나트륨과 물이 반응하고 양자 물리학이 그 이유를 설명합니다.

약간 역설적입니다. 예상치 못한 일을 처음 접할 때 우리는 왜 그런 일이 일어나는지 궁금해합니다. 그러나 우리가 어떤 현상에 자주 직면한다면, 비록 그것이 우리를 놀라게 하고 설명을 요구해야 할지라도, 우리는 이것이 세상이 돌아가는 방식이라는 것을 단순히 받아들입니다.

소금 결정(단순 염화나트륨)을 물에 떨어뜨리면 그냥 녹습니다.

염소를 물에 떨어뜨리면 소독할 수 있습니다. 즉, 물 속에 존재하는 박테리아, 바이러스 및 기타 질병을 일으키는 미생물을 죽입니다.

그런데 나트륨을 물에 떨어뜨리면? 그에 따른 반응은 그 폭력성 측면에서 전설적입니다.

그 금속 덩어리를 적시자마자 반응이 뽀글뽀글해지고 뜨거워지며, 나트륨이 물 표면에서 튕겨져 나가고 심지어 불꽃도 발생합니다. 물론이죠, 그것은 단지 화학일 뿐입니다. 그러나 근본적인 수준에서는 그 이상의 뭔가가 작용합니다. 나트륨 금속과 물 분자(및 해리된 이온) 사이에 즉시 발생할 수 있는 양자 상호 작용이 있습니다. "그냥 화학일 뿐이야"라고 말하고 싶지만, 이 반응 뒤에 숨은 물리적 이유는 흥미롭고 유익하며, 우리가 우주에서 익숙해져 있는 평범한 현상에도 계속 호기심을 가져야 한다는 점을 상기시켜 줍니다.

원자에 대해 생각하는 방법은 여러 가지가 있지만 나트륨과 물 사이에서 일어나는 화학 반응은 원자를 핵에 추가 양성자와 원자가 껍질에 추가 전자가 있는 "비활성 기체"로 생각할 때 가장 의미가 있습니다. 예를 들어, 나트륨은 주기율표의 10번째 원소인 비활성 기체 네온과 매우 유사합니다. 이 원소는 핵에 10개의 양성자를 갖고 첫 번째(1s, 두 개의 전자 포함)와 두 번째(2s, 두 개의 전자 포함)를 모두 갖습니다. 및 6개의 전자를 갖는 2p) 오비탈은 총 10개의 전자로 채워져 있습니다.

고귀한 가스는 어떤 것과도 반응하지 않는 것으로 유명하며, 그 이유는 그것이 차지하는 모든 원자 궤도가 완전히 전자로 가득 차 있기 때문입니다. 이러한 매우 안정적인 구성은 주기율표에서 한 원소씩 올라가면 망가지며, 이는 나트륨을 포함하여 이 패턴에 맞는 모든 원소에 대해 발생합니다. 핵에 양성자가 하나 더 있으면 채워진 전자 궤도는 더 단단히 고정되지만 마지막 추가 원자가 전자는 매우 느슨하게 고정됩니다. 헬륨은 매우 안정적이지만 리튬은 반응성이 높습니다. 네온은 안정적이지만 나트륨은 반응성이 있습니다. 그리고 아르곤, 크립톤, 크세논은 안정적이지만 칼륨, 루비듐, 세슘은 반응성이 있습니다.

극단적인 반응의 이유는 무엇입니까? 그것은 여분의 전자입니다.

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 특정 방식으로 구성될 수 있습니다.

그리고 그 이상으로 Mendeleev가 처음으로 식별한 패턴을 따릅니다.

이러한 껍질이 채워지는 이유는 전자와 같은 두 개의 동일한 페르미온이 동일한 양자 상태를 차지하는 것을 방지하는 Pauli 배제 원리 때문입니다. 전자는 스핀(전자의 고유 각운동량의 척도)이라는 근본적인 양자 역학적 특성을 갖고 있고 전자의 스핀은 +½ 또는 -½일 수 있기 때문에 각각의 고유한 양자 상태는 그 안에 두 개의 전자를 가질 수 있습니다. 하나는 스핀 +½이고 하나는 회전 -½입니다.

원자에서 전자 껍질이나 궤도가 완전히 채워지면 추가 전자를 넣을 수 있는 유일한 장소는 다음 궤도입니다. 염소나 불소와 같은 원자는 전자 껍질을 채우는 데 전자가 하나만 더 필요하기 때문에 추가 전자를 쉽게 받아들입니다. 반대로, 나트륨이나 칼륨과 같은 원자는 껍질을 채우는 것 위에 하나의 추가 전자가 있기 때문에 쉽게 마지막 전자를 포기합니다. 이것이 염화나트륨(NaCl)이 그토록 좋은 소금인 이유입니다. 나트륨은 염소에게 전자를 포기하고 결과적으로 두 원자는 에너지적으로 더 유리한 구성으로 존재하게 됩니다.