ナトリウムと水は反応する、その理由は量子物理学で説明される

これは少し逆説的ですが、初めて予期せぬことに遭遇したとき、私たちはなぜそのようなことが起こるのか不思議に思います。 しかし、私たちが十分な頻度で現象に遭遇すると、たとえそれが私たちを驚かせて説明を求めたとしても、私たちは世界がそのように機能していることを単純に受け入れます。

塩の結晶（単なる塩化ナトリウム）を水に落とすと、ただ溶けます。

水に塩素を入れると、水の中に存在する細菌、ウイルス、その他の病気の原因となる微生物を殺すことができます。

しかし、ナトリウムを水に落としたらどうでしょうか？ その後に起こる反応は、その暴力性において伝説的です。

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、基本的なレベルでは、さらに何かが働いています。ナトリウム金属と水分子 (およびその解離イオン) の間で量子相互作用が起こり、それがすぐに起こる可能性があります。 「それは単なる化学だ」と言いたくなるかもしれませんが、この反応の背後にある物理的理由は魅力的で有益であり、私たちが慣れ親しんだ宇宙のありふれた現象であっても好奇心を持ち続ける必要があることを思い出させてくれます。

原子について考える方法はたくさんありますが、ナトリウムと水の間で起こる化学反応は、原子を、原子核に余分な陽子と価電子殻に余分な電子を持つ「希ガス」として考えるときに最も理にかなっています。 たとえば、ナトリウムは、周期表の 10 番目の元素である希ガス ネオンに非常によく似ています。このネオンは核内に 10 個の陽子を持ち、最初の陽子 (1 秒、2 つの電子) と 2 番目 (2 秒、2 つの電子、および 2p (電子が 6 個)) 軌道は合計 10 個の電子で満たされています。

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、ナトリウムを含め、このパターンに当てはまるすべての元素で起こります。 核内に陽子が 1 つ余分にあると、それらの満たされた電子軌道はよりしっかりと保持されますが、最後の余分な価電子は非常に緩く保持されるだけです。 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。

極度の反応性の理由は？ 余分な電子です。

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 Wave は、特定の方法で自身を構成できます。

そしてそれ以降は、メンデレーエフによって最初に特定されたパターンに従います。

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。 電子はスピン (電子の固有角運動量の尺度) と呼ばれる基本的な量子力学特性を持っており、電子のスピンは + 1/2 または - 1/2 のいずれかになるため、それぞれの固有の量子状態には 2 つの電子が含まれる可能性があります。1 つはスピン + 1/2、もう 1 つはスピン + 1/2 です。スピンが-1/2のもの。

原子では、電子殻または軌道が完全に満たされると、追加の電子を配置できる唯一の場所は次の軌道になります。 塩素やフッ素のような原子は、電子殻を満たすのにあと 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、ナトリウムやカ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 (NaCl) が非常に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、その後両方の原子がよりエネルギー的に好ましい配置で存在します。