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金属钠与水对反应机理探讨

投稿时间:2018-05-12 17:40 投稿人:马勋涛 【字号: 访问量:

金属钠与水对反应是中学化学最常见的实验之一,是水中电离的氢离子从钠夺取电子产生氢原子并结合为氢气的过程。大家常常提出这样的问题:为什么氢离子的浓度如此之小,而反应速度却如此之快呢?

人们还做过这样的实验,让1M浓度的氢氧化钠溶液与金属钠反应,速度会怎么样呢?人们发现,二者的反应速度没有明显差别,但是二者氢离子的浓度比值为107。这让人们认识到钠与水的反应机理与水的电离没有关系。

近年来,Pavel Jungwirth 等在《自然·化学》发文,借助高速摄像机研究钠钾合金与水的反应,发现合金液滴在入水1毫秒内开始反应,在0.4毫秒后合金液滴向外面成尖刺状喷射,局部水溶液呈现深蓝色和紫色。他们认为首先是金属向水迅速发射电子,并形成水化电子,金属正离子的堆积导致库伦爆炸。

不需要什么能量金属就能发射电子的机制没有物理根据。金属键与电离能是制约金属电子不能随意离去的根据。

然而,金属有一种容易失去电子的方式是光电效应,例如金属钠的逸出功为2.3电子伏特,远远小于钠原子的电离能,而钠离子与金属结合在一起。

因为水分子是极性分子,受电荷的影响力很大,当水分子的氧原子与金属钠接触时,部分负电荷受到钠原子电荷的排斥,从而向氢原子转移,而氢原子因为状态的改变与相邻水分子的氧原子发生相互作用,并产生中间体化合物H3O的物质。

伴随着氢原子的离去,电子从金属钠转移到氧原子上面。氢氧基的电子亲合能足以提供这个能量。氢氧根离子的生成,伴随着水化作用,从而产生大量的反应热。而钠离子的水化热则主要承担脱离金属键吸引的能量。

巨大的反应热使得金属融化,使得一些水分子气化,犹如水入热油锅,使得金属液滴向周围四溅,加速了反应进程,而中间体化合物H3O分子的积累,最终化合成水分子和氢气。如果反应在没有隔绝空气的条件下进行,可能会引起金属钠与氢气的燃烧乃至产生爆炸反应。

从上面的反应现象和机理的探究,让我们对水的电离观点产生质疑,水中氢原子的交换作用是中性氢原子之间的交换,而非通过氢离子而交换。