Il sodio e l'acqua reagiscono e la fisica quantistica spiega il perché

È un po' paradossale: quando incontriamo qualcosa di inaspettato per la prima volta, ci chiediamo perché accada in quel modo. Ma se incontriamo abbastanza spesso un fenomeno, anche se dovrebbe sorprenderci e chiedere a gran voce una spiegazione, accettiamo semplicemente che è così che funziona il mondo.

Metti un cristallo di sale - semplice cloruro di sodio - nell'acqua e si dissolve.

Metti un po' di cloro nell'acqua e puoi disinfettarla: uccidendo batteri, virus e altri microrganismi patogeni presenti all'interno.

Ma se metti il ​​sodio nell'acqua? La reazione che ne consegue è leggendaria nella sua violenza.

Non appena si bagna quel pezzo di metallo, la reazione si accende e si riscalda, il sodio rimbalza sulla superficie dell'acqua e vengono prodotte persino delle fiamme. Certo, è solo chimica. Ma a livello fondamentale, c'è qualcosa di più in gioco: ci sono interazioni quantistiche che hanno luogo tra il sodio metallico e le molecole d'acqua (e i suoi ioni dissociati) che possono verificarsi immediatamente. Anche se si è tentati di dire "è solo chimica", la ragione fisica dietro questa reazione è affascinante e istruttiva, e ci ricorda che dovremmo rimanere curiosi anche riguardo ai fenomeni banali a cui siamo abituati nell'Universo.

Sebbene esistano molti modi di pensare agli atomi, le reazioni chimiche che avvengono tra sodio e acqua hanno più senso se si pensa agli atomi come a “gas nobili” con protoni extra nel nucleo ed elettroni extra nei gusci di valenza. Il sodio, ad esempio, è molto simile al gas nobile neon, il decimo elemento della tavola periodica, che ha dieci protoni nel nucleo e ha sia il primo (1s, con due elettroni) che il secondo (2s, con due elettroni), e 2p, con sei elettroni) orbitali pieni di dieci elettroni in totale.

I gas nobili sono famosi per non reagire con nulla, e il motivo è che tutti gli orbitali atomici occupati sono completamente pieni di elettroni. Quella configurazione ultrastabile si rovina quando si sale di un elemento nella tavola periodica, e questo accade per tutti gli elementi che rientrano in questo schema, compreso il sodio. Con un protone in più nel suo nucleo, quegli orbitali elettronici pieni vengono trattenuti più strettamente, ma poi l'ultimo elettrone di valenza in più viene trattenuto solo molto debolmente. L'elio è ultra-stabile, ma il litio è altamente reattivo. Il neon è stabile, ma il sodio è reattivo. E l'argon, il krypton e lo xeno sono stabili, ma il potassio, il rubidio e il cesio sono reattivi.

Il motivo dell'estrema reattività? È l'elettrone in più.

Quando impariamo a conoscere gli atomi, impariamo a pensare al nucleo come un nucleo duro, piccolo, carico positivamente al centro, e agli elettroni come punti carichi negativamente che orbitano attorno ad esso. Ma nella fisica quantistica, questa non è tutta la storia. Gli elettroni possono comportarsi come punti, in particolare se si lancia contro di loro un'altra particella o un fotone ad alta energia, ma se lasciati a se stessi, si diffondono e si comportano come onde. Quelle onde possono configurarsi in modi particolari:

e oltre, seguendo il modello identificato per la prima volta da Mendeleev.

Il motivo per cui questi gusci si riempiono è dovuto al Principio di esclusione di Pauli, che impedisce a due fermioni identici (come gli elettroni) di occupare lo stesso stato quantico. Poiché gli elettroni possiedono una proprietà meccanica quantistica fondamentale chiamata spin – una misura del momento angolare intrinseco dell'elettrone – e lo spin di un elettrone può essere +½ o -½, ogni stato quantistico unico può avere due elettroni al suo interno: uno con spin +½ e uno che ha rotazione -½.

In un atomo, una volta che il guscio elettronico o l'orbitale si riempie completamente, l'unico posto dove mettere un elettrone aggiuntivo è nell'orbitale successivo. Un atomo come il cloro o il fluoro accetterà facilmente un elettrone aggiuntivo, poiché ne richiede solo uno in più per riempire il suo guscio elettronico; al contrario, un atomo come il sodio o il potassio cederà facilmente il suo ultimo elettrone, poiché ha un elettrone in più rispetto a quello che riempirà un guscio. Questo è il motivo per cui il cloruro di sodio (NaCl) è un sale così buono: il sodio cede un elettrone al cloro ed entrambi gli atomi si trovano successivamente in una configurazione energeticamente più favorevole.