Новый взгляд на школьную реакцию

Команда ученых из Чехии и Германии обнаружила новые интересные детали в реакции щелочных металлов с водой («Nature Chemistry», 2015, 7, 250—254, doi: 10.1038/nchem.2161). Бурная реакция воды и натрия — опыт, который демонстрируют на уроках химии. Из школьных учебников можно узнать, что при этом образуется пар, воспламеняется образующийся водород и выделяется много тепла: Na +H2O= NaOH +H2. Электроны переходят из металла в водный раствор, в результате чего и образуются гидроксид и водород. При взаимодействии натрия с водой выделяется больше энергии, чем при взрыве эквивалентной массы тротила.

Впрочем, школьный эксперимент не всегда заканчивается бурной реакцией. Химики не всегда могут объяснить, почему реакция при незначительных изменениях условий протекает по-разному. Понятно, что реакция происходит на поверхности — там, где контактируют металл и вода. Кроме того, выделяющиеся при реакции пар и водород теоретически должны образовать газовый слой, который отделяет реагенты друг от друга и мешает им взаимодействовать дальше.

Поскольку известно, что интенсивность реакции зависит от выбора металла, чистоты его поверхности, скорости, с которой он попадает в воду, температуры воды и многого другого, главной задачей исследователей было сделать эксперимент воспроизводимым. Для этого они, во-первых, использовали калий-натриевый сплав с 90%-ным содержанием калия, который при комнатной температуре существует в виде жидкости. Такой сплав можно было капать в воду из шприца, дозируя его в определенном количестве (100 мг). Во-вторых, во всех экспериментах шприц находился на одном и том же расстоянии от воды (1 м). Ученые снимали процесс на высокоскоростную камеру, чтобы подробно рассмотреть раннюю стадию взрыва.

Оказалось, что реакция начинается за доли миллисекунды. Через 0,5 миллисекунды после того, как капля калий-натриевого сплава диаметром 6 мм коснулась воды, происходит взрыв с активным выделением газа. На снимках хорошо видны иглы, которые начинают формироваться на поверхности металла уже через 0,25 мс — гораздо раньше, чем образуются продукты реакции, например пар. Эти иглы резко увеличивают площадь поверхности. Но взрыв происходит именно благодаря выделяющемуся водороду. Когда в эксперименте вместо воды использовали жидкий аммиак (-77,8°С), иглы на металле также образовывались (правда, менее четкие), однако, водород не выделялся, и взрыва не было.

Ученым удалось понять, какая сила заставляет металл расширяться и формирует иглы в такой короткий срок. Оказалось, что после потери электронов металл приобретает существенный положительный заряд. Металлические иглы, которые формируются на ранней стадии реакции, — это результат отталкивания щелочных катионов, образующихся на поверхности сплава после миграции электронов в воду. Металл стабилен, пока положительный заряд ядер уравновешен отрицательным зарядом электронов. Но если часть электронов покидает кристаллическую решету металла, то она теряет устойчивость и разрушается — такое явление называется «кулоновским взрывом». Именно это превращает поверхность реагирующего металла в «ежик» и делает реакцию такой бурной. Поскольку при контакте с водой образуется новая поверхность металла, реакция не гасится продуктами взаимодействия, и получается взрыв.

Когда в воде или щелочном металле есть примеси, взрыва не происходит. Например, взрыва можно избежать, если добавить в воду небольшое количество гексанола — поверхностно-активного вещества, которое помешает реагировать воде и металлу.

Насчет применения этого открытия в производстве ученые ничего не говорят, но они уверены, что результаты их работы очень важны для общего понимания химических процессов. Да и преподаватели теперь могут дать будущим химикам более полную картину реакции щелочных металлов и воды.

Снимки реакции капли калий-натриевого сплава с водой, сделанные высокоскоростной камерой. В левой колонке — падение капли в воду, снятое над водой, а в средней — из-под воды. В правой колонке для сравнения представлено падение капли воды, снятое снизу. На пятой картинке в средней колонке хорошо видны иглы