Tabla de Contenidos
Από τα μεταλλικά στοιχεία που μπορούμε να βρούμε φυσικά, το καίσιο (Cs) είναι το πιο αντιδραστικό . Πρόκειται για το στοιχείο 55 του περιοδικού πίνακα και αντιστοιχεί στο αλκαλιμέταλλο της έκτης περιόδου. Αυτό το μέταλλο αντιδρά εκρηκτικά με το νερό και πρέπει να φυλάσσεται προσεκτικά σε αδρανή ατμόσφαιρα σε σφραγισμένα δοχεία ή να βυθίζεται σε λάδι, καθώς η απλή επαφή με την υγρασία στον αέρα μπορεί να προκαλέσει αντίδραση.
Όντας αλκαλιμέταλλο, όλες οι αντιδράσεις που περιλαμβάνουν αυτό το στοιχείο χαρακτηρίζονται από τη μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από το μέταλλο στο χημικό είδος με το οποίο αντιδρά, καθιστώντας το καίσιο ισχυρό αναγωγικό παράγοντα. Σε όλες τις ενώσεις των οποίων το καίσιο γίνεται μέρος μετά από μια χημική αντίδραση, το μέταλλο εμφανίζει σθένος +1.
Γνωρίζοντας ότι το πιο δραστικό μέταλλο είναι το καίσιο, αναρωτιέται κανείς τι ακριβώς σημαίνει να είσαι δραστικό μέταλλο και πώς μετράται αυτή η αντιδραστικότητα. Μπορούμε επίσης να αναρωτηθούμε γιατί το καίσιο είναι το πιο δραστικό μέταλλο και όχι ένα άλλο μέταλλο; Με άλλα λόγια, ποιοι είναι οι παράγοντες που καθορίζουν τη χημική αντιδραστικότητα στα στοιχεία γενικά και στα μέταλλα ειδικότερα; Αυτά και άλλα θέματα θα διευκρινιστούν σε αυτό το άρθρο.
Τι είναι η χημική αντιδραστικότητα;
Όπως υποδηλώνει το όνομά του, η χημική αντιδραστικότητα είναι ένα μέτρο της τάσης μιας χημικής ουσίας, είτε είναι στοιχείο είτε μια ένωση, να συμμετέχει σε χημικές αντιδράσεις . Όταν λέμε ότι ένα στοιχείο ή χημική ένωση είναι πιο δραστικό από ένα άλλο, εννοούμε γενικά ότι το πρώτο αντιδρά ταχύτερα ή σε μεγαλύτερο βαθμό από το δεύτερο.
Παρά το γεγονός ότι είναι μια φαινομενικά απλή έννοια, μπορεί να είναι διφορούμενη. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν συμμετέχουν απαραίτητα όλα τα στοιχεία και όχι όλες οι χημικές ενώσεις στις ίδιες αντιδράσεις ή ακόμη και στους ίδιους τύπους αντιδράσεων. Αυτό καθιστά σύγχυση ή δύσκολη τη σύγκριση της αντιδραστικότητας διαφορετικών τύπων ή κατηγοριών ουσιών.
Υπό αυτή την έννοια, όταν μιλάμε για χημική αντιδραστικότητα και όταν συγκρίνουμε τις χημικές αντιδράσεις των διαφορετικών στοιχείων, είναι απαραίτητο να τα ομαδοποιήσουμε και να συγκρίνουμε μόνο εκείνα τα στοιχεία που σχετίζονται μεταξύ τους και που μπορούν να συμμετέχουν στην ίδια κατηγορία χημικών αντιδράσεων . Αυτός είναι ο μόνος τρόπος για να καθοριστεί με ακρίβεια η σειρά αντιδραστικότητας των στοιχείων. Ακριβώς για αυτόν τον λόγο, όταν μιλάμε για το καίσιο ως το πιο αντιδραστικό στοιχείο, αναφερόμαστε στην κατηγορία των στοιχείων στην οποία ανήκει, δηλαδή τα μέταλλα.
Πώς μετράται η αντιδραστικότητα των μετάλλων;
Για να συγκριθεί η αντιδραστικότητα διαφορετικών στοιχείων, πρέπει να επιλεγεί ένας τύπος αντίδρασης για να χρησιμεύσει ως αναφορά. Αυτή η αντίδραση πρέπει να είναι κοινή για όλα τα στοιχεία της ομάδας που συγκρίνεται. Στην περίπτωση των μετάλλων, η αντίδραση που χρησιμοποιείται συχνά ως δοκιμή είναι η τάση του μετάλλου να αντικαθιστά ή να εκτοπίζει το υδρογόνο σε μια συγκεκριμένη ένωση.
Ένα παράδειγμα αυτού είναι η αντίδραση των μετάλλων με το νερό, κατά την οποία το μέταλλο εκτοπίζει το υδρογόνο για να σχηματίσει μοριακό υδρογόνο και το αντίστοιχο υδροξείδιο μετάλλου. Στην περίπτωση μετάλλων που δεν αντιδρούν αρκετά για να αντιδράσουν με το νερό, αντιδρούν με ανόργανα οξέα όπως νιτρικό οξύ ή θειικό οξύ .
Όταν ταξινομούμε μέταλλα πρώτα από την αντιδραστικότητά τους στο νερό και στη συνέχεια με την αντιδραστικότητα τους σε ανόργανα οξέα, παίρνουμε αυτό που ονομάζεται σειρά αντιδραστικότητας για μέταλλα. Αυτές οι σειρές μπορούν να χρησιμοποιηθούν, μεταξύ άλλων, για να προβλέψουν εάν ένα μέταλλο είναι ικανό να εκτοπίσει ένα άλλο σε μια χημική ένωση.
Παράγοντες που καθορίζουν την αντιδραστικότητα ενός μετάλλου
Η αντιδραστικότητα των διαφορετικών χημικών στοιχείων καθορίζεται από τον τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα και κατανεμημένα τα ηλεκτρόνια που τα αποτελούν. Το τελευταίο ονομάζεται ηλεκτρονική διαμόρφωση. Από όλα τα ηλεκτρόνια, η πιο καθοριστική από τις διαφορετικές χημικές ιδιότητες των στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων, είναι τα ηλεκτρόνια σθένους ή το τελευταίο κέλυφος ή το επίπεδο ενέργειας.
Τα ακόλουθα περιγράφουν πώς αυτή η ηλεκτρονική διαμόρφωση, μαζί με άλλους παράγοντες της ατομικής δομής, καθορίζουν την αντιδραστικότητα ενός μετάλλου.
Ηλεκτρονική διαμόρφωση
Όπως αναφέρθηκε πρόσφατα, η ηλεκτρονική διαμόρφωση ενός στοιχείου, και, ειδικότερα, η διαμόρφωση του κελύφους σθένους, είναι καθοριστική για πολλές χημικές ιδιότητες των στοιχείων, όπως τα σθένη ή τις καταστάσεις οξείδωσης που παρουσιάζουν όταν συνδυάζονται με άλλα στοιχεία .
Στην περίπτωση των μετάλλων, αυτά τα στοιχεία χαρακτηρίζονται από το ότι έχουν κελύφη σθένους με λίγα ηλεκτρόνια ή με ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε ατομικά τροχιακά από τα οποία είναι πολύ εύκολο να αφαιρεθούν. Στην περίπτωση του καισίου, το κέλυφος σθένους του σχηματίζεται από ένα μόνο ηλεκτρόνιο στο τροχιακό 6s. Αυτό το ηλεκτρόνιο περιβάλλει ένα σύνολο ηλεκτρονίων που κατανέμονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα ηλεκτρόνια του Xe, το οποίο είναι ένα ευγενές αέριο με πολύ σταθερή ηλεκτρονική διαμόρφωση.
Αυτό διευκολύνει το καίσιο να χάσει το μοναχικό ηλεκτρόνιο από το κέλυφος σθένους του, επιτυγχάνοντας έτσι την ηλεκτρονική διαμόρφωση ενός ευγενούς αερίου.
αποτελεσματικό πυρηνικό φορτίο
Το ενεργό πυρηνικό φορτίο είναι ένα μέτρο της πραγματικής ελκτικής δύναμης που αισθάνονται τα εξώτατα ηλεκτρόνια ενός ατόμου. Γεμίζοντας προοδευτικά τα ατομικά τροχιακά ενός ατόμου, ξεκινώντας από εκείνα που βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα και συνεχίζοντας με τα εξωτερικά, η παρουσία των εσωτερικών ηλεκτρονίων ασκεί προστατευτική επίδραση στα εξωτερικά λόγω της ηλεκτροστατικής απώθησης μεταξύ φορτίων του ίδιου σημείου. Αυτό καθιστά τα ηλεκτρόνια σθένους λιγότερο ελκυσμένα στον πυρήνα και πολύ πιο εύκολο να αφαιρεθούν κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης.
Το μονοσθενές ηλεκτρόνιο του καισίου βρίσκεται στο ενεργειακό επίπεδο 6 και θωρακίζεται από τα άλλα 54 εσωτερικά ηλεκτρόνια. Αυτό μειώνει σημαντικά την ελκτική δύναμη του πυρήνα στο εν λόγω ηλεκτρόνιο, έτσι ώστε να αισθάνεται ένα πολύ χαμηλό ενεργό πυρηνικό φορτίο. Με τη σειρά του, αυτό καθιστά πολύ εύκολη την αφαίρεση αυτού του ηλεκτρονίου, γεγονός που εξηγεί την υψηλότερη αντιδραστικότητα αυτού του στοιχείου σε σύγκριση με άλλα αλκαλικά μέταλλα.
Ατομικό ραδιόφωνο
Από το γεγονός ότι μειώνουν την ελκτική δύναμη του πυρήνα, τα στοιχεία με μικρότερο ενεργό πυρηνικό φορτίο τείνουν επίσης να έχουν μεγαλύτερη ατομική ακτίνα . Δεδομένου ότι η ηλεκτροστατική δύναμη έλξης μεταξύ του θετικού πυρήνα και των ηλεκτρονίων εξαρτάται από την απόσταση, το να είσαι πιο μακριά από τον πυρήνα βοηθά επίσης στη μείωση της δύναμης έλξης για τα ηλεκτρόνια σθένους, καθιστώντας το καίσιο πιο αντιδραστικό.
ενέργεια ιονισμού
Η ενέργεια ιοντισμού είναι ένα μέτρο της ποσότητας ενέργειας που απαιτείται για την αφαίρεση του τελευταίου ηλεκτρονίου σθένους από ένα άτομο. Η ενέργεια ιοντισμού είναι μια ιδιότητα που σχετίζεται άμεσα με τους προαναφερθέντες παράγοντες. Δεσμεύοντας λιγότερο σφιχτά στον πυρήνα, στοιχεία όπως το καίσιο έχουν χαμηλότερες ενέργειες ιονισμού από τα άλλα στοιχεία του περιοδικού πίνακα.
ηλεκτραρνητικότητα
Τέλος, η ηλεκτραρνητικότητα είναι μια άλλη ιδιότητα που καθορίζει την αντιδραστικότητα. Αυτή η ιδιότητα μετρά την τάση ή την ικανότητα ενός ατόμου να προσελκύει δεσμευτικά ζεύγη ηλεκτρονίων όταν το άτομο σχηματίζει χημικό δεσμό με ένα άλλο άτομο. Αυτή είναι μια σχετική ιδιότητα, αφού μετριέται με βάση το πόσο η ηλεκτρονική πυκνότητα του χημικού δεσμού καταφέρνει να προσελκύσει προς τον εαυτό του όταν συνδέεται με άλλο άτομο. Ωστόσο, η τιμή του δεν μπορεί να προσδιοριστεί εάν το άτομο είναι μόνο του, δηλαδή όταν δεν είναι συνδεδεμένο.
Στη συνέχεια, οι τιμές ηλεκτραρνητικότητας μας επιτρέπουν να προβλέψουμε, μεταξύ δύο ατόμων, ποιο θα είναι σε θέση να προσελκύσει ηλεκτρόνια με μεγαλύτερη δύναμη. Το καίσιο είναι ένα από τα λιγότερο ηλεκτραρνητικά στοιχεία στον περιοδικό πίνακα, επομένως η τάση του, αντί να προσελκύει ηλεκτρόνια, είναι μάλλον να τα εγκαταλείπει για να σχηματίσει ένα κατιόν.
Περιοδική τάση των παραγόντων που επηρεάζουν την αντιδραστικότητα
Τώρα που γνωρίζουμε ποιοι παράγοντες επηρεάζουν την αντιδραστικότητα και γιατί την επηρεάζουν, είμαστε καλύτερα προετοιμασμένοι να καταλάβουμε γιατί το καίσιο είναι το πιο αντιδραστικό στοιχείο. Για να γίνει αυτό, πρέπει να θεωρήσουμε ότι αυτές οι ιδιότητες παρουσιάζουν σχετικά προβλέψιμη συμπεριφορά καθώς μετακινούμαστε από το ένα στοιχείο στο επόμενο στον περιοδικό πίνακα. Δηλαδή, ασχολείται με περιοδικές ιδιότητες των στοιχείων.
Για ένα διάστημα
Καθώς κινούμαστε σε μια περίοδο (δηλαδή, κατά μήκος της ίδιας σειράς στον περιοδικό πίνακα), το φορτίο του πυρήνα αυξάνεται προοδευτικά, αλλά, καθώς τα νέα ηλεκτρόνια βρίσκονται όλα στο ίδιο κέλυφος σθένους, το φαινόμενο θωράκισης δεν αυξάνεται σημαντικά .
Επομένως, καθώς κινούμαστε προς τα δεξιά σε μια περίοδο, το ενεργό πυρηνικό φορτίο αυξάνεται. Αυτό έχει επίσης ως συνέπεια τη μείωση της ατομικής ακτίνας. Και τα δύο αυτά φαινόμενα συμβάλλουν στην αύξηση της δύναμης με την οποία ο πυρήνας έλκει τα ηλεκτρόνια σθένους, γι’ αυτό και η ενέργεια ιονισμού αυξάνεται επίσης από αριστερά προς τα δεξιά.
Όλα τα παραπάνω προκαλούν τη μείωση της αντιδραστικότητας των μετάλλων από αριστερά προς τα δεξιά στον περιοδικό πίνακα, κάτι που είναι το ίδιο με το να λέμε ότι αυξάνεται από τα δεξιά προς τα αριστερά. Για το λόγο αυτό, τα πιο δραστικά μέταλλα στον περιοδικό πίνακα είναι τα αλκαλιμέταλλα.
σε μια ομάδα
Καθώς κινούμαστε προς τα πάνω ή προς τα κάτω σε μια ομάδα στον περιοδικό πίνακα, το επίπεδο φλοιού ή ενέργειας στο οποίο βρίσκονται τα ηλεκτρόνια σθένους αλλάζει. Καθώς κατεβαίνουμε μια ομάδα, ο αριθμός των προστατευτικών κελυφών ηλεκτρονίων κάτω από το κέλυφος σθένους αυξάνεται, γεγονός που μειώνει το ενεργό πυρηνικό φορτίο και αυξάνει την ατομική ακτίνα. Κατεβαίνοντας μια ομάδα, μειώνεται επίσης η ηλεκτραρνητικότητα, που είναι το ίδιο με το να λέμε ότι τα στοιχεία γίνονται πιο ηλεκτροθετικά.
Για τους ίδιους λόγους που αναφέρθηκαν παραπάνω, αυτό μειώνει την ενέργεια ιονισμού, καθιστώντας τα κατώτερα άτομα μιας ομάδας πιο αντιδραστικά ως μέταλλα.
Καισίου (Cs) έναντι Φραγκίου (Fr)
Εξετάζοντας την περιοδική τάση των ιδιοτήτων που περιγράφηκαν παραπάνω, γίνεται σαφές ότι το πιο δραστικό μέταλλο είναι αυτό που βρίσκεται πιο αριστερά και πιο κάτω από τον περιοδικό πίνακα. Ωστόσο, όταν κοιτάμε ποιο στοιχείο βρίσκεται σε αυτή τη θέση, βλέπουμε ότι δεν είναι καίσιο αλλά φράγκιο.
Γιατί, λοιπόν, λέμε ότι το καίσιο είναι το πιο δραστικό μέταλλο; Δεν θα έπρεπε να είναι το φράγκιο;
Πράγματι, με βάση την παρατήρηση περιοδικών τάσεων και θεωρητικών υπολογισμών, προβλέπεται ότι το φράγκιο θα πρέπει να είναι πιο δραστικό από το καίσιο. Ωστόσο, ο λόγος που το καίσιο θεωρείται το πιο αντιδραστικό και όχι το φράγκιο είναι επειδή το τελευταίο είναι συνθετικό στοιχείο. Δηλαδή, το φράγκιο δεν υπάρχει στη φύση, αλλά πρέπει να συντεθεί σε έναν επιταχυντή σωματιδίων μέσω της πυρηνικής σύντηξης.
Όπως όλα τα συνθετικά στοιχεία, μόλις συντεθεί ή σχηματιστεί ο πυρήνας του φραγκίου, αποσυντίθεται γρήγορα επειδή είναι ένας εξαιρετικά ασταθής πυρήνας. Για το λόγο αυτό, δεν μπορούν να συντεθούν αξιόλογες ποσότητες φράγκιου για να αντιδράσει με νερό ή άλλες χημικές ουσίες για να προσδιοριστεί η αντιδραστικότητά του. Συνοψίζοντας, υποθέτουμε ότι το φράγκιο θα πρέπει να είναι πιο δραστικό από το καίσιο, αλλά δεν έχουμε τρόπο να το γνωρίζουμε, επομένως έχουμε μείνει με το πιο δραστικό μέταλλο του οποίου την αντιδραστικότητα μπορούμε να μετρήσουμε.
Το πιο δραστικό μέταλλο έναντι του πιο αντιδραστικού στοιχείου
Τέλος, αξίζει να κάνουμε ένα μικρό σχόλιο σε σχέση με το πιο αντιδραστικό στοιχείο. Όπως αναφέρθηκε στην αρχή, η αντιδραστικότητα μπορεί να συγκριθεί μόνο όταν οι ουσίες που συγκρίνουμε συμμετέχουν στους ίδιους τύπους χαρακτηριστικών αντιδράσεων.
Για το λόγο αυτό, είναι διφορούμενο να μιλάμε για το πιο αντιδραστικό στοιχείο στον περιοδικό πίνακα, δεδομένου ότι τα μέταλλα και τα αμέταλλα συμμετέχουν σε εντελώς αντίθετες χημικές αντιδράσεις. Ωστόσο, το φθόριο θεωρείται συχνά το πιο αντιδραστικό στοιχείο σε ολόκληρο τον περιοδικό πίνακα λόγω της ικανότητάς του να αντιδρά με ένα πλήθος διαφορετικών χημικών ουσιών, ακόμη και να επιτίθεται σε γυαλί και άλλα συνήθως αδρανή υλικά.
βιβλιογραφικές αναφορές
BBC. (ν.δ.). Η σειρά αντιδραστικότητας – Σειρά αντιδραστικότητας – GCSE Chemistry (Single Science) . BBC Bitesize. https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zcxn82p/revision/1
Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Χημεία (11η έκδ.). McGraw-Hill Interamericana de España SL
Libretexts. (2020, 15 Αυγούστου). Ομάδα 1: Δραστικότητα αλκαλικών μετάλλων . LibreTexts Χημείας. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/
MINEDUC. Κοκκινοπίπερο. (ν.δ.). Υδρογόνο που εκτοπίζεται από μέταλλα. Σειρά μεταλλικών δραστηριοτήτων. ΕΘΝΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ. https://www.curriculumnacional.cl/portal/Educacion-General/Ciencias-Naturales-1-Medio-Eje-Quimica/CN1M-OA-19/133544:Hidrogeno-desplazado-por-metales-Serie-de-actividad- από τα μέταλλα
Σειρά αντιδραστικότητας . (2019, 25 Αυγούστου). Φυσική και χημεία . https://lafisicayquimica.com/serie-de-reactividad/
Βεντάντου. (2020, 6 Οκτωβρίου). Το πιο δραστικό μέταλλο είναι;(Α) νάτριο(Β) μαγνήσιο(C) κάλιο(D) ασβέστιο . Vedantu.Com. https://www.vedantu.com/question-answer/the-most-reactive-metal-is-a-sodium-b-magnesium-class-10-chemistry-cbse-5f7c7d3763e3867bef7676d9
