Вода плюс металлический натрий

Спасибо! Ваша заявка отправлена, преподаватель свяжется с вами в ближайшее время.

Вы можете также связаться с преподавателем напрямую:

Скопируйте эту ссылку, чтобы разместить результат запроса " " на другом сайте.

Изображение вещества/реакции можно сохранить или скопировать, кликнув по нему правой кнопкой мыши.

Внимание, если вы не нашли в базе сайта нужную реакцию, вы можете добавить ее самостоятельно.

На данный момент доступна упрощенная авторизация через VK.
В будущем добавлю авторизацию через Гугл и Яндекс.

Здесь вы можете выбрать параметры отображения органических соединений.

Эти параметры действуют только для верхнего изображения вещества и не применяются в реакциях.

Корректная работа сайта обеспечена на всех браузерах, кроме Internet Explorer.

Если вы пользуетесь Internet Explorer, смените браузер.

На сайте есть сноски двух типов:

Подсказки - помогают вспомнить определения терминов или поясняют информацию, которая может быть сложна для начинающего.

Дополнительная информация - такие сноски содержат примечания или уточнения, выходящие за рамки базовой школьной химии, нужны для углубленного изучения.

Спросите Итана: каковы квантовые причины реакции натрия с водой?

Если поместить кусочек натрия в воду, можно вызвать бурную, часто взрывную реакцию

Иногда мы узнаём что-то в начале жизни и просто принимаем, как данность, что мир работает именно так. К примеру, если бросить кусочек чистого натрия в воду, можно получить легендарную взрывную реакцию. Как только кусочек намокнет, реакция заставляет его шипеть и разогреваться, он прыгает по поверхности воды и даже выдаёт язычки пламени. Это, конечно, просто химия. Но не происходит ли чего-то ещё на фундаментальном уровне? Именно это и хочет узнать наш читатель Семён Стопкин из России:

Какие силы управляют химическими реакциями, и что происходит на квантовом уровне? В частности, что происходит, когда вода взаимодействует с натрием?

Реакция натрия с водой — это классика, и у неё есть глубокое объяснение. Начнём с изучения прохождения реакции.

Первое, что нужно знать о натрии — на атомном уровне у него всего на один протон и один электрон больше, чем у инертного, или благородного газа, неона. Инертные газы не реагируют ни с чем, и всё из-за того, что все их атомные орбитали полностью заполнены электронами. Эта сверхстабильная конфигурация рушится, когда вы переходите на один элемент далее в периодической таблице Менделеева, и это происходит со всеми элементами, демонстрирующими похожее поведение. Гелий сверхстабилен, а литий чрезвычайно активен химически. Неон стабилен, а натрий активен. Аргон, криптон и ксенон — стабильны, но калий, рубидий и цезий — активны.

Причина заключается в дополнительном электроне.

Таблица Менделеева рассортирована по периодам и группам согласно количеству свободных и занятых валентных электронов — а это первейший фактор в определении химических свойств элемента

Когда мы изучаем атомы, мы привыкаем считать ядро твёрдым, мелким, положительно заряженным центром, а электроны — отрицательно заряженными точками на орбите вокруг него. Но в квантовой физике этим дело не заканчивается. Электроны могут вести себя, как точки, в особенности если выстрелить в них другой высокоэнергетической частицей или фотоном, но если их оставить в покое, они расплываются и ведут себя, как волны. Эти волны способны самонастраиваться определённым образом: сферически (для s-орбиталей, содержащих по 2 электрона), перпендикулярно (для p-орбиталей, содержащих по 6 электронов), и далее, до d-орбиталей (по 10 электронов), f-орбиталей (по 14) и т.д.

Орбитали атомов в состоянии с наименьшей энергией находятся вверху слева, и при продвижении вправо и вниз энергии растут. Эти фундаментальные конфигурации управляют поведением атомов и внутриатомными взаимодействиями.

Заполняются эти оболочки из-за принципа запрета Паули, запрещающего двум одинаковым фермионам (например, электронам) занимать одно и то же квантовое состояние. Если в атоме электронная орбиталь заполнилась, то единственное место, где можно разместить электрон — это следующая, более высокая орбиталь. Атом хлора с удовольствием примет дополнительный электрон, поскольку ему не хватает всего одного для заполнения электронной оболочки. И наоборот, атом натрия с удовольствием отдаст свой последний электрон, поскольку он у него лишний, а все остальные заполнили оболочки. Поэтому натрий хлор так хорошо и получается: натрий отдаёт электрон хлору, и оба атома находятся в энергетически предпочтительной конфигурации.

Элементы первой группы периодической таблицы, особенно литий, натрий, калий, рубидий и т.д. теряют свой первый электрон гораздо легче всех остальных

На самом деле количество энергии, необходимое для того, чтобы атом отдал свой внешний электрон, или энергия ионизации, оказывается особенно низкой у металлов с одним валентным электроном. Из чисел видно, что гораздо легче забрать электрон у лития, натрия, калия, рубидия, цезия и т.п., чем у любого другого элемента

Кадр из анимации, демонстрирующей динамическое взаимодействие молекул воды. Отдельные молекулы H₂O имеют V-образную форму и состоят из двух атомов водорода (белые), соединённых с атомом кислорода (красные). Соседние молекулы H₂O кратковременно реагируют друг с другом через водородные связи (бело-голубые овалы)

Так что же происходит в присутствии воды? Вы можете представлять себе молекулы воды как крайне стабильные — H₂O, два водорода, связанные с одним кислородом. Но молекула воды чрезвычайно полярная — то есть, с одной стороны молекулы H₂O (со стороны, противоположной двум водородам) заряд получается отрицательным, а с противоположной — положительным. Этого эффекта достаточно для того, чтобы некоторые молекулы воды — порядка одной на несколько миллионов — распадались на два иона — один протон (H + ) и ион гидроксила (OH - ).

В присутствии большого количества чрезвычайно полярных молекул воды одна из нескольких миллионов молекул распадётся на ионы гидроксила и свободные протоны — этот процесс называется автопротолиз

Последствия этого довольно важны для таких вещей, как кислоты и основания, для процессов растворения солей и активизации химических реакций, и т.п. Но нас интересует, что происходит при добавлении натрия. Натрий — этот нейтральный атом с одним плохо держащимся внешним электроном — попадает в воду. А это не просто нейтральные молекулы H₂O, это ионы гидроксила и отдельные протоны. Важны нам прежде всего протоны — они и подводят нас к ключевому вопросу:

Что энергетически предпочтительнее? Иметь нейтральный атом натрия Na вместе с отдельным протоном H+, или ион натрия, потерявший электрон Na + вместе с нейтральным атомом водорода H?

Ответ прост: в любом случае электрон перепрыгнет с атома натрия на первый же встречный отдельный протон, который попадётся ему на пути.

Потеряв электрон, ион натрия с удовольствием растворится в воде, как делает ион хлора, приобретя электрон. Гораздо более выгодно энергетически — в случае натрия — чтобы электрон спарился с ионом водорода

Именно поэтому реакция происходит так быстро и с таким выходом энергии. Но это ещё не всё. У нас получились нейтральные атомы водорода, и, в отличие от натрия, они не выстраиваются в блок отдельных атомов, связанных вместе. Водород — это газ, и он переходит в ещё более энергетически предпочтительное состояние: формирует нейтральную молекулу водорода H₂. И в результате образуется много свободной энергии, уходящей в разогрев окружающих молекул, нейтральный водород в виде газа, который выходит из жидкого раствора в атмосферу, содержащую нейтральный кислород O₂.

Удалённая камера снимает вблизи главный двигатель Шатла во время тестового прогона в космическом центре имени Джона Стенниса. Водород — предпочтительное топливо для ракет благодаря его низкому молекулярному весу и избытку кислорода в атмосфере, с которым он может реагировать

Если накопить достаточное количество энергии, водород и кислород тоже вступят в реакцию! Это яростное горение выдаёт водяной пар и огромное количество энергии. Поэтому при попадании кусочка натрия (или любого элемента их первой группы периодической таблицы) в воду случается взрывной выход энергии. Всё это происходит из-за переноса электронов, управляемого квантовыми законами Вселенной, и электромагнитных свойств заряженных частиц, составляющих атомы и ионы.

Энергетические уровни и волновые функции электронов, соответствующие различным состояниям атома водорода — хотя почти такие же конфигурации присущи всем атомам. Уровни энергии квантуются кратно постоянной Планка, но даже минимальная энергия, основное состояние, имеет две возможные конфигурации в зависимости от соотношения спинов электрона и протона

Итак, повторим, что происходит, когда кусочек натрия падает в воду:

• натрий немедля отдаёт внешний электрон в воду,
• где он поглощается ионом водорода и формирует нейтральный водород,
• эта реакция высвобождает большое количество энергии, и разогревает окружающие молекулы,
• нейтральный водород превращается в молекулярный водородный газ и поднимается из жидкости,
• и, наконец, при достаточном количестве энергии атмосферный кислород вступает с водородным газом в реакцию горения.

Всё это можно просто и элегантно объяснить при помощи правил химии, и именно так это часто и делают. Однако правила, управляющие поведением всех химических реакций, происходит из ещё более фундаментальных законов: законов квантовой физики (таких, как принцип запрета Паули, управляющий поведением электронов в атомах) и электромагнетизм (управляющий взаимодействием заряженных частиц). Без этих законов и сил не будет никакой химии! И благодаря им каждый раз, уронив натрий в воду, вы знаете, чего следует ожидать. Если вы ещё не поняли — нужно надевать защиту, не брать натрий руками и отходить подальше, когда начинается реакция!

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Секреты реакции металлического натрия с водой

Демонстрация химии натрия в воде иллюстрирует реакционную способность щелочного металла с водой. Это запоминающаяся демонстрация, которая вызывает эффектную реакцию у студентов. Тем не менее, это может быть выполнено безопасно.

Миллиарды лет натрий вымывается из горных пород и почвы, попадая в океаны. Морская вода содержит примерно 11 000 частей на миллион натрия. Реки содержат только около 9 частей на миллион.

Питьевая вода обычно содержит около 50 мг/л натрия. Это значение явно выше для минеральной воды. В растворимой форме натрий всегда находится в виде ионов Na +.

Как и в какой форме реагирует натрий с водой?

Элементарный натрий сильно реагирует с водой по следующему механизму реакции:

Образуется бесцветный раствор, состоящий из сильнощелочного гидроксида натрия (едкого натра) и газообразного водорода. Это экзотермическая реакция. Металлический натрий нагревается и может загореться и гореть характерным оранжевым пламенем. Газообразный водород, выделяющийся в процессе горения, сильно реагирует с кислородом воздуха.

Ряд соединений натрия не так сильно реагируют с водой, но хорошо растворимы в воде.

© shutterstock

Растворимость натрия и соединений натрия

Имеется ряд примеров растворимости натрия в воде. Наиболее известным соединением натрия является хлорид натрия (NaCl), также известный как поваренная соль. При 20 C растворимость составляет 359 г/л, т.е. хорошо растворяется в воде. Растворимость почти не зависит от температуры. Карбонат натрия (Na2CO3) также достаточно растворим в воде. Растворимость 220 г/л при 20 C.

Как провести эксперимент

Материалы

• Металлический натрий хранится под минеральным маслом.
• Стакан на 250 мл, наполовину наполненный водой.
• Фенолфталеин (по желанию).

Процедура

• Добавьте несколько капель индикатора фенолфталеина в воду в стакане. (По желанию)
• Вы можете поместить стакан на проектор или видеоэкран, что даст вам возможность показать реакцию студентов на расстоянии.
• Надев перчатки, используйте сухой шпатель, чтобы удалить очень маленький кусочек (0,1 см3) металлического натрия из куска, хранящегося в масле. Верните неиспользованный натрий в масло и закройте контейнер. Вы можете использовать щипцы или пинцет, чтобы высушить небольшой кусочек металла на бумажном полотенце.
• Опустите кусочек натрия в воду. Немедленно отойдите. При диссоциации воды на Н + и ОН- будет выделяться газообразный водород. Увеличение концентрации ионов ОН- в растворе повысит его рН и заставит жидкость стать розовой.
• После того, как натрий полностью прореагирует, вы можете смыть его водой и смыть в канализацию. Продолжайте носить защитные очки при утилизации реакции на случай, если останется немного непрореагировавшего натрия.

Каково воздействие натрия в воде на окружающую среду?

Натрий относится ко 2 классу опасности для воды, то есть представляет опасность при наличии в воде. Однако хлорид натрия не представляет опасности и относится к классу опасности для воды 1.

Натрий является диетическим минералом для животных. Однако растения почти не содержат натрия. Значение LC 50 для золотых рыбок составляет 157 мг/л. Гипохлорит натрия из гигиенических моющих средств может способствовать образованию хлорированных углеводородов и, следовательно, может сильно загрязнять сточные воды.

В природе встречается только один изотоп натрия, а именно стабильный 23 Na. Существует 13 нестабильных изотопов натрия, которые слаборадиоактивны.

Acetyl

Читайте также:

  
• Металлические двери с зеркалом аргус
  
• Женщина земля мужчина металл
  
• Накатка для токарного станка по металлу
  
• Литература по металлам и сплавам
  
• Большая дровница из металла