hyn yw cymysgedd o sodiwm a photasiwm, ac mae ganddo briodwedd ddiddorol ar dymheredd ystafell, nad yw’r myfyrwyr yn ei disgwyl o gwbl.

Offer

• Sodiwm (mae’n rhyddhau nwyon fflamadwy pan ddaw i gysylltiad â dŵr, cyrydol)
• Potasiwm (mae’n rhyddhau nwyon fflamadwy pan ddaw i gysylltiad â dŵr, cyrydol)
• 100 cm³ o bropan-2-ol (fflamadwy iawn, llidus i’r llygaid)
• 100 cm³ o hydoddydd hydrocarbon* (fflamadwy iawn)
• 10 cm³ o fwtan-1-ol (fflamadwy, cyrydol i’r llygaid, llidus i’r croen a’r system resbiradol, niweidiol os caiff ei lyncu)
• Dau diwb profi borosilicad 125 x 16 mm
• Rhesel tiwbiau profi
• Cyllell a dwy ddysgl Petri
• Sbatwla metel
• Tywel papur
• Gefel fach
• Pibed ddiferu (sy’n cyrraedd gwaelod y tiwbiau profi)

*Mae cylchohecsan, ether petroliwm (berwbwynt 100-120°C) neu gerosin yn addas ar gyfer yr arddangosiad hwn. Am resymau diogelwch, dylech osgoi hydoddyddion sydd â berwbwynt isel. Mae cylchohecsan yn fflamadwy iawn, ac yn llidus i’r croen a’r system resbiradol. Mae etherau petroliwm yn fflamadwy iawn ac yn garsinogenaidd. Mae’r tri yn docsinau anadlol.

Paratoi

Gwnewch yn siŵr bod yr holl offer yn gwbl sych. Torrwch un darn o sodiwm a phedwar darn o botasiwm sydd i gyd tua’r un maint – anelwch i dorri ciwbiau bras gydag ochrau sy’n mesur 3–4 mm (màs < 0.1 g). Gadewch y rhain ar wahân o dan haen o’r hydoddydd yn y ddysgl Petri nes eu bod yn barod i’w defnyddio.

O flaen y gynulleidfa

Ychwanegwch hydoddydd at y ddau diwb profi hyd at ddyfnder o tua 3 cm. Ychwanegwch y darnau o sodiwm a photasiwm at un o’r rhain. Bydd y metel yn gorwedd ar waelod yr hylif. Gweithiwch gyda’r tiwb mewn rhesel i osgoi arllwys yr hylif ar eich llaw pe bai’r gwydr yn torri. Defnyddiwch y sbatwla i dorri a stwnsio’r darnau o fetel gyda’i gilydd. Ar ôl tua 30 eiliad, bydd y cymysgedd metel yn teimlo’n feddal iawn ac efallai y byddwch yn gallu gweld metel hylifol ymysg yr ocsidau arwyneb. Ychwanegwch ddau ddiferyn o fwtan-1-ol. Bydd hyn yn helpu’r defnyn metel i gyfuno heb ddod i gysylltiad ag amhureddau anhydawdd. Defnyddiwch y bibed ddiferu i sugno’r metel hylifol, gan adael gweddill yr amhureddau yn yr hylif, ac ychwanegwch y defnyn hwn at yr ail diwb profi er mwyn gallu ei archwilio.

Nod addysgu

Mae’r aloi sodiwm-potasiwm, a elwir yn NaK fel arfer, yn fwyaf adnabyddus am gael ei ddefnyddio fel oerydd mewn adweithyddion cyflym. Mae ganddo fanteision dros oeryddion eraill yn yr amrediad tymheredd eang, lle mae’n aros yn hylif a lle nad yw’n dueddol o amsugno niwtronau.

Mae’r arddangosiad hwn yn addas iawn ar gyfer addysgu bondio metelig i bobl ifanc 14–16 oed – byddai model o’r fath yn cyfeirio at ddellten o ïonau metel positif sy’n cael eu hatynnu’n electrostatig at electronau falens dadleoledig o’u cwmpas (lawrlwythwch y sleidiau PowerPoint ar gyfer yr ystafell ddosbarth).

Byddai disgwyl i fyfyrwyr wneud cysylltiad rhwng radiws y catïon, yn ogystal â’i wefr a nifer yr electronau dadleoledig, ac ymdoddbwynt y metel. O ystyried radiws ïonig mwy potasiwm, nid yw’n syndod bod ganddo ymdoddbwynt is na sodiwm. Efallai y bydd y myfyrwyr yn rhagweld y bydd gan unrhyw gymysgedd o’r ddau fetel ymdoddbwynt sydd rhwng ymdoddbwyntiau’r ddwy elfen, felly mae’n annisgwyl gweld hylif yn hytrach na solid yn ymddangos wrth eu cymysgu.

Un ffordd o egluro hyn fyddai defnyddio enthalpi cymysgu fel procsi ar gyfer cryfder y grymoedd rhwng y gronynnau yn y sodiwm, yn y potasiwm, ac yn y cymysgedd. Ar gyfer pob cymysgedd o sodiwm a photasiwm, mae enthalpi cymysgu yn endothermig, sy’n awgrymu bod grymoedd gwannach rhwng y gronynnau yn y cymysgedd na rhwng y rhai yn y sylweddau pur.

Mae enthalpi cymysgu ar gyfer cymysgeddau o fetelau yn dibynnu’n bennaf ar adeileddau crisialau, unrhyw wahaniaeth mewn electronegatifedd, falens a radiws ïonig yr elfennau. Mae gan sodiwm a photasiwm yr un falens, adeileddau ciwbig wyneb-ganolog, ac electronegatifedd tebyg, felly mae hyn yn golygu mai’r gwahaniaeth rhwng eu radiws ïonig sy’n debygol o fod yn gyfrifol am y grymoedd gwannach a arsylwyd.

Mae effeithlonrwydd pacio catïonau yn y cymysgedd yn waeth nag effeithlonrwydd y naill sylwedd pur a’r llall. Gellir dangos hyn ar ffurf diagram neu drwy wneud modelau o adeileddau gyda marblis neu geiniogau.