Натрий соединить с водой что будет

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

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

Интересные факты про взаимодействие металлического натрия с водой

Помните самые интересные уроки химии в школе, когда проходили тему характеристик активных металлов? Штудировали не только учебники, но и ставили опыты. Многие из нас вспомнят такой эксперимент, когда учитель погружал в колбу с обыкновенной водой металлический кусочек и… металл, вдруг, начинал метаться по емкости и гореть. Так мы познакомились с удивительными свойствами натрия. В этой статье вспомним, почему происходит реакция воспламенения этого металла в воде…

Характеристики натрия

Металлический натрий представляет собой твердое вещество серебристого цвета, плотность которого сопоставима с плотностью парафина или мыла. Этот металл обладает высокой электрической и теплопроводностью. Основное применение в промышленной сфере — производство аккумуляторов.

Самой значимой реакцией металлического натрия ученые считают его взаимодействие с обычной водой, так как после неё образуются водород и щелочь. Соответственно взрывается и воспламеняется в соединении именно водород H2.

• 

Изучение реакции натрия с водой чешскими учеными

Сама по себе данная реакция проста для понимания: вещества взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуется газ — водород. Он окисляется кислородом, который находится в воздухе, и воспламеняется. Однако чешский ученый Павел Юнгвирт считал несколько иначе.

Во-первых, в процессе взаимодействия образуются также водяные пары, которые испаряются вместе с водородом. Во-вторых, натрий имеет меньшую плотность, чем паровая прослойка и должен выталкиваться наружу. Реакция должна сходить на нет, но происходит все в точности наоборот.

Ученый решил подробно рассмотреть реакцию при помощи специальной видеокамеры. Запись велась со скоростью около 10 000 кадров в секунду, а просматривалась пленка с замедлением в 400 раз. Таким образом, ученые определили интересный факт. Активные металлы, в частности натрий, в воде начинают распускать во все стороны отростки-шипы.

Это происходит по следующим причинам:

• Щелочные металлы в воде отдают негативно заряженные ионы.
• Сам металл получает положительный заряд.
• Протоны начинают отталкиваться друг от друга, таким образом, выпуская отростки.
• Отростки пробивают паровую прослойку, и натрий вступает в известную нам реакцию с водой.

Экспериментируем с натрием

В процессе взаимодействия натрия с водой образуется также щелочь. Проверить это можно с помощью лакмусовой бумаги или фенолфталеина.

Для опыта нужно:

• Наполнить емкость дистиллированной водой больше половины
• Добавить в жидкость 2-3 капли фенолфталеина.
• Поместить в емкость кусочек металлического натрия и наблюдать за процессом, расположившись на безопасном расстоянии.

Натрий не опускается на дно пробирки, а остается на поверхности воды. Далее он начинает плавиться и выделять тепло. Оставшаяся капелька начнет быстро двигаться по емкости и шипеть. Последний этап реакции — воспламенение желтым огнем или небольшой взрыв. Вода при этом меняет цвет из-за выброса щелочи. Фенолфталеин — индикатор окрасит жидкость в розовый цвет.

Техника безопасности при экспериментах с натрием

Проводить манипуляции с активными металлами следует в специальных лабораториях и обязательно придерживаясь правил безопасности:

• Работать в защитных очках и перчатках.
• Не наклоняться над пробиркой, когда металл уже находится в воде.
• При старте реакции отходить от емкости на несколько метров.
• Быть начеку, так как взрыв может случиться в любой момент.
• Не подходить к емкости с металлом до полного окончания реакции.

Уважаемые читатели!
Спасибо, что читаете наш блог! Получайте самые интересные публикации раз в месяц оформив подписку. Новым читателям предлагаем попробовать нашу воду бесплатно, при первом заказе выберите 12 бутылок (2 упаковки) минеральной воды BioVita или питьевой воды Stelmas. Операторы свяжутся с Вами и уточнят детали. Тел. 8 (800) 100-15-15

* Акция для Москвы, МО, Санкт-петербурга, ЛО

Источник