Aus einem Glas mit Natrium und Wasser steigen Funken auf

Erste Augenblicke einer Natrium-Wasser-Reaktion gefilmt

Die explosive Reaktion von elementarem Natrium mit Wasser gehört zu den spektakulären Höhepunkten des Chemieunterrichts. Bei dem stark exothermen Prozess wird Hitze freigesetzt, Wasser verdampft schlagartig, Wasserstoff und Natronlauge entstehen. Wissenschaftler beobachteten diese Explosion nun mit einer Hochgeschwindigkeitskamera und entdeckten dabei ein bisher unbekanntes Phänomen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ berichten, bildete das Alkalimetall unmittelbar nach dem Kontakt mit Wasser sternförmige Zacken aus.

Aufnahmen einer Alkalimetall-Wasser-ReaktionAufnahmen einer Alkalimetall-Wasser-Reaktion
Aufnahmen einer Alkalimetall-Wasser-Reaktion

Die Forscher um Philip Mason von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag analysierten die ersten Momente der explosiven Reaktion mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Die Forscher tropften dazu etwa hundert Milligramm einer bei Raumtemperatur flüssigen Kalium-Natrium-Legierung in Wasser. Nach nur einer halben Millisekunde hatte sich die Explosion komplett entwickelt und Wasserstoff wurde freigesetzt. Mit den Kameraaufnahmen erfasste das Team aber auch den extrem kurzen Zeitraum davor: Nach 0,2 Millisekunden verdrängte der Tropfen aus Alkalimetallen etwas Wasser – vergleichbar mit dem Eintauchen eines Steins. Nur 0,1 Millisekunden später konnten die Forscher zahlreiche sternförmige Zacken erkennen, die sich rund um den Tropfen rasant ausbreiteten. Diese Zacken stießen mit einer extremen Beschleunigung von etwa dem Tausendfachen der Erdbeschleunigung in das umgebende Wasser. Die metallischen Zacken dehnten sich aus und vergrößerten so die Kontaktfläche zwischen Wasser und Metalllegierung um ein Vielfaches. Laut den Forschern kann mit dieser Zackenbildung erklärt werden, warum sich um Alkalimetalle bei Wasserkontakt nicht schnell eine schützende, reaktionshemmende Oxidschicht bilde.

Neben der reinen Beobachtung simulierten die Forscher die allerersten Augenblicke einer Natrium-Wasser-Explosion auch mithilfe von Modellen. Dabei zeigte sich, dass die Natriumatome schon nach wenigen Billionstel Sekunden ihr äußerstes Elektron an das Wasser abgaben. Die zurückbleibenden positiv geladenen Natriumionen stießen sich gegenseitig so stark ab, dass es zu einer sogenannten Coulomb-Explosion kam. Diese sehen die Wissenschaftler als Ursache für die beobachtete Zackenbildung. „Wenn wir den Start von Alkalimetall-Explosionen in Wasser genau verstehen, können wir das Explosionsrisiko in der Industrie, etwa bei der Kühlung von Kernreaktoren, verringern“, erläutert Koautor Pavel Jungwirth, ebenfalls von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, die Ergebnisse.