Dlaczego sód wybucha w wodzie?

Czytelnik zwrócił jakiś czas temu moją uwagę na intrygujący artykuł ze styczniowego wydania The Nature*, sugerując że byłby to dobry temat na wpis. Po zapoznaniu się z tematem przyznałem mu rację. Bo to w sumie ciekawe, że tak znane i często wykonywane doświadczenie zawiera w sobie tak nietypowy i dopiero teraz poznany mechanizm.

Pierwiastki z grupy litowców to lekkie, miękkie metale o dużej aktywności, które reagują z powietrzem i wodą. W tym ostatnim przypadku reakcja jest silnie egzotermiczna doprowadzając często do zapalenia się powstającego wodoru zaś większe kawałki po prostu wybuchają, a dla najbardziej reaktywnych rubidu i cezu mamy do czynienia z detonacją wytwarzającą falę uderzeniową.
Tym jednak co zastanawiało badaczy, jest mechanizm wybuchu - eksplozja doprowadza często do rozdrobnienia reagującego kawałka, sądzono jednak że jej źródło jest zewnętrzne, a więc jest to wybuch wodoru na powierzchni, będący wynikiem gwałtownego przyspieszenia przebiegu reakcji. Jednak powierzchnia kontaktu metalu z wodą jest w tym przypadku raczej mała, zaś powstająca warstwa wodoru powinna raczej hamować proces niż przyspieszać - dla małych kawałków sodu powstający w reakcji gaz często jest w stanie unieść metal nad powierzchnię wody, działając niczym poduszka powietrzna.

Z dotychczasowych doświadczeń wynikało, że wybuch większych kawałków następuje gdy pod wpływem ciepła reakcji nastąpi częściowe stopienie, dlatego badacze z zespołu Pavela Jungwirtha z Czeskiej Akademii Nauk wybrali do badań stop sodu z potasem, będący eutektykiem ciekłym w temperaturze pokojowej. Wrzucenie kropli stopu do wody wywoływało natychmiastowy wybuch. Krople wkraplano do cylindra z wodą, filmując każdy wybuch bardzo szybką kamerą, przy czym upuszczano je z odpowiedniej wysokości, tak aby przerwać początkowo powstającą warstewkę gazu. Aby w obserwacjach nie przeszkadzało następujące później zapalenie się wodoru, cylinder napełniono gazem obojętnym.
Proces wybuchu kropli stopu okazał się bardzo szybki:

Rozpryskiwanie się bocznych strużek następuje już przy pierwszym kontakcie, zanim kropla zdąży zagłębić się w wodzie. Równocześnie podgląd od spodu ujawnił, że kropla rozpadła się na wiele drobnych igiełek ciekłego metalu. Kolejną ciekawą rzeczą jaką widać na zdjęciach jest fioletowy kolor rozprysku - sam sód jak i jego jony nie mają takiego koloru, dlatego najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem było uznanie, że za kolor odpowiada krótko żyjące indywiduum - zsolwatowany elektron.

Solwatacja to proces otaczania jonu rozpuszczanego w roztworze przez cząsteczki rozpuszczalnika. Woda ma dość duży moment dipolowy i mimo obojętności elektrycznej jej cząsteczki są przyciągane przez pole elektryczne wokół jonu. Tak dzieje się przy rozpuszczaniu soli w wodzie, a wydzielanie się przy tym pewnej energii ma wpływ na łatwość rozpuszczania. Jon otoczony cząsteczkami rozpuszczalnika, to jon zsolwatowany:

W tym przypadku do wody został w dużych ilościach wprowadzony najmniejszy możliwy anion - wolny elektron. I na krótką chwilę, zanim nie doszło do reakcji redukcji wody, został on otoczony jej cząsteczkami. Ponieważ elektron może przyjmować w takiej postaci różne stany energetyczne, pochłania część światła widzialnego i nadaje wodzie fioletowy kolor. Znacznie trwalsze roztwory ze zsolwatowanym elektronem można otrzymać w ciekłym amoniaku i niektórych aminach, rozpuszczając w nich aktywne metale; roztwory takie mają kolor od niebieskiego co brunatnego a w dużych stężeniach elektronów zaczynają odbijać światło i wyglądają jak płynny metal.

Ale skończmy tą dygresję.
Było więc wiadomo że tuż po kontakcie sodu z wodą, zaczyna być on rozpryskiwany na wiele cienkich strużek metalu. Było też wiadome, że przy tym procesie do wody uwalniana jest tak duża ilość wolnych elektronów, że woda na krótko się zabarwia. Wiedząc o tym badacze mogli stwierdzić, że za owo rozpryśnięcie odpowiada znany już od dawna proces, znany dotychczas ze skali mikroskopijnej - eksplozja kulombowska.
Proces opisano teoretycznie już w XIX wieku ale w zasadzie dotyczył on dosyć małej skali.  Jeśli weźmiemy skrawek dowolnej materii i usuniemy elektrony z atomów, powstanie nam skupisko położonych blisko siebie jonów dodatnich. W normalnym przypadku elektrony nie tylko zobojętniają ale też spajają ze sobą atomy. Po ich usunięciu elektrostatyczne odpychanie jednakowych ładunków przeważa nad przyciąganiem i całe skupisko rozpada się na wszystkie strony.
Makroskopowym modelem może być często pokazywane doświadczenie fizyczne, w którym po umieszczeniu garści spreparowanego ryżu w silnym polu elektrycznym, ziarenka zaczynają strzelać we wszystkie strony, odpychane od naelektryzowanego stosiku:

Efekt ten bywa wykorzystywany w laserowej abrazji pewnych materiałów - naświetlenie powierzchni odpowiednio silnym impulsem lasera nadaje jej punktowo tak duża energię, że uciekają z niej elektrony. Pozostałe naładowane jony rozpryskują się i powstaje nam zagłębienie o rozmiarach możliwych do regulowania.
W nieco większej skali eksplozja kulombowska jest używana w technice elektrospreju, używanej w spektroskopii mas - kropelka roztworu umieszczona w silnym polu elektrycznym rozpryskuje się na jeszcze drobniejsze. Zjawisko to ma jeszcze znaczenie w oddziaływaniu promieniowania na materię - uderzenie wysokoenergetycznej cząstki jonizuje część atomów, doprowadzając do ich przemieszczenia i powstania uszkodzenia w strukturze materiału.

W przypadku kropli ciekłego metalu alkalicznego, proces zachodzi w dużej skali.
Gdy tylko kropla zaczyna się stykać z wodą, zachodzi szybka reakcja chemiczna połączona z oddawaniem elektronów wodzie. Ładunek dodatni na powierzchni metalu rośnie na tyle gwałtownie, że początkowe czysto mechaniczne nieregularności kształtu, zaczynają się zachowywać jak indywidualne naładowane cząstki. Odpychane statycznie porcje, zamieniają się w igły płynnego metalu, które są wystrzeliwane w otaczającą wodę w dużym rozdrobnieniu. W efekcie następuje taka sytuacja, do jakiej by doszło gdybyśmy zmieszali z wodą sód w formie drobnego pyłu - gwałtowne zwiększenie powierzchni reagującej powoduje, że w stosunkowo małej objętości wody wydzielonych zostaje bardzo dużo ciepła i gazowego wodoru. Rozprężający się powstały gaz powoduje eksplozję, która rozrzuca gorące cząstki metalu i krople wody. Gdy reakcja jest prowadzona w powietrzu, rozpryśnięte krople w kontakcie z powietrzem zapalają się jasnymi iskrami a od nich zapala się wodór, wywołując drugą eksplozję.
Jest to dokładnie objaśnione na poniższym filmie:


Bonus
A tak wygląda reakcja kilku ton sodu, wrzuconego w beczkach wprost do morza:


W taki sposób unieszkodliwiano pozostałości po pociskach zapalających.
---------
* Mason, P. E. et al., Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water,  Nature Chem. (2015).