มันเป็นการทดลองที่คลาสสิคมากๆ ที่อาจารย์จะทำการปล่อยชิ้นส่วนเล็กๆ ของโลหะลงไปในน้ำ และเกิดระเบิดขึ้น ของผสมนั้นระเบิดและมีแสงสว่างจ้า นักเรียนกว่าล้านคนเคยเห็นปฏิกิริยานี้ ในตอนนี้ต้องขอบคุณกล้องถ่ายภาพความเร็วสูงที่ทำให้นักเคมีสามารถอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้

การทดลองนั้นได้ผลกับกลุ่มของโลหะที่เป็นอัลคาไลน์ กลุ่มนี้ประกอบไปด้วยโซเดียมและโพแทสเซียม ธาตุเหล่านี้แสดงให้เห็นในแถวแรกของตารางธาตุ ในธรรมชาติธาตุเหล่านี้จะปรากฎรวมกันกับธาตุอื่นๆ นั่นเป็นเพราะว่าตัวของมันเองนั้นว่องไวทางเคมีมาก ดังนั้นพวกมันจึงทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นๆ และปฏิกิริยาของมันก็อันตรายมาก

ในหนังสือเรียนโดยทั่วไปจะอธิบายถึงปฏิกิริยาระหว่างน้ำกับโลหะในรูปแบบทั่ว่ไปคือ เมื่อน้ำสัมผัสกับโลหะ โลหะจะทำการปล่อยอิเล็กตรอน อนุภาคประจุลบเหล่านี้จะทำการสร้างความร้อนเมื่อพวกมันหลุดออกจากโลหะ ในระหว่างนั้นพวกมันจะทำการแยกโมเลกุลน้ำอีกด้วย ซึ่งปฏิกิริยานี้จะทำการปล่อยอะตอมของไฮโดรเจน (ธาตุที่ไวไฟ) เมื่อไฮโดรเจนสัมผัสกับความร้อน ก็จะระเบิดได้เป็นประกายไฟ

“แต่นั่นไม่ใช่เรื่องราวทั้งหมด” นักเคมี Pavel Jungwirth ได้กล่าวไว้ ซึ่งเขาเป็นผู้นำการศึกษาในครั้งนี้ “มีชิ้นส่วนสำคัญของความน่าสงสัยเกี่ยวกับการระเบิดนี้อยู่” Jungwirth ทำงานให้กับ the Academy of Sciences of the Czech Republic ใน Prague ในการค้นหาชิ้นส่วนพิศวงที่หายไปนั้น เขาได้เลือกใช้กล้องถ่ายภาพความเร็วสูงในการศึกษา

ทีมวิจัยของเขาทำการดูภาพวิดีโอและตรวจสอบปฏิกิริยา เฟรมต่อเฟรม

ในช่วงเวลากว่าวินาทีก่อนที่จะเกิดการระเบิด หนามแหลมจะปรากฎขึ้นจากพื้นผิวของโลหะ หนามแหลมเหล่านี้เป็นตัวที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ซึ่งนำไปสู่การระเบิด การค้นพบของเขาช่วยให้ Jungwirth และทีมวิจัยของเขาเข้าใจว่า การเกิดระเบิดขนาดใหญ่ที่ปะทุขึ้นมาจากปฏิกิริยาทั่วไปนั้นเกิดขึ้นมาได้อย่างไร การค้นพบของเขาตีพิมพ์ในวารสารทางวิชาการระดับนานาชาติ Nature Chemistry

นักเคมี Philip Mason ทำงานด้วยกันกับ Jungwirth เขารู้ว่า คำอธิบายในหนังสือเรียนเก่าๆ นั้นอธิบายอะไรเกี่ยวกับการระเบิด แต่มันทำให้เขารู้สึกน่าเบื่อ เขาไม่คิดว่ามันบอกเรื่องราวทั้งหมด

“ฉันทำการทดลองเกี่ยวกับการระเบิดของโซเดียมกว่าปีมาแล้ว” เขาบอกกับ Jungwirth “และฉันยังไม่เข้าใจว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร”

“ความร้อนจากอิเล็กตรอนอาจจะทำการระเหยน้ำ และสร้างไอน้ำ” Mason คิด ไอน้ำนั้นทำตัวคล้ายกับที่ห่อหุ้ม ซึ่งถ้ามันเป็นเช่นนั้น มันจะทำการขวางอิเล็กตรอนและป้องกันการระเบิดของไฮโดรเจน

ในการที่จะพิสูจน์ทราบปฏิกิริยานี้อย่างละเอียด เขาและ Jungwirth ได้ทำการสร้างการทดลองโดยใช้สารผสมของโซเดียมและโพแทสเซียม ซึ่งเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง พวกเขาทำการหยดหยดเล็กๆ ของพวกมันลงไปในน้ำและทำการบันทึกภาพ กล้องของพวกเขาสามารถจับภาพได้ 30,000 ภาพต่อวินาที ซึ่งทำให้เห็นวิดีโอแบบเคลื่อนไหวช้าได้ เมื่อนักวิจัยทำการวิเคราะห์รูปภาพเหล่านั้น พวกเขาเห็นโลหะเปลี่ยนรูปเป็นหนามแหลมก่อนที่จะทำการระเบิดขึ้น ซึ่งหนามแหลมเหล่านั้นช่วยไขปริศนาในครั้งนี้

เมื่อน้ำเข้าสัมผัสกับโลหะ มันจะทำการปล่อยอิเล็กตรอน หลังจากอิเล็กตรอนหลุดออกไปได้แล้ว อะตอมที่มีประจุเป็นบวกจะคงอยู่ หลังจากนั้นอะตอมที่เป็นบวกจะทำการผลักกันไปมาก่อให้เกิดลักษณะของหนามแหลม กระบวนการนี้ทำให้เกิดอิเล็กตรอนตัวใหม่สัมผัสกับน้ำ ซึ่งมาจากอะตอมที่อยู่ภายในของโลหะ อะตอมที่หลุดออกไปในตอนนี้จากอะตอมที่เหลืออยู่ ทำให้มีอะตอมที่มีประจุบวกเพิ่มมากขึ้น และนั่นทำให้มีหนามแหลมเพิ่มมากขึ้นด้วย เมื่อปฏิกิริยาดำเนินต่อไป จะเกิดหนามแหลมขึ้นบนหนามแหลมอีก ซึ่งทำให้เกิดการสร้างความร้อนที่เพียงพอต่อการติดไฟของไฮโดรเจน

“มันน่าเชื่อถือ” Rick Sachleben บอกกับ Science News เขาเป็นนักเคมีที่ Momenta Pharmaceuticals ใน Cambridge ซึ่งไม่ได้มีส่วนเกี่ยวข้องกับงานในครั้งนี้

Sachleben หวังว่า การอธิบายใหม่ในครั้งนี้จะเข้าไปอยู่ในห้องเรียนของวิชาเคมี มันแสดงให้เห็นว่านักวิทยาศาสตร์ตั้งคำถามให้กับสมมติฐานเก่าๆ และอธิบายได้อย่างลึกซึ้ง

ที่มา:

B. Mole. “Sodium and other alkali explosions finally explained.” Science News. January 26, 2015.

J. Weeks. “Chemistry: Green and clean.” Science News for Students. August 1, 2014.

S. Oosthoek. “Cool Jobs: Explosive pursuits.” Science News for Students. November 14, 2012.

Original Journal Source: P. Mason et al. Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water. Nature Chemistry. Published online January 26, 2015. doi: 10.1038/nchem.2161.