안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
나트륨이 물과 반응하여 폭발하는 원인은 격렬한 화학 반응에 의한 수소 기체의 연소와, 반응 초기에 발생하는 쿠롱 폭발 현상 때문입니다.
나트륨은 최외각 전자가 1개인 1족 알칼리 금속으로, 전자를 잃고 양이온이 되려는 성질이 매우 강합니다. 나트륨이 물과 만나면 순식간에 전자를 내어주며 수산화 나트륨과 수소 기체를 생성하고 엄청난 반응열을 방출합니다. 이때 생성된 수소 기체가 나트륨 아래에서 쿠션 역할을 하고, 반응열에 의해 나트륨이 녹아 동그란 방울 형태로 물 위를 굴러다니게 되고, 방출된 수소 기체가 강한 반응열에 의해 공기 중의 산소와 반응하여 불꽃을 일으키며 폭발합니다.
그리고 나트륨이 물에 닿자마자 짧은 시간 내에 폭발하는 진짜 원인은 정전기적 반발력인 쿠롱 폭발에 있습니다. 나트륨이 물에 닿는 순간 나트륨 표면의 전자가 물로 대량 이동하고, 전자를 빼앗긴 나트륨 표면은 순간적으로 강력한 양전하가 형성됩니다. 같은 양전하끼리 밀어내는 강한 정전기적 척력을 견디지 못하고, 나트륨 금속이 나노 단위의 미세한 가시 형태로 사방으로 사출되며 파괴됩니다. 미세하게 쪼개진 나트륨 입자들이 물과의 접촉면을 폭발적으로 넓히면서 반응 속도가 기하급수적으로 증가해 연쇄적인 대폭발을 일으킵니다. 즉, 쿠롱 폭발로 인해 나트륨 표면이 순식간에 쪼개져 물과의 반응 영역이 폭발적으로 늘어나고, 이 과정에서 발생한 대량의 수소 기체가 반응열로 인해 불타오르면서 폭발하게 됩니다.