Spektakuläre Schulchemie: Startpunkt von explosiver Natrium-Wasser-Reaktion entschlüsselt

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    Aufnahmen mit Hochgeschwindigkeitskamera offenbaren bisher unbekannten Prozess – Metallionen stoßen sich ab


    Prag (Tschechische Republik)/Braunschweig - 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. Deutsche und tschechische 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.


    „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“, sagt Pavel Jungwirth von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag. Dazu analysierte er zusammen mit Kollegen von der Technischen Universität Braunschweig die ersten Momente der explosiven Reaktion mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Die Forscher tropften dazu etwa 100 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.


    Doch der extrem kurze Zeitraum davor zeigte sich in den Kameraaufnahmen umso aufschlussreicher. So verdrängte der Alkalimetall-Tropfen nach 0,2 Millisekunden etwas Wasser vergleichbar mit dem Eintauchen eines Steins. Aber nur 0,1 Millisekunden später konnten die Forscher zahlreiche sternförmige Zacken erkennen, die sich rund um den Tropfen rasant ausbreiteten. Diese Zacken stießen in das umgebende Wasser mit einer extremen Beschleunigung von etwa dem Tausendfachen der Erdbeschleunigung vor. Die metallischen Zacken dehnten sich aus und vergrößerten so die Kontaktfläche zwischen Wasser und Metalllegierung um ein Vielfaches. Laut Jungwirth kann mit dieser Zackenbildung erklärt werden, warum sich um Alkalimetalle bei Wasserkontakt nicht schnell eine schützende, reaktionshemmende Oxidschicht bilde.


    Über die reine Beobachtung hinaus gingen die Forscher den Details bei der Zackenbildung genauer auf den Grund. So simulierten sie die allerersten Augenblicke einer Natrium-Wasser-Explosion mit molekulardynamischen Modellen. Dabei zeigte sich, dass schon nach billionstel Bruchteilen einer Sekunde (Pikosekunden) die Natriumatome 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 Forscher als Ursache für die beobachtete Zackenbildung.


    Kameraaufnahmen und Simulation stehen in einem sehr guten Einklang miteinander. So konnten Jungwirth und Kollegen eine eigentlich gut erforschte chemische Reaktion nun signifikant besser erläutern. „Ich wäre sehr glücklich, wenn diese Ergebnisse nun auch zu den Lehrern an den Schulen durchdringen könnten“, sagt Jungwirth.

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