【化學反應】鹼金屬（alkali metals）是如何「著火」的？

撰文｜葉綠舒

大家對鹼金屬（alkali metals），包含了鋰(元素符號Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)、鍅(Fr)，遇水會「著火」應該都不陌生，有些甚至會爆炸。您甚至可能還看過這個影片：鈉與鉀只是產生猛烈的燃燒反應，但是銣與銫會產生大爆炸！

但是，究竟鹼金屬是如何「著火」或爆炸呢？過去的說法是，因為鹼金屬遇水會造成水的解離，以鈉為例，產生氫氧化鈉(sodium hydroxide，NaOH)與氫氣；而這個反應同時也會產生大量的熱，是這個熱點燃了氫氣，於是就著火了。

這個說法挺合理的，大家也都接受；但是就有人不認為想當然爾的事情就一定是這樣。由捷克與德國所組成的國際科學團隊，決定要來看看到底鹼金屬遇到水的反應是怎麼一回事。

為什麼他們會不接受原先的說法呢？研究團隊說，爆炸需要反應物快速的混合，但如果真如大家過去認為的反應方式，光是因為反應產生的熱所導致的水蒸氣，以及反應本身所產生的氫氣，便足以阻絕更多的鹼金屬接觸到水；這樣是要如何發生接續下去的燃燒，甚至爆炸呢？

研究團隊為了要釐清這個疑點，使用了鈉與鉀的混合物。使用鈉鉀混合物有兩個原因：一是因為鈉常容易在表面發生氧化(如圖)，造成無法燃燒；二是因為鈉鉀混合物在常溫是液體，可以一滴滴的將金屬滴入水，容易操作與觀察。

結果，研究團隊看到，在加入金屬後0.4毫秒(millisecond)時，金屬滴四下飛散；但當時還沒有產生大量的熱。接著，每個飛散的金屬滴被深藍/紫色的溶液包圍。

這深藍/紫色的溶液是什麼呢？研究團隊說，這是溶解在水裡的電子。當研究團隊把金屬滴縮小到只剩下十九個鹼金屬原子時，整個現象變得更明朗：表面的鹼金屬原子先丟掉一個電子，電子被周圍的水溶解，然後這些帶正電的鹼金屬離子因為同性相斥而四下飛散--這個現象就是所謂的庫侖爆炸現象(Coulomb explosion)。

庫侖爆炸是什麼呢？簡單來說，就是兩個電荷之間的作用力與兩個電荷的乘積成正比，當兩個電荷是同性(一樣是負電，或者如本文提到的狀況，一樣是正電)時，這個作用力是斥力；而當兩個電荷是異性(一正一負)時，則作用力為吸引力。

而以本文所提到的為例，當系統中所有的粒子都帶正電時，系統的能量會因為彼此之間的斥力而升高；當電荷量超過臨界值時，系統便會爆炸、分解，就是我們看到的燃燒、爆炸現象。

所以，我們過去多少年以為的「因為鈉與水反應，產生氫氧化鈉與氫氣，然後氫氣被反應所產生的熱點燃」，其實並不是喔！因為當金屬滴開始四下飛散時，那時並沒有大量的熱產生，而是因為彼此的斥力已經使得整個系統到達臨界值了，於是產生庫侖爆炸！

參考文獻：
Philip E. Mason, Frank Uhlig, Václav Vaněk, Tillmann Buttersack, Sigurd Bauerecker; Pavel Jungwirth. 2015. Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with ​water. Nature Chemistry. doi:10.1038/nchem.2161.
Phillip Ball. 2015/1/26. Sodium's explosive secrets revealed. Nature News.

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作者：葉綠舒　慈濟大學生命科學系助理教授，科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。