Почему натрий в воде взрывается?

Химиков по-­прежнему волнуют вечные вопросы, включая вроде бы мелкие и ясные, давно вошедшие в школьные учебники. Например — почему металлический натрий, как и другие щелочные металлы, взрывается в воде. Этот эксперимент учителя в школах, да и в университетах, всегда приберегают на десерт, потому что кусочек металла, мечущийся в воде в сопровождении грома и пламени, впечатляет всех.

Все мы знаем, что происходит, поскольку это объясняют в школе. Металлический натрий взаимодействует с водой, образуется водород, который в присутствии кислорода воздуха стремительно окисляется — взрывается. Что же здесь непонятного?

Для профессора Павла Юнгвирта (Pavel Jungwirth), руководителя лаборатории в Институте органической химии и биохимии Чешской академии наук в Праге, здесь не все было ясно. При реакции щелочного металла с водой получается водород, а также пары воды, поскольку металл сильно разогревается. Образующаяся газопаровая подушка должна изолировать металл от поверхности воды, и реакция должна неизбежно затухать. Но не затухает, как всем известно.

Чешские химики поставили эксперимент («Химия и жизнь, 2015, 3). В воду помещали каплю сплава Na­K, все происходящее снимали на высокоскоростную камеру (10 000 кадров в секунду), а затем просматривали с замедлением в 400 раз. В результате удалось разглядеть, как капля металла, попав в воду и начав взаимодействовать с ней, обрастает множеством металлических отростков и становится похожей на морского ежа. Почему это происходит?

Учитель химии в школе объясняет ученикам, что щелочной металл, попав в воду, начинает стремительно отдавать ей электроны. Правда, учитель не уточняет, что металл становится положительно заряженным. А это — ключ к пониманию происходящего. Положительные заряды внутри металла начинают отталкиваться, в результате капля металла выбрасывает отростки в разные стороны. Поверхность контакта металла с водой резко увеличивается, отростки прокалывают газопаровую подушку, и реакция не только не затухает, а усиливается («Nature Chemistry», 2015, 7, 250—254, doi: 10.1038/nchem.2161).

Авторы исследования постарались как можно шире распространить информацию и видео в Интернете, чтобы она дошла до учителей химии. Мы тоже решили внести свою лепту.