Rahsia Letupan Tindakbalas Liar Logam Natrium dan Air Terungkap

Oleh :  Dr Fatimah Binti Salim
Institut Atta-ur-Rahman UITM

Pastinya ramai yang mengetahui tindakbalas kimia luar biasa antara logam natrium (Na), dengan air (H₂O). Tahukah anda yang hasil ‘letupan’ tindakbalas kimia antara logam natrium (dan juga logam alkali lain) dengan air hanya diketahui sepenuhnya pada tahun 2015?

Ini merupakan salah satu bukti bahawa ilmu sains itu sentiasa mengalami penambahbaikan dari masa ke semasa. Dan yang membetulkan konsep asal hasil tindakbalas ini ialah ilmu asas kimia iaitu ion bercas sama akan saling menolak antara satu sama lain. Nak tahu bagaimana tindakbalas ini berlaku dan kenapa ianya mampu menghasilkan letupan yang besar? Jom teruskan membaca, dan sebelum itu jom kita berkenalan dulu dengan logam natrium ini.

Apakah itu logam natrium?

Logam natrium ialah logam yang terbentuk daripada gabungan atom-atom natrium yang terikat secara metalik sesama sendiri (wakaf elektron – delocalised). Atom natrium ini merupakan salah satu logam kepunyaan “alkali bumi” yang terletak di kumpulan pertama (memiliki satu elektron bebas- elektron valensi), barisan kedua (memiliki dua petala utama) dalam Jadual Berkala Unsur (Periodic Table). Elektron valensi adalah elektron yang bertanggungjawab terhadap reaktiviti atom dan terletak pada petala paling luar dalam struktur atomnya. Atom natrium sangat reaktif kerana ianya hanya mempunyi satu sahaja elektron bebas tadi.

Setiap atom akan berusaha mencapai stabiliti iaitu memastikan bilangan elektron pada petala luar (valensi) cukup (penuh). Definisi cukup di sini adalah subjektif kepada sifat kimia atom berkenaan yang mana bergantung kepada jumlah orbital (tempat khusus keberadaan elektron) yang dimiliki pada petala luarnya. Contoh atom hidrogen mempunyai satu orbital yang hanya mampu memuatkan dua elektron, maka stabilitinya adalah duplet, manakala atom natrium pula memiliki empat orbital di petala luar yang mampu memuatkan lapan elektron, maka stabilitinya adalah oktet.

Untuk mencapai stabiliti ini, setiap atom akan bertindak sama ada mengeluarkan elektron dengan menjadi Kation (ion bercas positif) atau menambahkan elektron membentuk Anion (ion bercas negatif) pada petala luar tadi. Pilihan untuk menjadi sama ada ion bercas negatif atau positif bergantung kepada jumlah tenaga minima yang diperlukan untuk mencapai stabiliti ini. Bagi atom natrium, disebabkan hanya mempunyai satu sahaja elektron bebas, maka ianya mempunyai kecenderungan yang sangat tinggi untuk membuang elektron ini kerana logiknya membuang satu elektron memerlukan tenaga yang kurang jika dibandingkan menambah tujuh elektron untuk mencapai stabiliti oktet.

Bagaimana Logam Natrium bertindakbalas dengan air?

Disebabkan pemilikan satu elektron di petala luar tadi, logam natrium bersifat sangat reaktif kerana ianya bersedia bila-bila masa untuk menyingkirkan elektron yang satu ini (bertindakbalas) demi mencapai kestabilan oktet. Dan bilamana sahaja terkena air, atom-atom natrium akan menyingkirkan elektron-elektron mereka dengan mengalami tindakbalas penurunan (kehilangan elektron) ke dalam air membentuk ion-ion positif (Na⁺). Disebabkan pemilikan cas yang sama, ion-ion natrium (Na⁺) yang terhasil ini akan menolak sesama sendiri. Ion yang banyak ini cuba menjauhi sesama sendiri sehinggakan menghasilkan pelanggaran pada permukaan air dan mencetuskan tindakbalas liar (violent reaction).

Pada asalnya, buku teks menerangkan ‘tindakbalas liar’ ini berpunca daripada elektron-elektron bebas merobek (rip apart) molekul-molekul air untuk menghasilkan gas hidrogen dan haba. Pengumpulan gas hidrogen dan haba ini akan mencetuskan api (ignites). Namun pada tahun 2015, Pavel Jungwirth dan rakan-rakan dari Czech Academy of Sciences, mempersoalkan jika teori tindakbalas ini ialah seperti itu, mengapa ianya tidak diselubungi dengan gas hidrogen sebelum terjadinya letupan tadi?

Teori yang diandaikan oleh Jungwirth ialah bukan sahaja molekul air yang terkesan oleh pengeluaran elektron bebas dari atom natrium ini. Malahan ion natrium (Na⁺) yang terbentuk akan menolak antara satu sama lain pada permukaan logamnya agar seboleh mungkin duduk berjauhan. Namun keinginan ini tidak dapat dicapai kerana kedudukan atom-atom natrium yang rapat dalam struktur metalnya dan di masa yang sama tarikan metalik dari elektron-elektron berwakaf tadi. Maka, ion-ion natrium ini akan berlanggar sesama sendiri sehingga terhasilnya luas permukaan yang membolehkan atom-atom yang lain terus memberikan elektron kepada molekul air. Tindakbalas agresif ini tercetus sangat cepat.

Jungwirth berjaya membuktikan teori beliau ini benar dengan memasang camera berkeupayaan tinggi semasa tindakbalas ini sedang berlangsung. Rakaman jelas menunjukkan ion-ion positif meninggalkan logam natrium yang mana saling menolak antara satu sama lain, lalu menamakannya sebagai “coulomb explosion”. Mereka juga menggunakan pengiraan Kuantum Mekanikal untuk mensimulasi tindakbalas ini dan ianya berjaya memberikan sokongan kepada teori mereka.

Apakah hasil tindakbalas ini?

Logam natrium bertindakbalas secara pantas dengan molekul air (H₂O) membentuk larutan tidak berwarna natrium hidroksida (NaOH) dan gas hidrogen (H₂). Disebabkan oleh kehadiran ion Na⁺, ianya akan mengganggu keseimbangan bilangan ion OH^– (menjadi lebih) dan ion H₃O⁺ (menjadi kurang) yang hadir di dalam larutan air, seterusnya menyebabkan larutan hasil tindakbalas ini bersifat bes. Dan tindakbalas ini merupakan eksoterma kerana haba dibebaskan ke persekitaran yang mana jelas terlihat melalui letupan yang terhasil.

“Semoga bermanfaat 😊”

Rujukan :

1) Mason, P.E., Uhlig, F., Vanek, V., Buttersack, T., Bauerecker, S., Jungwirth, P., 2015. Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water. Nature Chemistry 7, 250-254.
2) video dari Chemistry lover

Kredit Foto :
E R DEGGINGER
Shutterstock

Kredit Video : Facebook