Pregúntele a Ethan: ¿Cuál es la razón cuántica por la que reaccionan el sodio y el agua?

Poner un trozo de sodio metálico en contacto con agua produce una reacción violenta y, a menudo, explosiva... [+].

A veces, aprendemos cosas a temprana edad y simplemente aceptamos que así es como funciona el mundo. Si se echa un trozo de sodio puro en agua, por ejemplo, la reacción 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, ¿no está sucediendo algo más? Eso es lo que nuestro lector Семен Стопкин (Semen Stopkin, de Rusia) quiere saber:

¿Qué fuerzas impulsan las reacciones químicas y qué ocurre a nivel cuántico? En particular, ¿qué sucede cuando el agua interactúa con el sodio? [Traducido del ruso por el físico A. Vikman.]

La reacción sodio/agua es un clásico y tiene una explicación más profunda. Comencemos observando cómo se desarrolla la reacción.

Lo primero que hay que saber sobre el sodio es que, a nivel atómico, tiene sólo un protón más y un electrón más que un gas noble e inerte: el neón. Un gas noble tiene 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 subes un elemento en la tabla periódica, y esto sucede con todos los elementos que se ajustan a este patrón. 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.

¿La razón? Es el electrón extra.

La tabla periódica de los elementos está ordenada tal como está (en períodos y grupos) debido al número... [+] de electrones de valencia libres/ocupados, que es el factor número uno para determinar sus propiedades químicas.

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: esféricamente (para los orbitales s, que toman 2 electrones cada uno), perpendicularmente (para los orbitales p, que toman 6 electrones cada uno), y así sucesivamente hasta los orbitales d (tomando 10 electrones), el orbital f (tomando 14) y más.

Los orbitales atómicos en su estado fundamental (arriba a la izquierda), junto con los siguientes estados de energía más bajos a medida que avanza hacia la derecha y luego hacia abajo. Estas configuraciones fundamentales gobiernan cómo se comportan los átomos y ejercen fuerzas interatómicas.

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

Los elementos del primer grupo de la tabla periódica, en particular el litio, el sodio, el potasio,... [+] rubidio, etc., pierden su primer electrón con mucha más facilidad que cualquier otro elemento.

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.

Esta ilustración es de una animación que muestra las interacciones dinámicas de las moléculas de agua.... [+] Las moléculas individuales de H2O tienen forma de V y constan de dos átomos de hidrógeno (representados en blanco) unidos a los lados de un solo átomo de oxígeno (representado en rojo). Las moléculas de H2O vecinas interactúan transitoriamente mediante enlaces de hidrógeno (representados como óvalos azules y blancos).

Entonces, ¿qué sucede 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. Es un efecto lo suficientemente significativo como para provocar 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-).

En presencia de una gran cantidad de moléculas de agua, que son extremadamente polares, una de cada pocos... [+] millones de moléculas de agua se dividirá en iones hidroxilo y protones libres, mediante un proceso conocido como autoprotólisis.

Esto tiene muchas consecuencias para cosas como ácidos y bases, disolución de sales, activación de reacciones químicas, etc. Pero la relevante aquí ocurre cuando se agrega sodio. El sodio, este átomo neutro con un electrón más externo suelto, está ahora en presencia de agua. No se trata sólo de las moléculas neutras de H2O, sino también de los iones hidroxilo y los protones individuales. Los protones son los más relevantes y eso nos lleva a la pregunta clave sobre energía que debemos plantearnos:

¿Qué es más favorable energéticamente? ¿Tener un átomo de sodio neutro (Na) emparejado con un solo protón (H+), o tener un ion sodio que ha perdido un electrón (Na+) emparejado con un átomo de hidrógeno neutro (H)?

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

Una vez que pierde un electrón, un ion sodio se disolverá felizmente en agua, al igual que un ion cloruro... [+] de manera similar, una vez que gana un electrón. Es mucho más favorable energéticamente, en el caso del sodio, que ese electrón se empareje con un ion hidrógeno.

Por eso la reacción ocurre tan rápido y desprende tanta energía. Pero la historia no está completa. Ahora, has creado átomos de hidrógeno neutros y, a diferencia del sodio, no forma simplemente un bloque de átomos individuales que puedes unir. En cambio, 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 convierte en el calor de las moléculas circundantes), gas hidrógeno neutro, y se eleva desde la solución acuosa hacia la atmósfera, que contiene gas oxígeno neutro (O2).

Una cámara remota captura una vista de primer plano del motor principal del transbordador espacial durante una prueba de disparo en el... [+] Centro espacial John C. Stennis. Se prefiere el hidrógeno como fuente de combustible en los cohetes debido a su bajo peso molecular y la gran abundancia de oxígeno en la atmósfera para reaccionar.

¡Reúna suficiente energía y el oxígeno y el hidrógeno también reaccionarán! 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.

Los niveles de energía y funciones de onda de los electrones que corresponden a diferentes estados dentro de un átomo de hidrógeno... [+], aunque las configuraciones son extremadamente similares para todos los átomos. Los niveles de energía se cuantifican en múltiplos de la constante de Planck, pero incluso el estado fundamental de energía más baja tiene dos configuraciones posibles que dependen del espín relativo electrón/protón.

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

Metal sodio de la colección Dennis sk. Simplemente agregando sodio crudo, como este, al agua, se producirá una... [+] rápida reacción química en cadena, que dará lugar a calor, la producción de gas hidrógeno y, en presencia de una atmósfera de oxígeno, la combustión. .

Todo esto se puede explicar de forma sencilla y elegante con las reglas de la química, y así es como se presenta con mayor frecuencia. Sin embargo, las mismas reglas que gobiernan el comportamiento de todas estas reacciones químicas surgen de leyes aún más fundamentales: las de la física cuántica (como la regla de exclusión de Pauli, que gobierna el comportamiento de los electrones en los átomos) y las del electromagnetismo (que gobiernan cómo interactúan las partículas cargadas). ). ¡Sin esas leyes y fuerzas, no tendríamos química alguna! Sin embargo, gracias a ellos, cada vez que echas sodio al agua, sabes exactamente qué esperar. Y si aún no ha aprendido la lección, la respuesta es usar equipo de protección, no manipular el sodio con sus propias manos y retroceder una vez que ocurra la reacción.