Прозрачный натрий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Департамент образования города Москвы

Государственное бюджетное общеобразовательное

учреждение города Москвы

гимназия № 1573

Исследовательская работа

на тему:

«Прозрачный натрий»

Выполнил:

ученик 10 «Б» класса

Рудик Богдан

Валентинович

Научный руководитель:

Рудик Илона Владимировна

Москва

2019



Оглавление

Введение

Что такое натрий

Нормальная реакция натрия с водой

Наблюдения

Поставленные вопросы и гипотезы

Опровержение/доказательство гипотез

Инфоисточники



Введение

Однажды работая в лаборатории я заметил необычное поведение натрия. Он вел себя не обычно, нарушая некоторые законы химии и физики. Это меня заинтересовало, поэтому я заинтересовался этой темой и решил написать по ней проектную работу. Я думаю данное явление заинтересует многих хоть и имеет только фундаментальное значение. Хотя кто знает, многие фундаментальные и случайно открытые открытия находят применение позже.

Взять хотя бы открытие рентгена. Когда Вильгельм Рентген поставил перед трубкой свою руку, то заметил, что она начинает просвечиваться на изображении, проецируемом на экране. Свое открытие он назвал «икс-лучами» (X-rays). После Рентген заменил трубку фотографической пластиной и получил первую рентгенограмму.

Вскоре после этого технология была адаптирована медицинскими учреждениями

Цель работы

Как сказано выше это явление противоречит некоторым химическим свойствам натрия. Так же есть моменты, которые я не могу объяснить. Цель работы-предположить причины такого поведения, попытаться понять природу этого явления и понять открытие это или нет.

Задачи:

Обратить на себя внимание университетов с целью получения информационной и практической помощи.

объяснения явления

Актуальность работы

Данная работа имеет фундаментальное значение. Фундаментальные исследования очень важны! Они направлены на получение более обширных знаний, объяснения явлений и раскрытия новых связей между ними.



Что такое натрий

Натрий это мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета (рис 5). В периодической системе (Д.И. Менделеева) находится в первой главной группе, третьем периоде и имеет порядковый номер 11. Схема электронного строения- (рис1,2).

рис 1.

рис 2.



Рис 3.

рис 4.

рис 5.

Нормальная реакция натрия с водой

Так как натрий находиться в первой главной группе, то это щелочной металл бурно реагирующий с водой.

Давайте рассмотрим реакцию натрия с водой.

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2+E (E- энергия)

Во время реакции образуется Щелочь(NaOH), водород(H2) и большое кол-во энергии (E), настолько большое, что натрий (Na) может загореться или даже взорваться!!!

Так что же происходит в присутствии воды? Мы можем представлять себе молекулы воды как стабильные H2O, два водорода и один кислород. 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 достаточно для того, чтобы некоторые молекулы воды -- порядка одной на несколько миллионов -- распадались на два иона -- один протон (H+) и ион гидроксила (OH-). (рис 4)

Нас интересует, что происходит при добавлении натрия. Натрий -- этот нейтральный атом с одним плохо держащимся внешним электроном (смотри рис 2) -- попадает в воду. А это не просто нейтральные молекулы H2O, это ионы гидроксила и отдельные протоны. Нам важны 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. (Рис 3)

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



Наблюдения

Бросив натрий в воду мы увидим, что он сразу станет жидким и примет форму капли. (рис 6)

рис 6.

натрий экзотермичность химический щелочной

Это происходит из-за экзотермичности реакции. Затем он будет бегать по воде из-за выделения легкого газа - водорода(H). В конце концов он весь перейдет в щелочь.

Проведем аналогичный эксперимент, но на этот раз перед тем, как бросать натрий в воду, положим на поверхность воды листик фильтровальной бумаги.

рис 7.

А затем положим натрий на эту смоченную плавающую на поверхности бумажке (рис 7)

рис 8.

Через некоторое время натрий загорается (с образованием едкого дыма, вызывающего кашель) и приобретает металлический блеск. (Рис8)

Рис9.

После того как горение закончиться, мы можем видеть докрасна разогретую капельку, которая продолжает плавать на поверхности. (рис 9)



рис 10.

рис 11.

А через пару секунд после того как капелька остынет, мы можем наблюдать что эта капля прозрачная!!! (Рис 10,11)

После этого она взрывается.

Гипотезы поставленные к вопросу

Что это за вещество?

В процессе реакции образуется неизвестное вещество прозрачного цвета. (Рис 10,11). Это вещество не реагирует с водой (не выделяется газ, осадок, не изменяется цвет). Я выдвинул гипотезы:

это гидроксид натрия

Может это промежуточное вещество (фаза) между превращением натрия в гидроксид натрия?

А может это натрий?

система оксида/гидроксида натрия с водой в не известных пропорциях.

Гипотезы:

Гипотеза 1.1

Бросая натрий на фильтровальную бумагу (рис 12), которая лежит на поверхности воды мы заставляем натрий воспламеняться так как мы отграничиваем его от основного объёма воды, следовательно, и от охлаждения. Попросту не хватает теплоемкости отграниченного слоя (рис 13), и натрий загорается (рис 8).

рис 12.

1-поверхность воды; 2-фильтровальная бумага; 3-кристализатор; 4-натрий.

Взглянем на это поближе:



рис 13.

1-капелька натрия; 2-поверхность воды; 3-Фильтр; 4-ограниченный слой воды; 5-тепло исходящие от натрия; 6- основной объём воды.

После того как натрий загорается он продолжает реагировать с водой и начинает с воздухом, таким образом идет 2 реакции одновременно

1) Na+O2=Na2O

2)2Na + 2H2O = 2NaOH + H2+E

Из-за того, что объём воды, отграниченный фильтровальной бумагой очень сильно насытился гидроксидом натрия, то гидроксид натрия перестал растворяться и начал собираться в шарик на поверхности воды. В этот момент реакция завершается. И мы можем видеть докрасна раскаленный шарик плавающий на поверхности. Но тогда почему гидроксид натрия плавает?! Ведь его плотность больше чем плотность воды!

Может это промежуточное вещество (фаза) между превращением натрия в гидроксид натрия?

Объяснения этой гипотезе у меня нет.

Гипотеза 1.3

А может это натрий? Это очень маловероятно, ведь вещество прозрачное! (см рис 14,15)

Натрий может быть прозрачным только в условиях очень высокого давления. Приблизительно 20 000 атмосфер. Тем более в большинстве случаев прозрачными являются диэлектрики, а натрий-проводник.

Может быть это натрий, но он просто не прозрачный, а блестящий?

Но при макросъемке видно, что внутри капельки есть пузырьки газа (рис 14,15), следовательно, оно прозрачное!

рис 14.

рис 15.

Почему образуется такое вещество?

Если у нас все-таки и образуется какое-либо вещество (назовем его Х вещество), то почему оно образуется и почему не образуется без фильтровальной бумажки.

Гипотеза 2.1

Перенасыщенность и маленькая теплоемкость.

Смотри гипотезу 1.1

Почему оно плавает?

Почему это вещество плавает? Если мы вспомним гипотезы1.1 и 1.3 то мы предполагаем, что выделяется либо натрий, либо гидроксид натрия. Но плотность NaOH и Na больше чем плотность воды.

Гипотеза 3.1

Во всем виноваты ПАВы или инактивные вещества?

Как мы знаем натрий хранится под слоем керосина или минерального масла. Все это время я проводил реакции с не обезжиренным натрием, следовательно, благодаря реакции омыления жиров могли образоваться ПАВы или инактивные вещества, которые повлияли на поверхностное натяжение.

Проведя чистый эксперимент, обезжирив натрий я получил тот же эффект, то есть гипотеза не верна!

Гипотеза 3.2

Эффект Лейденфроста

Верхний водяной слой горячий, но щелочь еще горячее. Ее температура примерно 500 C0 из-за этого вода под капелькой моментально вскипает и образует паровую подушку(прослойку), которая поддерживает эту капельку на поверхности благодаря эффекту Лейденфроста.

Но это не точно, так как в эффекте говорится, что разогрета поверхность, а не капелька!

Эффект Лейденфроста-капля жидкости, находящаяся на горячей поверхности или наоборот, благодаря тонкой теплоизолирующей паровой прослойке не испаряется моментально, а продолжает существовать довольно длительное время, левитируя над подложкой. (рис 16)

рис 16.

Стрелки показывают направление течения пара.

Гипотеза 3.3

Плотность вещества не такая, как мы думаем? (это не гидроксид натрия)

Смотри гипотезы 1.2, 1.4

Почему оно взрывается?

Почему капелька после непродолжительного плавания по поверхности воды взрывается?

Гипотеза 4.1

Эффект Лейденфроста

Когда расплавленная капелька гидроксида натрия остывает примерно до 100-150 C0 паровая подушка не может удерживать капельку на поверхности, и капелька проваливается под воду. Так как эта капелька - гидроксид натрия, то она начнет растворятся, а гидроксид натрия при растворении сильно разогревается. Возможно из-за теплоты растворения капелька взрывается.

Гипотеза 4.2

Эффект принца Руперта

Возможно просто из-за экзотермичности реакции в капельке собирается энергия в виде тепла to= 363-500 Со, эта энергия (F2) стремиться разорвать капельку (эффект принца Руперта) но этой энергии мешает сила поверхностного натяжения (F1) капельки. По мере F1 ослабевает.

Когда энергия F2 становится сильнее чем, F1 тогда происходит взрыв. (см рис 17)

Размещено на http://www.allbest.ru/

рис 17.

Опровержение/доказательство гипотез

1. Что это за вещество

В гипотезе 1.1 мы рассматриваем, что образуется гидроксид натрия.

В гипотезе 1.2 мы думаем, что это промежуточное вещество (фаза) между превращением натрия в гидроксид натрия

В гипотезе 1.3 мы подразумеваем, что образуется натрий.

План доказательства гипотез 1.1 1.2 1.3:

Что бы определить точно «что это за вещество» стоит провести спектроскопический анализ.

Почему образуется такое вещество?

Если у нас все-таки и образуется какое-либо вещество (назовем его Х вещество), то почему оно образуется и почему не образуется без фильтровальной бумажки.

Гипотеза 2.1

Перенасыщенность и маленькая теплоемкость.

Смотри гипотезу 1.1

В гипотезе 1.1 мы рассматриваем (Почему образуется Х вещество).

Мы предполагаем: из-за того, что объём воды, отграниченный фильтровальной бумагой очень сильно насытился гидроксидом натрия, то гидроксид натрия перестал растворяться и начал собираться в шарик на поверхности воды. В этот момент реакция завершается. И мы можем видеть докрасна раскаленный шарик Х вещества плавающий на поверхности.

План доказательства:

Нагреем 100 миллилитров воды и помешивая будем добавлять гидроксид натрия пока он не перестанет растворятся.

Нагреем раствор до 85-90 C

Бросим кусочек натрия

Если мы будем наблюдать прозрачную капельку, то гипотеза оказалась верной.

Почему оно плавает?

Почему это вещество плавает? Если мы вспомним гипотезы1.1 и 1.3 то мы предполагаем, что выделяется либо натрий, либо гидроксид натрия. Но плотность NaOH и Na больше чем плотность воды.

Гипотеза 3.1

Во всем виноваты ПАВы или инактивные вещества

Как мы знаем натрий хранится под слоем керосина или минерального масла. Все это время я проводил реакции с не обезжиренным натрием, следовательно, благодаря реакции омыления жиров могли образоваться ПАВы или инактивные

План доказательства гипотезы 3.1:

Перед реакцией натрия с водой обезжирим натрий в спиртовом растворе 2 раза.

Если вещество не образуется, то гипотеза верна.

Гипотеза 3.2

Эффект Лейденфроста

Верхний водяной слой горячий, но щелочь еще горячее. Ее температура примерно 500 C0 из-за этого вода под капелькой моментально вскипает и образует паровую подушку(прослойку), которая поддерживает эту капельку на поверхности благодаря эффекту Лейденфроста.

Но это не точно, так как в эффекте говорится, что разогрета поверхность, а не капелька!

Эффект Лейденфроста-капля жидкости, находящаяся на горячей поверхности или наоборот, благодаря тонкой теплоизолирующей паровой прослойке не испаряется моментально, а продолжает существовать довольно длительное время, левитируя над подложкой. (рис 16)

План доказательства гипотезы 3.2:

1) Проведите реакцию натрия с водой на фильтровальной бумаге

2) Измерьте температуру реакции в момент плавания прозрачного натрия по воде.

Если температура в этот момент была 300- 400 C то теория верна.

4) Почему оно взрывается?

Гипотеза 4.1

Эффект Лейденфроста

Когда расплавленная капелька гидроксида натрия остывает

примерно до 100-150 C0 паровая подушка не может удерживать капельку на поверхности, и капелька проваливается под воду. Так как эта капелька - гидроксид натрия, то она начнет растворятся, а гидроксид натрия при растворении сильно разогревается. Возможно из-за теплоты растворения капелька взрывается.

План доказательства гипотезы 4.1:

Провести реакцию

Измерить температуру

Если температура капельки за секунду до и во время взрыва будет 100-200 C то гипотеза верна.

Гипотеза 4.2

Эффект принца Руперта

Возможно просто из-за экзотермичности реакции в капельке собирается энергия в виде тепла to= 363-500 Со, эта энергия (F2) стремиться разорвать капельку (эффект принца Руперта) но этой энергии мешает сила поверхностного натяжения (F1) капельки. По мере F1 ослабевает.

Когда энергия F2 становится сильнее чем, F1 тогда происходит взрыв. (см рис 17)

План доказательства гипотезы 4.2



Инфоисточники

1. itnan.ru/post.php?c=2&p=298073 Спросите Итана: каковы квантовые причины реакции натрия с водой?

2. 1s-klub.ru/top-8-sluchajnyx-nauchnyx-izobretenij-izmenivshix-mir/ ТОП-8 СЛУЧАЙНЫХ НАУЧНЫХ ИЗОБРЕТЕНИЙ, ИЗМЕНИВШИХ МИР

3. elementy.ru/novosti_nauki/431525/Effekt_Leydenfros...vigatsya_napravlenno Эффект Лейденфроста помогает телам двигаться направленно

4. fishki.net/1209033-jeffekt-lejdenfrosta-v-dejstvii.html Эффект Лейденфроста в действии

5. masterok.livejournal.com/1387894.html Эффект прыгающей капли

6. www.nofollow.ru/video.php?c=cghQEU6_8Oo Эффект Лейденфроста. Капля воды в форме пятиугольника.

Размещено на Allbest.ru

...