钠和水
一小块钠放到水上，浮着，熔成一颗发亮的小球，嘶嘶地乱跑，身后拖出粉红色的尾迹。
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泡在油里的金属
钠是一种金属，却软得用小刀一切就开。刚切开的一面亮得像镜子，几秒钟就暗下去，蒙上一层灰白。
钠会和空气里的氧、水汽起反应。测量表明，最初 6.5 秒里，表面就长出了一层氧化物。所以钠平时泡在石蜡油里，要用的时候才取出一块。
演示由老师来做。英国皇家化学会的做法是切 4 毫米见方的一小块，用滤纸吸掉油，用镊子放到一大盆水上，前面挡着防护屏，人人戴护目镜。
钠块 · 刚切开的一面 · 石蜡油里的储存瓶 · 滤纸 · 镊子
比水轻
钠放到水上，没有沉下去。它的密度是每立方厘米 0.968 克，比水轻约 3%。熔化以后更轻，在熔点时约 0.93 克。
锂和钾也比水轻：锂约 0.53，只有水的一半多一点；钾约 0.86。它们放到水上都会浮着。
密度（克每立方厘米）：锂 0.534 · 钾 0.862 · 钠 0.968 · 水 0.998（20 °C）
熔成一颗小球
钠一碰到水就起反应，放出热量。钠的熔点很低，只有 97.8 °C，这一小块几乎马上就熔了，缩成一颗银色的小球。
这块 4 毫米见方的钠约 0.062 克，反应完共放出约 500 焦的热；把它从 20 °C 加热到熔点再熔化，只要约 13 焦，约是放出的热的 2.7%。
大部分热进了水里。只要百分之三左右的热留在金属里，金属就会熔化。
这块钠：放出 约 500 焦 · 熔化它 约 13 焦 · 约 2.7%
在水面上乱跑
熔化的小球在水面上乱跑，一路嘶嘶作响，冒着气泡。
反应在小球下面、水面以下放出氢气，喷出的气推着它走。哪一边喷得多，它就往另一边去，所以它不停地转向，撞到盆边又弹回来。反应放热，钠和周围的水越来越热，反应也越来越快。
它一边跑一边变小：钠正一点点变成溶在水里的钠离子。在本页的模型里，这块钠约 14 秒就全部反应完了。
本页的模型：0.062 克钠，20 °C 的水，约 14 秒反应完
冒出来的是氢气
钠和水反应：2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂。两个钠原子换出一个氢分子，也就是一个 H₂。
这块 0.062 克的钠放出约 0.0013 摩尔氢气，在 20 °C、一个大气压下约 32 毫升，约有两汤匙。
钠在水面上通常不会着火。它要是粘在盆壁上，或者落在浮着的滤纸上，热散不出去，氢气就可能烧起来，火焰是黄色的，那是钠的焰色，见“焰色与光谱”一页。
2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ · 0.062 克钠 → 约 32 毫升氢气
身后的粉红色
钠不是粉红的，氢气也不是。水里滴了几滴酚酞，它遇碱变成粉红色，见“氨的喷泉”一页。
反应生成的氢氧化钠溶在水里，是强碱。小球刚经过的地方碱最浓，粉红色就沿着它的路线出现，再慢慢散开。
这块钠全部溶进盆里约 1.4 升水，氢氧根约每升 0.002 摩尔，pH 约 11.3。工厂里用电解盐水的办法来做氢氧化钠，见“用电拆开盐水”一页。
酚酞：pH 8.3 以下无色，以上变粉 · 这盆水最后 pH 约 11.3
锂、钠、钾
锂、钠、钾在元素周期表里排在同一列。锂浮着，稳稳地冒泡，不熔化，也不着火；钠熔成小球乱跑；钾熔得更快，放出的热点着了氢气，火焰是淡紫色的。
往下一格，最外面那个电子离原子核更远，更容易被拿走。拿走它要的能量：锂约 520，钠约 496，钾约 419 千焦每摩尔。金属在原电池里交出电子，也是这件事。
反应得快不等于放热多。按每摩尔算，锂放出的热反而最多：锂约 223 千焦，钠约 184 千焦，钾约 197 千焦。锂放热慢，熔点又高，180.5 °C，所以它熔不了，最安静。
第一电离能：锂 约 520 · 钠 约 496 · 钾 约 419 千焦每摩尔 · 熔点 180.5 · 97.8 · 63.5 °C
大块为什么会炸
大块的碱金属扔进水里会爆炸。教科书上的解释是：放出的热、水蒸气，还有被点着的氢气。可是反应一开始，金属表面就该被氢气和水蒸气隔开，反应应当慢下来。
2015 年，一个研究组用每秒约一万帧的高速摄像机，拍下室温下是液体的钠钾合金液滴落进水里：约 0.3 到 0.4 毫秒时，液滴伸出一根根金属的尖刺；周围的水泛出蓝色：水里溶进了电子。
他们的模拟显示，几皮秒之内，表面的金属原子就把电子交给了水，剩下的正离子互相排斥，把液滴撕开，这叫库仑爆炸。新的金属面不断露出来，反应就停不下来。他们说的是爆炸最初的一步；固体的钠块是不是也这样，还不清楚。
库仑爆炸 · 钠钾合金液滴 · 约 0.3–0.4 毫秒长出尖刺（示意，不按时间比例）
1807 年，用电取出的钠
钠太活泼，自然界里只有它的化合物。1807 年 10 月，汉弗莱·戴维把一组很大的伏打电池接到一小块苛性钾上：负极上冒出一颗颗像水银一样发亮的小球，那是钾。几天后，他用更强的电，从苛性钠里取出了钠。
他在 11 月 19 日的讲演里写道：钠扔到水上，剧烈地冒泡，发出很响的嘶嘶声，却不发光；钾一碰到水，就带着明亮的火焰炸开。今天的演示里，看到的还是这样的差别。
钠放回水里，又变回苛性钠，也就是氢氧化钠，正是盆里让酚酞变粉的那种碱。
1807 · 汉弗莱·戴维 · 电解苛性钾和苛性钠
一样一样拆开
七样东西：结晶皿、白瓷砖、钠块、手术刀、镊子、滤纸、储存瓶。最要紧的是：钠块要小，盆要大，钠不能碰手，也不能沾到别处的水。
结晶皿 · 白瓷砖 · 钠块 · 手术刀 · 镊子 · 滤纸 · 储存瓶
换一种金属
这是本页的模型，按上面写的几条式子在网页里算：金属块当作一个球，表面以固定的速度反应；放出的热有一部分留在金属里，其余进了水；金属向水散热按静止的小球算；它按热容升温，到熔点吸收熔化热，最多热到沸点；温度超过 500 °C，也就是氢气在空气里的自燃温度，氢气就着火。每种金属反应多快、多少热留在金属里，是模型自己取的，只为让 20 °C 水里的一小块和演示里看到的一样。
每按一次“放进水里”，就重新来一次：选金属、质量和水温，看它熔不熔、模型里最热到多少度、放出多少氢气、氢气着不着火。这是网页上的模型，不是做实验的方法。
本页的模型 · 热和氢气按测得的数据算 · 反应速度是模型自己取的
试一试实验台上选钾，放进 20 °C 的水里：它熔化了吗？氢气着火了吗？再换成同样质量的锂，放出的氢气是多是少？
模型省略了什么
台上是老师演示的模型：一只 190 毫米的结晶皿垫着一张卡纸，一块白瓷砖、手术刀、镊子、滤纸和储存瓶，不是哪一套实物的复制。英国皇家化学会用的是一个 5 升的玻璃水槽和通用指示剂，前面挡两块防护屏；这里照美国一些大学的演示，用结晶皿和酚酞，防护屏没有画出来。金属块当作一个球，表面各处反应一样快；反应速度和留在金属里的热是模型自己取的；向水散热按静止的小球算，没有算气垫、水的流动和氢气燃烧放的热；氢气的自燃温度各家来源不同，从 500 °C 到约 574 °C，这里用最低的 500 °C。模型里的温度只用来判断熔不熔、着不着火，不是测得的数。小球怎样跑、尾迹怎样散开，是画出来的，不是算出来的。库仑爆炸一章的尖刺是示意，形状和时间都不按比例。
几个容易误会的地方
钠在水面上通常不是“烧”起来：它熔化、乱跑、放出氢气；粘在盆壁上时氢气才可能着火。钾的氢气会着火。粉红色不是钠的颜色，是酚酞在氢氧化钠溶液里的颜色。钠浮着，是因为它比水轻约 3%；氢气是推着它跑。锂最安静，不是因为它放的热少，按每摩尔算它放的热最多，只是放得慢。2015 年的研究说的是钠钾合金液滴爆炸最初的一步，没有说氢气燃烧不起作用。
常见问题 · 5
- 钠为什么要泡在油里保存？
钠会和空气里的氧、水汽起反应。测量表明，最初 6.5 秒里，表面就长出了一层氧化物。所以钠平时泡在石蜡油里，要用的时候才取出一块。
01泡在油里的金属 ↑- 钠为什么能浮在水上？
钠放到水上，没有沉下去。它的密度是每立方厘米 0.968 克，比水轻约 3%。
02比水轻 ↑- 钠放到水里为什么会熔成小球？
钠一碰到水就起反应，放出热量。钠的熔点很低，只有 97.8 °C，这一小块几乎马上就熔了，缩成一颗银色的小球。
03熔成一颗小球 ↑- 钠在水面上为什么到处乱跑？
反应在小球下面、水面以下放出氢气，喷出的气推着它走。哪一边喷得多，它就往另一边去，所以它不停地转向，撞到盆边又弹回来。
04在水面上乱跑 ↑- 钠和水反应放出的是什么气体？
钠和水反应：2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂。两个钠原子换出一个氢分子，也就是一个 H₂。
05冒出来的是氢气 ↑
资料来源
- 英国皇家化学会（RSC）、Nuffield Foundation：Reactivity trends of the alkali metals（演示做法、安全、锂钠钾在水里的样子、锂最难切）
- 英国皇家化学会：Reactivity series of metals，技术员说明（2021；切块大小：锂 5、钠 4、钾 3 毫米见方）
- D. Fleming（2015）：Exploding some myths，Education in Chemistry（锂为什么最安静；库仑爆炸的界限）
- CLEAPSS：Student Safety Sheet 80，Alkali metals（米粒大小、镊子、护目镜、防护屏）
- 科罗拉多大学博尔德分校化学演示：X818 Periodic Trends – Alkali Metals in Water（结晶皿、酚酞、粉红的尾迹）
- J. Clark：Chemguide，Reactions of the Group 1 elements with water（熔成银色小球；锂放热最多却最慢；钾的氢气着火）
- F. Senese：General Chemistry Online（Frostburg State University），Why is the reaction between sodium and water so spectacular?（水面下喷出的氢气推着它跑）
- OpenStax：Chemistry 2e，18.1（碱金属：很软，泡在矿物油里保存，和水生成碱和氢气）
- OpenStax：Chemistry 2e，附录 G（标准生成焓）
- OpenStax：Chemistry 2e，14.7（酚酞：pH 8.3 以上变粉）
- 美国国家标准与技术研究院：NIST 原子光谱数据库，电离能
- 美国国家标准与技术研究院：NIST-JANAF 热化学表（锂、钠、钾的热容、熔点、熔化热）
- 美国国家医学图书馆：PubChem，钠（HSDB 转引 Merck Index、CRC 手册：密度、“刚切开时有光泽，在空气里变暗变灰”）
- J. K. Fink、L. Leibowitz（1995）：Thermodynamic and Transport Properties of Sodium Liquid and Vapor，阿贡国家实验室（液态钠的密度）
- 美国国家标准与技术研究院：NIST Chemistry WebBook，水的密度和热导率（IAPWS）
- 国际纯粹与应用化学联合会 CIAAW：标准原子量
- 美国国家标准与技术研究院：CODATA 2022 推荐值（摩尔气体常数 R）
- F. Oliva 等（2019）：Study of the spontaneous oxidation of sodium in air by EPMA and Monte Carlo simulations，Appl. Surf. Sci. 480（最初 6.5 秒里长出的氧化层）
- P. E. Mason、F. Uhlig、V. Vaněk、T. Buttersack、S. Bauerecker、P. Jungwirth（2015）：Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water，Nature Chemistry 7
- 不伦瑞克工业大学新闻稿（2015，德文，chemie.de 转载）：碱金属和水的剧烈反应
- H. Davy（1808）：The Bakerian Lecture, on some new Phenomena of chemical Changes produced by Electricity，Phil. Trans. R. Soc. 98（1807 年 11 月 19 日宣读）
数据
Densities of lithium, sodium and potassium from the CRC Handbook and the Merck Index (via PubChem’s HSDB records), liquid sodium’s from J. K. Fink and L. Leibowitz (Argonne National Laboratory, 1995); melting points, heat capacities and heats of fusion from the NIST-JANAF tables (M. W. Chase, 1998); standard enthalpies of formation from OpenStax Chemistry 2e (appendix G); first ionisation energies from the NIST Atomic Spectra Database; atomic weights from IUPAC’s CIAAW; water’s density and thermal conductivity from the NIST Chemistry WebBook (IAPWS); hydrogen’s autoignition temperature from the NFPA (via PubChem); R and the standard atmosphere are the exact CODATA 2022 values. The heats, the hydrogen, the pH and the run of the piece are computed here; the run is the page’s own model. The demonstration after the Royal Society of Chemistry’s Practical Chemistry pages and technician notes, CLEAPSS, the lecture demonstrations of the University of Colorado Boulder, and J. Clark’s Chemguide; the hydrogen’s jets after F. Senese (Frostburg State University); the Coulomb explosion after P. E. Mason, F. Uhlig, V. Vaněk, T. Buttersack, S. Bauerecker and P. Jungwirth, Nature Chemistry (2015), and TU Braunschweig’s release; D. Fleming in Education in Chemistry (2015); the first sodium after H. Davy’s Bakerian Lecture, read on 19 November 1807. The bench is this page’s model of a teacher’s demonstration: a 190 mm crystallising dish on a sheet of card, a white tile, a scalpel, forceps, filter paper and a stock jar under paraffin oil; not a copy of any one set. Material presets and the model kit as on the site’s other model plates (public/looks/CREDITS.md).
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沿这个问题继续
图版 75焰色与光谱把一点金属盐放进几乎无色的煤气火焰，火焰就染上颜色：锂深红，钠黄，钾淡紫，锶深红，钡黄绿，铜绿或蓝。颜色属于金属，和盐的另一半、和火都无关：火焰的热把金属原子里的电子抬到高一级的能级，它落回去时，只放出几种固定波长的光。分光镜用狭缝、棱镜和望远镜把这些光分开，每种金属都是自己的几条亮线。1860 和 1861 年，基尔霍夫和本生用它从矿泉水和锂云母里找到了两种新元素：铯和铷。烟花用的也是这些金属。
图版 84氨的喷泉一只干燥的烧瓶装满氨气，倒扣在一杯水上方。挤进几滴水，氨大量溶进水里，瓶里的气压一下子降下去；外面的大气把烧杯里的水压上管子，从尖嘴喷进瓶里，遇到溶在水里的氨就变成粉红色。20 °C 时一体积水能溶下七百多体积氨气；粉红色来自水里的酚酞：氨溶在水里是弱碱。换成氯化氢也一样，蓝色石蕊变红。
