Sodyum Patlaması: Suya Atılan Sodyumun Patlamasının Gerçek Nedeni!

Eğer temel kimya deneyleriyle ilgileniyorsanız, herkesin favori deneylerinden biri olan, sodyumun suya atılması sonucu şiddetle patladığını gösteren deneyi görmüşsünüzdür. Eğer bunu daha önce hiç görmediyseniz, aşağıda kendi yaptığımız versiyonunu izleyebilirsiniz:

Sodyum elementi ("elemental sodyum") suyla birleştiğinde şiddetli bir şekilde patlar. Ancak ilginç bir şekilde, sinir hücrelerimizin çalışmasını mümkün kılan elementlerden biri de sodyumdur: Bir nöron ateşlendiğinde, sodyum/potasyum pompası denen bir hücresel kapıdan geçen sodyum iyonları, sinir hücrelerimizin ateşlenmesini mümkün kılar. Benzer şekilde, sofra tuzundaki iki elementten biri de sodyumdur. Peki element hâlindeki sodyum, yukarıdaki videoda da görebileceğiniz gibi şiddetle patlarken, hücrelerimiz içinde bolca su içinde bulunan sodyum veya bir bardağa döktüğümüz tuzdan açığa çıkan sodyum nasıl olur da aynı şekilde patlayıp bizi öldürmez?

Bunu anlamak için, kimyanın büyülü dünyasına bir yolculuk yapmamız gerekiyor.

Sodyum Nedir? Neden Suda Patlar?

Sodyum elementini daha yakından tanımak isterseniz, Periyodik Cetvel projemizdeki sodyum girdisini okuyabilirsiniz. Ancak kısa bir özet geçecek olursak sodyum, son derece yumuşak olan (bıçakla bile rahatlıkla kesilebilen) bir alkali metaldir. Lityum, sodyum, potasyum, rubidyum, sezyum ve fransiyum elementlerini içeren alkali metaller, yapıları gereği son derece reaktif elementlerdir (bunun sebeplerine birazdan geleceğiz). Bu elementlere "alkali metal" denmesinin nedeni, suyla tepkimeye girdikleri zaman "alkali" adı verilen, sodyum hidroksit veya potasyum hidroksit gibi hidrojen ve oksijen bağlı hidroksit molekülleri üretmeleridir. Örneğin sodyum elementi, suyla bir araya geldiğinde aşağıdaki tepkime yaşanır:

$2N{a}_{(s)}+2H_{2}O\to 2NaO{H}_{(aq)}+H_{2(g)}$

Bu tepkime denkleminin söylediği şudur: Katı halde 2 adet sodyum molekülü, 2 adet su molekülüyle birleşerek, suda çözünmüş 2 adet sodyum hidroksit (alkali) ve hidrojen gazı üretir. Bu tepkime, egzotermik bir tepkimedir; yani aynı zamanda etrafa bolca ısı saçılır. Bu sırada sodyum metali, karakteristik bir turuncu alevle yanar (yukarıdaki videoda bu yanmayı da görebilirsiniz).

Sodyum elementinin bu kadar reaktif olmasının en temel nedeni, alkali metallerin soygazlardan sadece 1 elektron ve 1 proton fazlası bulunmasıdır (örneğin sodyum, neon isimli soygazdan 1 elektron ve 1 proton fazlasına sahiptir). Soygazlar, neredeyse hiçbir şekilde tepkimeye girmemeleriyle bilinen ilginç elementlerdir. Bu tepkime sevmezliklerinin nedeni, atomlarının etrafındaki son orbitallerinin elektronla dolu olmasıdır. Bu, onları ultra-dengeli hale getirir ve diğer hiçbir elementle kolay kolay tepkimeye girmezler. Ancak bir elementin ultra-dengeli olması için illâ soygaz olması gerekmez: Elektron alıp vererek soygaz gibi olan her element, ultra-denge hâline kavuşabilecektir. İşte sodyumun elektron verme isteği de bundandır: Evren'deki her süreç gibi, dengesiz bir formdan dengeli bir forma ulaşarak, daha düşük enerjili bir konfigürasyona kavuşabilir.

Buna tekrar döneceğiz; ancak burada meşhur izaha da yer verelim: Yukarıda formülünü verdiğimiz sodyum-su tepkimesinde saçılan ısı, hidrojen gazının havadaki oksijenle güçlü bir şekilde tepkimeye girmesini sağlar. İşte birçok kaynakta sodyum-su tepkimesinin bu kadar "patlayıcı" olma nedeninin, sodyum-su tepkimesi sırasında açığa çıkan ısının, hidrojen-oksijen tepkimesiyle birleşmesi olduğu söylenir. Ancak sodyum-su tepkimesinin şiddetle patlamasının gerçek nedeni bu değildir ve kimyasal tepkime dinamiklerini düşünen herhangi bir kişinin hemen fark edeceği üzere, gerçek neden bu olamaz.

Sodyum-Su Tepkimesinin Gerçek Nedeni: Coulomb Patlaması

Sodyum-su tepkimesinin gerçek nedeninin ısı saçımı ve hidrojen-oksijen tepkimesi olamayacağı, tepkimenin gerçekleşme hızından ve biçiminden anlaşılabilir: Sodyumun suyla bu düzeyde patlayıcı bir tepkimeye girebilmesi için, sodyum ile suyun çok etkili bir şekilde karışabilmesi gerekmektedir. Normalde bir sodyum bloğunu (veya parçasını) suya bıraktığınızda, sadece dış yüzeyi suyla tepkimeye girecektir. Bu durumda bir patlama olmasını beklemezsiniz; çünkü saçılan hidrojen gazı, suyu sodyumdan uzaklaştıracak ve tepkimeyi durduracaktır. Sodyum-su tepkimesinin normalde patlayabilmesi için, onları sürekli birbirine karıştıran bir araç olmalıdır. Bunun noksanlığında, başka bir mekanizmanın patlamayı mümkün kılması beklenir.

Bu mekanizmayı tespit etmenin zorluğu, sodyum-su tepkimesinin sıra dışı bir hızda gerçekleşiyor olmasıdır. Bu nedenle, tepkimenin gerçek nedenini görebilmek için ultra yüksek hızlı kameralar kullanılması gerekmektedir; ama bu da kolay değildir: Tepkimenin patlayıcı doğası dolayısıyla, aşırı pahalı olan yüksek hızlı kameralar zarar görebilirler (bu nedenle birçok kurum bu tür deneylere yanaşmaz). Örneğin sodyum-su tepkimesinin birazdan söz edeceğimiz "gerçek nedeni"ni tespit etmeyi başaran Philip E. Mason, Pavel Jungwirth ve Çek Cumhuriyeti Bilimler Akademisi'nden bir grup araştırmacı, bu zorlukla ilgili şöyle diyor:

Amacımız, sodyum metalini in flagrante, yani kimyasal patlamadan hemen önce yakalayabilmekti. Bunun için tepkimeyi saniyede 10.000 karede çekmemiz gerekiyordu. Bunu yapabilen kameralar oldukça pahalıdır: yaklaşık 50.000 dolar civarında. Neyse ki Imaging Solutions isimli firma, bize haftada 1.000 dolara bu kameralardan birini kiralamayı kabul etti. Bu anlaşmada önemli olan detay, firmaya o kameralarla ne yapacağımızı söylemememiş olmamızdı.

Öncelikle tepkimeyi etkileyen faktörlerin belirlenmesi ve elimine edilmesi gerekiyordu. Ekip, sodyum yüzeyinin temizliği ve ortam sıcaklığı gibi faktörlerin sodyum-su tepkimesini yavaşlattığını fark ettiler. Öncelikle bu faktörlerin etkisi ortadan kaldırdılar, sonraysa son derece hassas bir şırıngayla bir damla su damlasını veya bir sodyum/potasyum alaşımını bir başka su damlasına fışkırtan bir düzenek inşa ettiler. Böylece ultra yüksek hızlı kamerayla tepkimeyi çok daha yakından ve kontrollü bir şekilde gözleyebildiler.

Gözlemleri sonucunda, suya değen sodyum/potasyum alaşımının yüzeyinde, patlamadan önceki 1 milisaniyenin onda biri kadar sürede ufacık dikenler oluştuğunu gördüler. Jungwirth, şöyle diyor:

Sodyum suya değdiği anda, ilk 100 mikrosaniye içinde bir kirpiye dönüşüyor ve sonra bum! Patlama yaşanıyor.

Burada kritik nokta şudur: Sanılanın aksine, su tarafında herhangi bir tepkime yaşanmamaktadır. Tepkimenin tamamı, sodyum tarafında yaşanmaktadır. Çünkü açığa çıkan hidrojenin suyla tepkimeye girmesinden çok önce, bu ufacık dikenler sodyumun patlamasına neden olmaktadır. Dikenlerin moleküler analizini yapan ekip, bu mızraklar aracılığıyla sodyumun neredeyse anlık olarak elektronlarını suya kaybettiğini keşfettiler. Aşağıdaki görseldeki sol 2 panelde (özellikle de orta panelde) bu mızrakları görebilirsiniz.

Nature

Ekibin gösterdiği üzere, elektronlarını aşırı hızla kaybeden sodyum, pozitif yüklü bir alkali iyonuna dönüşüyordu. Elemental sodyum kendi başına dengeli olsa da, elektronlarını bu derece hızlı bir şekilde yitirerek aşırı pozitif yüklü bir element yumağı haline gelen sodyum, tamamen dengesizleşmekteydi. Katı haldeki elementin içindeki pozitif yüklü atomlar birbirlerini büyük bir güçle ittiği için, nihayet bir noktada element öbeği şiddetle patlıyordu. Bu patlamaya, Coulomb Patlaması denmektedir.

Coulomb patlaması, aksi takdirde oldukça sağlam olan moleküllerin aşırı güçlü elektromanyetik alanlar yaratması sonucu şiddetle patlamasına verilen isimdir. Bu tür patlamalarda, bir maddeyi bir arada tutan atomların yüklenmesi sonucu madde katı halde kalmaya devam edemez ve şiddetle etrafa saçılır (patlar). Sodyumun su ile olan tepkimesinde olan da budur.

Hücrelerimizdeki ve Sudaki Sodyum Neden Patlamıyor?

Sodyum elementini bu kadar reaktif yapan şey, element hâlindeki sodyumun son elektron kabuğunda 1 adet elektron bulunmasıdır. Sadece bu da değil: O kabuk, son derece kararsız bir enerji seviyesindedir ve dolayısıyla o elektronu kaybetmek çok kolaydır. İşte yukarıda detaylarını gördüğümüz üzere, sodyumu patlayıcı yapan bu tek elektrondur.

Ama sodyum, o elektronu bir kez verip de iyonize olduğunda, son derece kararlı bir hâle geçer ve artık patlayıcı özelliğini yitirir. İnsan vücudundaki ve suya attığınız tuzdan gelen sodyum, hiçbir zaman elemental formda değildir; her zaman Na⁺ şeklinde, 1 elektronunu yitirmiş pozitif yüklü bir iyon hâlindedir. Dolayısıyla sodyumun hücrelerimizde patlamasını zaten beklemeyiz; böyle bir patlamanın olmaması normaldir.

Sonuç

Göreceğiniz üzere kimya derslerinin vazgeçilmezlerinden olan böylesi temel bir tepkimeyi bile daha yeni yeni tam olarak anlayabilmekteyiz. Bu, daha önceki anlayışımızın tamamen hatalı olduğu anlamına gelmiyor; fakat bilimde her yeni cevabın yeni sorular yarattığından kastımız da işte bu: Sodyum ve su tepkimesinde açığa çıkan ısı ve ürünlerin patlamaya neden olabilecek enerjiye sahip olduğunu net olarak biliyoruz; fakat bunların ortaya çıkış biçimi, bu şekilde bir patlamaya neden olamamalıydı. Çıkan gazlar, sıvı ile metalin etkileşimini kesmeli ve patlamayı önlemeliydi. Neden önleyemiyor?

İşte bu tepkimelere yüksek teknolojiyle, daha yakından baktığımızda, bu sorularımızın da cevaplarını bulabiliyoruz. Eğer nihai cevaba ulaştığımızı varsayıp, daha fazla soru sormasaydık, bu mızrakları belki de uzun yıllar keşfedemeyecektik ve eksik bir açıklamayla tatmin olmuş olacaktık. Bu, Evren'e dönük anlayışımızın eksik kalmasına neden olacaktı. İşte tam da bu nedenle en bariz ve kabul gören konularda bile dürüstçe ve doğru soruları sormaya çabalamalıyız. O soruların cevaplarının bizi nereye götüreceğini hayal bile edemezsiniz!