El sodio y el agua reaccionan y la física cuántica explica por qué

Es un poco paradójico: cuando nos encontramos con algo inesperado por primera vez, nos preguntamos por qué sucede de esa manera. Pero si nos topamos con un fenómeno con suficiente frecuencia, incluso si debería sorprendernos y pedir a gritos una explicación, simplemente aceptamos que así es como funciona el mundo.

Deje caer un cristal de sal (cloruro de sodio simple) en agua y simplemente se disuelve.

Eche un poco de cloro en el agua y podrá desinfectarla: matando bacterias, virus y otros microorganismos presentes en su interior que causan enfermedades.

¿Pero si echas sodio al agua? La reacción que sigue es legendaria por su violencia.

Tan pronto como se moja ese trozo de metal, la reacción burbujea y se calienta, el sodio rebota en la superficie del agua e incluso se producen llamas. Claro, es sólo química. Pero a un nivel fundamental, hay algo más en juego: hay interacciones cuánticas que tienen lugar entre el sodio metálico y las moléculas de agua (y sus iones disociados) que pueden producirse inmediatamente. Aunque es tentador decir “es sólo química”, la razón física detrás de esta reacción es fascinante e informativa, y nos recuerda que debemos seguir curiosos incluso acerca de los fenómenos mundanos a los que nos hemos acostumbrado en el Universo.

Aunque hay muchas maneras de pensar en los átomos, las reacciones químicas que tienen lugar entre el sodio y el agua tienen más sentido cuando se piensa en los átomos como “gases nobles” con protones adicionales en su núcleo y electrones adicionales en sus capas de valencia. El sodio, por ejemplo, es muy similar al gas noble neón, el décimo elemento de la tabla periódica, que tiene diez protones en su núcleo y tiene tanto el primero (1s, con dos electrones) como el segundo (2s, con dos electrones). y 2p, con seis electrones) orbitales llenos con diez electrones en total.

Los gases nobles tienen fama de no reaccionar con nada, y la razón es que todos sus orbitales atómicos ocupados están completamente llenos de electrones. Esa configuración ultraestable se arruina cuando se sube un elemento en la tabla periódica, y esto sucede con todos los elementos que se ajustan a este patrón, incluido el sodio. Con un protón adicional en su núcleo, esos orbitales de electrones llenos se retienen con más fuerza, pero ese último electrón de valencia adicional solo se retiene de manera muy flexible. El helio es ultraestable, pero el litio es muy reactivo. El neón es estable, pero el sodio es reactivo. Y el argón, el criptón y el xenón son estables, pero el potasio, el rubidio y el cesio son reactivos.

¿El motivo de la extrema reactividad? Es el electrón extra.

Cuando aprendemos sobre los átomos, aprendemos a pensar en el núcleo como un núcleo duro, pequeño y cargado positivamente en el centro, y en los electrones como puntos cargados negativamente que lo orbitan. Pero en física cuántica, esa no es toda la historia. Los electrones pueden comportarse como puntos, especialmente si les disparas otra partícula o fotón de alta energía, pero cuando se los deja solos, se propagan y se comportan como ondas. Esas ondas pueden configurarse de maneras particulares:

y más allá, siguiendo el patrón identificado por primera vez por Mendeleev.

Las razones por las que estas capas se llenan se deben al principio de exclusión de Pauli, que impide que dos fermiones idénticos (como los electrones) ocupen el mismo estado cuántico. Debido a que los electrones poseen una propiedad mecánica cuántica fundamental llamada espín, una medida del momento angular intrínseco del electrón, y el espín de un electrón puede ser +½ o -½, cada estado cuántico único puede tener dos electrones en su interior: uno que tiene espín +½ y uno que gira -½.

En un átomo, una vez que una capa u orbital de un electrón se llena por completo, el único lugar para colocar un electrón adicional es en el siguiente orbital superior. Un átomo como el cloro o el flúor aceptará fácilmente un electrón adicional, ya que sólo necesita uno más para llenar su capa electrónica; por el contrario, un átomo como el sodio o el potasio cederá fácilmente su último electrón, ya que tiene un electrón extra sobre lo que llenará una capa. Por eso el cloruro de sodio (NaCl) es una sal tan buena: el sodio cede un electrón al cloro y ambos átomos existen posteriormente en una configuración energéticamente más favorable.

De hecho, la cantidad de energía necesaria para que un átomo neutro ceda su electrón más externo, conocida como su primera energía de ionización, es especialmente baja para todos los metales con un electrón de valencia. Si nos fijamos en los números, es mucho más fácil quitarle un solo electrón al litio, sodio, potasio, rubidio, cesio, etc., que a cualquier otro elemento.

Además, a medida que observamos elementos progresivamente más pesados ​​(aquellos con un mayor número de protones en el núcleo en general y, por tanto, con un mayor número de orbitales completamente llenos), encontramos que la energía de ionización general disminuye drásticamente.

Esta propiedad juega un papel importante, lo creas o no, en la formación de nuevas estrellas. Cuando se formaron las primeras estrellas, el Universo estaba formado únicamente por hidrógeno y helio, difíciles de ionizar, por lo que, a menos que se calentaran esos elementos a temperaturas lo suficientemente altas como para ionizarlos, solo enfriaban las nubes de gas muy lentamente. Esto da como resultado nubes de gran masa que forman estrellas de mayor masa; Más adelante en el Universo, cuando hay mayor abundancia de elementos más pesados, el enfriamiento se produce mucho más fácilmente debido a la abundancia de moléculas que se ionizan más fácilmente. Las estrellas posteriores pueden formarse a partir de nubes de menor masa y dar como resultado estrellas de menor masa que sus contrapartes anteriores y más prístinas.

Entonces, ¿qué es lo que sucede cuando se lleva un átomo de sodio (un átomo de sodio fácilmente ionizable que sólo retiene relativamente débilmente su electrón más externo) en presencia de agua?

Podría sentirse tentado a pensar que el agua es su propia molécula muy estable: H2O, con dos hidrógenos unidos a un oxígeno. Pero el agua es una molécula altamente polar, lo que significa que un lado de una molécula de H2O (el lado opuesto a los dos hidrógenos) tiene una carga preferentemente negativa, mientras que el lado opuesto tiene una carga preferentemente positiva.

Esto significa que cada molécula de agua tiene un extremo “cargado negativamente”, donde se encuentra el oxígeno, y un extremo “cargado positivamente” opuesto a ese. Cuando tienes agua líquida, estas moléculas se alinean entre sí de tal manera que la energía potencial eléctrica se minimiza y es más probable que el extremo negativo de una molécula de agua termine atrayendo el extremo positivo de otras moléculas de agua. Es un efecto lo suficientemente significativo como para que algunas moléculas de agua (alrededor de una entre unos pocos millones) se disocian en dos iones: un solo protón (H+) y un ion hidroxilo (OH–).

Esto tiene muchas consecuencias para cosas como ácidos y bases, disolución de sales, activación de reacciones químicas, etc. Pero, ¿qué sucede, entonces, cuando tienes incluso agua pura, hecha no sólo de H2O sino que también contiene una pequeña cantidad (un poco menos de 0,0001%) porcentaje de protones (H+) e iones hidroxilo (OH–), y luego le agregas sodio neutro.

El sodio, este átomo neutro con un electrón externo suelto, está ahora en presencia de agua: agua neutra pero polar, protones libres e iones hidroxilo. Lo que tenemos que preguntarnos, entonces, es ¿qué configuración es la más favorable desde el punto de vista energético?

La respuesta es obvia; En casi todos los casos, el electrón saltará del átomo de sodio al primer protón que encuentre.

De hecho, ni siquiera es un gran concurso. En la escala de átomos e iones individuales, normalmente pensamos en las respuestas a preguntas como "¿Cuánta energía se necesita para ionizar un electrón?" o "¿Cuánta energía se libera cuando un electrón encuentra un ion y forma un átomo neutro en estado fundamental?" en energías en la escala de electronvoltios (eV). Se necesitan un poco más de 5 eV de energía para ionizar un átomo de sodio neutro, y cuando un ion de sodio gana un electrón, libera esos mismos ~5 eV de energía. Pero se necesitan más de 13 eV de energía para ionizar el hidrógeno neutro, y esos mismos 13,6 eV de energía se liberan cuando un ión de hidrógeno vuelve a ser neutro.

Es por eso que la reacción ocurre tan rápidamente cuando el sodio metálico se deja caer en agua y por eso desprende tanta energía. De hecho, a medida que los electrones cedidos por el sodio comienzan a combinarse con iones de hidrógeno, el agua neutra se disocia aún más en protones libres e iones hidroxilo, creando aún más "combustible" para que reaccione el sodio.

Pero eso tampoco completa la historia. Ahora que hemos creado átomos de hidrógeno neutros, no forman simplemente un bloque de átomos individuales que se pueden unir como lo hace el sodio metálico. En cambio, a temperatura y presión ambiente, el hidrógeno es un gas y pasa a un estado energéticamente aún más favorable: formando la molécula de hidrógeno neutro, H2. Así que ahora tienes mucha energía libre (que se transforma en el calor de las moléculas circundantes), gas hidrógeno neutro, que se eleva desde la solución acuosa hacia la atmósfera, que es principalmente nitrógeno neutro (N2) y gases de oxígeno (O2).

¿Reconoces esa receta?

Tienes mucha energía libre, en forma de calor. Tienes gas hidrógeno molecular y tienes gas oxígeno molecular.

¡Esa es una receta infalible para la combustión! La combustión de hidrógeno/oxígeno es un componente clave del combustible para cohetes, de los vehículos con pila de combustible de hidrógeno y del famoso desastre de Hindenberg. (¡Es por eso que hoy en día llenamos los dirigibles con helio inerte en lugar de hidrógeno combustible!)

Cuando el oxígeno y el hidrógeno reaccionan en presencia de energía, esta ardiente reacción de combustión produce vapor de agua, pero también desprende aún más energía. Esto explica por qué, cuando se deja caer un trozo suficientemente grande de sodio (o cualquier elemento del grupo 1 de la tabla periódica) en agua, se obtiene esa tremenda y explosiva liberación de energía. Todo está impulsado por la transferencia de electrones, que se produce debido a las reglas cuánticas que gobiernan el Universo y las propiedades electromagnéticas de las partículas cargadas que forman estos átomos e iones.

Entonces, para resumir, cuando echas un trozo de sodio al agua, esto es lo que sucede.

Esto continuará hasta que se acabe todo el sodio metálico, o más bien, hasta que el sodio esté completamente disuelto, en forma ionizada, en el agua restante. No se trata sólo de química en acción; es la ciencia subyacente de la física cuántica la que lo hace todo posible.

Las mismas reglas que gobiernan el comportamiento de cada una de estas reacciones químicas surgen de leyes aún más fundamentales:

No es frecuente que se pueda derivar el comportamiento completo de un sistema complejo a partir de reglas simples y fundamentales que sustentan sus componentes constituyentes, pero en el caso de la reacción del sodio con el agua, podemos hacer precisamente eso. Sin estas leyes y fuerzas físicas, ¡no tendríamos química alguna! Sin embargo, gracias a ellos, cada vez que echas sodio al agua, sabes exactamente qué esperar. Y si todavía no sabe qué esperar cuando deja caer sodio en el agua, la respuesta es usar equipo de protección, no manipular el sodio con sus propias manos que contienen agua y permanecer a una distancia segura mientras se produce la reacción. ¡ocurre!