Ethan에게 물어보세요: 나트륨과 물이 반응하는 양자적 이유는 무엇입니까?

나트륨 금속 덩어리를 물과 접촉시키면 격렬하고 종종 폭발적인 반응이 일어납니다... [+] 반응.

때때로 우리는 인생 초기에 무언가를 배우고 그것이 세상이 돌아가는 방식이라는 것을 단순히 받아들입니다. 예를 들어 순수한 나트륨 덩어리를 물에 떨어뜨리면 그 반응은 전설적일 정도입니다. 그 금속 덩어리를 적시자마자 반응이 뽀글뽀글해지고 뜨거워지며, 나트륨이 물 표면에서 튕겨져 나가고 심지어 불꽃도 발생합니다. 물론이죠, 그것은 단지 화학일 뿐입니다. 하지만 근본적인 수준에서는 더 많은 일이 벌어지고 있지 않나요? 이것이 우리 독자 Семен Стопкин(러시아 출신의 Semen Stopkin)이 알고 싶어하는 내용입니다.

화학 반응을 일으키는 힘은 무엇이며, 양자 수준에서는 어떤 일이 발생합니까? 특히, 물이 나트륨과 상호작용하면 어떻게 될까요? [물리학자 A. Vikman이 러시아어로 번역했습니다.]

나트륨/물 반응은 고전적이며 더 깊은 설명이 있습니다. 반응이 어떻게 전개되는지 살펴보는 것부터 시작하겠습니다.

나트륨에 대해 가장 먼저 알아야 할 것은 원자 수준에서 나트륨에는 불활성 비활성 가스인 네온보다 양성자와 전자가 하나 더 많다는 것입니다. 희가스(noble gas)는 어떤 것과도 반응하지 않는 것으로 유명하며, 그 이유는 그것이 차지하고 있는 모든 원자 궤도가 완전히 전자로 가득 차 있기 때문입니다. 주기율표에서 한 원소씩 올라가면 극도로 안정적인 구성이 망가지며, 이는 이 패턴에 맞는 모든 원소에 대해 발생합니다. 헬륨은 매우 안정적이지만 리튬은 반응성이 높습니다. 네온은 안정적이지만 나트륨은 반응성이 있습니다. 그리고 아르곤, 크립톤, 크세논은 안정적이지만 칼륨, 루비듐, 세슘은 반응성이 있습니다.

이유? 그것은 여분의 전자입니다.

원소의 주기율표는 화학적 성질을 결정하는 가장 중요한 요소인 자유/점유 원자가 전자의 수... [+] 때문에 있는 그대로(주기 및 그룹으로) 정렬됩니다.

원자에 대해 배울 때, 우리는 핵을 중심에 있는 단단하고 작은 양전하를 띠는 핵으로 생각하고, 전자를 그 궤도를 도는 음전하 점으로 생각하는 법을 배웁니다. 그러나 양자물리학에서는 이것이 전부가 아닙니다. 전자는 특히 다른 고에너지 입자나 광자를 발사하는 경우 점처럼 행동할 수 있지만, 전자 자체에 그대로 놔두면 퍼져서 파동처럼 행동합니다. 이러한 파동은 구형(각각 2개의 전자를 취하는 s-오비탈의 경우), 수직(각각 6개의 전자를 취하는 p-오비탈의 경우) 등 특별한 방식으로 스스로 구성될 수 있으며, d-오비탈을 통해 위로 올라갈 수도 있습니다(각각 2개의 전자를 취함). 전자 10개), f-궤도(14개 사용) 등이 있습니다.

바닥 상태(왼쪽 상단)의 원자 궤도와 다음으로 가장 낮은 에너지 상태는... [+] 오른쪽으로 진행한 다음 아래로 진행합니다. 이러한 기본 구성은 원자가 원자간 힘을 작용하고 발휘하는 방식을 제어합니다.

이러한 껍질이 채워지는 이유는 전자와 같은 두 개의 동일한 페르미온이 동일한 양자 상태를 차지하는 것을 방지하는 Pauli 배제 원리 때문입니다. 원자에서 완전한 전자 껍질이나 궤도가 있는 경우 추가 전자 껍질이나 궤도를 넣을 수 있는 유일한 장소는 다음 궤도입니다. 염소와 같은 원자는 전자 껍질을 채우는 데 전자가 하나만 더 필요하기 때문에 추가 전자를 쉽게 받아들입니다. 반대로, 나트륨과 같은 원자는 껍질을 채우는 것 위에 하나의 추가 전자가 있기 때문에 쉽게 마지막 전자를 포기합니다. 이것이 염화나트륨이 그렇게 좋은 소금인 이유입니다. 나트륨은 염소에게 전자를 포기하고 두 원자 모두 에너지적으로 더 유리한 구성에 있습니다.

주기율표의 첫 번째 그룹에 있는 원소, 특히 리튬, 나트륨, 칼륨,... [+] 루비듐 등은 다른 원소보다 훨씬 더 쉽게 첫 번째 전자를 잃습니다.

실제로 중성 원자가 가장 바깥쪽 전자를 포기하는 데 필요한 에너지의 양(첫 번째 이온화 에너지)은 하나의 원자가 전자를 가진 모든 금속에 대해 특히 낮습니다. 숫자를 보면 다른 어떤 원소보다 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 등에서 단일 전자를 제거하는 것이 훨씬 쉽습니다.