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碱金属+水,反应酷炫吧?有人偏要设计一款不“爆炸”的!

果壳  · 公众号  · 科学  · 2016-08-16 22:26

正文

碱金属与水的反应,估计可能全世界的化学爱好者们都喜欢,这反应通常很剧烈,而且经常会出现类似爆炸的现象,还会点燃反应生成的氢气,肥肠热闹,肥肠好看。


锂与水反应

图片来源:3.bp.blogspot.com


铯与水反应

图片来源:3.bp.blogspot.com

然而在炸裂反应爱好者恨不得把一大坨钠块扔进湖里的同时(请别模仿谢谢……),却有人偏要反其道而行之。


国外网友将钠投掷到湖中

图片来源:i.kinja-img.com

最近就出现了这样一篇论文,专门报告了如何能让碱金属和水的反应能够尽可能不炸裂的实验设计方法……研究者们还用高速摄影拍下了这个反应的过程。



如何让反应不炸裂?


首先,先要说明一下碱金属和水的反应为啥会炸。在反应的早期,实际上氢气不是主要因素,在此前的研究中发现,这个类似爆炸的过程比较可能是与电荷斥力有关,碱金属中的电子进入到周围的水中,形成溶剂化电子,剩下的部分带正电并且彼此排斥。这个被称为“库伦爆炸”(Coulomb explosion)。

而在这里,研究者们想的让反应尽可能不要那么炸裂的方法,主要是减少碱金属与水的接触面积。他们没有直接扔一块金属到水里,而是使用了液态的钠钾合金液滴,并且小心翼翼地把它放置在水面上。另外为了让氢气也不被点燃,所以他们还加入了惰性气体的保护,实验装置是下面这样:



视频里的现象都是怎么回事?


反应不炸裂的好处是,我们能够记录下更多有关这个反应早期现象的细节信息,视频会更容易看得清楚。在视频里,我们可以看到金属液滴在反应中首先把周围变成了蓝色,这个就是上面提到的溶剂化电子了。它的身份也通过光谱得到了证实。

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。



接下来,反应放热让金属液滴进入了红热状态,产生了一些蒸汽。在此之后,可以看到在短暂的时间里,水面上的液滴从金属光泽变成了近乎透明的状态。论文作者认为,这个透明的东西是反应生成的熔融碱金属氢氧化物,红外光谱也证实,它确实符合氢氧化物的特征。这个熔融氢氧化物液滴在水上短暂地稳定存在,可以用莱顿弗罗斯特效应来解释,因为局部温度远高于水的沸点,所以形成了一层蒸汽,减少了水和它的接触。而接下来,这个蒸汽层总有撑不住的时候,氢氧化物还是会与周围的水接触。这些过程的实际时间轴如下:



PS:碱金属与水反应的时候形成一个“透明液滴”的阶段,这个很少有人提到,不过事实上,2014年的时候youtube上的Thoisoi2在一个视频里也记录下了类似的现象,他们的实验方法是在水面上漂浮一张咖啡滤纸,并把钠块放在上面,这可能也起到了控制反应节奏的作用。






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