「弱钠」:修訂間差異
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弱钠,钠单质的同素异形体,化学式Na<sub>48</sub> | 弱钠,钠单质的同素异形体,化学式Na<sub>48</sub>.弱钠是由大量的弱钠分子构成的,每个弱钠分子包含48个钠原子.这一球状结构十分稳定,难以被拆分为钠原子.因此在化学反应中,弱钠往往作为整体存在,例如四氧化弱钠中,弱钠整体呈+8价,化学式Na<sub>48</sub>O<sub>4</sub>.<br/> | ||
弱钠在室温下为银色透明晶体,密度为1.37g/cm<sup>3</sup>,熔点为432℃,沸点2310℃. | |||
==结构== | |||
如上所述,弱钠不是由单个原子构成的,而是由48个原子结合在一起形成的分子构成的,这一分子一般为球状(见附图)。命名其为Na<sub>48</sub>,中文名为弱钠。需要注意的是,不同于正常的钠单质,因为弱钠分子中的钠钠魔键太强,所以弱钠在化学反应中是以一个集体存在的,而不会生成单个的钠原子。<br/> | |||
据推测,钠钠魔键的结构极大地影响了弱钠的诸多物理和化学性质,使之与钠单质有较大的区别. | |||
== | ==制备== | ||
常用的弱钠制备方法是金刚石低温催化法.<br/> | |||
取一块高纯度的钠(质量最好是250g),隔绝空气加热到约1073K,并将气压抽低至6.324kPa。于钠蒸汽中央放置一正二十面体结构的金刚石,然后将温度迅速降低至199.8±2.5K。观察可以发现,急剧的温度变化下金刚石碎裂成小块,并在此过程中和钠蒸汽充分接触.而钠蒸汽则会瞬间在金刚石表面凝结出透明晶体,同时带有金属光泽,这就是弱钠.<br/> | |||
在这里 | ==物理性质== | ||
=弱钠= | |||
弱钠的外观和钠的外观是一样的,都具有强烈金属光泽.弱钠比钠更加活泼,露置于空气中,瞬间变为灰白色.<br/> | |||
弱钠的莫氏硬度略低于钠单质,因此也较软,可以使用小刀切割.一般用手即可在弱钠块上留下痕迹.<br/> | |||
弱钠的密度为钠的<math>sqrt(2)</math>倍,约1.369g/cm³,一般取1.37g/cm³。<br/> | |||
弱钠分子间存在比较强的金属键,所以它的熔点高达705K,远高于铟、锡、铊、铅、铋。更加反常的是弱钠的沸点达2583K,高于Sn的沸点.原因不明,有科学家推测这也是魔键在暗中起作用.<br/> | |||
弱钠的导电性比钠单质稍微弱一点.<br/> | |||
=弱钠盐= | |||
弱钠盐大多数外观呈灰白色,常温下其固体导电性很差,可以认为是绝缘体.<br/> | |||
弱钠盐最特殊的性质在于它在水中的溶解度.一般来说,钠盐都是易溶于水,不溶于超临界二氧化碳、二硫化碳、四氯化碳、苯、无水乙醇、无水乙醚、乙酸乙酯、无水丙酮、己烷的。但是弱钠盐恰好相反。弱钠盐要么微溶(0.01g~1g/100gH<sub>2</sub>O)于水,要么难溶(<0.01g/100gH<sub>2</sub>O)于水。但是它可以少量溶解在上述几种溶剂中。不同于钠盐,弱钠盐几乎都易溶于液氨(即使酸根会把氨氧化成氮气和水,或者是N2O、NO,甚至产生硝酸);已知的唯一一个不溶于液氨的弱钠盐是Na<sub>48</sub>(MnO<sub>3</sub>)<sub>8</sub>,这种盐含有罕见的+5价锰。<br/> | |||
制备方法是将Na48(VO3)8和过量MnO2混合,然后全部投入到液氨里,进行搅拌。然后它就开始反应<br/> | |||
Na48(VO3)8+8MnO2=Na48(MnO3)8+8VO2<br/> | |||
往溶液里面通入少量的氯化氢气体后,VO2沉淀会消失,过量的MnO2也会被消耗掉。<br/> | |||
2NH3+2HCl+VO2=(NH4)2VO2Cl2<br/> | |||
MnO2+4HCl+2NH3=MnCl2+H2↑+2NH4ClO<br/> | |||
过滤一下沉淀物,得到的就是Na48(MnO3)8。<br/> | |||
==标 | ==化学性质== | ||
科学家们目前对于弱钠的各种化学性质有了较为透彻和深入的研究,以下列举重点. | |||
=化合价= | |||
化合物中,弱钠只存在三种化合价:0价、+4价和+8价。<br/> | |||
理论上Na<sub>48</sub>可以与一氧化碳在羰基锑催化下生成Na<sub>48</sub>(CO)<sub>16</sub>,其中Na<sub>48</sub>仍然显0价。<br/> | |||
但是科学家们在实际操作规程中未能合成该物质;相反,因为弱钠的还原性比正常的钠还强,所以生成了Na<sub>48</sub>O<sub>4</sub>、Na<sub>48</sub>C<sub>2</sub>、Na<sub>48</sub>C<sub>4</sub>、Na<sub>48</sub>C<sub>8</sub>等一系列化合物。<br/> | |||
值得注意的是,由于键能极高的钠钠魔键,一般弱钠只以+8价存在于化合物中,或者以0价单质存在. | |||
=分解= | |||
弱钠一般在化学反应中是作为一个整体的。即使用F<sub>2</sub>O<sub>7</sub>、臭卤(对于臭氟、臭氯、臭溴三种已知的三原子分子卤素单质的统称)、高氧酸酐、都无法把弱钠分子打开,更不要提普通的氟气、氯气、氧气了。因此可知弱钠分子极难拆分为单个的钠原子.<br/> | |||
现有资料显示,Na<sub>48</sub>分解产生正常的钠单质,伴随着巨量能量的释放。据计算,1个Na<sub>48</sub>分子完全分解成48个钠原子,所释放出来的能量相当于48000个Pb(N<sub>3</sub>)<sub>2</sub>分子完全分解。计算如下:<br/> | |||
1g的Pb(N<sub>3</sub>)<sub>2</sub>完全分解,放出的能量是2.148kJ;1mol的Pb(N3)2完全分解,放出的能量是2.148kJ*(14.007*6+207.2)≈625.588kJ;48000个Pb(N<sub>3</sub>)<sub>2</sub>分子完全分解,放出的能量是(625.588*48000/mol)J。这些能量正好等于一个Na<sub>48</sub>分子完全分解成48个钠原子所释放出来的能量。 | |||
那么,1molNa<sub>48</sub>分子完全分解成48mol钠原子,释放出来的能量就应该是625.588*48000=30028.224MJ. | |||
1g的Na<sub>48</sub>分子完全分解成1g的钠单质,释放出来的能量为30028.224/22.98977/48=27.211MJ. | |||
=和气体的反应= | |||
正常情况下,弱钠可以轻松与氧气、氮气、氢气、氨气、氙气等反应.<br/> | |||
10Na<sub>48</sub>+24NH<sub>3</sub>==Na<sub>48</sub>(N<sub>3</sub>)<sub>8</sub>+9Na<sub>48</sub>H<sub>8</sub>.<br/> | |||
Na<sub>48</sub>+4H<sub>2</sub>==Na<sub>48</sub>H<sub>8</sub>.<br/> | |||
Na<sub>48</sub>+8H<sub>3</sub>==Na<sub>48</sub>(H<sub>3</sub>)<sub>3</sub>.<br/> | |||
其中的H<sub>3</sub>是一种氢单质,称臭氢.<br/> | |||
其余的反应还有(不特别标注的,属于接触即反应): | |||
Na<sub>48</sub>+2O<sub>2</sub>=Na<sub>48</sub>O<sub>4</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>+4O<sub>2</sub>=点燃=Na<sub>48</sub>O<sub>8</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>+8O<sub>2</sub>=NH<sub>3</sub>(l)=Na<sub>48</sub>(O<sub>2</sub>)<sub>8</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>+4F<sub>2</sub>=Na<sub>48</sub>F<sub>8</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>+4Cl<sub>2</sub>=Na<sub>48</sub>Cl<sub>8</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>+8ClO<sub>2</sub>=Na<sub>48</sub>Cl<sub>8</sub>+8O<sub>2</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>+12N<sub>2</sub>=Na<sub>48</sub>(N<sub>3</sub>)<sub>8</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>(N<sub>3</sub>)<sub>8</sub>+20O<sub>2</sub>=561K=Na<sub>48</sub>(NO<sub>3</sub>)<sub>8</sub>+16NO<br/> | |||
Na<sub>48</sub>(N<sub>3</sub>)<sub>8</sub>+12O<sub>2</sub>=517K=Na<sub>48</sub>(NO<sub>3</sub>)<sub>8</sub>+8N<sub>2</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>(N<sub>3</sub>)<sub>8</sub>+8O<sub>2</sub>=489K=Na<sub>48</sub>(NO<sub>2</sub>)<sub>8</sub>+8N<sub>2</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>+8H<sub>2</sub>O=Na<sub>48</sub>(OH)<sub>8</sub>+4H<sub>2</sub>↑<br/> | |||
Na<sub>48</sub>+8NO<sub>2</sub>=TK(100<T<238)=Na<sub>48</sub>(NO<sub>2</sub>)<sub>8</sub><br/> | |||
可以看到,弱钠和相同气体反应,条件不同,产物也不同. | |||
Na<sub>48</sub>+16NO<sub>2</sub>=TK(261<T<363)=Na<sub>48</sub>(NO<sub>3</sub>)<sub>8</sub>+8NO<br/> | |||
这是弱钠与二氧化氮发生的反应。<br/> | |||
当然,弱钠在温度足够高的时候可以和反应生成的一氧化氮继续反应。<br/> | |||
Na<sub>48</sub>+4NO=541K=Na<sub>48</sub>O<sub>4</sub>+2N<sub>2</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>+8NO=313K=Na<sub>48</sub>O<sub>8</sub>+4N<sub>2</sub><br/> | |||
Na<sub>48</sub>+8NO=210K,NH<sub>3</sub>(l)=Na<sub>48</sub>(NO)<sub>8</sub><br/> | |||
=和液体的反应= | |||
由于受魔键影响,弱钠与无论哪种液体反应,都是相当慢的,这点和正常的钠很不一样。<br/> | |||
它和H<sub>2</sub>O、HCl、H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>、HNO<sub>3</sub>、王水、逆王水、超盐酸反应的速度都是一样的,而且这与溶质浓度、溶液温度都无关,这是非常罕见的现象!<br/> | |||
它即使丢到超盐酸里也只会按照这个反应方程式进行反应:Na<sub>48</sub>+(HCl)<sub>10</sub>= H<sub>2</sub>Na<sub>48</sub>Cl<sub>10</sub>+4H<sub>2</sub>↑<br/> | |||
为什么H<sub>2</sub>Na<sub>48</sub>Cl<sub>10</sub>不能和Na<sub>48</sub>继续反应?因为位阻太大,超盐酸根只能一次结合一个弱钠分子.<br/> | |||
同理,弱钠和氮气反应只能生成叠氮化弱钠,为什么不能生成(Na<sub>48</sub>)<sub>3</sub>N<sub>8</sub>?也是因为位阻。<br/> | |||
合成(Na<sub>48</sub>)<sub>3</sub>N<sub>8</sub>是做不到的,也是不可能的,但是我们可以合成HNa<sub>48</sub>N<sub>3</sub>。你可以用混有少量氨气的氮气与纯的弱钠反应,也可以用氢叠氮酸和弱钠反应。<br/> | |||
说起来很奇特的是,氢叠氮酸和弱钠反应竟然只能生成HNa<sub>48</sub>N<sub>3</sub>,而合成叠氮化弱钠必须用氮气和弱钠反应。<br/> | |||
一般来说,把一块钠投入水中的时候,它会浮熔游响红(如果滴加了酚酞)。但是弱钠不会这样,它无论是和冷水还是和沸腾的王水反应,都是会沉到水底(因为它的密度大于水),同时自身表面不断冒出气泡,速度较快,但是不会被自己生成的氢气气泡带上来。<br/> | |||
Na<sub>48</sub>+8HCl+12H<sub>2</sub>O=Na<sub>48</sub>Cl<sub>8</sub>·12H<sub>2</sub>O+4H<sub>2</sub><br/> | |||
以上为弱钠与稀盐酸反应的反应方程式。<br/> | |||
Na<sub>48</sub>Cl<sub>8</sub>·12H<sub>2</sub>O是一种银色透明固体,质脆,容易形成碎屑。且不同于NaCl,Na<sub>48</sub>Cl<sub>8</sub>·12H<sub>2</sub>O难溶于水,水溶液是银色的。<br/> | |||
它在加热到58℃时失去部分结晶水,产生Na<sub>48</sub>Cl<sub>8</sub>·8H<sub>2</sub>O,加热到68℃时继续失去结晶水,产生Na<sub>48</sub>Cl<sub>8</sub>·6H<sub>2</sub>O,一直加热到100℃时失去所有结晶水,变为Na<sub>48</sub>Cl<sub>8</sub>。<br/> | |||
Na<sub>48</sub>溶解在液态氨中会生成Na<sub>48</sub>(NH<sub>4</sub>)<sub>4</sub>(NH<sub>2</sub>)<sub>12</sub>,中文名为十二氨合铵弱钠。<br/> | |||
Na<sub>48</sub>(NH<sub>4</sub>)<sub>4</sub>(NH<sub>2</sub>)<sub>12</sub>是一种紫蓝色透明晶体,对热对氧化剂都不稳定。<br/> | |||
它加热到0℃以上就会分解成Na<sub>48</sub>(NH<sub>2</sub>)<sub>8</sub>,加热到100℃时更会分解为Na<sub>48</sub>(NH)<sub>4</sub>。<br/> | |||
而Na<sub>48</sub>(NH)<sub>4</sub>的液氨溶液接触顺铂后会生成不稳定的Na<sub>48</sub>(NH<sub>2</sub>)<sub>4</sub>,其中Na<sub>48</sub>分子作为一个整体,极罕见的只显+4价。<br/> | |||
顺铂本身不变,所以顺铂是该反应的催化剂。<br/> | |||
=和固体的反应= | |||
氯化弱钠和过二硫酸钾K<sub>2</sub>S<sub>2</sub>O<sub>8</sub>反应会生成过二硫酸弱钠Na<sub>48</sub>(S<sub>2</sub>O<sub>8</sub>)<sub>4</sub>。反应方程式略。<br/> | |||
Na<sub>48</sub>(S<sub>2</sub>O<sub>8</sub>)<sub>4</sub>是一种橘黄色晶体,质脆,易成碎屑。Na<sub>48</sub>(S<sub>2</sub>O<sub>8</sub>)<sub>4</sub>水溶性极差,完全不溶于水,也不发生水解。<br/> | |||
Na<sub>48</sub>(S<sub>2</sub>O<sub>8</sub>)<sub>4</sub>非常稳定,加热到498℃时才生成氧气,反应方程式:Na<sub>48</sub>(S<sub>2</sub>O<sub>8</sub>)<sub>4</sub>=Δ=Na<sub>48</sub>(S<sub>2</sub>O<sub>7</sub>)<sub>4</sub>+2O<sub>2</sub>↑<br/> | |||
再继续加热到732℃时就生成有害气体了:Na<sub>48</sub>(S<sub>2</sub>O<sub>7</sub>)<sub>4</sub>=Δ=Na<sub>48</sub>(SO<sub>4</sub>)<sub>4</sub>+4SO<sub>2</sub>↑+2O<sub>2</sub>↑<br/> | |||
它可以与氨水反应,生成(NH<sub>4</sub>)8Na<sub>48</sub>(S<sub>2</sub>O<sub>8</sub>)<sub>4</sub><br/> | |||
但是这个结构不稳定,只能稳定存在约187μs,随后就转变为(NH<sub>4</sub>)8Na<sub>48</sub>(SO<sub>4</sub>)<sub>8</sub>。<br/> | |||
它可以改写为Na<sub>48</sub>·8NH<sub>4</sub>·8SO<sub>4</sub>。<br/> | |||
事实上,弱钠在大多数时候和钠单质差别不大。<br/> | |||
过氧化弱钠在有氧气的时候会自发的和三氧化二铁反应,生成高铁酸弱钠<br/> | |||
Na<sub>48</sub>O<sub>8</sub>+2Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+O<sub>2</sub>=Na<sub>48</sub>(FeO<sub>4</sub>)<sub>4</sub><br/> | |||
当然,没氧气不要紧,如果存在碱金属过氧化物或者碱金属超氧化物,这个反应也会发生,不过会消耗一部分氧元素。<br/> | |||
举个例子:Na<sub>48</sub>O<sub>8</sub>+2Na<sub>2</sub>O<sub>2</sub>+2Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>=Na<sub>48</sub>(FeO<sub>4</sub>)<sub>4</sub>+2Na<sub>2</sub>O<br/> | |||
此外,过氧化弱钠也会和氧化铜反应,生成铜酸弱钠<br/> | |||
Na<sub>48</sub>O<sub>8</sub>+8CuO=Na<sub>48</sub>(CuO<sub>2</sub>)<sub>8</sub><br/> | |||
过氧化弱钠还能和高锰酸钠/锰酸钠反应,生成高锰酸弱钠/锰酸弱钠,同时置换出过氧化钠。<br/> | |||
过氧化弱钠也可以和氧化高钴反应,生成高钴酸弱钠,但是这里的钴是+4价,反应方程式:<br/> | |||
Na<sub>48</sub>O<sub>8</sub>+2Co<sub>2</sub>O<sub>3</sub>=Na<sub>48</sub>(CoO<sub>3</sub>)<sub>4</sub>+O<sub>2</sub>↑<br/> | |||
过氧化弱钠和三氧化二镍的反应和上面差不多,请自行参考。<br/> | |||
=还原性= | |||
将弱钠加热到500℃时,它就会熔化。可以往液态的弱钠里加银、铂、金、铟、铊、锗、锡、铅、铋等金属,与弱钠反应。<br/> | |||
它会分别生成Na<sub>48</sub>Ag<sub>10</sub>、Na<sub>48</sub>Pt<sub>5</sub>、Na<sub>48</sub>Au<sub>10</sub>、Na<sub>48</sub>In<sub>10</sub>、Na<sub>48</sub>Tl<sub>10</sub>、Na<sub>48</sub>Ge<sub>4</sub>、Na<sub>48</sub>Ge<sub>8</sub>、Na<sub>48</sub>Sn<sub>4</sub>、Na<sub>48</sub>Sn<sub>8</sub>、Na<sub>48</sub>Pb<sub>4</sub>、Na<sub>48</sub>Pb<sub>10</sub>、Na<sub>48</sub>Pb<sub>20</sub>(Pb<sup>2-</sup>)、Na<sub>48</sub>Pb<sub>22</sub>(Pb4<sup>9-</sup>和Pb<sup>2-</sup>),Na<sub>48</sub>Bi<sub>10</sub>(与Bi<sub>2</sub>Li<sub>2</sub>反应也可得到)<br/> | |||
在 | ==强钠== | ||
科学家的理论计算表明,很有可能存在一种性质相对钠单质和弱钠恰好相反的钠单质,命名为强钠。但自然界未能发现强钠,也尚未有科学家制备出强钠。人们只能通过比较弱钠和钠单质的数据来推测强钠的性质。 | |||
==注意事项== | |||
以上内容大部分属于化学内容,夹杂着一些超理内容,请注意识别。 |