钠和钾遇到水的瞬间发生了什么?

  化学, 速读

_whyCD/译)这是化学课上的经典演示反应:取一小块金属钠或金属钾放入水中,就能看到如“爆炸”一般剧烈反应的现象。虽然一代又一代的学生都看过这个反应,甚至在实验室中亲自操作过,但此前人们对这个反应机理的理解却并不完善。近期,发表在《自然•化学》(Nature chemistry)期刊上的一篇研究论文(点击链接可阅读论文全文)澄清了人们此前对这一反应现象的误解

金属钠与水的反应

论文作者帕维尔•琼沃思(Pavel Jungwirth)等人指出,碱金属遇水发生爆炸并不仅仅是因为反应中释放出了氢气。当然,最终结果确实是这样,但是在反应刚开始的阶段还有更加奇怪的事情:电子急速外流,在电斥力的驱动下碱金属也会随之发生“爆炸”。

神经科学家、作家奧利佛•薩克斯(Oliver Sacks)同时也是一个化学爱好者,他在著作《钨舅舅》(Uncle Tungsten)中,将这一现象描述为“具有复仇之魂的化学反应”:一个小男孩和他的朋友们从当地化学用品供应商那买到一小块金属钠,并丢入了位于北伦敦的海格特池塘,钠块瞬间着火,像一颗失控的流星一般在水面一圈又一圈的跳跃,表面还带有一大团黄色的火焰。

钠是一种银白色的金属,室温下较软。与水接触时便生成氢氧化钠和氢气。而钾遇到水时的反应更加剧烈。这些反应会释放出大量的热,因此,之前人们总会理所当然地认为燃烧和爆炸都源自氢气被点燃的过程。

琼沃思指出,要发生剧烈程度足以产生爆炸的化学反应,前提条件是反应物之间要迅速、高效地混合。然而,在碱金属与水反应时,迅速生成的气体应该会形成一层“气体膜”,包覆在碱金属表面,将碱金属与水隔绝开。这种情况下,没有了水的接触就断绝了氢气的“来源”,反应应该趋于逐渐减缓,但我们看到的现象却并非如此。

琼沃思的同事菲利普•梅森(Philip Mason)决定通过实验找出爆炸的真实原理。在开始的实验中,他使用了固体的金属钠,不过有时候金属钠的表面会在空气中被氧化,被氧化的部分遇水并不会发生非常剧烈的反应。为了更好地观察剧烈的“爆炸”反应,梅森最终使用了一种在室温下为液态的钠钾合金进行实验。

借助高速摄像机,研究者们得到了反应初期具体机制的线索。他们发现,在钾钠合金液滴从注射器滴入水中后不到1毫秒的时间内,反应便开始了。在短短的0.4毫秒后,合金液滴表面就开始向外喷射,形成“尖刺”状。这个“爆炸”过程发生得实在太快了,因此它不可能是由反应放热引发的。更重要的是,高速摄影机拍到的影像显示,在0.3~0.5毫秒之间,在这个带有“尖刺”的金属液滴周围,局部水溶液呈现出了深蓝色和紫色。

实验中拍摄到的钠钾合金液滴入水时的变化,右侧为作为对照的水滴。图片来自原论文

琼沃思的同事弗兰克•尤利格(Frank Uhlig)利用计算机模拟了由19个钠原子组成的原子簇的反应,在此之后,上述现象背后的原因终于得以显现:这些原子簇表面的钠原子会在几皮秒(10-12秒)的时间内就失去一个电子,而这些电子会跑到周围的水里面,并被水分子包围,形成“溶剂化电子”(Solvated electron)[注释1]

此前科学家们就已经发现,在水中溶剂化的电子会呈现出深蓝色,这种现象短暂地出现在之前捕获的影像中。而当这些电子离开金属进入水中时,钠原子簇就变成了一堆带正电的钠离子。这些离子彼此之间会产生强烈的排斥,这种排斥力转化为动能,由此就引发了“库伦爆炸”Coulomb explosion

密歇根州立大学无机化学家詹姆斯•戴伊(James Dye)表示:“我已经进行了许多次这样的实验展示,我也很想知道究竟为什么金属钠会在水面上‘跳舞’,而金属钾则会发生‘爆炸’。这篇论文对这一反应的早期阶段给出了完整而有趣的解释。”(编辑:窗敲雨)

视频:研究者解释碱金属遇水为何会发生爆炸

注释:

  1. 溶剂化电子是自由电子“溶解”于溶液中的一种现象,电子与周围的溶剂分子形成平衡态构型的定域化电子,这种现象时常发生但持续时间很短,难以被直接观察到。碱金属与水反应时,电子浓度偏低则呈现为深蓝色,电子浓度偏高(>3mol)时呈现为铜褐色。

编译来源

Nature, Sodium's explosive secrets revealed

LEAVE A COMMENT

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.