ในที่สุดก็อธิบายการระเบิดของโซเดียมและอัลคาไลอื่น ๆ

ไฟ กล้อง คาบูม! ด้วยภาพถ่ายจากกล้องความเร็วสูง นักเคมีสามารถอธิบายได้ว่าทำไมโซเดียมและโลหะอัลคาไลอื่นๆ จึงระเบิดในน้ำก่อนเกิดการระเบิด หนามแหลมพุ่งออกมาจากพื้นผิวเรียบของโลหะ ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่จุดไฟให้โลหะ การเปิดตัวภาพยนตร์ของ blast ซึ่งปรากฏออนไลน์  ในวันที่ 26 มกราคมในNature Chemistryนำเสนอคำอธิบายที่รอคอยมานานเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีแบบคลาสสิกที่แสดงให้เห็นในห้องเรียนทั่วโลก“สิ่งที่เราค้นพบคือมีชิ้นส่วนสำคัญของปริศนาที่อยู่ก่อนการระเบิด” นักเคมีเชิงคำนวณ Pavel Jungwirth จาก Academy of Sciences of the Czech Republic ในปรากกล่าว

ในหนังสือเรียน นักเคมีอธิบายปฏิกิริยาอย่างง่าย 

โลหะอัลคาไล ซึ่งเป็นกลุ่มของธาตุรวมทั้งโพแทสเซียมและโซเดียมมีปฏิกิริยาสูง ในน้ำที่กระเด็นออกมา โลหะจะปล่อยอิเลคตรอนออกมา ซึ่งทำให้เกิดความร้อน อิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยออกมาเหล่านี้จะโจมตีโมเลกุลของน้ำ ทำลายอะตอมของไฮโดรเจนเพื่อสร้างก๊าซไฮโดรเจนที่ระเบิดได้ แก๊สจะจุดไฟในความร้อนที่สร้างขึ้นใหม่นั้น

ภาพถ่ายความเร็วสูงก่อนที่โลหะอัลคาไลจะระเบิดในน้ำ

พร้อมสำหรับระยะใกล้รูปภาพความเร็วสูงที่ถ่ายก่อนที่โลหะอัลคาไลจะระเบิดในน้ำ (คอลัมน์ด้านซ้าย) แสดงให้เห็นหนามแหลมก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวโลหะ 0.35 มิลลิวินาทีหลังจากที่กระทบพื้นผิว สำหรับการเปรียบเทียบ รูปภาพทางด้านขวาแสดงให้เห็นว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อหยดน้ำพุ่งลงไปในน้ำ

เมสันและคณะ

Philip Mason นักเคมีที่ทำงานกับ Jungwirth ไม่พอใจกับคำอธิบายนั้น ในเวลาว่าง เขาวางระเบิดโซเดียมบนระเบียงของเขาซ้ำแล้วซ้ำเล่า “ฉันทำโซเดียมระเบิดมาหลายปีแล้ว” เขาบอก Jungwirth “และฉันยังไม่เข้าใจว่ามันทำงานอย่างไร”

เพื่อให้อิเล็กตรอนกระโดดขึ้นเรือได้ โลหะและน้ำจะต้องสัมผัสกันโดยตรง 

แต่เมสันตั้งทฤษฎีว่าก่อนที่ความร้อนจะเพียงพอจะทำให้เกิดแก๊สไฮโดรเจนได้ ความร้อนที่เพิ่มขึ้นจะสร้างไอน้ำจากน้ำโดยรอบ ไอน้ำที่ปกคลุมโลหะจะปิดกั้นอิเล็กตรอนที่หลบหนีและหยุดความร้อน ปฏิกิริยาทางเคมีที่ Mason ให้เหตุผลควรปิดบังตัวเอง

Mason และ Jungwirth ตัดสินใจถ่ายทำการระเบิดของโลหะผสมของโซเดียมและโพแทสเซียม ของเหลวที่อุณหภูมิห้อง การผสมผสานของโลหะอัลคาไลนี้ทำให้เกิดการระเบิดที่คาดเดาได้ ฉากต่อฉาก — ไม่เหมือนกับโลหะอัลคาไลบริสุทธิ์ ซึ่งสามารถสร้างการระเบิดที่แตกต่างกันอย่างอธิบายไม่ได้ ในการจับภาพเหตุการณ์ที่ร้อนแรง นักวิจัยเริ่มต้นด้วยกล้องราคาถูกที่ถ่ายได้ 500 ภาพต่อวินาที ก่อนที่จะเปลี่ยนเป็นกล้องที่สามารถถ่ายภาพได้ 30,000 ภาพต่อวินาที

ด้วยการหมุนกล้อง นักวิจัยถือโลหะผสม 100 มิลลิกรัมเหนือแอ่งน้ำหนึ่งเมตร จากนั้นปล่อยให้ตกลงมา เมื่อโลหะสัมผัสน้ำ 0.5 มิลลิวินาที การระเบิดก็เต็มวง แต่ก่อนหน้านั้น — ที่ 0.35 มิลลิวินาที — มีสิ่งประหลาดเกิดขึ้น: พื้นผิวที่เรียบของโลหะนั้นแหลมคม เหมือนกับเม่นที่โกรธจัด รายละเอียดนี้ทำให้นักเคมีได้รับคำตอบที่ต้องการ

หนามแหลมที่พุ่งออกมาจากพื้นผิวนั้นเป็นชิ้นส่วนของโลหะที่มีประจุบวก นักเคมีกล่าว เมื่ออิเล็กตรอนละทิ้งพื้นผิวของโลหะ พวกมันจะทิ้งอะตอมที่มีประจุบวกไว้ ซึ่งจะผลักกันและสร้างหนามแหลมในขณะที่พวกมันกระโดดออกไป สิ่งนี้จะสร้างช่องว่างในพื้นผิว เผยให้เห็นอะตอมที่อยู่ใต้น้ำ อะตอมที่เพิ่งเปิดใหม่เหล่านี้จะสูญเสียอิเล็กตรอน ทำให้เกิดอะตอมที่เป็นบวกมากขึ้นซึ่งก่อตัวเป็นหนามแหลมบนยอดแหลม ในขณะที่โลหะปล่อยอิเลคตรอนอย่างต่อเนื่อง ความร้อนที่จำเป็นในการจุดไฟให้ก๊าซไฮโดรเจนก่อตัวขึ้นก่อนที่ไอน้ำจะยับยั้งการระเบิดได้

การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของปฏิกิริยาสนับสนุนคำอธิบายของนักเคมี

Rick Sachleben นักเคมีอินทรีย์แห่ง Momenta Pharmaceuticals ในเมืองเคมบริดจ์ รัฐแมสซาชูเซตส์ กล่าวว่า “มันสมเหตุสมผล”

เช่นเดียวกับ Jungwirth Sachleben หวังว่าการค้นพบใหม่นี้จะเข้าสู่ห้องเรียนเคมีนอกเหนือจากห้องปฏิบัติการ Sachleben เป็นตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบของการใช้สมมติฐานที่มีมาช้านาน การตั้งคำถาม และการสร้างความเข้าใจที่ดีขึ้น “มันอาจจะเป็นช่วงเวลาแห่งการสอนที่แท้จริงก็ได้”

SHARP BLAST  ก่อนที่มันจะจุดไฟในน้ำ โลหะอัลคาไล (Na/K ซึ่งเป็นโลหะผสมของโซเดียมและโพแทสเซียม) จะสูญเสียอิเล็กตรอนและพุ่งพุ่งออกจากพื้นผิวของมัน ซึ่งสามารถมองเห็นได้ที่ด้านบนของภาพสโลว์โมชั่นนี้ สามารถเห็นการดำน้ำของหยดน้ำเพื่อเปรียบเทียบที่ด้านล่าง เครดิต: P. Mason et al.

credit : studiokolko.com olivierdescosse.net prosperitymelandria.com bittybills.com turkishsearch.net houseleoretilus.org missyayas.com walkofthefallen.com massiliasantesystem.com hervelegerbandagedresses.net