Растворение металлического натрия в воде уравнение реакции

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

Секреты реакции металлического натрия с водой

Самой интересной на школьных уроках химии была тема о свойствах активных металлов. Нам не только подавали теоретический материал, но и демонстрировали интересные эксперименты. Наверное, все помнят, как учитель бросал в воду маленький кусочек металла, а он метался по поверхности жидкости и воспламенялся. В этой статье мы разберемся, как происходит реакция натрия и воды, почему металл взрывается.

Свойства натрия

Металлический натрий – это серебристое вещество, по плотности напоминающее мыло или парафин. Натрий характеризуется хорошей тепло- и электропроводностью. Именно поэтому его используют в промышленности, в частности для изготовления аккумуляторов.

Натрий обладает высокой химической активностью. Часто реакции проходят с выделением большого количества тепла. Иногда это сопровождается воспламенением или взрывом. Работа с активными металлами требует хорошей информационной подготовки и опыта. Хранить натрий можно только в хорошо закрытых тарах под слоем масла, так как на воздухе металл быстро окисляется.

Самой популярной реакцией натрия является его взаимодействие с водой. В ходе реакции натрий плюс вода образуется щелочь и водород:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 ↑

Водород окисляется кислородом из воздуха и взрывается, что мы и наблюдали в ходе школьного эксперимента.

Исследования реакции учеными из Чехии

Реакция натрия с водой очень проста для понимания: взаимодействие веществ приводит к образованию газа H2, который, в свою очередь, окисляется с помощью О2, находящегося в воздухе, и воспламеняется. Кажется, все просто. Но профессор Павел Юнгвирт из Академии наук Чехии так не считал.

Дело в том, что в процессе реакции образуется не только водород, но и пары воды, так как выделяется большое количество энергии, вода нагревается и испаряется. Так как натрий имеет низкую плотность, паровая подушка должна выталкивать его вверх, изолируя от воды. Реакция должна затухать, но этого не происходит.

Юнгвирт решил подробно изучить этот процесс и снял эксперимент на высокоскоростную камеру. Процесс снимался со скоростью 10 тыс. кадров в секунду и просматривался с 400-кратным замедлением. Ученые заметили, что металл, попадая в жидкость, начинает выпускать отростки в виде шипов. Объясняется это следующим образом:

• Щелочные металлы, попав в воду, начинают выступать в роли донора электронов и отдают негативно заряженные частицы.
• Кусочек металла обретает положительный заряд.
• Положительно заряженные протоны начинают отталкиваться друг от друга, образуя металлический отростки.
• Отростки-шипы прокалывают паровую подушку, поверхность контакта реагирующих веществ увеличивается, и реакция усиливается.

Как провести эксперимент

Кроме водорода, в ходе реакции воды и натрия образуется щелочь. Чтобы это проверить, можно использовать любой индикатор: лакмус, фенолфталеин или метилоранж. Легче всего будет работать с фенолфталеином, так как он бесцветный в нейтральной среде и реакцию будет легче наблюдать.

Чтобы провести эксперимент нужно:

1. Налить в кристаллизатор дистиллированную воду, чтобы она занимала больше половины объема посудины.
2. Добавить в жидкость несколько капель индикатора.
3. Отрезать кусочек натрия, размером с полгорошины. Для этого используют скальпель или тонкий нож. Резать металл нужно в таре, не винимая натрий из масла, чтобы избежать окисления.
4. Достать кусочек натрия из банки пинцетом и промокнуть фильтровальной бумагой, чтобы очистить от масла.
5. Бросить натрий в воду и наблюдать за процессом с безопасного расстояния.

Все инструменты, используемые в эксперименте, должны быть чистыми и сухими.

Вы увидите, что натрий не погружается в воду, а остается на поверхности, что объясняется плотностью веществ. Натрий начнет реагировать с водой, выделяя тепло. От этого металл расплавится и превратится в капельку. Эта капелька начнет активно двигаться по воде, издавая характерное шипение. Если кусочек натрия был не слишком маленьким, он загорится желтым пламенем. Если кусочек был слишком большим, может произойти взрыв.

Также вода поменяет свой цвет. Это объясняется выделением щелочи в воду и окрашиванием растворенного в ней индикатора. Фенолфталеин станет розовым, лакмус синим, а метилоранж – желтым.

Это опасно

Взаимодействие натрия с водой очень опасно. В ходе эксперимента можно получить серьезные травмы. Гидроксид, пероксид и оксид натрия, которые образуются в ходе реакции, могут разъедать кожу. Щелочь, разбрызгиваясь, может попасть в глаза и привести к серьезным ожогам и даже слепоте.

Поэтому мы не рекомендуем вам самостоятельно проводить исследование.

Манипуляции с активными металлами должны проводиться в химических лабораториях под наблюдением лаборанта, который имеет опыт работы с щелочными металлами.

Также нужно придерживаться следующих рекомендаций:

1. Работать исключительно в защитных очках.
2. Ни в коем случае не наклоняться над посудиной, когда металл находится на воде.
3. Отходить от кристаллизатора на несколько метров сразу после того, как металл будет брошен в воду.
4. Быть всегда наготове, так как взрыв может произойти в любой момент.
5. Не подходить к катализатору, пока не убедитесь, что реакция закончилась.

Свойства металлического натрия: Видео

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].