Почему металлический натрий проводит электрический ток?

Металлический натрий проводит электрический ток потому, что в его кристаллической решётке имеются свободно перемещающиеся (делокализованные) электроны, которые способны переносить электрический заряд под действием электрического поля.

Чтобы понять причину электропроводности натрия, необходимо рассмотреть особенности его атомного строения и металлической связи.

1. Строение атома натрия

Натрий (Na) — химический элемент первой группы периодической таблицы, относящийся к щелочным металлам. Его атомный номер — 11, то есть в нейтральном атоме натрия содержится 11 электронов.

Электронная конфигурация натрия:

1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Таким образом, на внешнем энергетическом уровне атома натрия находится всего один электрон.

Этот внешний электрон сравнительно слабо связан с ядром, поскольку внутренние электронные оболочки экранируют положительный заряд ядра. Поэтому при образовании металлического натрия внешние электроны атомов становятся общими для всего кристалла.

2. Металлическая связь в натрии

В твёрдом металлическом натрии атомы образуют кристаллическую решётку с объёмно-центрированной кубической структурой.

Металлическую связь можно представить следующим образом:

• Атомы натрия предоставляют свои внешние электроны в общее электронное облако.

• Эти электроны не принадлежат какому-либо одному атому, а могут перемещаться по всему объёму металла.

• Положительно заряженные атомные остовы натрия удерживаются вместе благодаря взаимодействию с общими электронами.

Такое строение называют металлической связью, а совокупность подвижных электронов иногда образно называют «электронным газом».

Важно отметить, что положительные атомные остовы в кристалле не перемещаются свободно, а совершают тепловые колебания около своих равновесных положений. Основными переносчиками электрического заряда в металлическом натрии являются именно электроны.

3. Как возникает электрический ток в натрии?

Когда к металлическому натрию не приложено электрическое поле, его электроны находятся в непрерывном движении, но это движение не создаёт направленного электрического тока.

Если же к куску натрия приложить электрическое напряжение, внутри металла возникает электрическое поле.

Под действием этого поля свободные электроны приобретают небольшую среднюю скорость направленного движения — дрейфа.

Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, направление их дрейфа противоположно направлению электрического поля.

Именно это упорядоченное движение электронов создаёт электрический ток.

При этом условное направление электрического тока противоположно направлению движения электронов.

4. Почему натрий хорошо проводит электричество?

Высокая электропроводность металлического натрия объясняется несколькими причинами.

Во-первых, наличием подвижных электронов. Каждый атом натрия предоставляет приблизительно один валентный электрон в общую электронную систему металла. Благодаря этому в натрии имеется большое количество носителей электрического заряда.

Во-вторых, особенностями энергетической структуры. В металлическом натрии электронные энергетические уровни отдельных атомов образуют зоны разрешённых энергий. Зона, в которой находятся валентные электроны, заполнена не полностью. Поэтому электроны могут легко изменять своё энергетическое состояние под действием даже слабого электрического поля, обеспечивая проводимость.

В-третьих, сравнительно высокой подвижностью электронов. Электроны способны перемещаться по кристаллу, хотя их движение ограничивается рассеянием на тепловых колебаниях решётки, дефектах и примесях.

Удельное электрическое сопротивление натрия при комнатной температуре составляет приблизительно $4{,}7 \cdot 10^{-8}$ Ом·м. Это означает, что натрий является хорошим проводником электричества, хотя по электропроводности уступает, например, меди и серебру.

5. Почему твёрдые соли натрия не проводят ток так же, как металлический натрий?

Для сравнения можно рассмотреть металлический натрий и хлорид натрия (NaCl).

В металлическом натрии существуют делокализованные электроны, которые свободно перемещаются по кристаллу и обеспечивают прохождение электрического тока.

В твёрдом хлориде натрия электроны прочно связаны с ионами, а сами ионы закреплены в узлах кристаллической решётки. Поэтому твёрдый NaCl практически не проводит электрический ток.

Однако при плавлении или растворении хлорида натрия в воде ионы получают возможность перемещаться, и вещество становится проводником. В данном случае электрический ток переносится ионами, а не свободными электронами, как в металле.

Вывод

Металлический натрий проводит электрический ток благодаря наличию делокализованных валентных электронов, которые могут свободно перемещаться по кристаллической решётке металла. При воздействии электрического поля эти электроны начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Таким образом, электропроводность натрия обусловлена его металлической связью и особенностями электронного строения: каждый атом натрия имеет один валентный электрон, который участвует в образовании общей электронной системы металла.