Смесь в колбе на фото получена реакцией металлического лития с бромистым бутилом (1-бромбутаном) в гексане. "BuLi" означает "бутиллитий" - металлоорганическое соединение, в котором атом металла лития связан с атомом углерода. А буква "n" означает "нормальный", т.е., неразветвленный. Формула н-бутиллития CH3CH2CH2CH2Li. При этом получается также бромид лития. Металлический литий, если он остался, лежит на дне, его не видно. Все остальные перечисленные вещества бесцветны. Впрочем, литий тоже не окрашен, как и большинство других металлов. Почему же смесь имеет такой красивый голубой цвет? А это и есть цвет электронов! Правда, не свободных электронов, а находящихся в потенциальных ящиках. В голубой цвет окрашен бромид лития. Обычно это вещество совершенно бесцветно, но когда оно образуется из металлического лития и бромбутана, его состав не в точности соответствует формуле LiBr, в нем немножко больше атомов лития, чем атомов брома.
Вот так выглядит кристаллическая решетка бромида лития. Она состоит из ионов лития и брома. Каждый ион лития окружен октаэдром из ионов брома, а каждый ион брома - октаэдром из ионов лития. Если же лития больше, чем брома, значит, в некоторых местах, где положено быть брому, его нет. Но место это не пустое - там находится электрон. Его можно назвать свободным в том смысле, что он не принадлежит никакому конкретному атому. Но не так уж он свободен - он находится в ограниченном пространстве, и чтобы покинуть его, электрону надо преодолеть определенный энергетический барьер. Это и есть трехмерный потенциальный ящик. Одномерный потенциальный ящик с бесконечными стенками - стандартная задача, предлагаемая в курсах обучения квантовой физике, для неё уравнение Шредингера решается просто. Электрон в потенциальном ящике может иметь лишь определенные значения энергии и переходить с одного энергетического уровня на другой, поглощая или испуская свет (фотоны) определенной энергии, а значит, определенного цвета. Так происходит потому, что электрон обладает свойствами волны, и эти уровни энергии соответствуют стоячим волнам в ящике. Тем же закономерностям подчиняются колебания струны. Про квантовую химию без высшей математики я рассказываю здесь: https://dzen.ru/a/Z8R4tUUbulLIRJwQ
Именно поглощение света определенных длин волн при переходах электрона с одного энергетического уровня на другой и обуславливает окраску кристаллов LiBr, допированных литием. Кстати, подобным образом небольшие примеси могут сильно менять свойства полупроводников - на этом основана вся полупроводниковая электроника, все транзисторы, диоды, тиристоры и кремниевые чипы.
Энергетические уровни зависят от размеров ящика, которые определяются параметрами кристаллической решетки. Хлорид лития образует кристаллы такого же строения, что и бромид лития, только с немного другими размерами элементарной ячейки. Поэтому, хлорид лития, допированный литием, имеет другой оттенок, фиолетовый. Если буду снова делать бутиллитий из хлористого бутила (1-хлорбутана), сфотографирую и выложу, а пока у меня таких фото нет. Обленились мы несколько, редко варим бутиллитий, предпочитаем его покупать. А ведь его получение - процедура непростая, с массой тонкостей, не все из которых описаны в статьях, книгах, методичках. Бутиллитий - вещество небезопасное. Его концентрированные растворы при контакте с влажным воздухом самовоспламеняются. Он бурно реагирует с водой, а также с кислородом, углекислым газом и с очень многими другими веществами. Его синтез и все действия с ним необходимо проводить в атмосфере аргона или азота. Он широко применяется для синтеза многих веществ как в лабораториях, так и в промышленности.
Из бромистого бутила бутиллитий делается при охлаждении. "200" на термометре означает -200 градусов по Цельсию. Термометр этот из несуществующего ныне государства ГДР. Там когда-то делали такие, измеряющие температуру от -200 до +30. Что там за жидкость использовалась, я не знаю. Видимо, какая-то смесь изомерных бутанов и пентанов. Разумеется, реакция проводилась не при -200, поскольку гексан замерзает при -96, да и реакция при сильном охлаждении будет идти слишком медленно.
Из хлористого бутила бутиллитий в гексане делают при кипении. В диэтиловом эфире - при охлаждении. Трет-бутиллитий делается только в пентане и только их трет-бутилхлорида, при этом литий должен содержать 2% натрия, иначе реагировать не будет.
Можно получить и синие кристаллы поваренной соли. Для этого надо взять готовые кристаллы, обычные, бесцветные, и выдержать их в парах металлического натрия. Структура поваренной соли, т.е., хлорида натрия, такая же, как и у бромида или хлорида лития. Натрий будет оседать на поверхности кристаллов, ионы хлора будут диффундировать к поверхности, на их месте образуются вакансии, в которые перепрыгнут электроны от атомов натрия, превратив их в положительно заряженные ионы. Далее эти вакансии с электронами будут диффундировать внутрь кристалла, окрашивая его в синий цвет. Эти вакансии с электронами называют фарбен-центрами, т.е., центрами окраски (Farbe - по-немецки "краска").
Испарить металлический натрий не очень сложно. Этот металл плавится уже при 98 градусах - ниже температуры кипения воды. Кипит он при 883 градусах, но начинает заметно испаряться при гораздо более низких температурах. Пары натрия используются в натриевых лампах, которые сейчас постепенно заменяют на светодиодные, но местами они ещё светят в уличных фонарях, дающих свет с оранжевым оттенком. Такие фонари при включении медленно разгораются - им надо разогреться, чтобы натрий испарился. Разумеется, испарять натрий, чтобы покрасить им кристаллы NaCl, надо в вакууме.
Синие кристаллы хлорида натрия обнаружены в природе. Там они образовались, конечно, без участия паров натрия. Металлический натрий в природе на Земле не встречается, ведь он бурно реагирует с водой и легко загорается https://dzen.ru/shorts/67e160eda12f3518b4c7fafc В природе окраска NaCl возникла вследствие облучения кристаллов ионизирующими излучениями, возникающими при радиоактивном распаде.
История не помню откуда из интернета:
"...пока был жив реактор в Саласпилсе (это Латвия) некий неназываемый товарищ из Эстонии имел свой мелкий карманный бизнес по облучению алмазов.Фишка в том, что нейтроны в алмазах создают азотные v-центры, которые придают алмазам очень красивый голубой оттенок. В природе такие алмазы встречаются (в ЮАР), и огранёные в ювелирке стОят безумных денег даже мелкие и даже не очень-то и окрашеные. Ибо редкость и понты.Отсюда и бизнес-идея, "наука - людям!" и "мирный атом - в каждый дом!" Можно в качестве исследователя зарезервировать канал в реакторе, взять уже огранёные алмазы _любого_ размера, дать им дозу и получить равномерный окрас по объёму любой заданной интенсивности.Питерские ювелиры - балдели. Это было начало 90-х, деньги шли не просто хорошие, а безумные.А потом на нарвском КПП с русской стороны организовали нормальный радконтоль (это был год 95-й или даже 94-й) и при первом же следующем пересечении границы таможенники накрыли весь бизнес железным тазом. Вроде как в тюрьму человек не попал, но ювелирные редкости прибавляться перестали..."
Углерод состоит в основном из изотопа с массовым числом 12 - его около 99%. Есть ещё 1% углерода-13. Присоединение нейтрона превратит углерод-12 в углерод-13, что никак не будет заметно. Углерод-13, поглотив нейтрон, станет углеродом-14, который радиоактивен,и превращается в азот. Но это превращение происходит крайне медленно, с периодом полупревращения (полураспада) 5700 лет. Чтобы в кристалле алмаза получилось заметное количество атомов азота, надо либо очень долго ждать после облучения, либо очень сильно облучать, чтобы в нем стало много ядер углерода-14, который при захвате ещё одного нейтрона превратится в углерод-15, который очень быстро превратится в азот-15. После такого сильного облучения алмаз станет радиоактивным из-за высокого содержания углерода-14. Правда, излучение от распада углерода-14 мягкое, энергия бета-частиц небольшая, поэтому вряд ли такой алмаз будет опасен. Кстати, при превращении углерода в азот в решетке алмаза мало что изменится. Вместо углерода будет положительно заряженный атом азота, изоэлектронный углероду, образующий с соседними атомами углерода ковалентные связи, почти такие же, как и между двумя атомами углерода. И никакой окраски этот азот не вызовет. Но где-то рядом, между атомами, будет вылетевший из ядра электрон. Он будет находиться в пустоте между атомами - т.е., в потенциальном ящике, хоть и другой формы и другого размера, чем в кристаллах LiBr, LiCl или NaCl. И будет придавать кристаллу тот самый голубой оттенок. Однако, если это произошло из-за распада углерода-14, которого вследствие облучения стало в алмазе много, распад этот будет продолжаться дальше, и окраска со временем будет становиться все сильнее и сильнее, ярче, интенсивнее. Может быть, окраска этих алмазов была вызвана вовсе не превращениями ядер, а просто ионизацией - облучение выбивало электроны со своих мест, они оказывались в пустотах между атомами, а атомы, от которых они были оторваны, приобретали положительный заряд. Поскольку алмаз - практически идеальный изолятор, эти электроны на свое место не возвращаются, и придают кристаллу голубой цвет.
Синие электроны можно увидеть и в растворе. При растворении в жидком аммиаке щелочных металлов, например, того же натрия, раствор окрашивается в синий цвет, даже иссиня-черный - настолько окраска интенсивна. Электроны в растворе также находятся в пустотах между молекулами. Жидкий аммиак кипит при -33 градусах, поэтому работать с ним не очень удобно - надо либо низкую температуру поддерживать, либо давление существенно повышать. Но можно такой синий раствор получить при комнатной температуре и атмосферном давлении, растворив натрий в гексаметилфосфотриамиде (ГМФА, он же гексаметапол). Однако, ГМФА - растворитель небезопасный, это сильный канцероген, т.е., вещество, вызывающее образование злокачественных опухолей. Как говорилось в одном давнем известном фильме, "Nobody is perfect", что перевели как "У каждого свои недостатки".