イーサンに聞いてください: ナトリウムと水が反応する量子的な理由は何ですか?

ナトリウム金属の塊を水と接触させると、激しく、しばしば爆発的な...[+]反応が起こります。

時々、私たちは人生の早い段階で物事を学び、それが世界の仕組みであると単純に受け入れることがあります。 たとえば、純粋なナトリウムの塊を水に落とすと、その反応の激しさは伝説的です。 金属の塊を濡らすとすぐに、反応は泡立ち、加熱し、ナトリウムが水面で跳ね返り、炎さえも発生します。 確かに、それは単なる化学です。 しかし、根本的なレベルでは、さらに何かが起こっているのではないでしょうか？ それが、読者のСемен Стопкин (ロシア出身のザーメン・ストプキン) が知りたいことです。

化学反応を引き起こす力はどれですか?量子レベルでは何が起こりますか? 特に、水がナトリウムと相互作用すると何が起こるでしょうか? [物理学者 A. ヴィクマンによるロシア語からの翻訳]

ナトリウムと水の反応は古典的なものですが、さらに詳しい説明があります。 まずは反応の展開を見てみましょう。

ナトリウムについてまず知っておくべきことは、原子レベルでは、不活性な希ガスであるネオンよりも陽子と電子が 1 つ多いだけだということです。 希ガスは何とも反応しないことで有名ですが、その理由は、その占有原子軌道がすべて電子で完全に満たされているためです。 この超安定な構成は、周期表で元素が 1 つ増えると台無しになります。これは、このパターンに当てはまるすべての元素で発生します。 ヘリウムは非常に安定ですが、リチウムは反応性が高いです。 ネオンは安定ですが、ナトリウムは反応性があります。 また、アルゴン、クリプトン、キセノンは安定ですが、カリウム、ルビジウム、セシウムは反応性があります。

理由？ 余分な電子です。

元素の周期表は、化学的性質を決定する最大の要素である自由/占有価電子の数 [+] により、そのまま (周期とグループで) ソートされます。

私たちが原子について学ぶとき、原子核は中心にある硬く小さな正に帯電した核であり、電子はその周りを回る負に帯電した点であると考えることを学びます。 しかし、量子物理学では、それがすべてではありません。 電子は、特に別の高エネルギー粒子や光子を電子に発射した場合、点のように振る舞うことができますが、放っておくと広がり、波のように振る舞うことになります。 これらの波は、球状 (s 軌道の場合、それぞれ 2 電子を受け取る)、垂直方向 (p 軌道の場合、それぞれ 6 電子を受け取る) など、d 軌道まで ( 10 電子）、f 軌道（14 個必要）など。

基底状態 (左上) の原子軌道と、次に低いエネルギー状態を示します... [+] 右に進み、次に下に進みます。 これらの基本的な構成は、原子がどのように動作し、原子間力を及ぼすかを制御します。

これらの殻がいっぱいになる理由は、2 つの同一のフェルミ粒子 (電子など) が同じ量子状態を占めることを防ぐパウリの排他原理によるものです。 原子内に完全な電子殻または軌道がある場合、追加の電子殻または軌道を配置できる唯一の場所は、次の軌道内です。 塩素のような原子は、電子殻を満たすのにもう 1 つだけ必要なので、追加の電子を容易に受け入れます。 逆に、ナトリウムのような原子は、殻を満たす電子よりも 1 つ余分な電子を持っているため、最後の電子をすぐに放棄します。 これが、塩化ナトリウムが優れた塩である理由です。ナトリウムは塩素に電子を与え、両方の原子がエネルギー的により好ましい配置になっています。

周期表の最初のグループの元素、特にリチウム、ナトリウム、カリウム、... [+] ルビジウムなどは、他のどの元素よりもはるかに簡単に最初の電子を失います。

実際、中性原子が最外殻の電子を手放すのに必要なエネルギー量（第一イオン化エネルギーとして知られます）は、価電子が 1 つある金属の場合、特に低くなります。 数字を見ると、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムなどから 1 つの電子を剥ぎ取るのは、他のどの元素よりもはるかに簡単です。