当碱金属遇到水(2)

预备研究参考：当碱金属遇到水(1)

时隔一年，前面提到的作者再次发文，用特殊的实验条件得到了肉眼可见的水合电子。

在之前的研究中，我们发现，迄今为止尚未被研究的爆炸行为的一个先决条件是，当电子从碱金属进入到水中时，金属滴会产生大量的正电荷。这会产生静电不稳定性，导致金属尖峰射入水中，确保反应物混合。我们还证明，这种静电库仑爆炸可以通过限制碱金属和水之间的接触来猝灭，例如通过添加少量表面活性物种，如正己醇。研究人员提出了将反应保持在爆炸阈值以下的想法。

在这项工作中，我们通过小心地将钠/钾合金液滴放在水上而不是从相当高的高度（这总是导致爆炸）来达到反应状态。然后，我们结合高速摄影机成像和可见/近红外/红外光谱技术，全面记录了一系列独特的化学过程，首先是溶剂化电子的快速形成——尽管它们在水中的寿命极短，但肉眼仍然可以看到——并以熔融氢氧化物的爆裂滴结束。一个比水重且与水混溶性好的氢氧化物热滴可以暂时支撑在水面上的事实，是Leidenfrost 效应的一个典型现象。

经过大量实验，我们发现在水溶液中，为了维持碱金属反应的非爆炸状态，一种可靠且可重复的方法是，从注射器中直接在水表面滴一滴钠-钾合金（室温下为液体），如上图。与我们之前的装置相比，这限制了反应物之间的接触。在我们之前的装置中，合金从水面上方约1米处掉落，并且总是爆炸。但是当轻轻地将其放在水上时，钠-钾合金液滴（其密度低于水）开始剧烈反应如下图。

然而，由于其浮力和立即产生的气体，钠钾合金与水的接触受到限制，因此反应以非爆炸的方式进行。此外，当我们用氩气不断冲洗反应容器时，所形成的氢气不会着火。如果设计得当，氩气流是一个双重优势，因为它本身也带走反应产生的烟雾，否则会完全遮挡住相机的视线。

下面这种装置既能在空间上限制合金液滴，又能有效地冷却合金液滴，从而增加溶剂化电子的浓度，并在金属液滴表面及其周围水环境中提供一个视觉上壮观的蓝色斑点，其颜色可通过标准的可见光/近红外光谱仪轻易地分散。

所获得的光谱与先前记录的通过水的脉冲辐解在不同温度下制备的水合电子光谱重叠。尽管制备溶剂化电子的方法不同，但与参考测量值的一致性令人信服，同时也证明了我们的系统从最初的环境条件开始升温。由于远离热力学平衡，反应体系很难设定一个明确的温度。然而，从光谱可以清楚地看出，在这个早期阶段，化学过程将金属液滴的表面加热到远高于室温的温度，在目前的设置中至少达到100℃。

在上面所示的设置中，液滴继续被加热，在某一点上，碱金属开始蒸发。记录的碱金属蒸汽可见光谱如下图所示。我们看到钾和钠气体的存在，如在770nm（钾）和580nm（钠）附近吸收光谱中的特征线所示。

碱金属液滴的持续加热，最终使它发出红光。我们用远程温度计估计，这个阶段的液滴温度在600℃左右。化学反应基本结束后，发生了一件惊人的事情。当烟雾散去，水滴冷却，突然变得完全透明。这个透明的水滴在水表面停留了大约一秒钟，然后突然爆发。有几个问题马上就出现了。首先，透明滴是由什么制成的？它显然已经不再是金属了，而剧烈反应已经停止的事实表明，它可能主要由反应的关键非气体产物，即熔融碱金属氢氧化物（可能还含有其他产物，如氧化钠）组成。这一点确实得到了该液滴的红外光谱分析的证实，该分析揭示了熔融或固态氢氧化物的特征指纹，特别是3480到3620之间的O-H伸缩振动。

下一个有趣的问题是，一滴比水重得多且与水完全混溶的熔融碱金属氢氧化物如何在水表面得到支撑。答案在于Leidenfrost效应。在它的传统认识中，它是通过分离的热蒸汽层使热炉上的水滴稳定下来的效应。在这里，我们有一个类似的情况，但在一个相反的模式下，熔融氢氧化物的热滴在室温下由水上的蒸汽层稳定。最后，当水滴冷却时，将其与水分离的热蒸汽层变得不稳定。最终，这一层无法有效地分离两种物质，这导致氢氧化物滴和水的剧烈混合，以剧烈的爆发的形式进行。

参考文献：A Non-Exploding Alkali Metal Drop on Water: From Blue Solvated Electrons to Bursting Molten Hydroxide,Philip E. Mason, Tillmann Buttersack, Sigurd Bauerecker, and Pavel Jungwirth