Forscher zähmen Natrium

Die Reaktion von einem Kilogramm Natrium und Wasser. Bild: Ajhalls (Explosivemetals.com) [Public domain] / Wikimedia Commons

Wenn man sich an irgend etwas aus dem Chemieunterricht erinnert, dann wohl an die heftige Reaktion von Natrium und Wasser. Das zischende Metall, der Dampf und auch die zum Teil heftigen Explosionen machen diese einfache Reaktion zu einem der beliebtesten chemischen Experimente und zu einer effektiven Entsorgungsmethode für Altbestände des Metalls.

Die einfache Reaktion von Natrium und Wasser steht symbolisch für die Chemie selbst.
Die heftige Reaktion von Natrium und Wasser ist auch ein Symbol dafür, wie die Chemie öffentlich wahrgenommen wird.

Dass diese Reaktion noch längst nicht vollständig erforscht ist und viele Überraschungen bietet, berichtet nun ein internationales Forscherteam im Fachblatt Angewandte Chemie. Den Wissenschaftlern aus Deutschland, der Tschechischen Republik und Russland gelang es zum ersten Mal, das hochreaktive Metall ohne die berühmt-berüchtigte Explosion mit Wasser reagieren zu lassen. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera gelangen ihnen dabei einzigartige Aufnahmen:

In der Reaktion lösen sich erst Elektronen aus dem Natrium. Diese spalten dann das Wasser in Hydroxid und Wasserstoffgas.
Zuerst lösen sich Elektronen aus dem Natrium. Die spalten dann das Wasser in Hydroxid und Wasserstoffgas.

In der erstmals kontrolliert ablaufenden Reaktion sieht man zuerst eine blaue Färbung. Diese entsteht durch die Elektronen die das unedle Metall verlassen haben und sich im Wasser lösen. Anschliessend heizt sich die Reaktion so sehr auf, dass die Kugel aus flüssigem Metall rot glüht. Nach dem Abklingen der Glut besteht die Kugel aus durchsichtigem, geschmolzenem Hydroxid, das auf dem Wasser tanzt wie ein Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte. Nachdem sich die Substanz abgekühlt hat, zerspringt sie plötzlich und spektakulär im Wasser.

Schlafender Tiger: Natrium ist von einer grauen Oxidschicht umgeben und lässt sich wie ein Hartkäse schneiden. Bild: Superplus, Universität Ulm [CC BY-SA 3.0] / Wikimedia Commons
Schlafender Tiger: Natrium ist von einer grauen Oxidschicht umgeben und lässt sich mit dem Messer schneiden. Weil es mit Luftfeuchtigkeit reagiert, wird es in Paraffin gelagert. Bild: Superplus, Universität Ulm [CC BY-SA 3.0] / Wikimedia Commons
Die „Zähmung“ dieser explosiven Mischung gelang den Chemikern durch eine wichtige Erkenntnis: Natrium explodiert in Wasser, weil die Metalloberfläche sich stark positiv auflädt nachdem die Elektronen das Metall verlassen. Das Natrium wird dadurch instabil. Und zwar so instabil, dass Metallsplitter aus dem Natrium in das Wasser schiessen, was die Reaktion noch weiter beschleunigt. Diese sogenannte „Coulomb-Explosion“ kann verhindert werden, in dem man die Kontaktfläche zwischen dem Metall und dem Wasser einschränkt.

In ihrem Experiment bewahrten die Chemiker eine Legierung aus dem reaktiven Natrium und dem noch reaktiveren Kalium in Pentan (einem Bestandteil von Leichtbezin) auf, um eine unerwünschte Reaktion mit Luftfeuchtigkeit zu verhindern. Dem Pentan war allerdings ein einzelner Tropfen Isopropanol beigemischt, der die Explosion des Metalls im Wasser verhinderte. Um zu verhindern, dass sich der Wasserstoff entzündet, der bei der Reaktion ebenfalls entsteht, führten die Forscher das Experiment unter einer Atmosphäre aus Schutzgas durch.

Professor Pavel Jungwirth von der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik hofft, mit dieser Arbeit den Chemieunterricht und die Schulbücher zu korrigieren:

Den Schülern werden die Alkalimetall-Reaktionen gezeigt, aber es könnte auf eine weitaus bessere und elegantere (und sicherer) Art geschehen. Sie könnten die blauen Elektronen im Wasser mit eigenen Augen sehen und die richtige Erklärung dieses überraschend komplexen Phänomens bekommen.

Obwohl in diesem Experiment keine Explosion stattfinden sollte, mahnen die Wissenschaftler natürlich zu strengen Sicherheitsvorkehrungen: Es sollten nur geringe Mengen Alkalimetall verwendet werden (weniger als 100 Milligramm) und es muss unter Ausschluss von Sauerstoff gearbeitet werden. Zusätzlich ist das Tragen eines Gesichtsschildes ein Muss.

3 Kommentare

  1. Wenn ich die Reaktion mit Natrium (bzw. Lithium und Kalium) zeige, schneide ich blanke Würfelchen mit einer Kantenlänge < 5mm (entspricht bei Natrium < 125 Milligramm) und gebe sie (einzeln!) an der Luft auf dem Tageslichtprojektor in eine Petrischale mit Wasser und etwas Phenolphthalein – und setze die Schüler ggfs. etwas auf Abstand. Das gibt mit Natrium auch einen schönen "Hovercraft-Effekt" mit rosa Hydroxid-Spur dank des Indikators, und in der Regel entzündet sich das Ganze erst beim Kalium sichtbar. Aufbewahrt werden die Alkalimetalle in der Schule übrigens unter "Petrolethern" – das Prinzip ist das Gleiche wie beim Pentan.

    Die "gezähmte" Variante mit der Kugel sieht aber auch spannend aus – insbesondere, da hier in der Schweiz viele Schulen mit Tischkameras ausgestattet sind, die die Projektion des Versuchs im kleinen Massstab per Beamer auf die (Lein-)Wand ermöglichen. Aber woher bekommt man Natrium-Kugeln, wenn man keine Glovebox hat, um sie selbst zu formen…?

    Anbei: Darf ich diesen Artikel in meinem "gebloggten Periodensystem" für Natrium verlinken? 🙂

    Liebe Grüsse,
    Kathi

    • Hallo Kathi,
      dass man eine Glovebox im Vorbereitungsraum stehen haben sollte, sehe ich ebenso als das große Problem an diesem Versuch. Und der Experiment selbst wird ja auch im Schutzgas-Gegenstrom durchgeführt. Aber dafür gibt es ja tolle Video.
      Ich selbst habe in meiner Zeit als Forscher ein bis zwei mal im Jahr mit 200 Gramm Natrium für eine bestimmte Reaktion arbeiten müssen. Das war (vorsichtig gesagt) spannend.

      Natürlich darfst du den Beitrag sehr gerne in dein Periodensystem reinnehmen, ich würde mich freuen 🙂

      Liebe Grüße,
      Marco

      • 200 Gramm Natrium sind allerdings eine Marke. Ich habe eine Zeit lang an einer Berufsmittelschule (die hiesige Möglichkeit für Azubis, an der Berufsschule ein „Fachabi“ („Berufsmatur“) zu machen) unterrichtet und mit der dort vorhandenen Sammlung Alkalimetall-Vorräte in ähnlicher Grössenordnung übernommen. Besonders die Flasche mit sicher 100-200g Kalium in ziemlich korrodierten 15mm-Würfeln unter Petrolether war reichlich abenteuerlich (mir ist aber zum Glück nie was um die Ohren geflogen).

        Mein verspielter Math-Nat-Bereichsleiter hat dereinst vorgeschlagen, das Zeug im Zuger See zu entsorgen…das hätte dann wohl ausgeschaut wie auf dem Bild am Anfang deines Artikels ;). Schlussendlich haben wir das Ganze aber einem Entsorgungsfachmann überlassen, der sicher eine friedlichere Lösung gefunden hat…

        Der Artikel ist jetzt übrigens im gebloggten PSE verlinkt :).

        Liebe Grüsse,
        Kathi

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