Уравнение реакции натрия с водой
Запишите уравнение реакции натрия с водой; дайте название продукту взаимодействия. Какую химическую связь называют ковалентной. Расскажите о процессе образования ковалентной связи с позиции метода валентных связей
Уравнение реакции натрия с водой, в результате которой образуется гидроксид натрия и выделяется водород, имеет вид:
Для описания ковалентной связи существуют два основных метода: метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО). Согласно первому из них связь осуществляется за счет пары электронов, находящихся на орбитали, образовавшейся за счет перекрывания двух атомных орбиталей.
Суть метода ММО заключается в следующем: в молекуле образуется собственная система молекулярных орбиталей, на которых находятся все электроны данной молекулы.
МВС можно рассматривать как современное развитие теории Льюиса, в соответствии с которой два атома совместно владеют одной или несколькими парами электронов. Известны два механизма образования такой связи: либо оба атома предоставляют в общее пользование по одному электрону, либо один атом (донор) предоставляет пару электронов, а другой (акцептор) — пустую орбиталь (донорно-акцепторный механизм). Результат один и тот же: две орбитали перекрываются, и на них находятся два электрона. Например, в ионе аммония три связи Н-N образованы перекрыванием одноэлектронных облаков, а четвертая — по донорно-акцепторному механизму. В результате все четыре связи неразличимы и равноценны.
В МВС ковалентная связь характеризуется насыщаемостью, поляризуемостью и направленностью.
Источник
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].
Источник
Реакция воды и натрия: что там происходит
Группа исследователей во главе с Павлом Юнгвиртом (Pavel Jungwirth) из Чешской академии наук в Праге (Чехия) провели эксперимент для изучения деталей детонации натрия в воде. Ученые засняли реакцию с помощью камер замедленной съемки и обнаружили удивительные подробности. Результаты исследования опубликованы в Nature Chemistry.
В ходе популярного эксперимента, известного еще с XIX века, в обычную воду опускают кусок натрия. Это вызывает мгновенную и бурную реакцию, а иногда, на радость школьников — и взрыв. Все дело в том, что натрий является одним из щелочных металлов. В «чистом виде» при комнатной температуре он представляет собой твердое вещество, которое, однако, можно резать ножом. Всем известна поваренная соль. В этом виде натрий стабилен, и мы не видим подобной реакции, к примеру, подсаливая суп, поскольку в соли натрий присутствует в виде хлорида. Чистые щелочные металлы – совсем другое дело. Когда они соприкасаются с водой, происходит реакция окисления. Электроны покидают металл, выделяется тепло и газ водород, который может воспламениться. Так описывает процесс хрестоматийная теория популярного эксперимента. Однако в ней все еще остаются белые пятна.
Чешские исследователи задались целью выяснить подробности этого процесса. Поначалу они опускали в воду небольшие кусочки натрия. Результаты оказались непредсказуемы: вспышка то происходила, то нет. Причиной нестабильности были незначительные колебания в размере и форме металла. Тогда ученые использовали смесь жидкого натрия и другого щелочного металла, калия. Это позволило исследователям производить капли одинаковой формы и величины.
Съемка со скорость тысяча кадров в секунду показала, что через пять миллисекунд, попав в воду, щелочной металл «съеживается», выпуская десятки и сотни «игл». Ученые предположили, что это происходит в силу того, что электроны из металла мгновенно уходят в воду, и в нем происходит накопление положительного заряда. Взаимное отталкивание положительно заряженных частиц разрывает металл, вызывая появление «игл». В свою очередь это увеличивает площадь металла, контактирующего с водой, вызывая бурную реакцию. Компьютерное моделирование, проведенное после эксперимента, подтвердило этот эффект, хотя и на примере значительно меньшего количества натрия из-за ограниченности вычислительной мощности.
Подробное объяснение природы этой реакции — которым, как ни странно, до сих пор никто не озаботился — может быть применено для предотвращения подобных взрывов на производственных объектах, использующих щелочные металлы, например, в некоторых видах ядерных реакторов, которые охлаждаются жидким металлом. Но это все уже прикладное, как признается руководитель группы исследователей — похоже, им, как и любым мальчишкам, нравится играть со взрывчатыми веществами.
И добавим о российских химических новостях — не так взрывчато, зато куда фундаментальнее — как сообщал недавно наш портал, российским химикам удалось получить титан с особо низкой радиактивностью, что может быть крайне полезным для экспериментов с элементарными частицами.
Источник
