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钠和钾遇到水的瞬间发生了什么?

碱金属 钠 钾 水

Philip Ball 发表于  2015-02-04 11:11

_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

热门评论

  • 2015-02-04 13:46 shinsei

    中学的时候每次看化学老师在台上做实验,心里只有一个期待:

    ------炸!

    [48] 评论
  • 2015-02-04 14:17 窗敲雨 药学硕士
    引用@举报狂魔XiaoE.T 的话:感觉换成这个gif瞬间掉档次了啊

    有一个全系列的视频更好一些,但它被屏蔽了(╯‵□′)╯︵┻━┻

    这里有铯的gif:

    [29] 评论
  • 2015-02-04 11:17 NashLegend

    遇水啪啪啪

    来自 SourceWall
    [27] 评论

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全部评论(62)
  • 1楼
    2015-02-04 11:17 NashLegend

    遇水啪啪啪

    来自 SourceWall
    [27] 评论
  • 2楼
    2015-02-04 12:05 果壳乙烷

    化学实验还是炸来炸去看着过瘾(PS:前提是观众得安全……)

    [10] 评论
  • 3楼
    2015-02-04 12:11 我自飞扬_已被使用

    涨姿势了

    [0] 评论
  • 4楼
    2015-02-04 12:22 ChineseRed

    最后一段影像是核爆吧


    [1] 评论
  • 5楼
    2015-02-04 12:38 真_草履虫

    我是来看视频的

    [0] 评论
  • 6楼
    2015-02-04 12:41 真_草履虫
    引用@ChineseRed 的话:最后一段影像是核爆吧

    美国在太平洋的氢弹试验

    [1] 评论
  • 7楼
    2015-02-04 13:02 窗敲雨 药学硕士
    引用@ChineseRed 的话:最后一段影像是核爆吧

    啊,开始没注意最后这段。。其实这个脑补还是不严谨,我换个视频吧_(:з」∠)_

    [0] 评论
  • 8楼
    2015-02-04 13:36 .萌萌的薯片

    核反应是碱金属干的?!!!!!!!!

    已吓趴……………………

    [0] 评论
  • 9楼
    2015-02-04 13:46 shinsei

    中学的时候每次看化学老师在台上做实验,心里只有一个期待:

    ------炸!

    [48] 评论
  • 10楼
    2015-02-04 13:52 窗敲雨 药学硕士
    引用@.萌萌的薯片 的话:核反应是碱金属干的?!!!!!!!!已吓趴……………………

    不是。。那段其实是说钫太不稳定没法做,所以你们来脑补一下。。这个感觉确实不大好所以我换掉了= =

    本来想换一个好一点的视频,但是上传之后被屏蔽了_(:з」∠)_

    [0] 评论
  • 11楼
    2015-02-04 14:06 果壳乙烷
    引用@.萌萌的薯片 的话:核反应是碱金属干的?!!!!!!!!已吓趴……………………

    好好学英语吧。。。

    [0] 评论
  • 12楼
    2015-02-04 14:07 .萌萌的薯片
    引用@窗敲雨 的话:不是。。那段其实是说钫太不稳定没法做,所以你们来脑补一下。。这个感觉确实不大好所以我换掉了= =本来想换一个好一点的视频,但是上传之后被屏蔽了_(:з」∠)_

    2333333333333333333333333333333333333333333333

    为什么不稳定就不能做了……?

    [0] 评论
  • 13楼
    2015-02-04 14:08 果壳乙烷
    引用@窗敲雨 的话:不是。。那段其实是说钫太不稳定没法做,所以你们来脑补一下。。这个感觉确实不大好所以我换掉了= =本来想换一个好一点的视频,但是上传之后被屏蔽了_(:з」∠)_

    呃。。。还好我机智的把视频下载了~

    [0] 评论
  • 14楼
    2015-02-04 14:08 .萌萌的薯片
    引用@举报狂魔XiaoE.T 的话:好好学英语吧。。。

    English Teacher 你好33333333

    汉语都没学明白怎么学英语… …

    [0] 评论
  • 15楼
    2015-02-04 14:12 果壳乙烷
    引用@.萌萌的薯片 的话:English Teacher 你好33333333汉语都没学明白怎么学英语… …

    当时视频里有一句:Sadly this one isn't real 这你说啥也能看懂吧。。。

    [0] 评论
  • 16楼
    2015-02-04 14:13 果壳乙烷
    引用@窗敲雨 的话:不是。。那段其实是说钫太不稳定没法做,所以你们来脑补一下。。这个感觉确实不大好所以我换掉了= =本来想换一个好一点的视频,但是上传之后被屏蔽了_(:з」∠)_

    感觉换成这个gif瞬间掉档次了啊

    [0] 评论
  • 17楼
    2015-02-04 14:14 .萌萌的薯片
    引用@举报狂魔XiaoE.T 的话:当时视频里有一句:Sadly this one isn't real 这你说啥也能看懂吧。。。

    根本听不懂就没听……

    [1] 评论
  • 18楼
    2015-02-04 14:15 果壳乙烷
    引用@.萌萌的薯片 的话:根本听不懂就没听……

    亲,那可是字幕啊,,那么大的字

    [0] 评论
  • 19楼
    2015-02-04 14:16 .萌萌的薯片
    引用@举报狂魔XiaoE.T 的话:亲,那可是字幕啊,,那么大的字

    有字幕?!

    [0] 评论
  • 20楼
    2015-02-04 14:17 窗敲雨 药学硕士
    引用@举报狂魔XiaoE.T 的话:感觉换成这个gif瞬间掉档次了啊

    有一个全系列的视频更好一些,但它被屏蔽了(╯‵□′)╯︵┻━┻

    这里有铯的gif:

    [29] 评论
  • 21楼
    2015-02-04 14:20 果壳乙烷

    来来来,还好我机智的下载视频截图了,咦?illustration那个词前面居然不是an

    引用@.萌萌的薯片 的话:有字幕?!
    [1] 评论
  • 22楼
    2015-02-04 14:22 果壳乙烷
    引用@窗敲雨 的话:有一个全系列的视频更好一些,但它被屏蔽了(╯‵□′)╯︵┻━┻这里有铯的gif:

    看上面有人没看到视频里说让你脑补,瞬间意识到了翻译的重要性。。。估计第二个长视频他们都自行跳过了(虽然我也基本全不懂)

    [1] 评论
  • 23楼
    2015-02-04 14:41 .萌萌的薯片
    引用@举报狂魔XiaoE.T 的话:来来来,还好我机智的下载视频截图了,咦?illustration那个词前面居然不是an

    … …

    [0] 评论
  • 24楼
    2015-02-04 15:04 余业

    BOOOOOOOOOM!

    [0] 评论
  • 25楼
    2015-02-04 15:04 北川映秀

    浮熔游响红

    [2] 评论
  • 26楼
    2015-02-04 15:10 BPEIAGR

    浮熔游红响

    浮熔游爆响

    [0] 评论
  • 27楼
    2015-02-04 15:11 jswxdzc

    他们会火速改教材吗?不会。

    [2] 评论
  • 28楼
    2015-02-04 15:14 Energy
    引用@窗敲雨 的话:有一个全系列的视频更好一些,但它被屏蔽了(╯‵□′)╯︵┻━┻这里有铯的gif:

    这Cs的gif里好像也有一点点紫色烟雾的痕迹。。


    说起来,Na和液氨反应,也能产生紫色,就是“氨合电子”吧。。

    [0] 评论
  • 29楼
    2015-02-04 15:16 jsf

    求字幕!

    [0] 评论
  • 30楼
    2015-02-04 15:23 PHOENIX1723

    好怪的口音……

    [0] 评论

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Philip Ball
Philip Ball 科学作者,《自然》顾问编辑

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