Горение натрия в воде уравнение

Натрий: способы получения и химические свойства

Натрий — это щелочной металл, серебристо-белого цвета. Легкий, очень мягкий, низкая температура плавления.

Относительная молекулярная масса Mr = 22,990; относительная плотность по твердому состоянию d = 0,968; относительная плотность по жидкому состоянию d = 0, 27; t_пл = 97,83º C; t_кип = 886º C.

Способ получения

1. Натрий получают в промышленности электролизом расплава гидроксида натрия, в результате образуется натрий, кислород и вода:

4NaOH → 4Na + O₂↑ + 2H₂O

Качественная реакция

Качественная реакция на натрий — окрашивание пламени солями натрия в желтый цвет .

Химические свойства

Натрий — активный металл; на воздухе реагирует с кислородом и покрывается оксидной пленкой. Воспламеняется при умеренном нагревании; окрашивает пламя газовой горелки в темно-красный цвет.

1. Натрий — сильный восстановитель . Поэтому он реагирует почти со всеми неметаллами :

1.1. Натрий легко реагирует с галогенами с образованием галогенидов:

2Na + I₂ = 2NaI

1.2. Натрий реагирует с серой с образованием сульфида натрия:

2Na + S = Na₂S

1.3. Натрий активно реагирует с фосфором и водородом . При этом образуются бинарные соединения — фосфид натрия и гидрид натрия:

3Na + P = Na₃P

2Na + H₂ = 2NaH

1.4. С азотом натрий реагирует при температуре 100º С и электрическом разряде с образованием нитрида:

1.5. Натрий реагирует с углеродом с образованием карбида:

1.6. При взаимодействии с кислородом при температуре 250–400º C натрий образует пероксид натрия:

2. Натрий активно взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Натрий реагирует с водой . Взаимодействие натрия с водой приводит к образованию щелочи и водорода:

2Na 0 + 2 H₂ O = 2 Na + OH + H₂ 0

2.2. Натрий взаимодействует с кислотами . При этом образуются соль и водород.

Например , натрий реагирует с разбавленной соляной кислотой :

2Na + 2HCl = 2NaCl + H₂ ↑

2.3. Натрий может реагировать с аммиаком , при этом образуются амид натрия и водород:

2.4. Н атрий может взаимодействовать с гидроксидами:

Например , натрий взаимодействует с гидроксидом натрия при температуре 600º С:

2Na + 2NaOH = 2Na₂O + H₂

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.

Металлический натрий

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].

Горение натрия в воде уравнение

Натрий является очень активным металлом, который реагирует со многими веществами. Реакции с участием натрия могут протекать бурно со значительным выделением тепла. При этом часто имеет место воспламенение и даже взрыв. Для безопасной работы с натрием необходимо иметь четкое представление о его физических и химических свойствах.

Sodium / Натрий

Натрий легкий (плотность 0.97 г/см 3 ), мягкий и легкоплавкий (Тпл 97.86° С) металл. По твердости он напоминает парафин или мыло. На воздухе натрий очень быстро окисляется, покрываясь серой пленкой, что состоит из перекиси Na2O2 и карбоната, поэтому натрий хранят в хорошо закрытых банках под слоем безводного керосина или масла. Кусочек натрия нужного размера отрезают, не вынимая металл из керосина, с помощью ножа или скальпеля. Из банки натрий достают пинцетом. Все инструменты должны быть сухими ! После этого натрий освобождают от остатков керосина с помощью фильтровальной бумажки. В некоторых случаях металл очищают скальпелем от слоя перекиси, поскольку контакт перекиси со свежей поверхностью натрия может привести к взрыву. Натрий нельзя брать руками. Обрезки натрия сплавляют при слабом нагревании под слоем керосина. Посуду, в которой был натрий, ни в коем случае не допускается мыть водой — это может привести к взрыву с трагическими последствиями. Остатки натрия устраняют добавлением спирта, только после этого можно применять воду. Работать с натрием необходимо в защитных очках. Никогда не забывайте, с чем вы имеете дело — взрыв может произойти в самый неожиданный и неподходящий момент, и к этому нужно быть готовым. В кристаллизатор налейте на 3/4 воду и добавьте в нее несколько капель фенолфталеина. Бросьте в кристаллизатор кусочек натрия размером с половину горошины. Натрий останется на поверхности, поскольку он легче воды. Кусочек начнет активно реагировать с водой с выделением водорода. От тепла реакции металл расплавится и превратится в серебристую капельку, которая будет активно бегать по поверхности воды. При этом слышится шипение. Иногда водород, который выделяется, загорается желтым пламенем. Такой цвет придают ему пары натрия. Если воспламенения не произошло, водород можно поджечь. Однако кусочки натрия размером меньше пшеничного зернышка гаснут.

Reaction of Sodium and Water Реакция натрия с водой

На последней фотографии в воду добавлено несколько капель фенолфталеина В результате реакции образуется щелочь, которая действует на фенолфталеин, поэтому кусочек натрия оставляет за собой малиновый след. Под конец опыта практически вся вода в кристаллизаторе окрасится в малиновый цвет. Не следует брать натрия слишком много, иначе возможен взрыв. Когда автор взял кусочек натрия размером с фасолину, то реакция началась спокойно, но через несколько секунд последовал взрыв. В результате брызги расплавленного натрия разлетелись во все стороны, часть их попала на фотоаппарат, в том числе — на стекло объектива. Многоразовое протирание объектива ваткой со спиртом спасло положение — снимки из других разделов статьи выполнены уже после взрыва с помощью этого же фотоаппарата. Стенки кристаллизатора должны быть свободны от жира и других загрязнений. В случае необходимости их промывают раствором щелочи, иначе натрий прилипает к стенкам, и кристаллизатор может треснуть. Опыт следует проводить в защитной маске или защитных очках. Во время реакции держитесь на некотором расстоянии и ни в коем случае не наклоняйтесь над кристаллизатором. Попадание расплавленного натрия или брызг щелочи в глаза грозит практически гарантированной слепотой.

5.10 Реакция натрия с водой (Взрыв)/ Reaction of Sodium and Water (Explosion)

5.11

5.12

6.02

10.13 В маленькую чашку Петри налейте 10 мл концентрированной азотной кислоты HNO3 и бросьте в нее кусочек натрия величиной не больше пшеничного зернышка. Натрий сразу же загорится ярким оранжевым пламенем, образуется белый дым. Когда кусочек почти растворится, последует взрыв. Во все стороны разлетятся брызги кислоты. Эксперимент проводят под вытяжкой, пользуясь защитной маской из оргстекла. Поблизости не должно быть предметов, которые могут пострадать от кислоты. Лучше использовать пластмассовые чашки Петри или донышка пластиковых стаканов, поскольку стекло при взрыве часто трескается. Использовать бОльшие количества натрия опасно.

Реакция натрия с концентрированной азотной кислотой Sodium and Concentrated Nitric Acid

Sodium and Hydrogen Peroxide (30%)»> Реакция натрия с 30% раствором перекиси водорода Sodium and Hydrogen Peroxide (30%)

Sodium and Hydrogen Peroxide (30%)»> В чашку Петри налейте 10 мл концентрированной серной кислоты H2SO4 и бросьте туда кусочек натрия (не больше пшеничного зернышка). Металл загорится желтым пламенем и будет плавать по поверхности кислоты, пока не сгорит. В данном эксперименте взрывов не наблюдалось, но если использовать большие кусочки натрия, взрыв, без сомнения, произойдет. Следует учитывать, что возможен выброс брызг концентрированной кислоты и расплавленного натрия.

Реакция натрия с концентрированной серной кислотой Sodium and Concentrated Sulfuric Acid

Плавление и горение натрия Melting of Sodium and Burning of Sodium

После окончания горения натрия останется желтый пероксид натрия Na2O2, загрязненный продуктами разрушения керамики. Добавьте к нему несколько капель ледяной уксусной кислоты (или концентрированной муравьиной). Произойдет воспламенение, что объясняется образованием безводного пероксида водорода, который обладает сильными окислительными свойствами:

Воспламенение муравьиной кислоты под действием перекиси натрия Sodium Peroxide and Formic Acid (Ignition)

Несмотря на то, что щелочные металлы обладают близкими химическими свойствами, их «мнения» относительно кислорода сильно отличаются. При взаимодействии с кислородом литий образует оксид: а калий, рубидий и цезий — супероксиды: Me + O2 = MeO2, где Me = K, Rb, Cs Таким образом, из всех щелочных металлов при действии кислорода «нормальный» оксид образует только литий. Оксиды других щелочных металлов получают «обходными путями», например: 2NaOH + 2Na = 2Na2O + H2 (реакция идет при сплавлении).

Реакция натрия с концентрированной соляной кислотой и с водой Reaction of Sodium with Water and with Concentrated Hydrochloric Acid Слева чашка с конц. HCl, справа — с водой

Натрий в соляной кислоте превратится в шарик, который будет быстро бегать по поверхности с приглушенным шипением. Воспламенения не произойдет. Аналогично будет и с водой (если не считать небольшой вспышки). Но уже через десять секунд разница станет очевидной: кусочек натрия, помещенный в соляную кислоту, будет уменьшаться значительно медленнее, чем такой же кусочек натрия в воде. В начале эксперимента может показаться, что натрий плавает по поверхности кислоты, не растворяясь. В нашем эксперименте кусочек натрия полностью растворился в воде за 52 сек, а в концентрированной соляной кислоте — за 142 сек. Таким образом, натрий реагировал с HCl почти в три раза медленнее, чем с водой. Объяснить такое необычное поведение просто. Дело в том, что хлорид натрия плохо растворим в концентрированной соляной кислоте HCl. В процессе эксперимента почти сразу заметно образование белого осадка хлорида натрия NaCl. На поверхности металла образуется корка нерастворимого NaCl, которая замедляет взаимодействие натрия с концентрированной кислотой.

Реакция натрия с концентрированной соляной кислотой HCl (левая чашка) и с водой (правая чашка). В первом случае взаимодействие происходит значительно медленнее

Для наглядности можно перелить содержимое левой чашки в колбочку и показать ее на темном фоне. Перед началом эксперимента желательно смочить полоски универсальной индикаторной бумаги в чашках с водой и кислотой, а потом положить эти бумажки возле соответствующих чашек.

Супероксид калия Супероксид калия парамагнитен, что можно объяснить нечетным числом валентных электронов в анионе О2 — (6e — + 6e — + 1e — = 13e — ). Наличие неспаренного электрона также обуславливает и желтый цвет вещества. Чтобы продемонстрировать парамагнитные свойства, подвесим пробирку с KO2 как показано на фотографии. Если к пробирке приблизить неодимовый магнит, будет заметно, что вещество притягивается к магниту. Маленькая картинка получена наложением двух изображений пробирки: с магнитом и без магнита.

Для проведения реакций с KO2 мы использовали установку, которая показана на фотографиях. В стеклянную трубку от пипетки насыпали около 0.6 гр KO2, с обоих концов слой уплотнили тампонами из стекловаты. С помощью резиновых трубок стеклянную трубку соединили со шприцами. Левый шприц установки заполнен CO2, стеклянная трубка содержит KO2, а правый шприц служит для сбора газообразных продуктов реакции (см. фотографии). Если через слой желтого KO2 продавить CO2, цвет вещества изменится на белый в результате образования K2CO3. Для эксперимента было взято примерно 2 ммоль CO2 и 8 ммоль KO2, следовательно, углекислый газ был в недостатке. В правом шприце должен собраться кислород.

Для начала исследуем газ из шприца-приемника (который вероятно содержит кислород) с помощью раствора универсального кислотно-основного индикатора. Универсальный индикатор Чтобы провести сравнение, во втором стаканчике пропустим через раствор этого же индикатора углекислый газ. На фотографии справа показан шприц с углекислым газом, а слева шприц с исследуемым газом, который вероятно содержит кислород.

Как мы видим, газ из левого шприца не изменяет цвет индикатора, в то время как углекислый газ приводит к понижению рН раствора и переходу окраски индикатора с зеленой в желтую.

Теперь проведем традиционную пробу для обнаружения кислорода. Возьмем тлеющую лучинку

и внесем ее в шприц с газом, который вероятно содержит кислород. Лучинка ярко загорится. Наличие кислорода доказано.

После этого покажем отсутствие в исследуемом газе CO2. Для этого возьмем две пробирки с профильтрованным раствором гидроксида кальция. В первую пробирку пропустим газ из шприца с CO2. Раствор станет мутным в результате образования карбоната кальция: В то же время газ из второго шприца не вызывает помутнение известковой воды. Таким образом, исследуемый газ содержит кислород и не содержит углекислый газ.

И наконец, последнее испытание — взаимодействие исследуемого газа и углекислого газа с 6 M раствором NaOH. Кислород не реагирует со щелочью, зато CO2 должен поглощаться раствором полностью: Как видите, весь газ в шприце с CO2 «исчезает». На фотографии в левом шприце было 60 мл CO2(газ) + 10 мл 6 M NaOH. Обратите внимание, что весь газ прореагировал. Шприц справа содержит 60 мл O2(газ), который был получен в первой реакции + 10 мл 6 M NaOH. Взаимодействия не наблюдается.

На следующих трех фотографиях показано как NO (бесцветный газ в левом шприце) продавливается через слой KO2, в результате чего образуется бурый диоксид азота. Реакция сильно экзотермична.

И наконец, заключительный эксперимент. Диоксид серы — бесцветный газ в левом шприце продавливаем через KO2. Как мы предполагаем, при этом образуется SO3.

На фотографии место протекания реакции видно как темная область, которая смещается по мере прохождения взаимодействия слева на право. Внутри трубки с супероксидом калия было замечено небольшое красное пламя, но, к сожалению, мы не сумели его заснять. источники: http://habr.com/ru/post/371251/ http://chemistry-chemists.com/Video/Na-H2O.html Вам также может понравиться Решить уравнение по теореме безу Теорема Безу: нахождение остатка от деления многочлена на двучлен В данной публикации мы рассмотрим теорему Применение дифференциальных уравнений в технике примеры Что такое дифференциальное уравнение и зачем оно нужно? На сегодняшний день одним из важнейших навыков По следующим данным построить линейное уравнение регрессии Уравнение регрессии Вместе с этим калькулятором также используют следующие:Уравнение множественной регрессии Квадратное уравнение с помощью коэффициентов Квадратное уравнение с помощью коэффициентов Этот способ решения помогает не только сэкономить время