واکنش دیدنی و جذاب فلزهای قلیایی با آب علیرغم اینکه جزء اصلی درس کلاس‌های شیمی بوده است، به درستی درک نشده است. یکی از آزمایش‌های بسیار جالب در کلاس‌های شیمی همیشه این بوده است: مقداری فلز سدیم یا پتاسیم را داخل آب بریزید و انفجاری که در اثر آن رخ می‌دهد را تماشا کنید. اگرچه این آتش بازی جالب نسل‌های زیادی از دانش آموزان شیمی را مجذوب خود کرده است، طبق مقاله‌ای در ژورنال طبیعت (Chemistry) تا به حال درک اشتباهی از این پدیده داشته‌ایم. Pavel Jungwirth و همکارانش در آکادمی علوم چک واقع در پراگ می‌گویند که این انفجار صرفاً نتیجه‌ی احتراق گاز هیدروژنی که فلزهای قلیایی داخل آب از خود آزاد می‌کنند نیست. این اتفاق ممکن است در نهایت رخ دهد اما چیزی که شروع کننده‌ی آن است پدیده‌ای بسیار عجیب و غریب است: خروج سریع الکترونها و به دنبال آن انفجار فلز به دلیل دافعه‌ی الکتریکی. متخصص مغز و اعصاب و نویسنده‌ی مشهور، Oliver Sacks که همچنین بسیار علاقه‌مند به شیمی است، این پدیده را در کتاب خود "عمو تنگستن" (Uncle Tungsten) بعنوان شیمی همراه با انتقام توصیف می‌کند. او در کتابش در این مورد که چگونه در کودکی همراه با دوستانش مقداری سدیم خریده بودند و آن را در حوضچه‌های Highgate در شمال لندن ریخته بودند نوشته است. وی توضیح داده است که سدیم به سرعت آتش گرفت و با سرعت فراوان مانند یک شهاب‌سنگ روی سطح آب حرکت کرد و شعله‌ای بسیار بزرگ به رنگ زرد بالای خود داشت. Jungwirth توضیح می‌دهد که سدیم در دمای اتاق فلزی نقره‌ای رنگ و نرم است.

اگر سدیم در تماس با آب قرار بگیرد در طی یک واکنش سدیم هیدروکسید و هیدروژن تولید می‌کند. پتاسیم در این مورد از سدیم بسیار شدیدتر با آب واکنش می‌دهد. این واکنش‌ها حرارت زیادی تولید می‌کنند. بنابراین تصور اینکه انفجاری که رخ می‌دهد به دلیل احتراق هیدروژن است منطقی به نظر می‌رسد. اما برای اینکه یک واکنش به انفجار ختم شود، واکنش‌دهنده‌ها باید به سرعت و به خوبی با هم مخلوط شوند. با این حال درمورد فلزهای قلیایی، گاز هیدروژن و بخاری که درنتیجه‌ی واکنش در سطح فلز آزاد می‌شود از رسیدن آب به آن جلوگیری می‌کند؛ و بدون تأمین مستمر آب واکنش ادامه پیدا نخواهد کرد.

همکار Jungwirth شخصی به نام Philip Mason برخلاف خطرهایی که در این راه وجود داشت تصمیم گرفت بیشتر بر روی این پدیده مطالعه کند. در یکی از آزمایش‌ها وی حفاظ صورت خود را برای لحظه‌ای کوتاه برداشت و در همان لحظه یک تکه فلز به صورت او پرید و او را زخمی کرد. برای اطمینان از انجام شدن واکنش، (گاهی سطح سدیم اکسید می‌شود و درنتیجه‌ی آن انفجار رخ نخواهد داد) وی از آلیاژ سدیم و پتاسیم که در دمای اتاق حالت مایع دارد استفاده کرد. دوربین‌های فیلم‌برداری پر سرعت سر نخی بسیار مهم در مورد عاملی که سبب انجام بسیار سریع واکنش در همان لحظات ابتدایی می‌شود به محققان داد.

واکنش در کمتر از یک میلی ثانیه پس از لحظه‌ای که قطره‌ی فلز از سرنگ آزاد می‌شود و به داخل آب وارد می‌شود آغاز می‌شود. تنها پس از 0.4 میلی ثانیه، تکه‌هایی از فلز به اطراف پرتاب می‌شوند و سرعتشان به حدی بالاست که حرارت تأثیری مخرب بر آنها نمی‌گذارد. علاوه بر این بین زمان 0.3 تا 0.5 میلی ثانیه، این قطره‌ی در حال پخش شدن توسط یک رنگ آبی-ارغوانی تیره احاطه می‌شود.

دلیل این مشاهدات زمانی مشخص شد که همکار Jungwirth فردی به نام Frank Uhlig شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مکانیک کوانتومی فرآیند را بر روی خوشه‌هایی شامل تنها 19 عدد اتم سدیم انجام داد. وی دریافت که هر کدام از اتم‌های سطح خوشه در عرض چند پیکو ثانیه یک الکترون از دست می‌دهد. این الکترون‌ها به سمت آب اطراف شلیک می‌شوند و در آن حل می‌شوند (توسط مولکول‌های آب احاطه می‌شوند). الکترون‌های حل شده در آب دلیل ایجاد رنگ آبی تیره‌ای هستند که در بررسی‌های انجام شده مشاهده شد. خروج این الکترون‌ها سبب می‌شود خوشه‌ی فلزی پر از یون‌های با بار مثبت شود و این بارهای هم نام همدیگر را دفع می‌کنند. نتیجه‌ی این وقایع انفجار کولن است که در آن خوشه‌ی فلز به دلیل دافعه‌ی الکتریکی متقابل یون‌ها از هم می‌پاشد

منابع مفيد:

فلزات قليايي

سديم

پتاسيم