¿Qué ocurre exactamente cuando el sodio, el potasio u otro metal alcalino explota en el agua?

Question

Hay muchos vídeos en YouTube que muestran cómo el sodio, el potasio, etc., explotan al caer en el agua ( ce por ejemplo).

Entiendo que cuando un metal alcalino se expone al agua, se produce una violenta reacción exotérmica en la que se produce un hidróxido y un gas hidrógeno, pero ¿por qué y cómo acaba detonando y fragmentándose la muestra de metal? Desde el punto de vista físico, ¿cómo puede un bloque de metal estallar aparentemente desde el interior cuando la reacción se produce en la superficie de la muestra?

El Artículo de la Wikipedia sobre los metales alcalinos explica esto, pero sigo sin entender cómo esto podría resultar en una explosión. Los diagramas serían muy útiles.

La clave de la cuestión es cómo la liberación de gas hidrógeno y energía da lugar a una explosión. ¿Existe un desbordamiento térmico y el metal se desestabiliza físicamente de alguna manera durante la reacción?

Answer 1

Hasta hace poco se desconocía la respuesta, pero hace poco se descubrió que la reacción es, de hecho, una explosión culombiana. El rápido intercambio de electrones entre el sodio y el agua hace que la superficie de la gota de sodio se cargue positivamente, y los iones se repelen entre sí. Esto se comporta como una tensión superficial negativa, y la superficie de la gota aumenta rápidamente formando una forma espinosa, como la de un puercoespín, a medida que los dedos del metal fundido se disparan en el líquido a una velocidad asombrosa. Cuanto mayor es la superficie, más rápido se produce la reacción, lo que provoca un efecto de fuga. El estudio se publicó en Nature Chem. (Ref.1).

Referencias:

1. Philip E. Mason, Frank Uhlig, Václav Vaněk, Tillmann Buttersack, Sigurd Bauerecker, Pavel Jungwirth, "Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water," Química de la naturaleza 2015 , 7 , 250-254 ( https://doi.org/10.1038/nchem.2161 ).

Answer 2

EDITAR/Retracción: Esta respuesta fue escrita antes de la publicación de la investigación descrita en la respuesta aceptada y ahora se sabe que es incorrecto. ¡Ciencia!

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Supongo que esto se debe a defectos mesoscópicos: si se piensa en un trozo de metal a escala molecular, no va a presentar una lámina de átomos totalmente plana en su superficie. El gas de hidrógeno que se forma dentro de las grietas del metal puede forzar a esas grietas a abrirse más, y esto entonces expone más superficie para reaccionar, y produce más grietas.

Este proceso dará lugar a que la fuerza del hidrógeno generado desgarre el metal a granel si se produce con la suficiente rapidez. Si el calor generado por las reacciones también empieza a hervir el agua en esas mismas grietas y defectos, eso sólo aumentará el efecto.

Answer 3

No creo que haya que invocar ningún efecto inteligente para explicar este fenómeno. El simple hecho de que el calor de la reacción sea siempre suficiente para fundir las gotas de metal implicadas es suficiente. Una vez que se tiene una gota de metal fundido móvil (que suele estar en llamas), se necesita muy poca energía para hacer que la gota se separe, por lo que la violencia de la reacción continua suele ser suficiente para hacer que la gota se separe y se disperse.

Puedes comprobar fácilmente que las gotas de los líquidos no necesitan mucha energía para provocar su dispersión y, si todavía te dejaran jugar con el mercurio, también podrías demostrar que esto se aplica al líquido metales . Las gotas de mercurio se dividen fácilmente en gotas más pequeñas cuando se añaden pequeñas cantidades de energía (por ejemplo, dejando caer una gota a corta distancia sobre una superficie). Estas gotas más pequeñas son mucho más difíciles de contener que su progenitor (lo cual es una de las razones por las que la contaminación por mercurio es tan frecuente y difícil de eliminar en los laboratorios antiguos).

Así que, en resumen, reacción exotérmica + metal líquido = gotas de metal ardiendo fácilmente dispersas.

PS Aunque lo que digo en esta respuesta es correcto en líneas generales, las investigaciones recientes (véase la respuesta aceptada) añaden un poder explicativo adicional al detalle de la reacción. La reacción es más violento que mi simple mecanismo explicaría y las imágenes de las cámaras de alta velocidad demuestran que había más factores en juego de los que la mayoría de la gente esperaba.

Answer 4

La reacción entre los metales alcalinos y el agua produce hidrógeno, que se elevará y se mezclará con el oxígeno del aire superior. Si la reacción genera suficiente calor, puede encender esta mezcla: el hidrógeno y el oxígeno detonarán cuando se mezclen en la proporción correcta. Esta explosión pulverizará directamente el metal (que para entonces probablemente estará fundido) o lo obligará a bajar al agua, donde producirá aún más gas hidrógeno y vapor, impulsándolo de nuevo hacia arriba y hacia el exterior.