Najciekawsze na lekcje szkolne Chemia była tematem dotyczącym właściwości metali aktywnych. Nie tylko nas obsłużono materiał teoretyczny, ale także zademonstrował ciekawe eksperymenty. Zapewne każdy pamięta, jak nauczyciel wrzucił do wody mały kawałek metalu, który popłynął po powierzchni cieczy i zapalił się. W tym artykule zrozumiemy, jak zachodzi reakcja sodu i wody i dlaczego metal eksploduje.
Sód metaliczny jest srebrzystą substancją o gęstości podobnej do mydła lub parafiny. Sód charakteryzuje się dobrą przewodnością cieplną i elektryczną. Dlatego wykorzystuje się go w przemyśle, w szczególności do produkcji akumulatorów.
Sód ma wysoki poziom aktywność chemiczna. Często reakcje zachodzą z wydzieleniem dużych ilości ciepła. Czasami towarzyszy temu pożar lub eksplozja. Praca z metalami aktywnymi wymaga dobrego przeszkolenia informacyjnego i doświadczenia. Sód można przechowywać wyłącznie w dobrze zamkniętych pojemnikach pod warstwą oleju, ponieważ metal szybko utlenia się na powietrzu.
Najpopularniejszą reakcją sodu jest jego interakcja z wodą. W wyniku reakcji sodu z wodą powstaje zasada i wodór:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
Wodór utlenia się pod wpływem tlenu z powietrza i eksploduje, co zaobserwowaliśmy podczas szkolnego eksperymentu.
Badania reakcji przeprowadzone przez naukowców z Czech
Reakcja sodu z wodą jest bardzo prosta do zrozumienia: interakcja substancji prowadzi do powstania gazowego H2, który z kolei jest utleniany przez O2 zawarty w powietrzu i ulega zapaleniu. Wydaje się to proste. Ale profesor Pavel Jungvirt z Czeskiej Akademii Nauk tak nie uważał.
Faktem jest, że podczas reakcji powstaje nie tylko wodór, ale także para wodna duża liczba energii, woda nagrzewa się i paruje. Ponieważ sód ma niska gęstość, poduszka parowa powinna unieść ją do góry, izolując od wody. Reakcja powinna ucichnąć, ale tak się nie dzieje.
Jungwirth postanowił szczegółowo przestudiować ten proces i sfilmował eksperyment szybką kamerą. Proces został sfilmowany z szybkością 10 tysięcy klatek na sekundę i oglądany w 400-krotnym zwolnionym tempie. Naukowcy zauważyli, że metal wchodząc do cieczy zaczyna wytwarzać procesy w postaci kolców. Wyjaśnia się to w następujący sposób:
- Metale alkaliczne, gdy znajdą się w wodzie, zaczynają działać jako donory elektronów i wydzielają ujemnie naładowane cząstki.
- Kawałek metalu zyskuje ładunek dodatni.
- Dodatnio naładowane protony zaczynają się odpychać, tworząc metalowe wypustki.
- Kolczaste pędy przebijają poduszkę parową, powierzchnia styku reagujących substancji wzrasta, a reakcja intensyfikuje się.
Jak przeprowadzić eksperyment
Oprócz wodoru podczas reakcji wody i sodu powstają zasady. Aby to sprawdzić, możesz użyć dowolnego wskaźnika: lakmusu, fenoloftaleiny lub oranżu metylowego. Najłatwiej będzie pracować z fenoloftaleiną, ponieważ jest ona bezbarwna neutralne środowisko i reakcja będzie łatwiejsza do zaobserwowania.
Aby przeprowadzić eksperyment, potrzebujesz:
- Wlać wodę destylowaną do krystalizatora tak, aby zajęła więcej niż połowa objętość naczynia.
- Do cieczy dodać kilka kropli wskaźnika.
- Odetnij kawałek sodu wielkości połowy groszku. Aby to zrobić, użyj skalpela lub cienkiego noża. Aby uniknąć utleniania, należy ciąć metal w pojemniku bez usuwania sodu z oleju.
- Usuń kawałek sodu ze słoika pęsetą i osusz bibułą filtracyjną, aby usunąć olej.
- Wrzuć sód do wody i obserwuj proces z bezpiecznej odległości.
Wszystkie instrumenty użyte w eksperymencie muszą być czyste i suche.
Zobaczysz, że sód nie wsiąka w wodę, lecz pozostaje na jej powierzchni ze względu na gęstość substancji. Sód zacznie reagować z wodą, wydzielając ciepło. Spowoduje to stopienie metalu i zamienienie się w kroplę. Kropla ta zacznie aktywnie poruszać się po wodzie, wydając charakterystyczny syczący dźwięk. Jeśli kawałek sodu nie był zbyt mały, zaświeci się żółtym płomieniem. Jeśli kawałek był zbyt duży, może nastąpić eksplozja.
Woda również zmieni kolor. Wyjaśnia to uwalnianie alkaliów do wody i zabarwienie rozpuszczonego w niej wskaźnika. Fenoloftaleina zmieni kolor na różowy, lakmusowy i pomarańczowo-metylowy żółty.
Czy to jest niebezpieczne
Interakcja sodu z wodą jest bardzo niebezpieczna. Podczas eksperymentu może dojść do poważnych obrażeń. Wodorotlenek, nadtlenek i tlenek sodu powstające podczas reakcji mogą powodować korozję skóry. Rozpryski alkaliów mogą przedostać się do oczu i spowodować poważne oparzenia, a nawet ślepotę.
Manipulacje z metalami aktywnymi należy wykonywać w laboratoriach chemicznych pod nadzorem asystenta laboratoryjnego mającego doświadczenie w pracy z metalami alkalicznymi.
Sód jest bardzo reaktywnym metalem, który reaguje z wieloma substancjami. Reakcje z udziałem sodu mogą zachodzić gwałtownie i wytwarzać znaczne ciepło. W takim przypadku często dochodzi do zapłonu, a nawet eksplozji. Aby bezpiecznie pracować z sodem, konieczne jest dokładne zrozumienie jego właściwości fizycznych i właściwości chemiczne Oh.
Sód jest metalem lekkim (gęstość 0,97 g/cm3), miękkim i topliwym (temperatura topnienia 97,86°C). Swoją twardością przypomina parafinę lub mydło. W powietrzu sód utlenia się bardzo szybko, pokrywając się szarym filmem, który składa się z nadtlenku Na2O2 i węglanu, dlatego sód przechowuje się w dobrze zamkniętych słoikach pod warstwą bezwodnej nafty lub oleju.
Kawałek sodu Odpowiedni rozmiar ciąć bez usuwania metalu z nafty, za pomocą noża lub skalpela. Sód usuwa się ze słoika za pomocą pęsety. Wszystkie narzędzia muszą być suche! Następnie sód uwalnia się z pozostałości nafty za pomocą bibuły filtracyjnej. W niektórych przypadkach metal czyści się skalpelem w celu usunięcia warstwy nadtlenku, ponieważ kontakt nadtlenku ze świeżą powierzchnią sodu może doprowadzić do eksplozji. Sodu nie należy przenosić ręcznie. Resztki sodu stapia się na małym ogniu pod warstwą nafty.
W żadnym wypadku nie należy myć naczyń zawierających sód wodą – może to doprowadzić do eksplozji o tragicznych skutkach. Pozostałości sodu usuwa się przez dodanie alkoholu, dopiero wtedy można zastosować wodę.
Podczas pracy z sodem należy nosić okulary ochronne. Nigdy nie zapominaj, z czym masz do czynienia - eksplozja może nastąpić w najbardziej nieoczekiwanym i nieodpowiednim momencie i musisz być na to przygotowany.
Reakcja sodu z wodą
Napełnij krystalizator do 3/4 wodą i dodaj do niego kilka kropli fenoloftaleiny. Wrzuć do krystalizatora kawałek sodu wielkości pół groszku. Sód pozostanie na powierzchni, ponieważ jest lżejszy od wody. Element zacznie aktywnie reagować z wodą, wydzielając wodór. Pod wpływem ciepła reakcji metal stopi się i zamieni w srebrzystą kropelkę, która będzie aktywnie pływać po powierzchni wody. Jednocześnie słychać syczenie. Czasami uwolniony wodór zapala się żółtym płomieniem. Para sodu nadaje mu taki kolor. Jeśli zapłon nie nastąpi, wodór może się zapalić. Natomiast kawałki sodu mniejsze niż ziarno pszenicy gasną.
W wyniku reakcji powstaje zasada, która działa na fenoloftaleinę, w wyniku czego kawałek sodu pozostawia po sobie malinowy ślad. Pod koniec eksperymentu prawie cała woda w krystalizatorze zmieni kolor na szkarłatny.
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
Ściany krystalizatora muszą być wolne od tłuszczu i innych zanieczyszczeń. Jeśli to konieczne, przemywa się je roztworem alkalicznym, w przeciwnym razie sód przykleja się do ścian, a krystalizator może pęknąć.
Doświadczenie należy przeprowadzić w masce ochronnej lub okularach ochronnych. Podczas reakcji należy zachować odpowiednią odległość i w żadnym wypadku nie pochylać się nad krystalizatorem. Dostanie się rozprysków stopionego sodu lub zasad do oczu może prowadzić do praktycznie gwarantowanej ślepoty.
Źródło www.chemistry-chemists.com
Jeśli umieścisz kawałek sodu w wodzie, możesz wywołać gwałtowną, często wybuchową reakcję
Czasami uczymy się czegoś na wczesnym etapie życia i po prostu przyjmujemy za pewnik, że tak działa świat. Na przykład, jeśli wrzucisz kawałek czystego sodu do wody, możesz uzyskać legendarną reakcję wybuchową. Gdy tylko przedmiot zamoczy się, w wyniku reakcji syczy i nagrzewa się, wyskakuje na powierzchnię wody, a nawet wytwarza płomienie. To oczywiście tylko chemia. Ale czy nie dzieje się coś innego? poziom podstawowy? Właśnie to chce wiedzieć nasz czytelnik Siemion Stopkin z Rosji:
Jakie siły kontrolują reakcje chemiczne i co się w nich dzieje poziom kwantowy? W szczególności, co się dzieje, gdy woda reaguje z sodem?
Reakcja sodu z wodą jest klasyczna i ma głębokie wyjaśnienie. Zacznijmy od zbadania postępu reakcji.
Pierwszą rzeczą, którą musisz wiedzieć o sodzie, jest to poziom atomowy ma tylko jeden proton i jeden elektron więcej niż obojętny, lub gaz szlachetny, nie ona. Gazy szlachetne nie reagują z niczym, a to dlatego, że wszystkie są całkowicie wypełnione elektronami. Ta ultrastabilna konfiguracja załamuje się, gdy przesuniesz się o jeden pierwiastek niżej w układzie okresowym, i dzieje się to w przypadku wszystkich pierwiastków, które wykazują podobne zachowanie. Hel jest wyjątkowo stabilny, a lit jest niezwykle aktywny chemicznie. Neon jest stabilny, ale sód jest aktywny. Argon, krypton i ksenon są stabilne, ale potas, rubid i cez są aktywne.
Powodem jest dodatkowy elektron.
Układ okresowy jest podzielony na okresy i grupy według liczby wolnych i zajętych elektronów walencyjnych - i to jest główny czynnik określający właściwości chemiczne pierwiastka
Badając atomy, przyzwyczajamy się do myślenia o jądrze jako o twardym, małym, dodatnio naładowanym centrum, a elektrony jako o ujemnie naładowanych punktach na orbicie wokół niego. Ale w fizyce kwantowej sprawa się nie kończy. Elektrony mogą zachowywać się jak kropki, zwłaszcza jeśli wystrzelimy je inną cząstką lub fotonem o wysokiej energii, ale pozostawione same sobie rozprzestrzeniają się i zachowują jak fale. Fale te mają zdolność samodostrajania się w określony sposób: sferycznie (dla s-orbitali zawierających 2 elektrony), prostopadle (dla p-orbitali zawierających 6 elektronów) i dalej aż do d-orbitali (10 elektronów każda), f -orbitale (do 14) itp.
Orbitale atomów w najniższym stanie energetycznym znajdują się w lewym górnym rogu, a gdy poruszasz się w prawo i w dół, energie rosną. Te podstawowe konfiguracje kontrolują zachowanie atomów i interakcje wewnątrzatomowe.
Powłoki te są wypełnione, ponieważ uniemożliwiają dwóm identycznym (na przykład elektronom) zajmowanie tego samego stanu kwantowego. Jeśli w atomie orbital elektronowy wypełniony, wówczas jedynym miejscem, w którym można umieścić elektron, jest następny, wyższy orbital. Atom chloru chętnie przyjmie dodatkowy elektron, ponieważ do jego wypełnienia potrzebny jest tylko jeden powłoka elektronowa. I odwrotnie, atom sodu chętnie odda swój ostatni elektron, ponieważ ma dodatkowy, a wszystkie inne wypełniły powłoki. Dlatego chlor sodu tak dobrze się sprawdza: sód oddaje elektron chlorowi i oba atomy są w preferowanej energetycznie konfiguracji.
Elementy pierwszej grupy układ okresowy, zwłaszcza lit, sód, potas, rubid itp. tracą swój pierwszy elektron znacznie łatwiej niż wszystkie inne
W rzeczywistości ilość energii potrzebna atomowi do oddania swojego zewnętrznego elektronu, czyli energii jonizacji, wydaje się być szczególnie niska w metalach z jednym elektronem walencyjnym. Z liczb widać, że znacznie łatwiej jest pobrać elektron z litu, sodu, potasu, rubidu, cezu itp. niż z jakiegokolwiek innego pierwiastka
Kadr z animacji przedstawiającej dynamiczne oddziaływanie cząsteczek wody. Poszczególne cząsteczki H2O mają kształt litery V i składają się z dwóch atomów wodoru (biały) połączonych z atomem tlenu (czerwony). Sąsiadujące cząsteczki H 2 O przez chwilę reagują ze sobą wiązania wodorowe(niebieskie i białe owale)
Co więc dzieje się w obecności wody? Cząsteczki wody można uznać za niezwykle stabilne – H 2 O, dwa atomy wodoru związane z jednym tlenem. Ale cząsteczka wody jest wyjątkowo polarna - to znaczy po jednej stronie cząsteczki H 2 O (po stronie przeciwnej do dwóch wodorów) ładunek jest ujemny, a po przeciwnej stronie dodatni. Efekt ten jest wystarczający, aby spowodować, że niektóre cząsteczki wody - rzędu jednej na kilka milionów - rozdzielą się na dwa jony - jeden proton (H +) i jon hydroksylowy (OH –).
W obecności dużej liczby skrajnie polarnych cząsteczek wody, jedna na kilka milionów cząsteczek rozpadnie się na jony hydroksylowe i wolne protony- proces ten nazywa się
Konsekwencje tego są dość ważne dla takich rzeczy, jak kwasy i zasady, dla procesów rozpuszczania i aktywacji soli reakcje chemiczne, i tak dalej. Ale nas interesuje, co się stanie, gdy doda się sód. Sód, ten neutralny atom z jednym luźnym zewnętrznym elektronem, trafia do wody. I nie są to tylko obojętne cząsteczki H2O, są to jony hydroksylowe i pojedyncze protony. Przede wszystkim ważne są dla nas protony – to one prowadzą nas do kluczowego pytania:
Co jest energetycznie lepsze? Mają obojętny atom sodu Na wraz z pojedynczym protonem H+ lub jon sodu, który utracił elektron Na+ wraz z obojętnym atomem wodoru H?
Odpowiedź jest prosta: w każdym razie elektron przeskoczy z atomu sodu do pierwszego pojedynczego protonu, który napotka.
Po utracie elektronu jon sodu z radością rozpuści się w wodzie, podobnie jak jon chloru, gdy zdobędzie elektron. Dużo korzystniejsze energetycznie – w przypadku sodu – jest parowanie elektronu z jonem wodoru
Dlatego reakcja zachodzi tak szybko i przy takim wydatku energetycznym. Ale to nie wszystko. Mamy obojętne atomy wodoru i, w przeciwieństwie do sodu, nie układają się one w blok pojedynczych, połączonych ze sobą atomów. Wodór jest gazem i przechodzi w jeszcze bardziej korzystny energetycznie stan: tworzy obojętną cząsteczkę wodoru H2. W rezultacie powstaje dużo darmowej energii, która zostaje przeznaczona na ogrzanie otaczających cząsteczek, obojętnego wodoru w postaci gazu, który opuszcza ciekły roztwór do atmosfery zawierającej obojętny tlen O 2.
Zdalna kamera rejestruje zbliżenie głównego silnika wahadłowca podczas rozruchu próbnego centrum kosmiczne nazwany na cześć Johna Stennisa. Wodór jest preferowanym paliwem do rakiet ze względu na jego niską masę cząsteczkową i obfitość tlenu w atmosferze, z którym może reagować
Jeśli zgromadzisz wystarczającą ilość energii, wodór i tlen również zareagują! To wściekłe spalanie uwalnia parę wodną i ogromne ilości energii. Dlatego też, gdy kawałek sodu (lub dowolny pierwiastek z pierwszej grupy układu okresowego) dostanie się do wody, następuje wybuchowe uwolnienie energii. Wszystko to dzieje się dzięki kontrolowanemu transferowi elektronów prawa kwantowe Wszechświat i właściwości elektromagnetyczne naładowane cząstki, z których składają się atomy i jony.
Poziomy energii i funkcje falowe odpowiadające elektrony różne warunki atom wodoru - chociaż prawie te same konfiguracje są nieodłączne dla wszystkich atomów. Poziomy energii są kwantowane w wielokrotnościach Stała Plancka, ale nawet minimalna energia, stan podstawowy, ma dwie możliwe konfiguracje w zależności od stosunku spinów elektronu i protonu
Podsumujmy więc, co się dzieje, gdy kawałek sodu wpadnie do wody:
- sód natychmiast oddaje zewnętrzny elektron wodzie,
- gdzie jest absorbowany przez jon wodoru i tworzy obojętny wodór,
- reakcja ta uwalnia dużą ilość energii i podgrzewa otaczające cząsteczki,
- wodór obojętny zamienia się w wodór cząsteczkowy gazowy i unosi się z cieczy,
- i wreszcie, przy wystarczającej ilości energii, wodór atmosferyczny wchodzi w reakcję spalania z gazowym wodorem.
Sód metaliczny
Wszystko to można prosto i elegancko wytłumaczyć, posługując się prawami chemii i tak się często robi. Jednak zasady rządzące zachowaniem wszystkich reakcji chemicznych wywodzą się z jeszcze bardziej podstawowych praw: praw Fizyka kwantowa(takie jak zasada wykluczenia Pauliego, która reguluje zachowanie elektronów w atomach) i elektromagnetyzm (regulujący interakcję naładowanych cząstek). Bez tych praw i sił nie będzie chemii! A dzięki nim za każdym razem, gdy dodasz sód do wody, wiesz, czego się spodziewać. Jeśli jeszcze tego nie zrozumiałeś, musisz nosić ochronę, nie dotykać sodu rękami i odsunąć się, gdy zacznie się reakcja!
Eksperymenty chemiczne są różnorodne pod względem głębokości, złożoności i skuteczności. Najbardziej pamięta piękne reakcje, nie sposób zignorować „węża faraona” ani interakcji jadu węża z ludzką krwią. Chemicy idą jednak dalej, zwracając uwagę na bardziej niebezpieczne eksperymenty, z których jednym jest reakcja wody i sodu.
Potencjał sodu
Sód – nadmiar aktywny metal, wchodząc w interakcję z wieloma znane substancje. Reakcja z sodem często przebiega gwałtownie, czemu towarzyszy znaczne wydzielanie ciepła, zapalenie, a czasem nawet. Bezpieczna praca z substancją wymaga dokładnego zrozumienia jej właściwości fizycznych i chemicznych.
Sód nie ma bardzo twardej struktury. Posiada następujące właściwości:
- niska gęstość (0,97 g/cm3);
- miękkość;
- niska topliwość (temperatura topnienia 97,81 °C).
Na powietrzu metal szybko się utlenia, dlatego należy go przechowywać w zamkniętych pojemnikach pod warstwą wazeliny lub nafty. Przed eksperymentami z wodą należy odciąć cienkim skalpelem kawałek sodu, wyjąć go pęsetą z pojemnika i dokładnie oczyścić z resztek nafty za pomocą bibuły filtracyjnej.
Ważny! Wszystkie narzędzia muszą być suche!
Podczas pracy z metalem należy nosić specjalne okulary, ponieważ najmniejszy nieostrożny krok może doprowadzić do eksplozji.
Historia badań wybuchów
Po raz pierwszy naukowcy z Czeskiej Akademii Nauk pod przewodnictwem Pavla Jungvirta stanęli przed koniecznością zbadania reakcji wody i sodu. znanej od tego czasu detonacji sodu w wodzie XIX wiek została szczegółowo przeanalizowana i opisana.
Reakcja sodu z wodą polegała na zanurzeniu kawałka metalu w zwykłej wodzie i była niejednoznaczna: czasem pojawiały się błyski, czasem nie. Później udało się ustalić przyczynę: niestabilność wyjaśniono rozmiarem i kształtem użytego kawałka sodu.
Im większe wymiary metalu, tym silniejsza i bardziej niebezpieczna staje się reakcja pomiędzy sodem i wodą.
Materiał poklatkowy przedstawiający reakcję pokazał, że w ciągu pięciu milisekund od zanurzenia w wodzie metal „wypuścił” setki „igieł”. Elektrony metali natychmiast uciekające do wody prowadzą do akumulacji ładunek dodatni: Odpychanie cząstek dodatnich rozrywa metal i dlatego pojawiają się „igły”. Jednocześnie zwiększa się powierzchnia metalu, co powoduje tak gwałtowną reakcję.
Podczas reakcji tworzy się zasada, która pozostawia malinowy ślad za kawałkiem sodu. Pod koniec eksperymentu prawie cała woda w krystalizatorze zmieni kolor na szkarłatny.
Taka reakcja wymaga od badacza całkowitego przestrzegania zasad bezpieczeństwa: eksperyment należy przeprowadzać w okularach ochronnych, starając się trzymać jak najdalej od krystalizatora. Nawet pozornie nieistotne błędy mogą doprowadzić do eksplozji. Uderzyć najmniejsza cząsteczka Sód lub zasady w oczach są niebezpieczne.
Uwaga! Nie próbuj samodzielnie powtarzać tych eksperymentów!