Номер 21, страница 230 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

8.21. Объясните, почему реакция натрия с раствором сульфата меди(II) сопровождается взрывом, а его реакция с водой протекает более спокойно.

Решение

Различие в интенсивности реакции натрия с водой и с раствором сульфата меди(II) объясняется совокупностью нескольких факторов, в первую очередь связанных с продуктами, образующимися в ходе этих процессов.

1. Реакция натрия с водой.

Натрий — это очень активный щелочной металл, бурно реагирующий с водой по уравнению: $$2Na(т) + 2H_2O(ж) \rightarrow 2NaOH(р-р) + H_2(г) \uparrow$$ Эта реакция является сильно экзотермической, то есть протекает с выделением большого количества тепла. Выделяющаяся энергия расплавляет натрий (температура плавления 97,8 °C), и образовавшийся шарик металла быстро движется по поверхности воды под действием выделяющегося водорода. Тепло реакции относительно равномерно рассеивается в объеме воды, а водород свободно улетучивается. Хотя водород может воспламениться и вызвать хлопок, в целом процесс контролируем и протекает спокойнее по сравнению с реакцией в растворе соли.

2. Реакция натрия с раствором сульфата меди(II).

В водном растворе сульфата меди(II) ($CuSO_4$) натрий в первую очередь также реагирует с водой, которая является растворителем: $$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2 \uparrow$$ Однако ключевое отличие заключается в том, что образовавшийся гидроксид натрия ($NaOH$) мгновенно вступает в реакцию обмена с сульфатом меди(II): $$2NaOH + CuSO_4 \rightarrow Cu(OH)_2(т) \downarrow + Na_2SO_4(р-р)$$ В результате образуется нерастворимый в воде студенистый осадок гидроксида меди(II) ($Cu(OH)_2$). Именно этот осадок кардинально меняет ход реакции и является причиной взрыва.

Происходит следующее:

Во-первых, осадок $Cu(OH)_2$ обволакивает каплю расплавленного натрия, лишая ее подвижности и создавая замкнутую полость.

Во-вторых, этот слой осадка является плохим проводником тепла. Он препятствует эффективному отводу тепла от зоны реакции вглубь раствора. Вся энергия экзотермической реакции концентрируется в очень малом объеме.

В-третьих, студенистая структура осадка задерживает пузырьки выделяющегося водорода, не давая им покинуть зону реакции и скапливая их в непосредственной близости от раскаленного натрия.

Совокупность этих факторов приводит к резкому локальному перегреву. Температура внутри "капсулы" из осадка стремительно нарастает, что вызывает практически мгновенное вскипание окружающей воды (паровой взрыв) и детонацию скопившейся смеси водорода с кислородом воздуха. Именно сочетание парового взрыва и детонации водорода обуславливает значительно большую мощность и опасность процесса по сравнению с реакцией натрия в чистой воде.

Ответ: Реакция натрия с раствором сульфата меди(II) сопровождается взрывом, потому что в ходе реакции образуется нерастворимый осадок гидроксида меди(II). Этот осадок обволакивает натрий, локализуя реакцию и мешая отводу тепла. В результате происходит локальный перегрев, который приводит к паровому взрыву и детонации скопившегося водорода. В чистой воде осадок не образуется, тепло рассеивается более эффективно, и реакция протекает спокойнее.