Химия и Химики № 7 2009
Журнал Химиков-Энтузиастов
| Оглавление | Видео опыты по химии | Видео опыты по физике | На главную страницу |
|
Химия и Химики № 7 2009 Журнал Химиков-Энтузиастов |
Эксперименты с натрием Experiments with sodium metal В.Н. Витер |
|
Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
Как работать с натрием / How to Work with Sodium
Натрий является очень активным металлом, который реагирует со многими веществами. Реакции с участием натрия могут протекать бурно со значительным выделением тепла. При этом часто имеет место воспламенение и даже взрыв. Для безопасной работы с натрием необходимо иметь четкое представление о его физических и химических свойствах.
|
Sodium / Натрий |
|
|
Натрий легкий (плотность 0.97 г/см3), мягкий и легкоплавкий (Тпл 97.86° С) металл. По твердости он напоминает парафин или мыло. На воздухе натрий очень быстро окисляется, покрываясь серой пленкой, что состоит из перекиси Na2O2 и карбоната, поэтому натрий хранят в хорошо закрытых банках под слоем безводного керосина или масла.
Кусочек натрия нужного размера отрезают, не вынимая металл из керосина, с помощью ножа или скальпеля. Из банки натрий достают пинцетом. Все инструменты должны быть сухими! После этого натрий освобождают от остатков керосина с помощью фильтровальной бумажки. В некоторых случаях металл очищают скальпелем от слоя перекиси, поскольку контакт перекиси со свежей поверхностью натрия может привести к взрыву. Натрий нельзя брать руками. Обрезки натрия сплавляют при слабом нагревании под слоем керосина. Посуду, в которой был натрий, ни в коем случае не допускается мыть водой - это может привести к взрыву с трагическими последствиями. Остатки натрия устраняют добавлением спирта, только после этого можно применять воду. Работать с натрием необходимо в защитных очках. Никогда не забывайте, с чем вы имеете дело - взрыв может произойти в самый неожиданный и неподходящий момент, и к этому нужно быть готовым.
Реакция натрия с водой / Reaction of Sodium and Water
В кристаллизатор налейте на 3/4 воду и добавьте в нее несколько капель фенолфталеина. Бросьте в кристаллизатор кусочек натрия размером с половину горошины. Натрий останется на поверхности, поскольку он легче воды. Кусочек начнет активно реагировать с водой с выделением водорода. От тепла реакции металл расплавится и превратится в серебристую капельку, которая будет активно бегать по поверхности воды. При этом слышится шипение. Иногда водород, который выделяется, загорается желтым пламенем. Такой цвет придают ему пары натрия. Если воспламенения не произошло, водород можно поджечь. Однако кусочки натрия размером меньше пшеничного зернышка гаснут. 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
|
Reaction of Sodium and Water Реакция натрия с водой |
|
|
|
|
На последней фотографии в воду добавлено несколько капель фенолфталеина |
|
В результате реакции образуется щелочь, которая действует на фенолфталеин, поэтому кусочек натрия оставляет за собой малиновый след. Под конец опыта практически вся вода в кристаллизаторе окрасится в малиновый цвет.
Не следует брать натрия слишком много, иначе возможен взрыв. Когда автор взял кусочек натрия размером с фасолину, то реакция началась спокойно, но через несколько секунд последовал взрыв. В результате брызги расплавленного натрия разлетелись во все стороны, часть их попала на фотоаппарат, в том числе - на стекло объектива. Многоразовое протирание объектива ваткой со спиртом спасло положение - снимки из других разделов статьи выполнены уже после взрыва с помощью этого же фотоаппарата. Стенки кристаллизатора должны быть свободны от жира и других загрязнений. В случае необходимости их промывают раствором щелочи, иначе натрий прилипает к стенкам, и кристаллизатор может треснуть. Опыт следует проводить в защитной маске или защитных очках. Во время реакции держитесь на некотором расстоянии и ни в коем случае не наклоняйтесь над кристаллизатором. Попадание расплавленного натрия или брызг щелочи в глаза грозит практически гарантированной слепотой. |
5.10 Реакция натрия с водой (Взрыв)/ Reaction of Sodium and Water (Explosion) Взрыв кусочка натрия в результате его реакции с водой. Под фотографиями дано время с момента начала эксперимента (в секундах). Белый дым - аэрозоль щелочи
|
5.11 |
5.12 |
6.02 |
10.13 |
Реакция натрия с концентрированной азотной кислотой Sodium and Concentrated Nitric Acid |
|
|
|
Реакция натрия с 30% раствором перекиси водорода
Опыт аналогичен по результатам и технике выполнения взаимодействию натрия с азотной кислотой.
Sodium and Hydrogen Peroxide (30%) |
Реакция натрия с 30% раствором перекиси водорода Sodium and Hydrogen Peroxide (30%) |
|
Реакция натрия с концентрированной серной кислотой Sodium and Concentrated Sulfuric Acid |
|
Плавление и горение натрия Melting of Sodium and Burning of Sodium |
|
|
|
|
|
|
После окончания горения натрия останется желтый пероксид натрия Na2O2, загрязненный продуктами разрушения керамики. Добавьте к нему несколько капель ледяной уксусной кислоты (или концентрированной муравьиной). Произойдет воспламенение, что объясняется образованием безводного пероксида водорода, который обладает сильными окислительными свойствами:
Na2O2 + 2CH3COOH = H2O2 + 2CH3COONa
|
Воспламенение муравьиной кислоты под действием перекиси натрия Sodium Peroxide and Formic Acid (Ignition) |
|
|
Несмотря на то, что щелочные металлы обладают близкими химическими свойствами, их "мнения" относительно кислорода сильно отличаются. При взаимодействии с кислородом литий образует оксид:
4Li + O2 = 2Li2O натрий - пероксид: 2Na + O2 = Na2O2 а калий, рубидий и цезий - супероксиды: Me + O2 = MeO2, где Me = K, Rb, Cs Таким образом, из всех щелочных металлов при действии кислорода "нормальный" оксид образует только литий. Оксиды других щелочных металлов получают "обходными путями", например: 2NaOH + 2Na = 2Na2O + H2 (реакция идет при сплавлении). |
|
Химия и Химики № 8 2009 Журнал Химиков-Энтузиастов |
С чем натрий реагирует быстрее: с соляной кислотой или с водой? What is faster: Reaction of Sodium with Water or with Concentrated Hydrochloric Acid В.Н. Витер |
|
В прошлом номере журнала было описано взаимодействие натрия с водой, концентрированной азотной кислотой HNO3, концентрированной серной кислотой H2SO4, а также с перекисью водорода [1]. Планировалось провести аналогичный эксперимент и с концентрированной соляной кислотой HCl, но от этой мысли пришлось отказаться. Было очевидно, что реакция пройдет бурно, визуально она вряд ли будет отличаться от взаимодействия натрия с серной или азотной кислотами.
Уже после выхода журнала автору подсказали, что натрий реагирует с концентрированной соляной кислотой медленнее, чем с водой. Это утверждение проверить легко - необходимо провести эксперимент. Возьмем две выпарные чашки на 100 мл. В первую нальем на 2/3 концентрированной соляной кислоты, во вторую - сколько же воды. Поставьте чашки рядом. Возьмите два одинаковых кусочка натрия размером с горошину. Оба кусочка положите на листочек бумаги. Теперь бросьте по одному кусочку натрия в каждую из чашек - постарайтесь сделать это одновременно. Засеките время. |
Реакция натрия с концентрированной соляной кислотой и с водой Reaction of Sodium with Water and with Concentrated Hydrochloric Acid Слева чашка с конц. HCl, справа - с водой |
|
|
Натрий в соляной кислоте превратится в шарик, который будет быстро бегать по поверхности с приглушенным шипением. Воспламенения не произойдет. Аналогично будет и с водой (если не считать небольшой вспышки). Но уже через десять секунд разница станет очевидной: кусочек натрия, помещенный в соляную кислоту, будет уменьшаться значительно медленнее, чем такой же кусочек натрия в воде. В начале эксперимента может показаться, что натрий плавает по поверхности кислоты, не растворяясь.
В нашем эксперименте кусочек натрия полностью растворился в воде за 52 сек, а в концентрированной соляной кислоте - за 142 сек. Таким образом, натрий реагировал с HCl почти в три раза медленнее, чем с водой. Объяснить такое необычное поведение просто. Дело в том, что хлорид натрия плохо растворим в концентрированной соляной кислоте HCl. В процессе эксперимента почти сразу заметно образование белого осадка хлорида натрия NaCl. На поверхности металла образуется корка нерастворимого NaCl, которая замедляет взаимодействие натрия с концентрированной кислотой. |
Реакция натрия с концентрированной соляной кислотой HCl (левая чашка) и с водой (правая чашка). В первом случае взаимодействие происходит значительно медленнее |
|
|
|
Для наглядности можно перелить содержимое левой чашки в колбочку и показать ее на темном фоне.
Перед началом эксперимента желательно смочить полоски универсальной индикаторной бумаги в чашках с водой и кислотой, а потом положить эти бумажки возле соответствующих чашек. |
|
|
|
Химия и Химики № 7 2009 Журнал Химиков-Энтузиастов |
Эксперименты с супероксидом калия KO2 Experiments with Potassium Superoxide Andrew Allen / http://mattson.creighton.edu/, перевод с английского |
|
Супероксид калия представляет собой желтое твердое вещество, чувствительное к влаге. Вещество обладает парамагнитными свойствами. Поскольку формула супероксида калия - KO2, а степень окисления калия +1, то заряд иона супероксида равен -1. Супероксид калия обладает рядом интересных свойств, некоторые из которых описаны ниже.
Часть 1. Физические свойства супероксида калия
Супероксид калия - желтое твердое вещество. Если оставить его на воздухе, то под действием влаги и углекислого газа он разложится с образованием белых продуктов.
|
Супероксид калия |
|
Супероксид калия парамагнитен, что можно объяснить нечетным числом валентных электронов в анионе О2- (6e- + 6e- + 1e- = 13e-). Наличие неспаренного электрона также обуславливает и желтый цвет вещества. Чтобы продемонстрировать парамагнитные свойства, подвесим пробирку с KO2 как показано на фотографии. Если к пробирке приблизить неодимовый магнит, будет заметно, что вещество притягивается к магниту. Маленькая картинка получена наложением двух изображений пробирки: с магнитом и без магнита.
|
|
|
Часть 2. Химические свойства супероксида калия
Для проведения реакций с KO2 мы использовали установку, которая показана на фотографиях. В стеклянную трубку от пипетки насыпали около 0.6 гр KO2, с обоих концов слой уплотнили тампонами из стекловаты.
Превращение углекислого газа в кислород
2CO2(г) + 4KO2(тв) => 3O2(г) + 2K2CO3(тв) Левый шприц установки заполнен CO2, стеклянная трубка содержит KO2, а правый шприц служит для сбора газообразных продуктов реакции (см. фотографии). Если через слой желтого KO2 продавить CO2, цвет вещества изменится на белый в результате образования K2CO3. Для эксперимента было взято примерно 2 ммоль CO2 и 8 ммоль KO2, следовательно, углекислый газ был в недостатке. В правом шприце должен собраться кислород. |
|
|
Для начала исследуем газ из шприца-приемника (который вероятно содержит кислород) с помощью раствора универсального кислотно-основного индикатора.
 Универсальный индикатор На фотографии справа показан шприц с углекислым газом, а слева шприц с исследуемым газом, который вероятно содержит кислород. |
|
|
Как мы видим, газ из левого шприца не изменяет цвет индикатора, в то время как углекислый газ приводит к понижению рН раствора и переходу окраски индикатора с зеленой в желтую.
|
|
|
Теперь проведем традиционную пробу для обнаружения кислорода. Возьмем тлеющую лучинку
|
|
|
и внесем ее в шприц с газом, который вероятно содержит кислород. Лучинка ярко загорится. Наличие кислорода доказано.
|
|
|
После этого покажем отсутствие в исследуемом газе CO2. Для этого возьмем две пробирки с профильтрованным раствором гидроксида кальция. В первую пробирку пропустим газ из шприца с CO2. Раствор станет мутным в результате образования карбоната кальция:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
В то же время газ из второго шприца не вызывает помутнение известковой воды. Таким образом, исследуемый газ содержит кислород и не содержит углекислый газ. |
|
|
И наконец, последнее испытание - взаимодействие исследуемого газа и углекислого газа с 6 M раствором NaOH. Кислород не реагирует со щелочью, зато CO2 должен поглощаться раствором полностью:
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
Как видите, весь газ в шприце с CO2 "исчезает". На фотографии в левом шприце было 60 мл CO2(газ) + 10 мл 6 M NaOH. Обратите внимание, что весь газ прореагировал. Шприц справа содержит 60 мл O2(газ), который был получен в первой реакции + 10 мл 6 M NaOH. Взаимодействия не наблюдается.
|
|
|
Взаимодействие супероксида калия KO2 с оксидом азота
На следующих трех фотографиях показано как NO (бесцветный газ в левом шприце) продавливается через слой KO2, в результате чего образуется бурый диоксид азота. Реакция сильно экзотермична.
|
|
|
|
|
Взаимодействие супероксида калия KO2 с диоксидом серы
И наконец, заключительный эксперимент. Диоксид серы - бесцветный газ в левом шприце продавливаем через KO2. Как мы предполагаем, при этом образуется SO3.
|
|
|
|
На фотографии место протекания реакции видно как темная область, которая смещается по мере прохождения взаимодействия слева на право. Внутри трубки с супероксидом калия было замечено небольшое красное пламя, но, к сожалению, мы не сумели его заснять.
|
 
|
