Пры змене кавалка металу натрыю ў кантакце з вадой прыводзіць да бурнай і часта выбуховай рэакцыі. Малюнак: Wikimedia Commons карыстальнік Tavoromann.

Спытайце ў Ітана: Якая квантавая прычына ў тым, што натрый і вада рэагуюць?

Кіньце кавалак натрыевага металу ў ваду, і надыходзіць бурная рэакцыя. Але гэта не проста хімія.

"Хлор - гэта смяротна небяспечны атрутны газ, які выкарыстоўваецца на еўрапейскіх палях бітваў у Першай сусветнай вайне. Натрый з'яўляецца агрэсіўным металам, які гарыць пры кантакце з вадой. Разам яны робяць непрыкметны і неатрутны матэрыял, павараную соль. Чаму кожнае з гэтых рэчываў валодае ўласцівасцямі, якімі ён займаецца - гэта прадмет, які называецца хімія. -Карл Саган

Часам мы даведаемся рэчы на ​​раннім узроўні і проста прымаем так, як працуе свет. Напрыклад, апусціце кавалак чыстага натрыю ў ваду, і рэакцыя на яго гвалт легендарная. Як толькі вы атрымаеце гэты кавалак металу мокрым, рэакцыя застывае і награваецца, натрый адскоквае на паверхні вады і нават узнікае полымя. Вядома, гэта проста хімія. Але на фундаментальным узроўні не адбываецца нешта большае? Вось што хоча ведаць наш чытач Семен Стопкин (Сямён Стопкін, з Расіі):

Якія сілы рухаюць хімічнымі рэакцыямі і што адбываецца на квантавым узроўні? У прыватнасці, што адбываецца, калі вада ўзаемадзейнічае з натрыем? [Пераклад з рускай мовы фізік А. Вікман.]

Рэакцыя натрый / вада з'яўляецца класічнай і мае больш глыбокае тлумачэнне. Давайце пачнем, назіраючы, як разгортваецца рэакцыя.

Першае, што вы павінны ведаць пра натрый, гэта тое, што на атамным узроўні ён мае толькі яшчэ адзін пратон і яшчэ адзін электрон, чым інертны, высакародны газ: неон. Высакародны газ славіцца тым, што не рэагуе ні з чым, і прычына ў тым, што ўсе яго акупаваныя атамныя арбіталі цалкам поўныя электронаў. Ультрастабільная канфігурацыя разбураецца, калі вы пераходзіце на адзін элемент перыядычнай табліцы, і гэта адбываецца з усімі элементамі, якія адпавядаюць гэтай схеме. Гелій ультрастабільны, але літый вельмі рэакцыйны. Неон стабільны, але натрый рэактыўны. І аргон, і крыптон, і ксенон устойлівыя, але калій, рубідый і цэзій рэагуюць на рэакцыю.

Прычына? Гэта лішні электрон.

Перыядычная табліца элементаў сартуецца так, як яна (па перыядах і групах) з-за колькасці свабодных / занятых валентных электронаў, што з'яўляецца фактарам нумар адзін пры вызначэнні яго хімічных уласцівасцей. Малюнак: Wikimedia Commons карыстальнік Цэфей.

Калі мы даведаемся пра атамы, мы навучымся думаць пра ядро ​​як пра цвёрдае, маленькае, станоўча зараджанае ядро ​​ў цэнтры, і пра электроны як пра адмоўна зараджаныя кропкі, якія арбітуюць. Але ў квантавай фізіцы гэта на самай справе не ўся гісторыя. Электроны могуць паводзіць сябе як кропкі, асабліва калі вы страляеце па іншай высокаэнергетычнай часціцы альбо фатону, але калі іх пакіньце на ўласныя прылады, яны распаўсюджваюцца і паводзяць сябе як хвалі. Гэтыя хвалі могуць наладжваць сябе ў прыватнасці: шарападобна (для s-арбіталяў, якія займаюць па 2 электроны кожны), перпендыкулярна (для p-арбіталей, якія займаюць па 6 электронаў) і гэтак далей уверх праз d-арбіталі (прымаючы 10 электронаў), f-арбітальная (прымаючы 14) і многае іншае.

Атамныя арбіталі знаходзяцца ў сваім зямным стане (уверсе злева), а таксама з наступнымі самымі нізкімі энергетычнымі станамі, калі вы рухаецеся направа, а потым уніз. Гэтыя фундаментальныя канфігурацыі кіруюць тым, як атомы паводзяць сябе і аказваюць міжатамныя сілы. Крэдыт малюнка: старонка Вікіпедыі на атамных арбіталях.

Прычыны папаўнення гэтых абалонак тлумачацца прынцыпам выключэння Паўлі, які не дазваляе двум аднолькавым ферміёнам (напрыклад, электронам) займаць аднолькавае квантавае стан. Калі ў вас ёсць поўная абалонка або арбітальная электронная абалонка, адзінае месца, каб змясціць дадатковую, знаходзіцца ў наступнай арбітальнай. Атам, падобны на хлор, лёгка прымае дадатковы электрон, бо для запаўнення яго электроннай абалонкі патрабуецца толькі яшчэ адзін; наадварот, такі атам, як натрый, лёгка аддасць свой апошні электрон, бо ў яго ёсць адзін лішні электрон над тым, што запоўніць абалонку. Вось чаму натрыю хларыд з'яўляецца такой добрай соллю: натрый аддае электрон хлору, і абодва атама маюць больш энергетычную канфігурацыю.

Элементы першай групы перыядычнай табліцы, у прыватнасці літый, натрый, калій, рубідый і гэтак далей, губляюць свой першы электрон значна лягчэй, чым любыя іншыя элементы. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons.

На самай справе, колькасць энергіі, неабходнай для нейтральнага атама, каб адмовіцца ад свайго вонкавага электрона, вядомага як яго першая энергія іянізацыі, асабліва малая для ўсіх тых металаў з адным валентным электронам. Калі вы паглядзіце на лічбы, значна прасцей пазбавіць адзінку электрона літыя, натрыю, калія, рубідія, цэзію і г.д., чым любы іншы элемент.

Гэта ілюстрацыя з анімацыі, якая паказвае дынамічныя ўзаемадзеяння малекул вады. Асобныя малекулы Н2О маюць V-вобразны характар, які складаецца з двух атамаў вадароду (намаляваны белым колерам), прымацаваных да бакоў адзінага атама кіслароду (намаляванага чырвоным колерам). Суседнія малекулы Н2О часова ўзаемадзейнічаюць з дапамогай вадародных сувязяў (намаляваныя як сінія і белыя авалы). Малюнак: Ніколь Рэджар Фуллер, Нацыянальны навуковы фонд.

Дык што адбываецца пры наяўнасці вады? Вам можа спакусіцца разглядаць ваду як уласную вельмі ўстойлівую малекулу: H2O з двума вадародамі, злучанымі з адным кіслародам. Але вада - гэта вельмі палярная малекула, што азначае, што адна бок малекулы Н2О (бок, які адварочваецца ад двух вадародаў) мае пераважны адмоўны зарад, у той час як супрацьлеглы бок мае пераважны станоўчы зарад. Гэта досыць значны эфект, што ён выклікае дысацыяцыю некаторых малекул вады - прыблізна на адзін з некалькіх мільёнаў чалавек - на адзін пратон (H +) і гідраксільны іён (OH-).

Пры наяўнасці вялікай колькасці малекул вады, якія надзвычай палярныя, кожная некалькі мільёнаў малекул вады расшчапляецца на гідраксільныя іёны і вольныя пратоны праз працэс, вядомы як аўтапратоліз. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons Cdang.

Гэта мае шмат наступстваў для такіх рэчываў, як кіслоты і асновы, растварэнне соляў, актывізацыя хімічных рэакцый і г.д., але адпаведнае тут адбываецца пры даданні натрыю. Натрый, гэты нейтральны атам з вольна захоўваецца вонкавым электронам, зараз знаходзіцца ў прысутнасці вады. Гэта не толькі нейтральныя малекулы H2O, але і гідраксільныя іёны і асобныя пратоны. Пратоны з'яўляюцца найбольш актуальнымі, і гэта прыводзіць да ключавога энергетычнага пытання, які мы павінны задаць:

Што больш энергетычна выгадна? Маючы нейтральны атам натрыю (Na) у пары з адным пратонам (H +) або які змяшчае іён натрыю, які страціў адзін электрон (Na +) у пары з нейтральным атамам вадароду (H)?

Адказ не маніторыць; У большасці выпадкаў электрон будзе скакаць з атама натрыю да першага знойдзеных пратонаў.

Пасля таго, як ён страціць электрон, іён натрыю будзе шчасліва растварацца ў вадзе, як і хларыдны іён, як толькі ён набярэ электрон. У выпадку натрыю значна больш выгадна, калі электрон злучаецца з іёнам вадароду. Малюнак: CNX OpenStax; Wikimedia Commons карыстальнік CFCF.

Менавіта таму рэакцыя адбываецца так хутка і выдае столькі энергіі. Але гісторыя не завершана. Цяпер вы стварылі нейтральныя атамы вадароду, і ў адрозненне ад натрыю, ён не проста ўтварае блок асобных атамаў, які вы можаце злучыць. Замест гэтага вадарод - гэта газ і ідзе ў яшчэ больш энергетычным стане: утвараючы нейтральную малекулу вадароду, Н2. Такім чынам, зараз у вас шмат вольнай энергіі (якая ідзе ў цяпло навакольных малекул), нейтральнага газу вадароду, і ён падымаецца з воднага раствора і трапляе ў атмасферу, у якой утрымліваецца нейтральны газ з кіслародам (O2).

Выдаленая камера фіксуе буйны выгляд галоўнага рухавіка касмічнага шатла падчас выпрабавальнай стральбы ў касмічным цэнтры Джона С. Стэніса. Вадарод аддаецца перавагу ў якасці крыніцы паліва ў ракетах з-за яго нізкай малекулярнай масы і вялікага багацця кіслароду ў атмасферы, каб ён мог рэагаваць. Малюнак: НАСА.

Атрымайце разам дастаткова энергіі, і кісларод і вадарод таксама зрэагуюць! Гэтая вогненная рэакцыя гарэння вырабляе вадзяную пару, але і выдае яшчэ больш энергіі. Гэта тлумачыць, чаму, калі вы кідаеце ў ваду досыць вялікі кавалак натрыю (альбо які-небудзь элемент групы 1 з перыядычнай табліцы), вы атрымліваеце такі велізарны выбухны выкід энергіі. Усё гэта абумоўлена пераносам электронаў, які адбываецца дзякуючы квантавым правілам, якія рэгулююць Сусвет, і электрамагнітным уласцівасцям зараджаных часціц, якія складаюць гэтыя атамы і іёны.

Узровень энергіі і электронныя хвалі, якія адпавядаюць розным станам у атаме вадароду, хоць канфігурацыі для ўсіх атамаў надзвычай падобныя. Энергетычныя ўзроўні квантуюцца ў кратнасці пастаяннай Планкі, але нават самая нізкая энергія ў стане зямлі мае дзве магчымыя канфігурацыі, якія залежаць ад адноснага спіна электронаў / пратонаў. Малюнак: PoorLeno з Wikimedia Commons.

Такім чынам, каб рэзюмаваць, калі вы апускаеце кавалак натрыю ў ваду, вось што адбываецца:

  • Натрый адразу аддае свой крайні электрон на водны раствор, які ўяўляе сабой ваду,
  • дзе яго паглынаюць іёны вадароду, утвараючы нейтральны вадарод,
  • пры гэтым першапачатковая рэакцыя вызваляе вялікую колькасць вольнай энергіі, у выніку чаго навакольныя малекулы награваюцца,
  • тады нейтральны вадарод становіцца малекулярным вадародным газам і падымаецца з воднага раствора,
  • і, нарэшце, калі ёсць дастаткова энергіі, кісларод атмасферы ўступае ў рэакцыю з вадародным газам, ствараючы рэакцыю гарэння.
Натрыевы метал з калекцыі Dennis sk. Проста даданне воднага натрыю, як гэта, у ваду, будзе адбывацца хуткая хімічная ланцуговая рэакцыя, якая выклікае цяпло, выпрацоўку вадароднага газу і - пры наяўнасці кіслароднай атмасферы - гарэнне. Малюнак: Dnn87 у англійскай Вікіпедыі.

Усё гэта можна проста і элегантна растлумачыць правіламі хіміі, і менавіта так гэта часцей за ўсё прадстаўлена. Самі ж правілы, якія рэгулююць паводзіны ўсіх гэтых хімічных рэакцый, вынікаюць з яшчэ больш фундаментальных законаў: правілаў квантавай фізікі (як правіла выключэння Паўлі, якія рэгулююць паводзіны электронаў у атамах) і правілаў электрамагнетызму (якія рэгулююць узаемадзеянне зараджаных часціц ). Без гэтых законаў і сіл у нас увогуле няма хіміі! Але дзякуючы ім, калі вы ўпадаеце натрый у ваду, вы ведаеце, чаго менавіта чакаць. І калі вы яшчэ не навучыліся на ўроку, адказ будзе насіць ахоўныя сродкі, не звяртайцеся з натрыем сваімі рукамі і не адступайце, як толькі з'явіцца рэакцыя!

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".