text: 30天化学巡航 
  几乎所有化学的初学者都喜欢看把碱金属扔进水中的“实验”。在中学阶段，大多数学生最多只能接触到钠和钾与水反应的现象（毕竟是高考考点）。当小块钠进入水中时，主要的现象只有钠块熔化和滋滋作响地放出氢气（我知道还有其他的三条，但是这里不做展开介绍了）；当小块的钾被投入水中，则会燃烧起来同时在反应后期发生小规模的爆炸（事实上大块的钠与水反应也可能引发爆炸）。更加活泼的铷和铯则会在接触到水的瞬间就剧烈爆炸。
  然而，这个看上去十分简单粗暴的反应背后的机理却并不简单。高中对于“爆炸”这一现象最常见的解释是：碱金属与水反应放出的热量引爆了氢气。这种观点大体上没有问题，但不要忘了碱金属与水的反应应该是一个表面反应，也就是其速率受到碱金属与水接触面的限制，因此似乎不应该反应得这么快。
  事实上，碱金属有一个非常简单粗暴的特性，就是它们都极其容易把自己的唯一一个电子扔出去。在极性溶液中，它们把电子扔出去的方式则更加简单粗暴：
  像盐那样电离成碱金属离子和电子。
  在水的作用下，碱金属会迅速形成水合碱金属离子和溶剂合电子，这一步可以称为碱金属的溶剂化。这种在极性溶剂中电离的情况并不少见。以钠为例，将金属钠投入液态的氨中，会得到一种深蓝色的溶液：
  钠在液氨溶液中电离（左）的示意图和钠的液氨溶液（右）。[1]
  这种溶液的分解并不像钠和水的反应一样迅速：它缓慢地分解为氢气和氨基钠（NaNH2）。溶液的深蓝色来自于电子在溶剂氨分子形成的空腔内的运动，这是溶剂合电子的特征颜色。回到碱金属与水的反应上来，如果我们用高速摄影机记录碱金属与水的反应，也会看到类似的蓝色：
  可以看到，在碱金属与水反应的过程中，熟悉的深蓝色同样出现了。这与之前碱金属和氨的反应是类似的，只是在这个过程中，不稳定的水合电子代替了氨合电子。它的稳定性比氨合电子要差得多，在生成之后（大概几毫秒内）就迅速分解为氢氧根和氢气，不借助高速摄影机很难捕捉到这种不稳定的蓝色。
  碱金属进入水中之后，表面的一层电子会迅速被周围的水分子俘获，使得碱金属表面产生一层带正电的碱金属阳离子。这种碱金属阳离子之间存在巨大的静电斥力，因此引发“库仑爆炸”（Coulomb explosion）[2]。在排斥的过程中，静电斥力会在碱金属的表面拉出诸多刺状结构，增大碱金属与水接触的表面积，进一步引发碱金属与水的反应。这使得碱金属与水的反应远远比一般的两相反应来得快，从而最终在短时间内产生大量氢气，同时释放热量。
  分子动力学对钠簇在水中反应的模拟结果。当碱金属表面的正电荷（蓝色小球）与负电荷（红色小球）之间的平均距离大于5×10^-10m时，库仑爆炸就会迅速发生。[2]
  在液面局部区域，氢气的浓度是相当大的。如果碱金属足够活泼（电离得更快）或量够大，那么这个过程中释放出的热量足以混合氢气和氧气并将它们点燃，引发“真正的”爆炸现象。
  之前我们提到了碱金属与液氨的反应。那么，为什么碱金属和液氨的反应不会发生爆炸呢？事实上，碱金属和液氨的反应过程中同样存在库仑爆炸现象，“金属刺”同样会生成。不同的是，液氨合电子的稳定性要远远好于水合电子。这与氨分子及水分子的电子结构关系密切：由于氧具有更大的电负性，在水分子中，氢上带有更多的正电荷，因此比氨分子更容易俘获电子。因此，尽管碱金属与氨的反应同样迅速，这一过程并不会产生大量的氢气，因此也不会发生爆炸。
  References:
  [1]Feng, H., Cheng, R., Zhao, X., Duan, X., & Li, J. (2013). A low-temperature method to produce highly reduced graphene oxide.Nature communications,4(1), 1-8.
  [2]Mason, P. E., Uhlig, F., Vaněk, V., Buttersack, T., Bauerecker, S., & Jungwirth, P. (2015). Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water.Nature chemistry,7(3), 250.