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钠是一种典型的碱金属元素，具有银白色的金属光泽，质地柔软，密度小。钠原子的电子排布为2、8、1，最外层只有一个电子。由于最外层电子距离原子核较远，受到的束缚力较弱，因此钠具有强烈的失电子倾向，化学性质非常活泼。这种电子结构特点是钠能够与水发生剧烈反应的根本原因。
水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，分子式为H₂O。由于氧原子的电负性比氢原子大，氧原子吸引电子的能力更强，使得氧原子带部分负电荷，氢原子带部分正电荷，形成极性分子。水分子的键角为104.5度，具有明显的偶极矩。这种极性结构使得水分子之间能够形成氢键，也是水能够与钠发生反应的重要因素。
钠与水反应的机理可以分为三个步骤。首先，钠原子失去最外层电子，变成钠离子。这个电子具有很高的能量，能够转移给水分子。当水分子接受电子后，分解为氢氧根离子和氢原子。最后，两个氢原子结合形成氢气分子并逸出。整个反应的化学方程式为：2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂。这是一个氧化还原反应，钠被氧化，水被还原。
从热力学角度分析，钠与水反应是一个强放热反应。钠的电离能为496千焦每摩尔，水分子中氧氢键的键能为463千焦每摩尔，而氢氧化钠的生成焓为负425.6千焦每摩尔。整个反应的焓变为负368千焦每摩尔，说明反应释放大量热量。虽然反应需要一定的活化能来启动，但由于反应的强放热性质，使得反应能够自发进行并且非常剧烈。
钠与水反应时会产生多种明显的现象。首先，钠块会在水面上快速移动，这是因为产生的氢气推动钠块运动。反应过程中发出嘶嘶声，是由于氢气快速产生造成的。钠块会逐渐变小直至完全消失，说明钠被完全消耗。由于反应强烈放热，溶液温度会明显升高。最后，如果向溶液中加入酚酞试剂，溶液会变成红色，这证明生成了强碱性的氢氧化钠。