Kiirkaamera paljastas naatriumi tormilise loomuse
Naatriumi vette pillamine pole tark tegu. Vähemalt juhul, kui eesmärgiks pole korraldada väiksem või suurem plahvatus. Keskkooli keemiatunni klassikalist katset uurinud Tšehhi ja Saksa teadlased leiavad, et eksperimendi tavapärane selgitus on puudulik ja toimuvale seletuse andmine pakub suurepärast võimalust tutvustada ka elektromagnetismist tuttavaid nähtusi.
„Vette sattudes liiguvad leelismetallidega mitte väga tugevalt seotud elektronid vette. See juhtub väga kiiresti, pikosekundite jooksul. Vee molekulid ergastuvad ning tekib naatriumhüdroksiid ja vesinikgaas. Õpetajad lähevad kohe elevile,“ selgitas uurimuse üks autoritest Pavel Jungwirth. Kuna reaktsiooni käigus eraldub väga palju soojust, on loomupärane arvata, et vesinikgaas süttib ja tekitab sõltuvalt kasutatud leelismetalli kogusest suure või väikese plahvatuse. Kuna katset on regulaarselt tehtud juba 19. sajandist saadik, polnud erilist põhjust selgituse üle pikemalt mõelda.
Umbes 40 grammi naatriumiga tehtud katse. Enne anumast väljapaiskumist jõudis veega reageerida sellest vaid pool. Thunderf00t/Youtube
„Ent kui sa vaatad ülikoolis täpselt sama plahvatust kui keskkoolis, saab kohe selgeks, et see ei tohiks juhtuda. Naatriumhüdroksiid ja vesinik peaksid metalli ja vett lahus hoidma. Plahvatuse eelduseks on, et ala, millel reaktsioon toimub, kasvab järjest. Miski pidi reagente jõuliselt segama, Minu isiklik kiirkaamera, mis võimaldab jälgida peaegu millisekundi tasemel toimuvaid protsesse, seda aga ei paljastanud,“ märkis Philip Mason, töö esimene autor.
Jungwirth ja Mason otsustasid rentida kolleegidega parema, umbes sada tuhat dollarit maksva kiirkaamera, seejuures targalt mainimata, milleks nad seda kasutama hakkavad. „Muidugi võtsime kasutusele kõik võimalik ettevaatusabinõud, ja katsime selle täielikult, jättes välja ainult objektiivi,“ lisas Mason. Sekundis 10 000 ülesvõtet teha võimaldav kaamera võimaldas näha, kuidas 400 mikrosekundit pärast reaktsiooni algust tungisid kaaliumi ja naatriumi sulami tilgast välja tillukesed ogad. Oganuia meenutav tilk omandas mõnesajaks mikrosekundiks sinakasvioletse jume.
Vette pillatud naatriumi ja kaaliumi sulami tilk. Philip Mason et al./Nature Chemistry
„Tilgast vette liikuvate elektronide arvelt omandab tilk negatiivse laenguga võrdse positiivse laengu. Samanimelised laengud hakkavad loomulikult tõukuma. 19. sajandil pani lord Rayleigh tähele naljakat nähtust. Kui õhus veetilkadele teatav kriitiline laeng anda, polnud tilk enam stabiilne ja sellest tärkasid samasugused ogad,“ selgitas Jungwirth. Ainsa vahena leidis üks nähtus aset vedelikus ja teine õhus. Tegu oli tõelise Coulombi plahvatusega.
Kiirkaameraga reaktsioonist tehtud ülesvõtted. Philip Mason et al./Nature Chemistry
„See juhtub enne keemilist plahvatust. Tõttöelda võimaldab see sellel üleüldse juhtuda. See lahendab vee ja naatriumi eraldatuse probleemi täielikult, kuna see juhtub kiiremini, kui gaas tekkida jõuab,“ lisas Jungwirth. Sama mehhanism peab paika ka teiste leelismetallide puhul. Mason ja Jungwirth on teinud katseid nii kaaliumi, kaaliumisulamite ja tseesiumiga. Protsesse kiirkaameraga jälgides võib Masoni sõnul näha, et nähtav plahvatus ei sõltu kasutatavate metallide reaktiivsusest. Naatrium on kõrgema energiatiheduse tõttu isegi ohtlikum.
„Perfektne materjal on kaaliumi ja naatriumi sulam, kuna erinevalt puhtast kaaliumist ja naatriumist on see toatemperatuuril vedel. Me ei pea ootama kuni naatrium sulab. Lisaks on see klassiruumides ohutum, kuna plahvatab veega kokku puutudes alati. Tahket leelismetalli kasutades sõltub reaktsiooni käik selle pinna puhtusest Võid arvata, et see on pärast mõningast sisisemist läbi, kuid siis plahvatab see sulle näkku,“ nentis Mason.
Kõigele vaatamata pole naatriumi ja kaaliumi sulam siiski päris ohutu.TheLetsfailLp Speedruns/Youtube
Kiirkaameraga tehtud ülesvõtetel võib lisaks näha, kuidas oganuia meenutav tilk omandas mõnesajaks mikrosekundiks sinakasvioletse jume. „See on tänu elektronidele, mis neelavad punaka valguse. Alles jääb spektri sinakam osa Sama nähtust võib näha naatriumit ammoniaaki pillates. Ilmselt oleme esimesed, kes on näidanud, et seda saab näha ka seda vette pillates,“ märkis Jungwirth. Ainsaks eelduseks on piisavalt hea kaamera.
Mason lisab, et ümbrikunurgal tehtud arvutused paljastavad lihtsa reaktsiooni kohta veel paljutki muud muljetavaldavat. „Kui eeldada et kilo naatriumi plahvatab millisekundi jooksul ja käsitled seda voolutugevuse konteksti, siis selgub, et see on umbes viis miljardit amprit ehk see ületab tüüpilist pikselööki tuhandekordselt. Samuti tähelepanuväärne nähtav pindala muutus. Kilose naatriumikangi pindala on võrreldav paberilehega. See kasvaks aga hetkega nelja ruutkilomeetri suuruseks,“ lisas keemik. Õpetajatel soovitab ta jääda siiski paarikümne milligrammi piiridesse.
Uurimus ilmus ajakirjas Nature Chemistry.