这是一个经典的化学恶作剧：取一块钠或钾金属，扔进水中，观看爆炸。尽管这种烟火表演令一代又一代化学专业的学生感到惊叹，但直到现在，人们对此仍存在误解。发表在《自然化学》杂志上的一篇论文揭示了这一点。
布拉格捷克科学院的帕维尔·荣格维尔特及其合作者表示，爆炸不仅仅是碱金属从水中释放出的氢气被点燃的结果。那可能最终会发生，但最初却是一种更为奇怪的现象：电子的快速逸出，随后是金属的爆炸，而爆炸是由电斥力驱动的。
神经学家和著名作家奥利弗·萨克斯也是一位化学爱好者，他在他的书《钨舅舅》中将这种现象描述为“带有复仇意味的化学”。他写道，小时候，他和他的朋友们从当地的化学品供应商那里买了一块钠，并将其倾倒在北伦敦的海gate池塘中：“它立刻着火了，像一颗疯狂的流星一样在水面上飞速旋转，上面冒着巨大的黄色火焰。”
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块状的钠是一种银白色的金属，在室温下是一种柔软的固体。如果它与水接触，就会产生氢氧化钠和氢气。钾的反应甚至更剧烈。这些反应释放出大量的热，因此人们很自然地认为爆炸是氢气燃烧造成的。
但荣格维尔特指出，对于一个化学反应要产生失控的爆炸性结果，反应物需要快速有效地混合。然而，就碱金属而言，金属表面释放出的氢气和蒸汽应该会阻止更多的水到达金属表面。如果没有持续的水供应来推动反应，反应应该会逐渐停止。
荣格维尔特的同事菲利普·梅森决心找出真正的原因——尽管存在危险。有一次，他为了吹灭小火而摘下了面罩，结果一块金属在他脸上爆开，划伤了他的脸颊。为了获得可靠的反应——钠有时会在表面氧化，并且不会爆炸——梅森使用了钠和钾的合金，这种合金在室温下是液态的。
高速摄像机揭示了一个重要的线索，说明了早期阶段是什么在推动剧烈的反应。反应在从注射器释放出的金属液滴进入水后不到一毫秒就开始了。仅仅0.4毫秒后，金属“尖峰”从液滴中射出，速度太快，不可能是加热造成的。更重要的是，在0.3毫秒到0.5毫秒之间，这个尖刺状的液滴周围被溶液中深蓝色/紫色的颜色包围。
当荣格维尔特的同事弗兰克·乌利格对仅包含19个钠原子的簇进行了量子力学计算机模拟时，这两个观察结果的原因变得清晰起来。他发现，簇表面上的每个原子在仅仅几个皮秒（10–12 秒）内都会失去一个电子，而这些电子会射入周围的水中，在那里它们被溶剂化（被水分子包围）。
已知水中溶剂化的电子具有在视频中短暂观察到的深蓝色。它们的离开使金属簇充满了带正电的离子，这些离子相互排斥。结果就是所谓的库仑爆炸，其中簇由于其离子之间的相互静电（库仑）斥力而爆裂开来。
密歇根州立大学（东兰辛）的无机化学家詹姆斯·戴伊是溶剂化电子方面的专家，他说：“这篇论文完整而有趣地描述了反应的早期阶段。” “我已经做过几十次演示，并且想知道为什么钠球经常在表面跳舞，而钾会导致爆炸性行为。”
本文经许可转载，首次发表于2015年1月26日。