Le sodium et l'eau réagissent, et la physique quantique explique pourquoi

C'est un peu paradoxal : lorsqu'on rencontre pour la première fois quelque chose d'inattendu, on se demande pourquoi cela se produit ainsi. Mais si nous sommes assez souvent confrontés à un phénomène, même s’il devrait nous surprendre et réclamer une explication, nous acceptons simplement que le monde fonctionne ainsi.

Déposez un cristal de sel – du simple chlorure de sodium – dans l’eau et il se dissoudra.

Déposez un peu de chlore dans l’eau et vous pourrez la désinfecter : tuant les bactéries, les virus et autres micro-organismes pathogènes présents à l’intérieur.

Mais si vous versez du sodium dans l’eau ? La réaction qui s’ensuit est légendaire par sa violence.

Dès que vous mouillez ce morceau de métal, la réaction pétille et se réchauffe, le sodium rebondit à la surface de l’eau et même des flammes se produisent. Bien sûr, c'est juste de la chimie. Mais à un niveau fondamental, il y a quelque chose de plus en jeu : des interactions quantiques ont lieu entre le sodium métallique et les molécules d'eau (et ses ions dissociés) qui peuvent en résulter immédiatement. Même s'il est tentant de dire « ce n'est que de la chimie », la raison physique derrière cette réaction est fascinante et instructive, nous rappelant que nous devons rester curieux même des phénomènes banals auxquels nous sommes habitués dans l'Univers.

Bien qu’il existe de nombreuses façons de considérer les atomes, les réactions chimiques qui ont lieu entre le sodium et l’eau ont le plus de sens lorsque l’on considère les atomes comme des « gaz rares » avec des protons supplémentaires dans leur noyau et des électrons supplémentaires dans leurs couches de valence. Le sodium, par exemple, est très similaire au néon, un gaz noble, le dixième élément du tableau périodique, qui a dix protons dans son noyau et possède à la fois son premier (1s, avec deux électrons) et son deuxième (2s, avec deux électrons, et 2p, avec six électrons) orbitales remplies de dix électrons au total.

Les gaz rares sont réputés pour ne réagir avec rien, et la raison en est que toutes leurs orbitales atomiques occupées sont complètement remplies d’électrons. Cette configuration ultra-stable est ruinée lorsque vous montez d’un élément dans le tableau périodique, et cela se produit pour tous les éléments qui correspondent à ce modèle, y compris le sodium. Avec un proton supplémentaire dans son noyau, ces orbitales électroniques remplies sont retenues plus étroitement, mais ce dernier électron de valence supplémentaire n'est retenu que très lâchement. L'hélium est ultra-stable, mais le lithium est très réactif. Le néon est stable, mais le sodium est réactif. L'argon, le krypton et le xénon sont stables, mais le potassium, le rubidium et le césium sont réactifs.

La raison de cette extrême réactivité ? C'est l'électron supplémentaire.

Lorsque nous en apprenons davantage sur les atomes, nous apprenons à considérer le noyau comme un noyau dur, petit et chargé positivement au centre, et les électrons comme des points chargés négativement qui gravitent autour de lui. Mais en physique quantique, ce n’est pas vraiment toute l’histoire. Les électrons peuvent se comporter comme des points, en particulier si vous leur lancez une autre particule ou un photon de haute énergie, mais lorsqu'ils sont laissés à eux-mêmes, ils se propagent et se comportent comme des vagues. Ces vagues peuvent se configurer selon des modes particuliers :

et au-delà, en suivant le modèle identifié pour la première fois par Mendeleïev.

La raison pour laquelle ces coquilles se remplissent est due au principe d'exclusion de Pauli, qui empêche deux fermions identiques (comme les électrons) d'occuper le même état quantique. Étant donné que les électrons possèdent une propriété mécanique quantique fondamentale appelée spin - une mesure du moment cinétique intrinsèque de l'électron - et que le spin d'un électron peut être +½ ou -½, chaque état quantique unique peut contenir deux électrons : un qui a un spin +½ et celui qui tourne -½.

Dans un atome, une fois qu'une couche électronique ou une orbitale est complètement remplie, le seul endroit où placer un électron supplémentaire est dans l'orbitale suivante. Un atome comme le chlore ou le fluor acceptera facilement un électron supplémentaire, puisqu'il n'en a besoin que d'un de plus pour remplir sa couche électronique ; à l’inverse, un atome comme le sodium ou le potassium abandonnera facilement son dernier électron, puisqu’il possède un électron supplémentaire par rapport à ce qui remplira une coquille. C'est pourquoi le chlorure de sodium (NaCl) est un si bon sel : le sodium cède un électron au chlore, et les deux atomes existent ensuite dans une configuration énergétiquement plus favorable.