這是一個經典的化學惡作劇：取一塊鈉或鉀金屬，扔進水中，觀看爆炸。儘管這種煙火表演令一代又一代化學專業的學生感到驚歎，但直到現在，人們對此仍存在誤解。發表在《自然化學》雜誌上的一篇論文揭示了這一點。
布拉格捷克科學院的帕維爾·榮格維爾特及其合作者表示，爆炸不僅僅是鹼金屬從水中釋放出的氫氣被點燃的結果。那可能最終會發生，但最初卻是一種更為奇怪的現象：電子的快速逸出，隨後是金屬的爆炸，而爆炸是由電斥力驅動的。
神經學家和著名作家奧利弗·薩克斯也是一位化學愛好者，他在他的書《鎢舅舅》中將這種現象描述為“帶有復仇意味的化學”。他寫道，小時候，他和他的朋友們從當地的化學品供應商那裡買了一塊鈉，並將其傾倒在北倫敦的海gate池塘中：“它立刻著火了，像一顆瘋狂的流星一樣在水面上飛速旋轉，上面冒著巨大的黃色火焰。”
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塊狀的鈉是一種銀白色的金屬，在室溫下是一種柔軟的固體。如果它與水接觸，就會產生氫氧化鈉和氫氣。鉀的反應甚至更劇烈。這些反應釋放出大量的熱，因此人們很自然地認為爆炸是氫氣燃燒造成的。
但榮格維爾特指出，對於一個化學反應要產生失控的爆炸性結果，反應物需要快速有效地混合。然而，就鹼金屬而言，金屬表面釋放出的氫氣和蒸汽應該會阻止更多的水到達金屬表面。如果沒有持續的水供應來推動反應，反應應該會逐漸停止。
榮格維爾特的同事菲利普·梅森決心找出真正的原因——儘管存在危險。有一次，他為了吹滅小火而摘下了面罩，結果一塊金屬在他臉上爆開，劃傷了他的臉頰。為了獲得可靠的反應——鈉有時會在表面氧化，並且不會爆炸——梅森使用了鈉和鉀的合金，這種合金在室溫下是液態的。
高速攝像機揭示了一個重要的線索，說明了早期階段是什麼在推動劇烈的反應。反應在從注射器釋放出的金屬液滴進入水後不到一毫秒就開始了。僅僅0.4毫秒後，金屬“尖峰”從液滴中射出，速度太快，不可能是加熱造成的。更重要的是，在0.3毫秒到0.5毫秒之間，這個尖刺狀的液滴周圍被溶液中深藍色/紫色的顏色包圍。
當榮格維爾特的同事弗蘭克·烏利格對僅包含19個鈉原子的簇進行了量子力學計算機模擬時，這兩個觀察結果的原因變得清晰起來。他發現，簇表面上的每個原子在僅僅幾個皮秒（10–12 秒）內都會失去一個電子，而這些電子會射入周圍的水中，在那裡它們被溶劑化（被水分子包圍）。
已知水中溶劑化的電子具有在影片中短暫觀察到的深藍色。它們的離開使金屬簇充滿了帶正電的離子，這些離子相互排斥。結果就是所謂的庫侖爆炸，其中簇由於其離子之間的相互靜電（庫侖）斥力而爆裂開來。
密歇根州立大學（東蘭辛）的無機化學家詹姆斯·戴伊是溶劑化電子方面的專家，他說：“這篇論文完整而有趣地描述了反應的早期階段。” “我已經做過幾十次演示，並且想知道為什麼鈉球經常在表面跳舞，而鉀會導致爆炸性行為。”
本文經許可轉載，首次發表於2015年1月26日。