Какие продукты образуются при взаимодействии 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:
- Налить в кристаллизатор дистиллированную воду, чтобы она занимала больше половины объема посудины.
- Добавить в жидкость несколько капель индикатора.
- 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.
- Достать кусочек натрия из банки пинцетом и промокнуть фильтровальной бумагой, чтобы очистить от масла.
- 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:
- Работать исключительно в защитных очках.
- Ни в коем случае не наклоняться над посудиной, когда металл находится на воде.
- Отходить от кристаллизатора на несколько метров сразу после того, как металл будет брошен в воду.
- Быть всегда наготове, так как взрыв может произойти в любой момент.
- Не подходить к катализатору, пока не убедитесь, что реакция закончилась.
Свойства металлического натрия: Видео
Источник
Химические свойства гидроксида металла во многом зависят от того, к какой группе он принадлежит — к щелочам или к нерастворимым основаниям.
Общие химические свойства щелочей
1. Кристаллы щелочей при растворении в воде полностью диссоциируют, то есть распадаются на положительно заряженные ионы металла и отрицательно заряженные гидроксид-ионы.
A) Например, при диссоциации гидроксида натрия образуются положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные гидроксид-ионы:
NaOH→Na++OH−.
Б) Процесс диссоциации гидроксида кальция отображается следующим уравнением:
Ca(OH)2→Ca2++2OH−.
2. Растворы щелочей изменяют окраску индикаторов.
Фактически с индикатором взаимодействуют гидроксид-ионы, содержащиеся в растворе любой щёлочи. При этом протекает химическая реакция с образованием нового продукта, признаком протекания которой является изменение окраски вещества.
Изменение окраски индикаторов в растворах щелочей
Индикатор | Изменение окраски индикатора |
| Лакмус | Фиолетовый лакмус становится синим |
| Фенолфталеин | Беcцветный фенолфталеин становится малиновым |
Универсальный индикатор | Универсальный индикатор становится синим |
Видеофрагмент:
Действие щелочей на индикаторы
3. Щёлочи взаимодействуют с кислотами, образуя соль и воду.
Реакции обмена между щелочами и кислотами называют реакциями нейтрализации.
А) Например, при взаимодействии гидроксида натрия с соляной кислотой образуются хлорид натрия и вода: NaOH+HCl→NaCl+H2O.
Видеофрагмент:
Взаимодействие гидроксида натрия с соляной кислотой
Б) Если нейтрализовать гидроксид кальция азотной кислотой, образуются нитрат кальция и вода:
Ca(OH)2+2HNO3→Ca(NO3)2+2H2O.
4. Щёлочи взаимодействуют с кислотными оксидами, образуя соль и воду.
А) Например, при взаимодействии гидроксида кальция с оксидом углерода((IV)) т. е. углекислым газом, образуются карбонат кальция и вода:
Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O.
Обрати внимание!
При помощи этой химической реакции можно доказать присутствие оксида углерода((IV)): при пропускании углекислого газа через известковую воду (насыщенный раствор гидроксида кальция) раствор мутнеет, поскольку выпадает осадок белого цвета — образуется нерастворимый карбонат кальция.
Б) При взаимодействии гидроксида натрия с оксидом фосфора((V)) образуются фосфат натрия и вода:
6NaOH+P2O5→2Na3PO4+3H2O.
5. Щёлочи могут взаимодействовать с растворимыми в воде солями.
Обрати внимание!
Реакция обмена между основанием и солью возможна в том случае, если оба исходных вещества растворимы, а в результате образуется хотя бы одно нерастворимое вещество (выпадает осадок).
А) Например, при взаимодействии гидроксида натрия с сульфатом меди((II)) образуются сульфат натрия и гидроксид меди((II)):
2NaOH+CuSO4→Na2SO4+Cu(OH)2↓.
Б) При взаимодействии гидроксида кальция с карбонатом натрия образуются карбонат кальция и гидроксид натрия:
Ca(OH)2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaOH.
6. Малорастворимые щёлочи при нагревании разлагаются на оксид металла и воду.
Например, если нагреть гидроксид кальция, образуются оксид кальция и водяной пар:
Ca(OH)2⟶t°CaO+H2O↑.
Общие химические свойства нерастворимых оснований
1. Нерастворимые основания взаимодействуют с кислотами, образуя соль и воду.
А) Например, при взаимодействии гидроксида меди((II)) с серной кислотой образуются сульфат меди((II)) и вода:
Cu(OH)2+H2SO4→CuSO4+2H2O.
Б) При взаимодействии гидроксида железа((III)) с соляной (хлороводородной) кислотой образуются хлорид железа((III)) и вода:
Fe(OH)3+3HCl→FeCl3+3H2O.
Видеофрагмент:
Взаимодействие гидроксида железа((III)) с соляной кислотой
2. Некоторые нерастворимые основания могут взаимодействовать с некоторыми кислотными оксидами, образуя соль и воду.
Например, при взаимодействии гидроксида меди((II)) с оксидом серы((VI)) образуются сульфат меди((II)) и вода:
Cu(OH)2+SO3⟶t°CuSO4+H2O.
3. Нерастворимые основания при нагревании разлагаются на оксид металла и воду.
А) Например, при нагревании гидроксида меди((II)) образуются оксид меди((II)) и вода:
Cu(OH)2⟶t°CuO+H2O.
Видеофрагмент:
Разложение гидроксида меди((II))
Б) Гидроксид железа((III)) при нагревании разлагается на оксид железа((III)) и воду:
2Fe(OH)3⟶t°Fe2O3+3H2O.
Источник
Перед изучением этого раздела рекомендую прочитать следующую статью:
Классификация неорганических веществ
Основания – сложные вещества, которые состоят из катиона металла Ме+ (или металлоподобного катиона, например, иона аммония NH4+) и гидроксид-аниона ОН—.
По растворимости в воде основания делят на растворимые (щелочи) и нерастворимые основания. Также есть неустойчивые основания, которые самопроизвольно разлагаются.
1. Взаимодействие основных оксидов с водой. При этом с водой реагируют в обычных условиях только те оксиды, которым соответствует растворимое основание (щелочь). Т.е. таким способом можно получить только щёлочи:
основный оксид + вода = основание
Например, оксид натрия в воде образует гидроксид натрия (едкий натр):
Na2O + H2O → 2NaOH
При этом оксид меди (II) с водой не реагирует:
CuO + H2O ≠
2. Взаимодействие металлов с водой. При этом с водой реагируют в обычных условиях только щелочные металлы (литий, натрий, калий. рубидий, цезий), кальций, стронций и барий. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, окислителем выступает водород, восстановителем является металл.
металл + вода = щёлочь + водород
Например, калий реагирует с водой очень бурно:
2K0 + 2H2+O → 2K+OH + H20
3. Электролиз растворов некоторых солей щелочных металлов. Как правило, для получения щелочей электролизу подвергают растворы солей, образованных щелочными или щелочноземельными металлами и бескилородными кислотами (кроме плавиковой) – хлоридами, бромидами, сульфидами и др. Более подробно этот вопрос рассмотрен в статье Электролиз.
Например, электролиз хлорида натрия:
2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2↑ + Cl2↑
4. Основания образуются при взаимодействии других щелочей с солями. При этом взаимодействуют только растворимые вещества, а в продуктах должна образоваться нерастворимая соль, либо нерастворимое основание:
щелочь + соль1 = соль2↓ + щелочь
либо
щелочь + соль1 = соль2↓ + щелочь
Например: карбонат калия реагирует в растворе с гидроксидом кальция:
K2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + 2KOH
Например: хлорид меди (II) взаимодействет в растворе с гидроксидом натрия. При этом выпадает голубой осадок гидроксида меди (II):
CuCl2 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + 2NaCl
1. Нерастворимые основания взаимодействуют с сильными кислотами и их оксидами (и некоторыми средними кислотами). При этом образуются соль и вода.
нерастворимое основание + кислота = соль + вода
нерастворимое основание + кислотный оксид = соль + вода
Например, гидроксид меди (II) взаимодействует с сильной соляной кислотой:
Cu(OH)2 + 2HCl = CuCl2 + 2H2O
При этом гидроксид меди (II) не взаимодействует с кислотным оксидом слабой угольной кислоты – углекислым газом:
Cu(OH)2 + CO2 ≠
2. Нерастворимые основания разлагаются при нагревании на оксид и воду.
Например, гидроксид железа (III) разлагается на оксид железа (III) и воду при прокаливании:
2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O
3. Нерастворимые основания не взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами.
нерастворимое оснвоание + амфотерный оксид ≠
нерастворимое основание + амфотерный гидроксид ≠
4. Некоторые нерастворимые основания могут выступать в качестве восстановителей. Восстановителями являются основания, образованные металлами с минимальной или промежуточной степенью окисления, которые могут повысить свою степень окисления (гидроксид железа (II), гидроксид хрома (II) и др.).
Например, гидроксид железа (II) можно окислить кислородом воздуха в присутствии воды до гидроксида железа (III):
4Fe+2(OH)2 + O20 + 2H2O → 4Fe+3(O-2H)3
1. Щёлочи взаимодействуют с любыми кислотами – и сильными, и слабыми. При этом образуются средняя соль и вода. Эти реакции называются реакциями нейтрализации. Возможно и образование кислой соли, если кислота многоосновная, при определенном соотношении реагентов, либо в избытке кислоты. В избытке щёлочи образуется средняя соль и вода:
щёлочь(избыток)+ кислота = средняя соль + вода
щёлочь + многоосновная кислота(избыток) = кислая соль + вода
Например, гидроксид натрия при взаимодействии с трёхосновной фосфорной кислотой может образовывать 3 типа солей: дигидрофосфаты, фосфаты или гидрофосфаты.
При этом дигидрофосфаты образуются в избытке кислоты, либо при мольном соотношении (соотношении количеств веществ) реагентов 1:1.
NaOH + H3PO4 → NaH2PO4 + H2O
При мольном соотношении количества щелочи и кислоты 2:1 образуются гидрофосфаты:
2NaOH + H3PO4 → Na2HPO4 + 2H2O
В избытке щелочи, либо при мольном соотношении количества щелочи и кислоты 3:1 образуется фосфат щелочного металла.
3NaOH + H3PO4 → Na3PO4 + 3H2O
2. Щёлочи взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами. При этом в расплаве образуются обычные соли, а в растворе – комплексные соли.
щёлочь (расплав) + амфотерный оксид = средняя соль + вода
щёлочь (расплав) + амфотерный гидроксид = средняя соль + вода
щёлочь (раствор) + амфотерный оксид = комплексная соль
щёлочь (раствор) + амфотерный гидроксид = комплексная соль
Например, при взаимодействии гидроксида алюминия с гидроксидом натрия в расплаве образуется алюминат натрия. Более кислотный гидроксид образует кислотный остаток:
NaOH + Al(OH)3 = NaAlO2 + 2H2O
А в растворе образуется комплексная соль:
NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4]
Обратите внимание, как составляется формула комплексной соли: сначала мы выбираем центральный атом (как правило, это металл из амфотерного гидроксида). Затем дописываем к нему лиганды — в нашем случае это гидроксид-ионы. Число лигандов, как правило, в 2 раза больше, чем степень окисления центрального атома. Но комплекс алюминия — исключение, у него число лигандов чаще всего равно 4. Заключаем полученный фрагмент в квадртаные скобки — это комплексный ион. Определяем его заряд и снаружи дописываем нужное количество катионов или анионов.
3. Щёлочи взаимодействуют с кислотными оксидами. При этом возможно образование кислой или средней соли, в зависимости от мольного соотношения щёлочи и кислотного оксида. В избытке щёлочи образуется средняя соль, а в избытке кислотного оксида образуется кислая соль:
щёлочь(избыток) + кислотный оксид = средняя соль + вода
либо:
щёлочь + кислотный оксид(избыток) = кислая соль
Например, при взаимодействии избытка гидроксида натрия с углекислым газом образуется карбонат натрия и вода:
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
А при взаимодействии избытка углекислого газа с гидроксидом натрия образуется только гидрокарбонат натрия:
2NaOH + CO2 = NaHCO3
4. Щёлочи взаимодействуют с солями. Щёлочи реагируют только с растворимыми солями в растворе, при условии, что в продуктах образуется газ или осадок. Такие реакции протекают по механизму ионного обмена.
щёлочь + растворимая соль = соль + соответствующий гидроксид
Щёлочи взаимодействуют с растворами солей металлов, которым соответствуют нерастворимые или неустойчивые гидроксиды.
Например, гидроксид натрия взаимодействует с сульфатом меди в растворе:
Cu2+SO42- + 2Na+OH— = Cu2+(OH)2—↓ + Na2+SO42-
Также щёлочи взаимодействуют с растворами солей аммония.
Например, гидроксид калия взаимодействует с раствором нитрата аммония:
NH4+NO3— + K+OH— = K+NO3— + NH3↑ + H2O
! При взаимодействии солей амфотерных металлов с избытком щёлочи образуется комплексная соль !
Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее. Если соль, образованная металлом, которому соответствует амфотерный гидроксид, взаимодействует с небольшим количеством щёлочи, то протекает обычная обменная реакция, и в осадок выпадает гидроксид этого металла.
Например, избыток сульфата цинка реагирует в растворе с гидроксидом калия:
ZnSO4 + 2KOH = Zn(OH)2↓ + K2SO4
Однако, в данной реакции образуется не основание, а амфотерный гидроксид. А, как мы уже указывали выше, амфотерные гидроксиды растворяются в избытке щелочей с образованием комплексных солей. Таким образом, при взаимодействии сульфата цинка с избытком раствора щёлочи образуется комплексная соль, осадок не выпадает:
ZnSO4 + 4KOH = K2[Zn(OH)4] + K2SO4
Таким образом, получаем 2 схемы взаимодействия солей металлов, которым соответствуют амфотерные гидроксиды, с щелочами:
соль амф.металла(избыток) + щёлочь = амфотерный гидроксид↓ + соль
соль амф.металла + щёлочь(избыток) = комплексная соль + соль
5. Щёлочи взаимодействуют с кислыми солями. При этом образуются средние соли, либо менее кислые соли.
кислая соль + щёлочь = средняя соль + вода
Например, гидросульфит калия реагирует с гидроксидом калия с образованием сульфита калия и воды:
KHSO3 + KOH = K2SO3 + H2O
Свойства кислых солей очень удобно определять, разбивая мысленно кислую соль на 2 вещества — кислоту и соль. Например, гидрокарбонта натрия NaHCO3 мы разбиваем на уольную кислоту H2CO3 и карбонат натрия Na2CO3. Свойства гидрокарбоната в значительной степени определяются свойствами угольной кислоты и свойствами карбоната натрия.
6. Щёлочи взаимодействуют с металлами в растворе и расплаве. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, в растворе образуется комплексная соль и водород, в расплаве — средняя соль и водород.
! Обратите внимание! С щелочами в растворе реагируют только те металлы, у которых оксид с минимальной положительной степенью окисления металла амфотерный!
Например, железо не реагирует с раствором щёлочи, оксид железа (II) — основный. А алюминий растворяется в водном растворе щелочи, оксид алюминия — амфотерный:
2Al + 2NaOH + 6H2+O = 2Na[Al+3(OH)4] + 3H20
7. Щёлочи взаимодействуют с неметалами. При этом протекают окислительно-восстановительные реакции. Как правило, неметаллы диспропорционируют в щелочах. Не реагируют с щелочами кислород, водород, азот, углерод и инертные газы (гелий, неон, аргон и др.):
NaOH +О2 ≠
NaOH +N2 ≠
NaOH +C ≠
Сера, хлор, бром, йод, фосфор и другие неметаллы диспропорционируют в щелочах (т.е. самоокисляются-самовосстанавливаются).
Например, хлор при взаимодействии с холодной щелочью переходит в степени окисления -1 и +1:
2NaOH +Cl20 = NaCl— + NaOCl+ + H2O
Хлор при взаимодействии с горячей щелочью переходит в степени окисления -1 и +5:
6NaOH +Cl20 = 5NaCl— + NaCl+5O3 + 3H2O
Кремний окисляется щелочами до степени окисления +4.
Например, в растворе:
2NaOH + Si0 + H2+O= Na2Si+4O3 + 2H20
Фтор окисляет щёлочи:
2F20 + 4NaO-2H = O20 + 4NaF— + 2H2O
Более подробно про эти реакции можно прочитать в статье Окислительно-восстановительные реакции.
8. Щёлочи не разлагаются при нагревании.
Исключение — гидроксид лития:
2LiOH = Li2O + H2O
Источник