碱金属(alkali-metal)与水的爆炸式反应一直有一种特别的魅力,碱金属就是元素周期表最左边那一列,即IA族元素,原子最外层电子只有一个,这导致其有较低的熔点和活泼的化学性质。
有趣的一点是:碱金属与水反应的爆炸不是(或者不仅是)由于,反应中产生的氢气被反应中放的热点燃导致的。
近年来的一篇研究[1]更深入地描绘了碱金属在水中的爆炸。对水中钠/钾合金液滴的高速相机成像显示,合金液滴与水面接触时,从液滴表面突出的金属尖峰在亚毫秒级时间间隔内形成,金属尖刺的形成明显比气体的生成速度快。分子动力学模拟表明,在浸入水中时,电子几乎会立即从金属表面释放出来。因此,该系统迅速达到瑞利不稳定极限,从而导致碱金属液滴的“库仑爆炸”。这样的库仑爆炸是由液态金属表面的大量充电和电子快速迁移到水中引起的。因此,与水接触的新金属表面形成,这解释了为什么反应不会被其产物自猝灭,而是会导致爆炸行为。
而电子迁移到水中形成“溶剂化电子”,金属尖刺附近的深蓝色/黑色区域是由在氨[2]中溶剂化的电子吸收光的结果。在液氨中,溶剂化电子的寿命很长,因此很容易观察到(这是进行桦树还原的有机化学家众所周知的),而在水中,它们的寿命短于一毫秒[3]。
碱金属与水的反应是在爆炸性的,这启发了一些人思考将其用于火箭推进剂的可能[4]。
[1]. Mason, P., Uhlig, F., Vaněk, V. et al. Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water. Nature Chem 7, 250–254 (2015). https://doi.org/10.1038/nchem.2161
[2]. Gibson, G. E. & Argo, W. L. The absorption spectra of the blue solutions of certain alkali and alkaline earth metals in liquid ammonia and in methylamine. J. Am. Chem. Soc. 40, 1327–1361 (1918).
[3]. Hart, E. J. Research potentials of hydrated electron. Acc. Chem. Res. 2, 161–167 (1969).
[4]. J. Guerrero, I. Gil, J. J. Navlet, I. López-Paniagua, A. Abánades. Experimental Evaluation of SodiumWater Reaction (SWR) as Propellant. Prop., Explos., Pyrotech. 2019, 44, 379. https://doi.org/10.1002/prep.201800209
碱金属-水的爆炸式反应
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