Материалы портала «Научная Россия»

Реакция воды и натрия: что там происходит

Реакция воды и натрия: что там происходит
Чешские химики проследили при помощи современного видеооборудования ход реакции окисления натрия в воде. Этот эксперимент позволил открыть новые грани в теории, которые могут помочь в организации безопасности производств.

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.

вода натрий щелочные металлы

Назад

Социальные сети

Комментарии

  • Александр, 28 января 2015 г. 12:11:11

    Почему-то учОные все объясняют задом наперед. На самом деле све происходит по другому:В этой главе мы рассмотрим, как возникает электрический ток в жидкостях и принцип действия гальванического элемента. Как уже было сказано выше, электрический ток в твёрдых телах – это в основном движение электронов. Так же было теоретически обосновано, что проводниками являются вещества, имеющие в межатомном пространстве небольшое количество электронов, а диэлектрики, наоборот, вещества в межатомном пространстве которых содержится большое количество электронов, которые своими силами отталкивания препятствуют протеканию электрического тока.
    Протекание электрического тока в жидкостях имеет более сложный механизм, который мы здесь и рассмотрим. Как известно все жидкости в силу довольно большой асимметрии гравитационных полей молекул, являются изоляторами. За исключением, например, ртути, которая является металлом, где атомы не объединены в молекулы.
    Возьмём для начала обыкновенную воду. Чистая вода – это изолятор. Но если мы попробуем измерить её сопротивление, то окажется, что она слабо проводит ток. Это говорит о том, что в воде есть примеси, придающие ей проводимость. Механизм возникновения этой проводимости мы сейчас и рассмотрим. Как уже было сказано все жидкости имеют гораздо большую асимметрию гравитационных полей молекул, чем металлы. То есть больший избыточный заряд.
    Если мы погрузим в электролит металлический электрод, между ним возникнет контактная разность потенциалов, обусловленная разностью асимметрий их гравитационных полей и избыточные электроны из электролита начнут диффундировать в металл электрода, создавая электрический ток. Это и есть простейший гальванический элемент. Правда для того чтобы снять с него напряжение, нужен ещё один контактный электрод электролита.
    Если мы возьмём в качестве его такой же металл, то получим ещё один гальванический элемент, включённый встречно. В этом случае никакого тока этот элемент не даст. Значит для контакта с электролитом нам будет нужен материал, асимметрия гравитационного поля которого будет незначительно отличаться от асимметрии гравитационного поля молекул электролита. То есть в ряду активности он должен оттстоять от первого довольно далеко. Этому условию отвечает, например, графит.
    Погрузив его в тот же электролит, мы получим два гальванических элемента (рис.20), включённых встречно, но с различными контактными разностями потенциалов и соответственно разными эдс. И тогда общая эдс будет равна их разности, на графике Uэл.=(Qц - Qгр.).
    Самое интересное, что у гальванического элемента на самом деле положительного полюса нет, оба они отрицательные. Ток или движение электронов будет происходить от полюса с большим отрицательным потенциалом, к полюсу с меньшим отрицательным потенциалом. То есть от цинкового электрода к угольному. То есть здесь опять существует аналогия с разностью уровней.
    Механизм процесса следующий. Так как жидкости имеют большую асимметрию гравитационных полей молекул, чем металлы, то при контакте с металлом, избыточные электроны из жидкости диффундируют в металл и уменьшают в нём силы притяжения атомов металла друг к другу настолько, что они получают возможность отрываться от основной массы электрода и переходить в жидкость.
    Другими словами, металл начинает растворяться в жидкости. При этом концентрация электронов в молекулах жидкости уменьшается, соответственно уменьшаются и силы отталкивания, что приводит к облегчению прохождения через неё электрического тока.
    Если металл имеет очень большую асимметрию гравитационных полей атомов, например натрий, то процесс растворения протекает настолько бурно и выделяется такое количество тепла, что натрий начинает плавиться. От высокой температуры вода испаряется и расплавленный металл реагирует с парами воды с получением окисла.
    При этом выделяется свободный кислород, который соединяясь с водородом может привести к взрыву. Это пример процесса низкотемпературного синтеза, при котором получается новое более сложное вещество – окисел.

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий