钠钾合金的水热反应效应分析

图11.14　实验中拍摄到的钠钾合金滴入水中的情况（右侧为作为对照的水滴）［17］

钠钾合金在常温下为液态［17，18］，市场上有不同级别的钠钾合金出售。钠钾合金会与空气和水发生剧烈反应（图11.14），使用时必须当心。即使少至1克的钠钾合金仍可造成火灾或爆炸。化学课上的经典演示反应是这样的：取一小块金属钠或金属钾放入水中，就能看到如“爆炸”一般剧烈反应的现象。虽然一代又一代的学生都看过这个反应，甚至在实验室中亲自操作过，但对该反应机理的认识却并不完善。

Mason等澄清了此前人们对这一反应现象的误解［17］。研究指出，碱金属遇水发生爆炸并不仅仅是因为反应中释放出了氢气，在反应初期还有更加奇怪的事情：电子急速外流，在电斥力的驱动下，碱金属也会随之发生“爆炸”。

钠是一种银白色的金属，常温下较软，与水接触时便生成氢氧化钠和氢气，而钾遇到水时的反应更加剧烈。这些反应会释放出大量的热，因此之前人们总会理所当然地认为燃烧和爆炸都源自氢气被点燃的过程。

要发生剧烈程度足以产生爆炸的化学反应，前提条件是反应物之间要迅速、高效地混合，然而在碱金属与水反应时，迅速生成的气体会形成一层“气体膜”，包覆在碱金属表面，将碱金属与水隔绝开。

这种情况下，没有了水的接触就断绝了氢气的“来源”，反应应该趋于逐渐减缓，但实际的现象却并非如此。借助高速摄像机，Mason等发现，在钾钠合金液滴从注射器滴入水中后不到1 ms的时间内，反应便开始了。在短短的0.4 ms后，合金液滴表面就开始向外喷射，形成“尖刺”状。(www.xing528.com)

这个“爆炸”过程发生得实在太快了，因此它不可能是由反应放热引发的。更重要的是，高速摄影机拍到的影像显示，在0.3～0.5 ms之间，在这个带有“尖刺”的金属液滴周围，局部水溶液呈现出了深蓝色和紫色（图11.15）。

图11.15　制备液态钠钾合金［17］

研究者们利用计算机模拟了由19个钠原子组成的原子簇的反应［17，18］，上述现象背后的原因终于得以显现：这些原子簇表面的钠原子会在几个ps（10-12 s）的时间内就失去一个电子，而这些电子会跑到周围的水里面，并被水分子包围，形成“溶剂化电子”（solvated electron）。

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，呈现为深蓝色；电子浓度偏高（＞3 mol），呈现为铜褐色。

此前科学家们就已经发现，在水中溶剂化的电子会呈现出深蓝色，这种现象短暂地出现在之前捕获的影像中，而当这些电子离开金属进入水中时，钠原子簇就变成了一堆带正电的钠离子［18］。这些离子彼此之间会产生强烈的排斥，这种排斥力转化为动能，由此就引发了“库仑爆炸”。