Растворение 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

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].

Гидрокарбонат натрия: формула, состав, применение

Пищевая, или питьевая сода, — широко известное в медицине, кулинарии и бытовом потреблении соединение. Это кислая соль, молекула которой образована положительно заряженными ионами натрия и водорода, анионом кислотного остатка угольной кислоты. Химическое название соды — бикарбонат или гидрокарбонат натрия. Формула соединения по системе Хилла: CHNaO₃ (брутто-формула).

Отличие кислой соли от средней

Угольная кислота образуют две группы солей — карбонаты (средние) и гидрокарбонаты (кислые). Тривиальное название карбонатов — соды — появилось еще в древности. Следует различать среднюю и кислую соли по названиям, формулам и свойствам.
Na₂CO₃ — карбонат натрия, динатриевая соль угольной кислоты, кальцинированная стиральная сода. Служит сырьем для получения стекла, бумаги, мыла, используется как моющее средство.

NaHCO₃ — натрия гидрокарбонат. Состав подсказывает, что вещество является мононатриевой солью угольной кислоты. Это соединение отличается наличием двух разных положительных ионов — Na + и Н + . Внешне кристаллические белые вещества похожи, их трудно отличить друг от друга.

Вещество NaHCO₃ считается питьевой содой не потому, что употребляется внутрь для утоления жажды. Хотя с помощью этого вещества можно приготовить шипучий напиток. Раствор этого гидрокарбоната принимают внутрь при повышенной кислотности желудочного сока. При этом происходит нейтрализация избытка протонов Н + , которые раздражают стенки желудка, вызывают боль и жжение.

Физические свойства пищевой соды

Бикарбонат — это белые моноклинные кристаллы. В составе этого соединения присутствуют атомы натрия (Na), водорода (Н), углерода (С) и кислорода. Плотность вещества составляет 2,16 г/см3. Температура плавления — 50–60 °С. Натрия гидрокарбонат — порошок молочно-белого цвета — твердое мелкокристаллическое соединение, растворимое в воде. Питьевая сода не горит, а при нагревании свыше 70 °С разлагается на карбонат натрия, углекислый газ и воду. В производственных условиях чаще применяется гранулированный бикарбонат.

Безопасность пищевой соды для человека

Соединение не обладает запахом, его вкус — горько-соленый. Однако не рекомендуется нюхать и пробовать вещество на вкус. Вдыхание гидрокарбоната натрия может вызвать чихание и кашель. Одно из применений основано на способности пищевой соды нейтрализовать пахнущие вещества. Порошком можно обработать спортивную обувь, чтобы избавиться от неприятного запаха.

Питьевая сода (гидрокарбонат натрия) — безвредное вещество при контакте с кожей, но в твердом виде может вызвать раздражение слизистой оболочки глаз и пищевода. В низких концентрациях раствор не токсичен, его можно принимать внутрь.

Гидрокарбонат натрия: формула соединения

Брутто-формула CHNaO₃ редко встречается в уравнениях химических реакций. Дело в том, что она не отображает связь между частицами, которые образуют гидрокарбонат натрия. Формула, обычно используемая для характеристики физических и химических свойств вещества, — NaHCO₃. Взаимное расположение атомов отражает шаро-стержневая модель молекулы:

Если узнать из периодической системы значения атомных масс натрия, кислорода, углерода и водорода. то можно подсчитать молярную массу вещества гидрокарбонат натрия (формула NaHCO₃):
Ar(Na) — 23;
Ar(O) — 16;
Ar(C) — 12;
Ar(H) — 1;
М (CHNaO₃) = 84 г/моль.

Строение вещества

Гидрокарбонат натрия — ионное соединение. В состав кристаллической решетки входит катион натрия Na + , замещающий в угольной кислоте один атом водорода. Состав и заряд аниона — НСО₃ – . При растворении происходит частичная диссоциация на ионы, которые образуют гидрокарбонат натрия. Формула, отражающая структурные особенности, выглядит так:

Растворимость питьевой соды в воде

В 100 г воды растворяется 7,8 г гидрокарбоната натрия. Вещество подвергается гидролизу:
NaHCO₃ = Na + + НСО₃ – ;
Н₂О ↔ Н + + ОН – ;
НСО₃ – + Н + = Н₂О + СО₂↑.
При суммировании уравнений выясняется, что в растворе накапливают гидроксид-ионы (слабощелочная реакция). Жидкость окрашивает фенолфталеин в розовый цвет. Окраска универсальных индикаторов в виде бумажных полосок в растворе соды меняется с желто-оранжевой на серую или синюю.

Реакция обмена с другими солями

Водный раствор гидрокарбоната натрия вступает в реакции ионного обмена с другими солями при условии, что одно из вновь получившихся веществ — нерастворимое; либо образуется газ, который удаляется из сферы реакции. При взаимодействии с хлоридом кальция, как показано на схеме ниже по тексту, получается и белый осадок сарбоната кальция, и углекислый газ. В растворе остаются ионы натрия и хлора. Молекулярное уравнение реакции:

Взаимодействие питьевой соды с кислотами

Гидрокарбонат натрия взаимодействует с кислотами. Реакция ионного обмена сопровождается образованием соли и слабой угольной кислоты. В момент получения она разлагается на воду и углекислый газ (улетучивается).

Стенки желудка человека вырабатывают соляную кислоту, существующую в виде ионов
Н + и Cl – . Если принимать внутрь натрия гидрокарбонат, реакции происходят в растворе желудочного сока с участием ионов:
NaHCO₃ = Na + + НСО₃ – ;
HCl = Н + + Cl – ;
Н₂О ↔ Н+ + ОН – ;
НСО₃ – + Н + = Н₂О + СО₂↑.
Врачи не рекомендуют постоянно использовать при повышенной кислотности желудка гидрокарбонат натрия. Инструкция к препаратам перечисляет различные побочные действия ежедневного и длительного приема питьевой соды:

• повышение давления крови;
• отрыжка, тошнота и рвота;
• тревожность, плохой сон;
• снижение аппетита;
• боли в животе.

Получение пищевой соды

В лаборатории бикарбонат натрия можно получить из кальцинированной соды. Такой же метод применялся раньше в химическом производстве. Современный промышленный способ основан на взаимодействии аммиака с углекислым газом и слабой растворимости питьевой соды в холодной воде. Через раствор хлорида натрия пропускают аммиак и диоксид углерода (углекислый газ). Образуются хлорид аммония и раствор гидрокарбоната натрия. При охлаждении растворимость питьевой соды понижается, тогда вещество легко отделяется с помощью фильтрования.

Где используется гидрокарбонат натрия? Применение пищевой соды в медицине

Многим известно, что атомы металлического натрия энергично взаимодействуют с водой, даже ее парами в воздухе. Реакция начинается активно и сопровождается выделением большого количества теплоты (горением). В отличие от атомов, ионы натрия — стабильные частицы, не наносящие вреда живому организму. Наоборот, они принимают активное участие в регуляции его функций.

Как используется неядовитое для человека и полезное во многих отношениях вещество — гидрокарбонат натрия? Применение основано на физических и химических свойствах питьевой соды. Важнейшие направления — бытовое потребление, пищевая промышленность, здравоохранение, народная медицина, получение напитков.

Среди основных свойств бикарбоната натрия — нейтрализация повышенной кислотности желудочного сока, кратковременное устранение болевого синдрома при гиперацидности желудочного сока, язвенной болезни желудка и 12-перстной кишки. Антисептическое действие раствора питьевой соды применяется при лечении боли в горле, кашля, интоксикации, морской болезни. Промывают им полости рта и носа, слизистые оболочки глаз.

Широко используются разные лекарственные формы бикарбоната натрия, например порошки, которые растворяют и применяют для инфузий. Назначают растворы для приема пациентами внутрь, промывают ожоги кислотами. Для изготовления таблеток и ректальных суппозиториев также используется гидрокарбонат натрия. Инструкция к препаратам содержит подробное описание фармакологического действия, показаний. Список противопоказаний очень короткий — индивидуальная непереносимость вещества.

Использование пищевой соды в быту

Гидрокарбонат натрия — это «скорая помощь» при изжоге и отравлении. С помощью питьевой соды в домашних условиях отбеливают зубы, уменьшают воспаление при угревой болезни, протирают кожу для удаления избытка жирного секрета. Бикарбонат натрия смягчает воду, помогает очистить загрязнения с разных поверхностей.

При ручной стирке вещей из шерстяного трикотажа можно добавить в воду питьевую соду. Это вещество освежает цвет ткани и удаляет запах пота. Нередко при глажении изделий из шелка появляются желтые подпалины от утюга. В таком случае поможет кашица из питьевой соды и воды. Вещества надо как можно быстрее смешать и нанести на пятно. Когда кашица подсохнет, ее следует почистить щеткой, а изделие прополоскать в холодной воде.

В реакции с уксусной кислотой получается ацетат натрия и бурно выделяется углекислый газ, вспенивающий всю массу: NaHCO₃ + СН₃СООН = Na + + СН₃СОО – + Н₂О + СО₂↑. Этот процесс идет всякий раз, когда при изготовлении шипучих напитков и кондитерских изделий питьевую соду «гасят» уксусом.

Вкус выпечки будет нежнее, если использовать не магазинный синтетический уксус, а сок лимона. На крайний случай можно заменить его смесью 1/2 ч. л. порошка лимонной кислоты и 1 ст. л. воды. Питьевая сода с кислотой добавляется в тесто в числе последних ингредиентов, чтобы можно было сразу ставить выпечку в духовку. Кроме бикарбоната натрия, иногда в качестве разрыхлителя используется гидрокарбонат аммония.