鈉和鉀遇水爆炸的真相

鈉和鉀遇水爆炸的真相

幾十年來(lái)，科學(xué)愛好者們一直熱衷于鈉和鉀遇水爆炸時(shí)能量釋放方式的研究。最近，歐洲的研究人員表明，長(zhǎng)期以來(lái)被人們所接受的對(duì)爆炸過(guò)程的解釋是不完整的。

將堿金屬塊丟入水中引起爆炸是一個(gè)久負(fù)盛名的實(shí)驗(yàn)，至今還有一些老師和許多化學(xué)刺激尋求者不斷進(jìn)行實(shí)踐?；瘜W(xué)家們一直認(rèn)為爆炸的原因是堿金屬遇水溶解，產(chǎn)生的大量熱量和電子被急劇釋放到水中。堿金屬溶解的同時(shí)還產(chǎn)生蒸汽，并生成氫氧根離子和可以燃燒的氫氣，這使爆炸過(guò)程顯得更加劇烈。

雖然研究人員一直困惑于爆炸過(guò)程為何能夠如此快速地發(fā)生，但他們意識(shí)到一點(diǎn)，反應(yīng)初期產(chǎn)生的蒸汽和氫氣應(yīng)該會(huì)在金屬表面形成一個(gè)緩沖層，阻礙金屬與水的接觸，從而阻止反應(yīng)的進(jìn)行。

為解開這一謎團(tuán)，捷克共和國(guó)布拉格科學(xué)院的化學(xué)家Philip E. Mason，Pavel Jungwirth和同事以及德國(guó)不倫瑞克科技大學(xué)的同僚們，利用超高速攝影和計(jì)算方法對(duì)爆炸過(guò)程進(jìn)行了研究。

多種因素可以阻止塊狀堿金屬與水接觸時(shí)發(fā)生爆炸，如溫度和樣品表面的清潔度。研究人員通過(guò)使用在室溫下保持液體狀態(tài)的鈉-鉀合金和包含標(biāo)定刻度的注射器在內(nèi)的液滴傳送系統(tǒng)消除了反應(yīng)的不良影響因素。

在與水接觸的零點(diǎn)幾毫秒內(nèi)，研究人員觀察到Na/K液滴形狀發(fā)生改變，其表面呈放射狀，無(wú)數(shù)尖峰伸向水中。分子動(dòng)力學(xué)分析表明電子從尖峰到水中的瞬時(shí)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生帶正電荷的堿金屬離子，離子之間相互排斥并導(dǎo)致所謂的庫(kù)倫爆炸。這一過(guò)程快速傳導(dǎo)并形成活性的金屬表面，從而觸發(fā)了整體的爆炸反應(yīng)。

據(jù)介紹，研究人員已經(jīng)弄清能夠使這一高度放熱反應(yīng)發(fā)生爆炸而不是自我熄滅的許多關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，高速攝影呈現(xiàn)的長(zhǎng)金屬尖峰的快速形成以及界面庫(kù)倫爆炸的作用也非常令人興奮。

密西根州立大學(xué)化學(xué)系的名譽(yù)教授James L.Dye指出，自從Lord Rayleigh研究毛細(xì)射流在外界擾動(dòng)下破斷成液滴的原理后，帶正電荷的液滴可在氣相中發(fā)生爆炸已廣為人知。他還認(rèn)為看到或親自實(shí)踐論證該經(jīng)典的任何人都會(huì)對(duì)反應(yīng)機(jī)制的詳細(xì)圖解和研究所提供的直觀視覺效果感到震撼。