Хіміки розповіли, чому лужні метали вибухають при контак з водою

Одним з найбільш видовищних дослідів в класі хімії є реакція натрію з водою - коли вчитель кидає маленький шматочок металу в воду, відбувається вибух. Викладачі проводять цей експеримент на очах радісних учнів десятиліттями, але, як з'ясувалося в ході нового дослідження, сама реакція, що стоїть за вибухом, довгий час розумілася неправильно.

Провідний автор нового дослідження Павло Юнгвірт (Pavel Jungwirth) разом з колегами з Чеської академії наук у Празі опублікував, можна сказати, революційну статтю в журналі Nature Chemistry.

Як пояснюють дослідники, вибух є не тільки наслідком запалення водню, а й звільнення лужних металів від води. По суті, реакція являє собою швидкий результат електронів з подальшим вибухом металу, обумовлений електричним відштовхуванням.

Натрій - сріблястий метал, який залишається відносно твердим при кімнатній температурі. Якщо він приходить в контакт з водою, то в ході реакції з'являється гідроксид натрію і водень. Подібна «вибухова» реакція спостерігається і у калію, тільки вона опиняється ще більш потужною. В ході цих реакцій виділяється велика кількість тепла, тому тривалий час хімікам здавалося, що вибухи є результатом запалення водню.

«Щоб отримати видовищний вибух в ході хімічної реакції, реагенти необхідно змішати швидко і ефективно. У випадку з лужними металами, проте, водневий газ і пар, які утворюються на поверхні металу, повинні запобігати потраплянню на цю поверхню великої кількості води. А без постійного поповнення запасів води реакція повинна швидко зійти нанівець », - пояснює Юнгвірт.

Експеримент проводив колега Юнгвірт Філіп Мейсон (Philip Mason). Він врахував, що натрій іноді (наприклад, при неправильному зберіганні) може окислюватися на поверхні і не вибухнути, і щоб отримати бажану реакцію, використовував в своєму досвіді сплав натрію і калію. Сплав являє собою рідину при кімнатній температурі.

Мейсон капнув сплав в стакан з водою і зняв весь процес на високошвидкісну камеру. Потім вчені, нарешті, вирахували, що саме провокує бурхливу реакцію на ранніх стадіях.

Реакція починається менше ніж через мілісекунди після того, як металева крапля, випущена зі шприца, стикається з водою. Лише через 0,4 мілісекунди метал починає вистрілювати «шпильками», і відбувається це дуже швидко, щоб бути викликаним одним лише теплом, роблять висновок вчені.

Більш того, між 0,3 і 0,5 мілісекундами навколо металевих шипів в рідині утворюються синьо-фіолетові хмари. Раніше подібного хіміки не помічали.

Дослідники провели квантово-механічне комп'ютерне моделювання процесу з умовою, що в реакції було задіяно всього 19 атомів натрію. Дослідники виявили, що кожен з атомів на поверхні металу втрачає електрон протягом всього декількох пикосекунд, і що ці електрони «вистрілюють» в навколишнє воду, де вони оточуються молекулами води.

Сольватовані електрони, як уже відомо, мають глибокий синій колір, що нетривалий час і спостерігається на відеозаписі.

Результат електронів залишає шматок металу повним позитивно заряджених іонів, які відштовхують один одного. В результаті відбувається кулонівський вибух, при якому метал розлітається на частини в силу взаємного електростатичного відштовхування іонів, роблять висновок чеські вчені.

дослідження опубліковано в Nature Chemistry