Новости химической науки > Почему щелочные металлы взрываются в воде?

Исследователи из Республики Чехия заявляют, что следует пересмотреть механизм, лежащий в основе бурного взаимодействия натрия с водой, зачастую протекающего со взрывом. Они предполагают, что активное протекание реакции и «прыжки» щелочного металла могут объясняться не воспламенением выделяющегося водорода, как предполагалось ранее, а значительной неустойчивостью заряда в структуре металла.

Взаимодействие щелочных металлов с водой является излюбленным демонстрационным экспериментом многих преподавателей, демонстрирующих волшебную силу химии школьникам или студентам. Чаще всего результат такого опыта объясняется горением выделяющегося в процессе реакции водорода, однако Павел Юнгвирт (Pavel Jungwirth) с коллегами считает такое объяснение неудовлетворительным.

Рисунок из Nat. Chem., 2015, DOI: 10.1038/NCHEM.2161

Исследователь заявляет, что одним из важных условий протекания реакции со взрывом является эффективность смешения реагентов. Так, например, характер взрыва дымного пороха сильно зависит от степени измельчения всех образующих его компонентов и того, насколько тщательно смешаны растертые в порошок селитра, сера и уголь. Юнгвирт подчеркивает, что при взаимодействии натрия с водой происходит одновременное выделение водорода и паров воды, которые могут выступать в роли защитного буфера, разделяющего реагенты; таким образом, должно было бы наблюдаться самопроизвольное гашение реакции, и растворение натрия в воде должно было бы протекать мирно, без известных свето-шумовых эффектов.

Дополнительной аргументацией в пользу своих доводов Юнгвирт называет то обстоятельство, что даже при проведении демонстрационных лекционных экспериментов в системе натрий/вода в ряде случаев взрыва не происходит, что, очевидно, указывает на важность того, как реагенты должны контактировать друг с другом для того, чтобы взрыв произошел.

Для детального изучения феномена Юнгвирт с коллегами помещал небольшую каплю калий-натриевого сплава в воду и наблюдал за взрывом с помощью высокоскоростной камеры, способной регистрировать 10000 кадров в секунду – такой подход позволял исследователям наблюдать за взаимодействием щелочных металлов с водой с четырехсоткратным замедлением по сравнению с реальным протеканием этого процесса.

Было обнаружено, что через 300 микросекунд контакта сплава с водой из капли «прорастали» дендриты металла, перфорировавшие слой паров вокруг металла. Эти иголки, которыми как дикобраз обрастал кусок металла, обеспечивали увеличение площади поверхности металла и позволяли ему быстрее реагировать с окружающей водой. Юнгвирт заявляет, что причиной столь быстрого расширения металла является зарядовое распределение.

Чешский ученый говорит, что, конечно же, учителя и преподаватели говорят своим слушателям о том, что в ходе реакции натрия с водой электроны покидают металл и переходят в воду. Тем не менее, из слов Юнгвирта становится ясно: вряд ли в учебной аудитории можно услышать о том, что после потери металлом электронов кристалл металла приобретает существенный положительный заряд.

С помощью методов молекулярной динамики исследователи продемонстрировали, что в результате накопления существенного положительного заряда металлическая кристаллическая решетка сплава в значительной степени теряет устойчивость. В результате такой дестабилизации происходит «кулоновский взрыв» (coulomb explosion), ответственный за увеличение площади поверхности образца металла, взаимодействующего с водой. Исследователи из Чехии заявляют, что именно это расширение и приводит к бурной реакции металла с водой.

Нейл Бурн (Neil Bourne), директор Национального центра исследования веществ в экстремальных условиях, отмечает, что результаты новой работы весьма интересны, поскольку в ней пытаются пересмотреть устоявшиеся концепции. Тем не менее, Бурн советует чешским коллегам для более надежного доказательства своих взглядов использовать дополнительные методы. Также он задается вопросом – какое влияние могут оказать результаты работы на оптимизацию условий существующих промышленных химических процессов.

Юнгвирт парирует, подчёркивая, что задачей исследователей не всегда является повышение эффективности промышленных технологий. Он добавляет, что был бы счастлив, если бы школьные учителя и вузовские преподаватели узнали о результатах работы и в следующий раз дополнили бы демонстрационный эксперимент правильным, на его взгляд, объяснением.

Источник: P E Mason et al, Nat. Chem., 2015, DOI: 10.1038/NCHEM.2161

метки статьи: #кинетика и катализ, #неорганическая химия