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當金屬鈉與水相遇,除了爆炸還有什麼?

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Philip Mason

把一大塊純鈉金屬丟進水裡(危險示範,請勿嘗試),是許多人對國高中實驗課的共同回憶,或至少在第一次戴上護目鏡、穿上實驗衣之前,都曾有過「作實驗就是要火花伴隨一聲巨響」的想像。但可能正因為這個實驗太經典了,沒有人在計畫炸掉實驗室之餘還有心思去想化學反應的細節。

「鈉」身為「鹼金屬」一族,與同族的其他元素都以「容易起化學反應」著名,在常溫下為固態,硬度很低可以用刀子切開。因為鈉實在太容易反應掉了,平常很難看到純粹的鈉金屬,頂多每天吃到鹽巴中的氯化鈉。不過氯化鈉溶進水裡產生氯離子和鈉離子,跟金屬鈉不一樣,「鹽奶」會致命也不是因為吃下去會爆炸。

純粹的鈉金屬一碰到水就會劇烈爆開,讓我們放慢動作仔細看:一道電子流拋下鈉金屬,轉而與水交互作用,產生氫氣與其他物質,同時這個反應產生熱,高溫使鈉融化,又因為氫氣可燃,最後氫氣被點燃……先看到這裡,由布拉格捷克科學院(Academy of Sciences of the Czech Republic, ASCR)的化學家 Pavel Jungwirth 所領導的科學家們對這段描述不甚滿意。

「這個描述漏掉了一段。要產生爆炸,其中的化學物質必須混合得非常好,才能讓反應像滾雪球一樣越滾越大,而不是劈啪一聲就沒了。但是鈉金屬只有表面跟水接觸,只有外層的原子會反應,甚至反應出來的一層氫氣會在金屬表面分開鈉和水。這些都應該會讓反應慢下來,只會看到泡泡慢慢產生,而不是碰一聲大爆炸。」

要研究引爆細節,Jungwirth 和他的同事們首先必須「搞定」鈉與水的反應,否則每一次演示的結果都會不一樣,依據所用金屬塊體積或形狀的些微不同,有時候閃光一現,有時嘶嘶「熄火」。

他們改用液態的鈉鉀合金,這樣就能以固定的大小和形狀慢慢將金屬滴入水中。然後架好高速攝影機,準備以每秒幾千幅的頻率捕捉影像,最後穿好防護衣,往後站一步。

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Philip Mason et al.

攝影機捕捉到前所未見的畫面:反應開始後的百萬分之一秒內,鈉金屬表面突出幾千條尖刺穿進水中(Coulomb explosion)。研究人員推論,這是因為金屬的電子「逃竄」到水中,使金屬瞬間帶著很強的正電,於是彼此排斥撕扯而分開,看上去就像許多細小的針向外爆射出去一樣。

變形成針狀會增加金屬與水接觸的面積,產生更巨大的反應,研究人員也用電腦模擬再次確認,雖然限於電腦運算資源,模擬設定是用較少量的鈉。

鈉與水的化學反應屬於十九世紀的基本科學,這個主題在現代實在是不按牌理出牌。真要講應用性,可能有助於一些使用鈉金屬的工業去避免類似的爆炸,包含一些使用液態金屬作冷卻的核反應爐。問起 Jungwirth 作這個研究真正的動機是什麼?「應用是後面才想到的事,只是想要玩玩炸藥而已」。

參考資料:

關於作者

張鳳茹

PanSci 實習編輯 | 主修大氣科學。喜歡弄文字、玩音樂。傾向自然,不管是拿來讀的那種,渾身散發出來的那種,還是可以去野餐的那種。