钠和钾遇到水的瞬间发生了什么？ | 科学人 | 果壳网 科技有意思
钠和钾遇到水的瞬间发生了什么？
碱金属 钠 钾 水
本文作者:Philip Ball
（/译）这是化学课上的经典演示反应：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，但此前人们对这个反应机理的理解却并不完善。近期，发表在《自然o化学》（Nature chemistry）期刊上的一篇（点击链接可阅读论文全文）澄清了人们此前对这一反应现象的误解。
金属钠与水的反应
论文作者帕维尔o琼沃思（Pavel Jungwirth）等人指出，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。当然，最终结果确实是这样，但是在反应刚开始的阶段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”。
神经科学家、作家奧利佛o薩克斯（Oliver Sacks）同时也是一个化学爱好者，他在著作《钨舅舅》（Uncle Tungsten）中，将这一现象描述为“具有复仇之魂的化学反应”：一个小男孩和他的朋友们从当地化学用品供应商那买到一小块金属钠，并丢入了位于北伦敦的海格特池塘，钠块瞬间着火，像一颗失控的流星一般在水面一圈又一圈的跳跃，表面还带有一大团黄色的火焰。
钠是一种银白色的金属，室温下较软。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。
琼沃思指出，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，迅速生成的气体应该会形成一层“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，但我们看到的现象却并非如此。
琼沃思的同事菲利普o梅森（Philip Mason）决定通过实验找出爆炸的真实原理。在开始的实验中，他使用了固体的金属钠，不过有时候金属钠的表面会在空气中被氧化，被氧化的部分遇水并不会发生非常剧烈的反应。为了更好地观察剧烈的“爆炸”反应，梅森最终使用了一种在室温下为液态的钠钾合金进行实验。
借助高速摄像机，研究者们得到了反应初期具体机制的线索。他们发现，在钾钠合金液滴从注射器滴入水中后不到1毫秒的时间内，反应便开始了。在短短的0.4毫秒后，合金液滴表面就开始向外喷射，形成“尖刺”状。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毫秒之间，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。
实验中拍摄到的钠钾合金液滴入水时的变化，右侧为作为对照的水滴。图片来自原论文
琼沃思的同事弗兰克o尤利格（Frank Uhlig）利用计算机模拟了由19个钠原子组成的原子簇的反应，在此之后，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皮秒（10-12秒）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）[注释1]。
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。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“库伦爆炸”（Coulomb explosion）。
密歇根州立大学无机化学家詹姆斯o戴伊（James Dye）表示：“我已经进行了许多次这样的实验展示，我也很想知道究竟为什么金属钠会在水面上‘跳舞’，而金属钾则会发生‘爆炸’。这篇论文对这一反应的早期阶段给出了完整而有趣的解释。”（编辑：窗敲雨）
视频：研究者解释碱金属遇水为何会发生爆炸
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，电子浓度偏低则呈现为深蓝色，电子浓度偏高（&3mol）时呈现为铜褐色。
Nature, Sodium's explosive secrets revealed
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中学的时候每次看化学老师在台上做实验，心里只有一个期待：
------炸！
引用 的话：感觉换成这个gif瞬间掉档次了啊有一个全系列的视频更好一些，但它被屏蔽了(╯‵□′)╯︵┻━┻这里有铯的gif：
遇水啪啪啪来自
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全部评论(62)
遇水啪啪啪来自
化学实验还是炸来炸去看着过瘾（PS：前提是观众得安全……）
最后一段影像是核爆吧
我是来看视频的
引用 的话：最后一段影像是核爆吧美国在太平洋的氢弹试验
引用 的话：最后一段影像是核爆吧啊，开始没注意最后这段。。其实这个脑补还是不严谨，我换个视频吧_(:з」∠)_
核反应是碱金属干的？！！！！！！！！已吓趴……………………
中学的时候每次看化学老师在台上做实验，心里只有一个期待：
------炸！
引用 的话：核反应是碱金属干的？！！！！！！！！已吓趴……………………不是。。那段其实是说钫太不稳定没法做，所以你们来脑补一下。。这个感觉确实不大好所以我换掉了= =本来想换一个好一点的视频，但是上传之后被屏蔽了_(:з」∠)_
引用 的话：核反应是碱金属干的？！！！！！！！！已吓趴……………………好好学英语吧。。。
引用 的话：不是。。那段其实是说钫太不稳定没法做，所以你们来脑补一下。。这个感觉确实不大好所以我换掉了= =本来想换一个好一点的视频，但是上传之后被屏蔽了_(:з」∠)_为什么不稳定就不能做了……?
引用 的话：不是。。那段其实是说钫太不稳定没法做，所以你们来脑补一下。。这个感觉确实不大好所以我换掉了= =本来想换一个好一点的视频，但是上传之后被屏蔽了_(:з」∠)_呃。。。还好我机智的把视频下载了~
引用 的话：好好学英语吧。。。English Teacher 你好汉语都没学明白怎么学英语… …
引用 的话：English Teacher 你好汉语都没学明白怎么学英语… …当时视频里有一句：Sadly this one isn't real 这你说啥也能看懂吧。。。
引用 的话：不是。。那段其实是说钫太不稳定没法做，所以你们来脑补一下。。这个感觉确实不大好所以我换掉了= =本来想换一个好一点的视频，但是上传之后被屏蔽了_(:з」∠)_感觉换成这个gif瞬间掉档次了啊
引用 的话：当时视频里有一句：Sadly this one isn't real 这你说啥也能看懂吧。。。根本听不懂就没听……
引用 的话：根本听不懂就没听……亲，那可是字幕啊，，那么大的字
引用 的话：亲，那可是字幕啊，，那么大的字有字幕？！
引用 的话：感觉换成这个gif瞬间掉档次了啊有一个全系列的视频更好一些，但它被屏蔽了(╯‵□′)╯︵┻━┻这里有铯的gif：
来来来，还好我机智的下载视频截图了，咦？illustration那个词前面居然不是an引用 的话：有字幕？！
引用 的话：有一个全系列的视频更好一些，但它被屏蔽了(╯‵□′)╯︵┻━┻这里有铯的gif：看上面有人没看到视频里说让你脑补，瞬间意识到了翻译的重要性。。。估计第二个长视频他们都自行跳过了（虽然我也基本全不懂）
引用 的话：来来来，还好我机智的下载视频截图了，咦？illustration那个词前面居然不是an… …
BOOOOOOOOOM！
浮熔游响红
浮熔游红响浮熔游爆响
他们会火速改教材吗？不会。
引用 的话：有一个全系列的视频更好一些，但它被屏蔽了(╯‵□′)╯︵┻━┻这里有铯的gif：这Cs的gif里好像也有一点点紫色烟雾的痕迹。。 说起来，Na和液氨反应，也能产生紫色，就是“氨合电子”吧。。
好怪的口音……
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金属钠遇到水会生成什么气体
来源：18183大话西游手游
作者：五月之恋
大话西游手游大理寺问答：金属钠遇到水会生成什么气体?小编现在就给大家解答下这个问题。
问：金属钠遇到水会生成什么气体?
转载请注明“18183”，大话玩家1群：
大话西游手游
支持系统：
快捷人口：
游戏类型：角色扮演
游戏语言：简体中文（6分）0.92g金属钠与水反应后，得100 mL溶液，求（1）生成的气体在标准状况下的体积；（2）反应后所得溶液物质的量浓度。相关试题当前位置：
＞＞＞单质钠与水反应生成氢氧化钠和一种气体，可能是氢气或氧气，你认..
单质钠与水反应生成氢氧化钠和一种气体，可能是氢气或氧气，你认为应该是______，从化合价变化的角度说明理由______写出钠与水反应的化学方程式______．
题型：填空题难度：偏易来源：不详
根据：“同一反应中若有一种元素的化合价升高则一定有另一元素的化合价降低”，则金属Na与水反应生成NaOH和另一气体单质，钠元素的化合价升高；水中的氧元素为-2价，如果单质为氧气，不符合题意；故单质为氢气，那么氢元素由+1价降低到0价，反应物和生成物都知道，故可书写化学方程式2Na+2H2O═2NaOH+H2．故答案为：氢气；如是氧气，反应只有化合价升高；2Na+2H2O=2NaOH+H2↑．
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据魔方格专家权威分析，试题“单质钠与水反应生成氢氧化钠和一种气体，可能是氢气或氧气，你认..”主要考查你对&&质量守恒定律，化学反应方程式的书写，文字表达式&&等考点的理解。关于这些考点的“档案”如下：
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因为篇幅有限，只列出部分考点，详细请访问。
质量守恒定律化学反应方程式的书写文字表达式
质量守恒定律的概念及对概念的理解: (1)概念：参加化学反应的各物质的质量总和，等于反应后生成的各物质的质量总和。这个规律就叫做质量守恒定律。 (2)对概念的理解: ①质量守恒定律只适用于化学反应，不能用于物理变化例如，将2g水加热变成2g水蒸气，这一变化前后质量虽然相等，但这是物理变化，不能说它遵守质量守恒定律。 ②质量守恒定律指的是“质量守恒”，不包括其他方面的守恒，如对反应物和生成物均是气体的反应来说，反应前后的总质量守恒，但是其体积却不一定守恒。 ③质量守恒定律中的第一个“质量”二字，是指“参加”化学反应的反应物的质量，不是所有反应物质量的任意简单相加。例如，2g氢气与8g氧气在点燃的条件下，并非生成10g水，而是1g氢气与8g氧气参加反应，生成9g水 ④很多化学反应中有气体或沉淀生成，因此“生成的各物质质量总和”包括了固态、液态和气态三种状态的物质，不能把生成的特别是逸散到空气中的气态物质计算在“总质量”之外而误认为化学反应不遵循质量守恒定律 质量守恒定律的微观实质: (1)化学反应的实质在化学反应过程中，参加反应的各物质(反应物) 的原子，重新组合而生成其他物质(生成物)的过程。由分子构成的物质在化学反应中的变化过程可表示为：(2)质量守恒的原因在化学反应中，反应前后原子的种类没有改变，数目没有增减，原子本身的质量也没有改变，所以，反应前后的质量总和必然相等。例如，水通电分解生成氢气和氧气，从微观角度看：当水分子分解时，生成氢原子和氧原子，每两个氢原子结合成一个氢分子，每两个氧原子结合成一个氧分子。&质量守恒定律的延伸和拓展理解:质量守恒定律要抓住“六个不变”，“两个一定变”“两个可能变”。
如从水电解的微观示意图能得出的信息：①在化学反应中，分子可以分成原子，原子又重新组合成新的分子； ②一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的，或一个氧分子由两个氧原子构成、一个氧分子由两个氢原子构成。或氢气、氧气是单质，水是化合物③原子是化学变化中的最小粒子。④水是由氢、氧两种元素组成的。 ⑤在化学反应，氧元素的种类不变。⑥在化学反应中，原子的种类、数目不变。 ⑦参加反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。 质量守恒定律的发现: 1. 早在300多年前，化学家们就对化学反应进行定量研究。1673年，英国化学家波义耳(RobertBoyle, )在一个敞口的容器中加热金属，结果发现反应后容器中物质的质量增加了。 2. 1756年，俄国化学家罗蒙诺索夫把锡放在密闭的容器里锻烧，锡发生变化，生成白色的氧化锡，但容器和容器里物质的总质量，在锻烧前后并没有发生变化。经过反复实验，都得到同样的结果，于是他认为在化学变化中物质的质量是守恒的。 3. 1774年，法国化学家拉瓦锡用精确的定量实验法，在密封容器中研究氧化汞的分解与合成中各物质质量之间的关系，得到的结论是:参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。 4. 后来.人们用先进的测址仪器做了大量精度极高的实验，确认拉瓦易的结论是正确的。从此，质量守恒定律被人们所认识。质量守恒定律的应用: (1)解释问题 ①解释化学反应的本质—生成新物质，不能产生新元素(揭示伪科学的谎言问题)。 ②解释化学反应前后物质的质量变化及用质量差确定某反应物或生成物。 (2)确定反应物或生成物的质量确定反应物或生成物的质量时首先要遵循参加反应的各种物质的质量总量等于生成的各种物质的质量总和；其次各种物质的质量比等于相对分子质量与化学计量数的乘积之比。(3)确定物质的元素组成理解在化学反应前后，元素的种类不发生改变。可通过计算确定具体的元素质量。 (4)确定反应物或生成物的化学式比较反应前后各种原子个数的多少，找出原子个数的差异。但不能忘记化学式前的化学计量数。 (5)确定某物质的相对分子质量(或相对原子质量)运用质量守恒定律确定某物质的相对分子质量 (或相对原子质量)时，首先寻找两种已知质量的物质，再根据化学方程式中各物质间的质量成正比即可计算得出。注意观察物质化学式前面的化学计量数。 (6)确定化学反应的类型判定反应的类型，首先根据质量守恒定律判断反应物、生成物的种类和质量(从数值上看，反应物质量减少，生成物质最增加)。如果是微观示意图，要对比观察减少的粒子和增加的粒子的种类和数目再进行判断。(7)判断化学方程式是否正确根据质量守恒定律判断化学方程式的对与否关键是看等号两边的原子总数是否相等，同时注意化学式书写是否有误。化学方程式的书写原则遵循两个原则：一是必须以客观事实为基础，绝不能凭空设想、主观臆造事实上不存在的物质和化学反应；二是遵循质量守恒定律，即方程式两边各种原子的种类和数目必须相等。 书写化学方程式的具体步骤:(1)写：根据实验事实写出反应物和生成物的化学式。反应物在左，生成物在右，中间用横线连接，如: H2+O2——H2O，H2O——H2+O2。 (2)配：根据反应前后原子的种类和数目不变的原则，在反应物和生成物的化学式前配上适当的化学计量数，使各种元素的原子个数在反应前后相等，然后将横线变成等号。配平后，化学式前的化学计量数之比应是最简整数比，如:2H2+O2=2H2O，2H2O= 2H2+O2。 (3)注：注明反应条件【如点燃、加热(常用“△”表示)、光照、通电等〕和生成物的状态(气体用“↑”。沉淀用“↓”。)。如:2H2+O22H2O，2H2O2H2↑+O2↑。 化学计量数:化学计量数指配平化学方程式后,化学式前面的数字。在化学方程式中，各化学式前的化学计量数之比应是最简整数比，计数量为1时，一般不写出。书学化学方程式的常见错误:
书写化学方程式时条件和气体、沉淀符号的使用:（1）.“△”的使用 ①“△”是表示加热的符号，它所表示的温度一般泛指用酒精灯加热的温度。 ②如果一个反应在酒精灯加热的条件下能发生，书写化学方程式时就用“△”，如:2KMnO4 K2MnO4+MnO2+O2↑。 ③如果一个反应需要的温度高于用酒精灯加热的温度，一般用“高温”表示;如:CaCO3CaO+ CO2↑&（2）“↑”的使用&①“↑”表示生成物是气态，只能出现在等号的右边。 ②当反应物为固体、液体，且生成的气体能从反应体系中逸出来，气体化学式后应该加“↑”。如Fe+ 2HCl==FeCl2+H2↑。 ③当反应物是溶液时，生成的气体容易溶于水而不能从反应体系中逸出来，则不用“↑”，如:H2SO4+ BaCl2==FeCl2+2HCl④只有生成物在该反应的温度下为气态，才能使用“↑”。 ⑤若反应物中有气态物质，则生成的气体不用标 “↑”。如:C+O2CO2 （3）“↓”使用 ①“↓”表示难溶性固体生成物，只能出现在等号的右边②当反应在溶液中进行，有沉淀生成时，用 “↓”，如:AgNO3+HCl==AgCl↓+HNO3③当反应不在溶液中进行，尽管生成物有不溶性固体，也不用标“↓”，如:2Cu+O22CuO ④反应在溶液中进行，若反应物中有难溶性物质，生成物中的难溶性物质后面也不用标“↓”。如:Fe +CuSO4==FeSO4+Cu.化学方程式中“↑”和“↓”的应用：①“↑”或“↓”是生成物状态符号，无论反应物是气体还是固体，都不能标“↑”或“↓”; ②若反应在溶液中进行且生成物中有沉淀，则使用“↓”；若不在溶液中进行，无论生成物中是否有固体或难溶物，都不使用“↓”; ③常温下，若反应物中无气体，生成物中有气体.提取信息书写化学方程式的方法:&&&&& 书写信息型化学方程式是中考热点，题目涉及社会、生产、生活、科技等各个领域，充分体现了化学学科的重要性，并考查了同学们接受信息、分析问题和解决问题的能力。解答这类题日的关键是掌握好化学方程式的书写步骤，可按两步进行:首先正确书写反应物和生成物的化学式，并注明反应条件及生成物状态；第二步就是化学方程式的配平。概念：用文字表示化学反应的式子 文字表达式的书写步骤：（1）写：根据反应事实写出反应物和生成物（2）注：注明反应条件：[点燃，加热，光照，通电等]
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