لماذا ينفجر الصوديوم عند ملامسته الماء؟

تُعد ظاهرة انفجار قطعة من فلز الصوديوم عند وضعها في الماء واحدة من أكثر التجارب الكيميائية إثارة وخطورة في آن واحد. إنها ليست مجرد مشهد بصري مبهر، بل هي تجسيد حي لمبادئ كيميائية عميقة تتعلق بالبنية الذرية، والديناميكا الحرارية، وحركية التفاعلات. يتجاوز التفسير العلمي لهذه الظاهرة مجرد القول بأن الصوديوم عنصر نشط كيميائياً؛ إنه يغوص في تفاصيل دقيقة تشرح سلسلة من الأحداث المتتالية التي تؤدي إلى هذا الإطلاق العنيف للطاقة. في هذه المقالة، سنقوم بتشريح شامل للتفاعل بين الصوديوم والماء، مستعرضين الخواص الكيميائية والفيزيائية لكلا المادتين، وآلية التفاعل خطوة بخطوة، ومصادر الطاقة الناتجة، وصولاً إلى أحدث النظريات التي تفسر السرعة الخارقة لهذا التفاعل. إن فهم هذا التفاعل لا يقتصر على الأهمية الأكاديمية، بل يمتد إلى تطبيقات السلامة في الصناعة والمختبرات حيث يتم التعامل مع هذا الفلز القلوي الخطير.

الخواص الفيزيائية والكيميائية لعنصر الصوديوم

لفهم سبب السلوك العنيف الذي يبديه الصوديوم، يجب أولاً تحليل بنيته الذرية وخصائصه الفريدة. يقع الصوديوم (Na) في المجموعة الأولى من الجدول الدوري، وهي مجموعة الفلزات القلوية. يتميز تركيبه الإلكتروني بوجود إلكترون واحد فقط في غلافه الخارجي (غلاف التكافؤ)، وتحديداً في المدار 3s¹. هذا الإلكترون الوحيد هو مفتاح القصة بأكملها. فهو بعيد نسبياً عن النواة الموجبة، ومحجوب عنها بالإلكترونات الموجودة في المدارات الداخلية، مما يجعله مرتبطاً بشكل ضعيف جداً بالذرة.

هذا الارتباط الضعيف يتجلى في خاصيتين أساسيتين: طاقة التأين المنخفضة والسالبية الكهربائية المنخفضة. طاقة التأين هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون من الذرة في حالتها الغازية. يمتلك الصوديوم إحدى أقل طاقات التأين بين جميع العناصر، مما يعني أنه يتخلى عن إلكترون التكافؤ هذا بسهولة فائقة ليتحول إلى أيون موجب مستقر (Na⁺) بتركيب إلكتروني مشابه لغاز النيون النبيل. هذه الرغبة الشديدة في فقدان الإلكترون تجعل من الصوديوم عاملاً مختزلاً قوياً للغاية، فهو يتوق إلى التفاعل مع أي مادة قادرة على استقبال هذا الإلكترون، وهنا يأتي دور الماء. من الناحية الفيزيائية، الصوديوم فلز لين، فضي اللون، يمكن قطعه بسكين، وله كثافة أقل من كثافة الماء (حوالي 0.97 جم/سم³)، وهذا يفسر سبب طفوه على سطح الماء عند بدء التفاعل، مما يزيد من مساحة السطح المعرضة للتفاعل.

التركيب الفريد لجزيء الماء ودوره في التفاعل

على الجانب الآخر من المعادلة، لدينا الماء (H₂O)، وهو مركب قد يبدو بسيطاً ومستقراً، لكن بنيته الجزيئية تجعله شريكاً مثالياً في هذا التفاعل العنيف. يتكون جزيء الماء من ذرة أكسجين مرتبطة بذرتي هيدروجين بروابط تساهمية قطبية. نظراً لأن الأكسجين يمتلك سالبية كهربائية أعلى بكثير من الهيدروجين، فإنه يجذب إلكترونات الرابطة نحوه بقوة أكبر، مما يمنحه شحنة جزئية سالبة (δ-) ويترك ذرتي الهيدروجين بشحنة جزئية موجبة (δ+).

هذه القطبية تجعل جزيء الماء مذيباً فعالاً وشريكاً تفاعلياً قوياً. عندما تقترب ذرة الصوديوم المتعادلة من جزيئات الماء، ينجذب إلكترون التكافؤ السالب الشحنة في الصوديوم بقوة نحو ذرات الهيدروجين ذات الشحنة الجزئية الموجبة في جزيئات الماء المحيطة. هذا التجاذب الكهروستاتيكي يسهل ويسرّع عملية انتقال الإلكترون من ذرة الصوديوم إلى جزيء الماء، لتبدأ بذلك الشرارة الأولى لسلسلة التفاعلات. إن وجود الماء ليس فقط كمتفاعل، بل كبيئة قطبية تستقبل الإلكترون، هو أمر حاسم لفهم سرعة التفاعل.

آلية التفاعل الكيميائي بين الصوديوم والماء

عندما يلتقي الصوديوم الصلب (Na(s)) مع الماء السائل (H₂O(l))، يحدث تفاعل أكسدة-اختزال فوري وعنيف. يمكن تمثيل التفاعل الكيميائي الإجمالي بالمعادلة التالية:

2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g)

لتحليل هذه المعادلة بشكل أعمق، يمكن تقسيمها إلى نصفين:

1. نصف تفاعل الأكسدة: تفقد ذرة الصوديوم إلكترونها الوحيد في غلاف التكافؤ وتتحول إلى أيون صوديوم موجب.
   Na → Na⁺ + e⁻
   هذه العملية تجعل الصوديوم “العامل المختزل”.
2. نصف تفاعل الاختزال: يكتسب جزيء الماء الإلكترون الذي فقده الصوديوم. هذا الإلكترون يكسر إحدى روابط O-H في جزيء الماء، مما يؤدي إلى تكوين أيون الهيدروكسيد (OH⁻) وذرة هيدروجين متعادلة.
   H₂O + e⁻ → OH⁻ + H
   بعد ذلك، تتحد ذرتا هيدروجين معاً لتكوين جزيء غاز الهيدروجين (H₂).
   2H → H₂

الناتجان الرئيسيان لهذا التفاعل هما هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، وهو قاعدة قوية تذوب في الماء المتبقي، وغاز الهيدروجين (H₂)، وهو غاز شديد الاشتعال. التفاعل بحد ذاته ليس هو الانفجار، بل هو المسبب الرئيسي لسلسلة الأحداث التي تؤدي إليه. فالتفاعل بين الصوديوم والماء ينتج المكونات اللازمة للانفجار: الوقود (غاز الهيدروجين) والحرارة (الطاقة الناتجة عن التفاعل).

الطاقة الحرارية الهائلة: المحرك الرئيسي للانفجار

يكمن قلب العنف في هذا التفاعل في كونه تفاعلاً طارداً للحرارة (Exothermic) بشكل كبير جداً. إن التغير في المحتوى الحراري (Enthalpy Change, ΔH) لهذا التفاعل سالب للغاية، ويبلغ حوالي -368 كيلوجول لكل مولين من الصوديوم. هذا يعني أنه عند تفاعل 23 جراماً فقط من الصوديوم مع الماء، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة على شكل حرارة في جزء من الثانية.

هذه الحرارة الناتجة لها ثلاثة تأثيرات حاسمة ومترابطة:

1. صهر الصوديوم: درجة انصهار الصوديوم منخفضة نسبياً (97.8 درجة مئوية). الحرارة الناتجة عن التفاعل الأولي كافية لصهر قطعة الصوديوم الصلبة على الفور، وتحويلها إلى كرة سائلة فضية. هذا التحول يزيد بشكل كبير من مساحة السطح المتاحة للتفاعل مع الماء، مما يؤدي إلى تسارع التفاعل بشكل هائل في حلقة مفرغة من ردود الفعل الإيجابية (Positive Feedback Loop): تفاعل أسرع يولد حرارة أكثر، مما يزيد مساحة السطح، مما يؤدي إلى تفاعل أسرع.
2. غليان الماء: الحرارة الشديدة تتسبب في غليان الماء المحيط بكرة الصوديوم المنصهرة، مما ينتج بخار ماء. هذا البخار يدفع كرة الصوديوم السائلة ويجعلها تنزلق وتتحرك بسرعة على سطح الماء، مما يضمن تعرضها المستمر لجزيئات الماء الجديدة واستمرار التفاعل.
3. إشعال غاز الهيدروجين: هذا هو التأثير الأكثر أهمية وخطورة. الحرارة المنبعثة من تفاعل الصوديوم مع الماء تكون عالية بما يكفي لتتجاوز درجة حرارة الاشتعال الذاتي لغاز الهيدروجين في وجود أكسجين الهواء (حوالي 500 درجة مئوية).

غاز الهيدروجين: وقود الانفجار الناتج عن تفاعل الصوديوم والماء

كما ذكرنا، ينتج التفاعل كميات كبيرة من غاز الهيدروجين (H₂). هذا الغاز هو وقود ممتاز ولكنه شديد الخطورة. عندما يتم إشعاله بوجود الأكسجين (O₂) من الهواء المحيط، فإنه يتفاعل بسرعة انفجارية لتكوين الماء مرة أخرى، وفقاً للمعادلة:

2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) + Energy

إذن، “الانفجار” الذي نراه ونسمعه ليس تفاعل الصوديوم مع الماء بحد ذاته، بل هو الاحتراق الانفجاري لغاز الهيدروجين الناتج عن التفاعل. الحرارة الشديدة الصادرة عن تفاعل الصوديوم الأولي هي عود الثقاب الذي يشعل هذا الوقود الغازي. التفاعل يحدث في ثلاث خطوات متتالية وسريعة جداً:

1. الصوديوم + الماء → هيدروكسيد الصوديوم + غاز الهيدروجين + حرارة.
2. الحرارة تشعل غاز الهيدروجين.
3. غاز الهيدروجين + أكسجين الهواء → انفجار (تكوين الماء).

هذه السلسلة من الأحداث تفسر لماذا يبدو أن هناك تأخيراً طفيفاً أحياناً (جزء من الثانية) بين إضافة الصوديوم إلى الماء وحدوث الانفجار. هذا هو الوقت اللازم لتوليد كمية كافية من الحرارة وغاز الهيدروجين للوصول إلى نقطة الاشتعال.

نظرية “الانفجار الكولومي”: تفسير أعمق لسرعة التفاعل

لسنوات عديدة، كان النموذج الحراري التقليدي (إشعال الهيدروجين) هو التفسير السائد. ولكن في عام 2015، قدم فريق من الباحثين بقيادة بافيل جونغفيرث تفسيراً إضافياً أكثر دقة يسبق الاشتعال الحراري، وذلك باستخدام كاميرات عالية السرعة ومحاكاة حاسوبية. لقد لاحظوا أن التفاعل يبدأ بشكل متفجر أسرع مما يمكن تفسيره بالانتقال الحراري وحده.

أطلقوا على هذه الظاهرة اسم “الانفجار الكولومي” (Coulomb Explosion). تقترح هذه النظرية ما يلي:
عندما تلامس قطعة الصوديوم سطح الماء، تنتقل الإلكترونات من ذرات الصوديوم إلى الماء بسرعة فائقة (في غضون بيكوثواني). هذا يترك وراءه طبقة سطحية من أيونات الصوديوم الموجبة (Na⁺) على قطعة الفلز. هذه الأيونات الموجبة المتراكمة تتنافر مع بعضها البعض بقوة كهروستاتيكية هائلة (قوة كولوم). هذا التنافر الشديد يؤدي إلى تفكك وتمزق سطح الفلز بشكل عنيف، مطلقا شظايا معدنية صغيرة تشبه المسامير أو الأشواك في الماء المحيط.

هذه العملية تزيد من مساحة سطح الصوديوم المعرضة للماء بشكل هائل وفوري، مما يسرّع التفاعل إلى مستويات لم يكن النموذج الحراري وحده قادراً على تفسيرها. إذن، الانفجار الكولومي هو الآلية الأولية التي “تمزق” قطعة الصوديوم وتكشف عن أسطح جديدة، مما يمهد الطريق للتفاعل الطارد للحرارة لإنتاج الهيدروجين وإشعاله. كلا النموذجين (الكولومي والحراري) يكملان بعضهما البعض لتقديم صورة كاملة عن سبب كون تفاعل الصوديوم والماء عنيفاً وسريعاً للغاية.

عوامل تؤثر على شدة تفاعل الصوديوم مع الماء

لا يكون التفاعل دائماً بنفس الشدة، بل يتأثر بعدة عوامل:

• كمية الصوديوم: كلما زادت كمية الصوديوم، زادت كمية الحرارة والهيدروجين الناتجة، وبالتالي كان الانفجار أكبر وأكثر عنفاً.
• مساحة السطح: مسحوق الصوديوم يتفاعل بشكل أسرع وأكثر عنفاً من قطعة كبيرة، لأنه يوفر مساحة سطح أكبر للتلامس الفوري مع الماء.
• درجة حرارة الماء: استخدام الماء الساخن يسرّع من معدل التفاعل الأولي، مما يؤدي إلى وصول أسرع إلى نقطة اشتعال الهيدروجين.
• الشوائب: وجود طبقة من الأكسيد أو الهيدروكسيد على سطح الصوديوم يمكن أن يبطئ التفاعل الأولي قليلاً عن طريق تشكيل حاجز واقٍ.

مقارنة تفاعل الصوديوم مع تفاعلات الفلزات القلوية الأخرى

يتبع تفاعل الفلزات القلوية مع الماء نمطاً واضحاً في الجدول الدوري. كلما اتجهنا إلى أسفل المجموعة، يزداد نشاط الفلز ويصبح تفاعله مع الماء أكثر عنفاً.

• الليثيوم (Li): يتفاعل بقوة مع الماء، ولكنه أبطأ من الصوديوم. ينتج الهيدروجين والحرارة، لكن الحرارة غالباً لا تكون كافية لإشعال الهيدروجين.
• الصوديوم (Na): كما شرحنا، يتفاعل بعنف، ينصهر، وينتج حرارة كافية لإشعال غاز الهيدروجين مما يسبب انفجاراً.
• البوتاسيوم (K): أكثر نشاطاً من الصوديوم لأن إلكترون تكافؤه أبعد عن النواة ويسهل فقدانه. يتفاعل مع الماء بشكل فوري وعنيف جداً، ويشعل الهيدروجين على الفور، مما ينتج لهباً بنفسجياً مميزاً (لون أيونات البوتاسيوم في اللهب).
• الروبيديوم (Rb) والسيزيوم (Cs): يتفاعلان بشكل انفجاري شديد حتى مع كميات ضئيلة من الماء أو حتى مع الجليد عند درجات حرارة منخفضة جداً، مما يجعلهما من أخطر الفلزات في التعامل معها.

الخلاصة: رقصة كيميائية عنيفة

في الختام، فإن انفجار الصوديوم عند ملامسته للماء ليس حدثاً واحداً، بل هو سلسلة متكاملة من الظواهر الفيزيائية والكيميائية التي تحدث في أجزاء من الثانية. يبدأ الأمر بالخصائص الذرية الفريدة لعنصر الصوديوم، ورغبته الشديدة في التخلي عن إلكترون التكافؤ. يقابل هذه الرغبة الطبيعة القطبية لجزيء الماء، الذي يستقبل هذا الإلكترون بسهولة. هذا التبادل الإلكتروني يطلق تفاعلاً طارداً للحرارة يولد طاقة هائلة. هذه الطاقة تصهر الصوديوم، وتنتج وقوداً قابلاً للاشتعال (غاز الهيدروجين)، وتوفر الشرارة اللازمة لإشعاله. وتضيف نظرية الانفجار الكولومي بعداً آخر، موضحة أن التنافر الكهروستاتيكي يلعب دوراً حاسماً في تمزيق الفلز وتسريع التفاعل بشكل فوري. إن هذا التفاعل المذهل بين الصوديوم والماء يظل مثالاً نموذجياً يوضح كيف يمكن للتفاعلات على المستوى الذري أن تترجم إلى إطلاق هائل للطاقة على المستوى المرئي، مذكراً دائماً بالقوة الكامنة في عالم الكيمياء.

الأسئلة الشائعة

1. هل ينفجر فلز الصوديوم نفسه، أم أن الانفجار الذي نراه ناتج عن عامل آخر؟

هذا سؤال دقيق ومهم لفهم الظاهرة بشكل صحيح. فلز الصوديوم نفسه لا “ينفجر” بالمعنى التقليدي لتفكك المادة. الانفجار الذي نراه ونسمعه هو في الواقع احتراق سريع وعنيف لغاز الهيدروجين (H₂) الذي يتم إنتاجه كناتج ثانوي أساسي من التفاعل الكيميائي بين الصوديوم والماء. يمكن تفصيل العملية كالتالي: أولاً، يحدث تفاعل أكسدة-اختزال طارد للحرارة بشكل هائل بين الفلز والماء، مما ينتج هيدروكسيد الصوديوم وغاز الهيدروجين. ثانياً، الحرارة الهائلة المنبعثة من هذا التفاعل الأولي ترفع درجة حرارة النظام المحيط بما يكفي لتجاوز درجة حرارة الاشتعال الذاتي لغاز الهيدروجين بوجود أكسجين الهواء. ثالثاً، يشتعل مزيج الهيدروجين والأكسجين بشكل انفجاري، مما ينتج صوت الانفجار واللهب المميز. لذا، يمكن اعتبار تفاعل الصوديوم مع الماء هو “المُشعل” الذي يوفر كل من الوقود (الهيدروجين) والطاقة الحرارية اللازمة لإشعال هذا الوقود.

2. لماذا يعتبر تفاعل الصوديوم مع الماء طارداً للحرارة بهذا الشكل العنيف؟

ترجع الطبيعة الطاردة للحرارة الشديدة لهذا التفاعل إلى الفارق الكبير في استقرار المواد المتفاعلة والنواتج. من منظور الديناميكا الحرارية، يمتلك نظام مكون من الصوديوم الفلزي والماء السائل طاقة كامنة (محتوى حراري) أعلى بكثير من نظام النواتج المكون من هيدروكسيد الصوديوم المائي وغاز الهيدروجين. السبب الجذري هو أن ذرة الصوديوم غير مستقرة نسبياً بسبب وجود إلكترون تكافؤ وحيد مرتبط بشكل ضعيف. عند التفاعل، يفقد الصوديوم هذا الإلكترون بسهولة ليشكل أيون الصوديوم (Na⁺) المستقر للغاية، والذي يمتلك توزيعاً إلكترونياً مشابهاً للغاز النبيل. في المقابل، يتكون أيون الهيدروكسيد (OH⁻) وتتكون رابطة قوية ومستقرة في جزيء الهيدروجين (H₂). هذا الانتقال من حالة طاقة عالية (متفاعلات غير مستقرة) إلى حالة طاقة منخفضة جداً (نواتج مستقرة) يطلق فارق الطاقة الهائل على شكل حرارة، وهو ما نلاحظه كتفاعل عنيف وطارد للحرارة.

3. ما هو الدور الدقيق الذي تلعبه نظرية “الانفجار الكولومي” في تفسير التفاعل؟

تقدم نظرية “الانفجار الكولومي” تفسيراً مكملاً وحاسماً للسرعة الخارقة التي يبدأ بها التفاعل، والتي لا يمكن تفسيرها بالكامل عبر آليات انتقال الحرارة التقليدية وحدها. وفقاً لهذه النظرية، بمجرد ملامسة قطعة الصوديوم لسطح الماء، تحدث عملية نقل إلكترونات شبه فورية من ذرات الصوديوم السطحية إلى جزيئات الماء. هذا يترك وراءه طبقة من أيونات الصوديوم الموجبة (Na⁺) على سطح الفلز. نظراً لأن الشحنات المتشابهة تتنافر، فإن التنافر الكهروستاتيكي الهائل (قوة كولوم) بين هذه الأيونات الموجبة المتجاورة يؤدي إلى تمزيق وتفتيت سطح الفلز بشكل عنيف. هذه العملية تطرد شظايا معدنية دقيقة ومتناهية الصغر إلى الماء المحيط، مما يزيد بشكل هائل وفوري من مساحة السطح الفعالة للتفاعل. بعبارة أخرى، الانفجار الكولومي هو الآلية التي “تُعد” قطعة الصوديوم للتفاعل الكامل عن طريق تفكيكها على المستوى المجهري، مما يسمح للتفاعل الطارد للحرارة بالحدوث بأقصى سرعة ممكنة.

4. لماذا يطفو الصوديوم ويتحرك بسرعة على سطح الماء أثناء التفاعل؟

هناك عاملان رئيسيان يفسران هذه الحركة السريعة والمميزة. أولاً، كثافة الصوديوم الفلزي (حوالي 0.97 جم/سم³) أقل قليلاً من كثافة الماء (حوالي 1.0 جم/سم³)، مما يجعله يطفو على السطح. ثانياً، الحركة السريعة والانزلاق العشوائي تنتج عن دفع غاز الهيدروجين المتولد. مع بدء التفاعل بين الصوديوم والماء، يتم إطلاق فقاعات غاز الهيدروجين من جميع أسطح قطعة الصوديوم المغمورة جزئياً. هذه الفقاعات تعمل كمحركات نفاثة صغيرة، حيث تدفع قطعة الصوديوم المنصهرة (بفعل حرارة التفاعل) في اتجاهات مختلفة. هذه الحركة تضمن أيضاً أن قطعة الصوديوم تتعرض باستمرار لجزيئات ماء جديدة لم تتفاعل بعد، مما يحافظ على استمرارية التفاعل وسرعته حتى يتم استهلاك الفلز بالكامل.

5. هل يتفاعل الصوديوم بنفس الطريقة مع الثلج أو بخار الماء؟

نعم، يتفاعل الصوديوم مع الماء في جميع حالاته الفيزيائية (صلبة، سائلة، غازية)، ولكن تختلف سرعة التفاعل وشدته.

• مع الثلج (ماء صلب): التفاعل أبطأ بكثير مقارنة بالماء السائل لأن جزيئات الماء في الشبكة البلورية للثلج تكون مقيدة الحركة وأقل قدرة على التفاعل. ومع ذلك، فإن التفاعل لا يزال طارداً للحرارة بما يكفي لصهر الثلج في منطقة التلامس، مما يخلق طبقة رقيقة من الماء السائل تسرّع التفاعل تدريجياً.
• مع بخار الماء (ماء غازي): يتفاعل الصوديوم أيضاً مع بخار الماء، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة. التفاعل يمكن أن يكون عنيفاً أيضاً، حيث يتكون هيدروكسيد الصوديوم وغاز الهيدروجين. هذا التفاعل هو مصدر قلق كبير في بعض التطبيقات الصناعية، مثل المفاعلات التي تستخدم الصوديوم السائل كمبرد، حيث يمكن أن يؤدي أي تسرب للبخار إلى تفاعل خطير.

6. ما سبب ظهور اللهب باللون الأصفر البرتقالي عند انفجار الصوديوم؟

اللون الأصفر البرتقالي الساطع والمميز للهب هو نتيجة مباشرة لظاهرة كيميائية فيزيائية تُعرف باختبار اللهب لأيونات الصوديوم. الحرارة الهائلة الناتجة عن التفاعل الكيميائي لا تشعل الهيدروجين فحسب، بل تثير أيضاً إلكترونات ذرات وأيونات الصوديوم الموجودة في منطقة التفاعل. عندما تكتسب هذه الإلكترونات طاقة، فإنها تقفز إلى مستويات طاقة أعلى (مدارات إلكترونية أبعد عن النواة). هذه الحالة المثارة غير مستقرة، وسرعان ما تعود الإلكترونات إلى حالتها الطاقية المستقرة. أثناء عودتها، تطلق الطاقة المكتسبة على شكل فوتونات ضوئية. بالنسبة للصوديوم، فإن الانتقال الإلكتروني الأكثر شيوعاً (من المدار 3p إلى 3s) يطلق ضوءاً بطول موجي محدد جداً يقع في الجزء الأصفر من الطيف المرئي (حوالي 589 نانومتر). هذا هو نفس المبدأ المستخدم في مصابيح بخار الصوديوم التي تضيء الشوارع بلونها الأصفر المميز.

7. كيف يختلف تفاعل البوتاسيوم مع الماء عن تفاعل الصوديوم؟ ولماذا؟

تفاعل البوتاسيوم (K) مع الماء هو أكثر عنفاً وفورية من تفاعل الصوديوم. يرجع هذا الاختلاف إلى موقع كل عنصر في المجموعة الأولى من الجدول الدوري. يقع البوتاسيوم أسفل الصوديوم، مما يعني أن له غلافاً إلكترونياً إضافياً. نتيجة لذلك، يكون إلكترون التكافؤ في البوتاسيوم (في المدار 4s¹) أبعد عن النواة وأكثر تحجباً بالإلكترونات الداخلية. هذا يجعله مرتبطاً بشكل أضعف بكثير من إلكترون التكافؤ في الصوديوم (3s¹)، وبالتالي فإن طاقة تأين البوتاسيوم أقل. هذا يعني أن البوتاسيوم يفقد إلكترونه بسهولة أكبر وسرعة أعلى عند ملامسته للماء، مما يؤدي إلى تفاعل أولي أسرع ومعدل إطلاق حرارة أكبر. الحرارة الناتجة تكون كافية لإشعال غاز الهيدروجين الناتج على الفور تقريباً، مما ينتج لهباً بنفسجياً أو وردياً (لون أيونات البوتاسيوم المثارة في اللهب).

8. هل يمكن استخدام مواد أخرى غير الماء لإطفاء حريق الصوديوم؟

إطلاقاً، لا يجب استخدام الماء أبداً لإطفاء حريق الصوديوم، لأن ذلك سيؤدي إلى تفاقم الحريق بشكل انفجاري عن طريق إنتاج المزيد من غاز الهيدروجين القابل للاشتعال. كما لا يمكن استخدام مطافئ ثاني أكسيد الكربون (CO₂) لأن الصوديوم شديد النشاط ويمكنه اختزال ثاني أكسيد الكربون إلى كربون. الطريقة الصحيحة والم المعتمدة لإطفاء حرائق الفلزات القلوية مثل الصوديوم (حرائق الفئة D) هي عن طريق خنقها باستخدام مواد خاملة وجافة. أفضل المواد المستخدمة هي مطافئ المسحوق الجاف المتخصصة التي تحتوي على مركبات مثل كلوريد الصوديوم (ملح الطعام الجاف)، أو مسحوق الجرافيت، أو الرمل الجاف جداً. تعمل هذه المواد على تغطية الفلز المشتعل وعزله تماماً عن أكسجين الهواء، مما يؤدي إلى إخماد الحريق بفعالية وأمان.

9. ما هي نواتج التفاعل النهائية، وما هي خصائصها؟

النواتج النهائية للتفاعل الكيميائي بين الصوديوم والماء هما مادتان رئيسيتان:

1. هيدروكسيد الصوديوم (NaOH): وهو مركب أيوني صلب في حالته النقية، ولكنه في هذا التفاعل يتكون مذاباً في فائض الماء المحيط، مكوناً محلولاً مائياً. يُعرف هيدروكسيد الصوديوم بأنه قاعدة قوية جداً (مادة قلوية)، مما يعني أنه يتفكك بالكامل في الماء إلى أيونات الصوديوم (Na⁺) وأيونات الهيدروكسيد (OH⁻). هذا المحلول الناتج يكون كاوياً وشديد التآكل للجلد والأنسجة البيولوجية. يمكن الكشف عنه بسهولة باستخدام ورقة عباد الشمس التي تتحول إلى اللون الأزرق، أو باستخدام كاشف الفينولفثالين الذي يعطي لوناً وردياً زاهياً.
2. غاز الهيدروجين (H₂): وهو غاز عديم اللون والرائحة، وأخف من الهواء بكثير. خصيصته الأكثر أهمية في سياق هذا التفاعل هي قابليته الشديدة للاشتعال. يتفاعل انفجارياً مع الأكسجين عند وجود مصدر إشعال (وهو الحرارة الناتجة عن التفاعل نفسه).

10. هل هناك أي تطبيقات عملية للاستفادة من تفاعل الصوديوم مع الماء؟

على الرغم من خطورته، إلا أن المبادئ الكامنة وراء تفاعل الصوديوم مع الماء تجد تطبيقات غير مباشرة ومهمة. يُستخدم الصوديوم الفلزي على نطاق واسع في الصناعة الكيميائية كعامل مختزل قوي في إنتاج فلزات أخرى مثل التيتانيوم والزركونيوم من كلوريداتها. كما أن ناتج التفاعل، هيدروكسيد الصوديوم، هو مادة كيميائية صناعية حيوية تستخدم في صناعة الصابون والمنظفات والورق والألمنيوم. أما إنتاج الهيدروجين، فعلى الرغم من أن هذا التفاعل ليس الطريقة العملية لإنتاجه، إلا أن الهيدروجين نفسه وقود نظيف ومهم. بشكل مباشر أكثر، تم استكشاف تفاعلات مشابهة في أنظمة الطوارئ، مثل بعض أنظمة توليد الغاز للوسائد الهوائية القديمة التي كانت تستخدم أزيد الصوديوم، والذي يتفكك حرارياً لإنتاج غاز النيتروجين، مع تفاعل الصوديوم الناتج مع مركبات أخرى لجعله آمناً.