Tabla de Contenidos
Luonnostaan löytämistämme metallialkuaineista cesium (Cs) on reaktiivisin . Se on noin jaksollisen järjestelmän alkuaine 55 ja vastaa kuudennen jakson alkalimetallia. Tämä metalli reagoi räjähdysmäisesti veden kanssa, ja se on säilytettävä huolellisesti inertissä ilmakehässä suljetuissa astioissa tai upotettuna öljyyn, koska pelkkä kosketus ilman kosteuden kanssa voi laukaista reaktion.
Koska tämä alkuaine on alkalimetalli, kaikille tätä alkuainetta koskeville reaktioille on ominaista elektronin siirtyminen metallista kemialliseen lajiin, jonka kanssa se reagoi, mikä tekee cesiumista tehokkaan pelkistimen. Kaikissa yhdisteissä, joiden osaksi cesiumia tulee kemiallisen reaktion jälkeen, metallin valenssi on +1.
Tietäen, että reaktiivisin metalli on cesium, ihmettelee, mitä tarkalleen ottaen tarkoittaa olla reaktiivinen metalli ja miten tämä reaktiivisuus mitataan. Voimme myös kysyä itseltämme, miksi cesium on reaktiivisin metalli eikä toinen metalli? Toisin sanoen, mitkä tekijät määräävät kemiallisen reaktiivisuuden alkuaineissa yleensä ja erityisesti metalleissa? Näitä ja muita kysymyksiä selvennetään tässä artikkelissa.
Mikä on kemiallinen reaktiivisuus?
Kuten nimikin kertoo, kemiallinen reaktiivisuus on mitta kemiallisen aineen, olipa se alkuaine tai yhdiste, taipumuksesta osallistua kemiallisiin reaktioihin . Kun sanomme, että yksi alkuaine tai kemiallinen yhdiste on reaktiivisempi kuin toinen, tarkoitamme yleensä, että ensimmäinen reagoi nopeammin tai enemmän kuin toinen.
Vaikka käsite on näennäisen yksinkertainen, se voi olla moniselitteinen. Tämä johtuu siitä, että kaikki alkuaineet ja kaikki kemialliset yhdisteet eivät välttämättä osallistu samoihin reaktioihin tai edes samantyyppisiin reaktioihin. Tämä tekee eri ainetyyppien tai -luokkien reaktiivisuuden vertaamisesta hämmentävää tai vaikeaa.
Tässä mielessä kemiallisesta reaktiivisuudesta puhuttaessa ja eri alkuaineiden kemiallisia reaktiivisuuksia verrattaessa on välttämätöntä ryhmitellä ne ja verrata vain niitä alkuaineita, jotka liittyvät toisiinsa ja jotka voivat osallistua samaan kemiallisten reaktioiden luokkaan . Tämä on ainoa tapa määrittää tarkasti elementtien reaktiivisuusjärjestys. Juuri tästä syystä kun puhutaan cesiumista reaktiivisimpana alkuaineena, viitataan siihen alkuaineluokkaan, johon se kuuluu, nimittäin metalleihin.
Miten metallien reaktiivisuus mitataan?
Eri alkuaineiden reaktiivisuuden vertailua varten on valittava referenssiksi reaktiotyyppi. Tämän reaktion on oltava yhteinen kaikille verrattavan ryhmän elementeille. Metallien tapauksessa testinä usein käytetty reaktio on metallin taipumus korvata tai syrjäyttää vetyä tietyssä yhdisteessä.
Esimerkki tästä on metallien reaktio veden kanssa, jonka aikana metalli syrjäyttää vedyn muodostaen molekyylivetyä ja vastaavaa metallihydroksidia. Jos metallit eivät ole tarpeeksi reaktiivisia reagoimaan veden kanssa, ne saatetaan reagoimaan sen sijaan mineraalihappojen, kuten typpihapon tai rikkihapon kanssa .
Kun järjestämme metallit ensin niiden reaktiivisuuden perusteella veteen ja sitten niiden reaktiivisuuden perusteella mineraalihappoihin, saadaan ns. metallien reaktiivisuussarja. Näitä sarjoja voidaan käyttää muun muassa ennustamaan, pystyykö jokin metalli syrjäyttämään toisen kemiallisessa yhdisteessä.
Tekijät, jotka määräävät metallin reaktiivisuuden
Eri kemiallisten alkuaineiden reaktiivisuus määräytyy sen mukaan, miten ne muodostavat elektronit ovat sijoittuneet ja jakautuneet. Jälkimmäistä kutsutaan elektroniseksi konfiguraatioksi. Kaikista elektroneista alkuaineiden, mukaan lukien metallit, eri kemialliset ominaisuudet määräävät eniten valenssielektronit tai viimeinen kuori tai energiataso.
Seuraavassa kuvataan, kuinka tämä elektroninen konfiguraatio yhdessä muiden atomirakenteen tekijöiden kanssa määrää metallin reaktiivisuuden.
Elektroninen konfigurointi
Kuten äskettäin mainittiin, elementin elektroninen konfiguraatio ja erityisesti valenssikuoren konfiguraatio määrää elementtien monet kemialliset ominaisuudet, kuten valenssit tai hapetustilat, joita niillä on yhdistettyinä muihin alkuaineisiin .
Metallien tapauksessa näille elementeille on ominaista valenssikuoret, joissa on vähän elektroneja tai elektronit sijaitsevat atomikiertoradalla, josta ne on erittäin helppo poistaa. Cesiumin tapauksessa sen valenssikuoren muodostaa yksi elektroni 6s-radalla. Tämä elektroni ympäröi joukkoa elektroneja, jotka jakautuvat samalla tavalla kuin Xe:n elektronit, joka on jalokaasu, jolla on erittäin vakaa elektroninen konfiguraatio.
Tämän ansiosta cesiumin on helppo menettää yksittäinen elektroni valenssikuorestaan, jolloin saavutetaan jalokaasun elektroninen konfiguraatio.
tehokas ydinpanos
Tehokas ydinvaraus on mitta atomin uloimpien elektronien todellisesta vetovoimasta. Täyttämällä asteittain atomin atomikiertoradat , alkaen niistä, jotka ovat lähimpänä ydintä ja jatkaen uloimmilla, sisäisten elektronien läsnäolo vaikuttaa ulkoisiin elektroneihin samanmerkkisten varausten välisen sähköstaattisen hylkimisen vuoksi. Tämä tekee valenssielektroneista vähemmän puoleensa ytimeen ja paljon helpompia poistaa kemiallisen reaktion aikana.
Cesiumin yksivalenssielektroni on energiatasolla 6 ja sitä suojaavat muut 54 sisäistä elektronia. Tämä vähentää suuresti ytimen vetovoimaa mainittuun elektroniin, joten se tuntuu erittäin alhaiselta tehokkaalta ydinvaraukselta. Tämä puolestaan tekee tämän elektronin poistamisen erittäin helpoksi, mikä selittää tämän alkuaineen korkeamman reaktiivisuuden verrattuna muihin alkalimetalleihin.
Atomic radio
Jo siitä syystä, että ne vähentävät ytimen vetovoimaa, elementeillä, joilla on pienempi tehollinen ydinvaraus, on myös yleensä suurempi atomisäde . Koska positiivisen ytimen ja elektronien välinen sähköstaattinen vetovoima riippuu etäisyydestä, kauempana ytimestä oleminen auttaa myös vähentämään valenssielektronien vetovoimaa tehden cesiumin reaktiivisemmaksi.
ionisaatioenergiaa
Ionisaatioenergia on energiamäärän mitta, joka tarvitaan viimeisen valenssielektronin poistamiseen atomista. Ionisaatioenergia on ominaisuus, joka liittyy suoraan edellä mainittuihin tekijöihin. Sitoutumalla vähemmän tiukasti ytimeen elementeillä, kuten cesiumilla, on alhaisempi ionisaatioenergia kuin muilla jaksollisen järjestelmän alkuaineilla.
elektronegatiivisuus
Lopuksi elektronegatiivisuus on toinen ominaisuus, joka määrittää reaktiivisuuden. Tämä ominaisuus mittaa atomin taipumusta tai kykyä vetää puoleensa sitoutuvia elektronipareja, kun atomi muodostaa kemiallisen sidoksen toisen atomin kanssa. Tämä on suhteellinen ominaisuus, koska se mitataan sen perusteella, kuinka paljon kemiallisen sidoksen elektronitiheys onnistuu vetäytymään itseään kohti, kun se on kytketty toiseen atomiin; sen arvoa ei kuitenkaan voida määrittää, jos atomi on yksin, eli kun se ei ole sitoutunut.
Sitten elektronegatiivisuusarvot antavat meille mahdollisuuden ennustaa kahden atomin välillä, kumpi pystyy houkuttelemaan elektroneja suuremmalla voimalla. Cesium on yksi vähiten elektronegatiivisista alkuaineista jaksollisessa taulukossa, joten sen taipumus elektronien houkuttelemisen sijaan on pikemminkin luovuttaa niitä kationin muodostamiseksi.
Reaktiivisuuteen vaikuttavien tekijöiden säännöllinen trendi
Nyt kun tiedämme, mitkä tekijät vaikuttavat reaktiivisuuteen ja miksi ne vaikuttavat siihen, olemme paremmin valmiita ymmärtämään, miksi cesium on reaktiivisin alkuaine. Tätä varten meidän on otettava huomioon, että nämä ominaisuudet osoittavat suhteellisen ennustettavaa käyttäytymistä, kun siirrymme jaksollisen taulukon elementistä toiseen. Eli se käsittelee elementtien jaksollisia ominaisuuksia.
Aikana
Kun siirrymme jakson läpi (eli samaa riviä jaksollisessa taulukossa), ytimen varaus kasvaa asteittain, mutta koska uudet elektronit sijaitsevat kaikki samassa valenssikuoressa, suojavaikutus ei kasva merkittävästi .
Siksi kun siirrymme oikealle jaksossa, tehollinen ydinvaraus kasvaa. Tämä johtaa myös siihen, että atomin säde pienenee. Molemmat vaikutukset lisäävät voimaa, jolla ydin vetää puoleensa valenssielektroneja, minkä vuoksi myös ionisaatioenergia kasvaa vasemmalta oikealle.
Kaikki edellä mainitut aiheuttavat metallien reaktiivisuuden pienenemisen jaksollisessa taulukossa vasemmalta oikealle, mikä on sama kuin sanoisi, että se kasvaa oikealta vasemmalle. Tästä syystä jaksollisen taulukon reaktiivisimmat metallit ovat alkalimetallit.
koko ryhmässä
Kun siirrymme ylös- tai alaspäin ryhmässä jaksollisessa taulukossa, kuori tai energiataso, jossa valenssielektronit sijaitsevat, muuttuu. Kun kuljemme alas ryhmässä, valenssikuoren alapuolella olevien suojaavien elektronikuorten määrä kasvaa, mikä vähentää tehollista ydinvarausta ja lisää atomisädettä. Ryhmää alaspäin kuljetettaessa elektronegatiivisuus myös pienenee, mikä on sama kuin sanoisi, että elementit muuttuvat sähköpositiivisemmiksi.
Samoista edellä mainituista syistä tämä alentaa ionisaatioenergiaa, jolloin ryhmän alemmat atomit ovat reaktiivisempia metalleina.
Cesium (Cs) vs. Francium (Fr)
Kun tarkastellaan edellä kuvattujen ominaisuuksien jaksollista kehitystä, käy selväksi, että reaktiivisin metalli on se, joka on kauimpana vasemmalla ja alempana jaksollisessa taulukossa. Kuitenkin, kun tarkastelemme, mikä alkuaine on tässä asemassa, huomaamme, että se ei ole cesiumia vaan franciumia.
Miksi sitten sanomme, että cesium on reaktiivisin metalli? Eikö sen pitäisi olla franciumia?
Jaksottaisten trendien havainnoinnin ja teoreettisten laskelmien perusteella onkin ennustettu, että franciumin pitäisi olla reaktiivisempi kuin cesiumin. Kuitenkin syy siihen, miksi cesiumia pidetään reaktiivisimpana eikä franciumia, johtuu siitä, että jälkimmäinen on synteettinen alkuaine. Toisin sanoen franciumia ei ole luonnossa, vaan se täytyy syntetisoida hiukkaskiihdyttimessä ydinfuusion kautta.
Kuten kaikki synteettiset alkuaineet, kun franciumydin on syntetisoitu tai muodostettu, se hajoaa nopeasti, koska se on erittäin epävakaa ydin. Tästä syystä huomattavia määriä franciumia ei voida syntetisoida saamaan se reagoimaan veden tai muiden kemikaalien kanssa sen reaktiivisuuden määrittämiseksi. Yhteenvetona oletetaan, että franciumin pitäisi olla reaktiivisempi kuin cesiumin, mutta emme voi tietää, joten jäämme reaktiivisimpaan metalliin, jonka reaktiivisuuden voimme mitata.
Reaktiivisin metalli vs. reaktiivisin alkuaine
Lopuksi kannattaa tehdä pieni kommentti reaktiivisimman elementin suhteen. Kuten alussa mainittiin, reaktiivisuutta voidaan verrata vain, kun vertailemamme aineet osallistuvat samantyyppisiin tunnusomaisiin reaktioihin.
Tästä syystä on epäselvää puhua jaksollisen järjestelmän reaktiivisimmasta alkuaineesta, koska metallit ja ei-metallit osallistuvat täysin vastakkaisiin kemiallisiin reaktioihin. Fluoria pidetään kuitenkin yleensä reaktiivisimpana alkuaineena koko jaksollisessa taulukossa, koska se pystyy reagoimaan useiden erilaisten kemiallisten aineiden kanssa, jopa hyökkäämään lasia ja muita yleensä inerttejä materiaaleja vastaan.
Viitteet
BBC. (n.d.). Reaktiivisuussarja – Reaktiivisuussarja – GCSE Chemistry (Single Science) . BBC Bitesize. https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zcxn82p/revision/1
Chang, R. ja Goldsby, K. (2013). Kemia (11. painos). McGraw-Hill Interamericana de España SL
Libretekstit. (2020, 15. elokuuta). Ryhmä 1: Alkalimetallien reaktiivisuus . Kemia LibreTexts. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/
MINEDUC. Chili. (n.d.). Metallien syrjäyttämä vety. Metallitoimintasarja. Kansallinen opetussuunnitelma. https://www.curriculumnacional.cl/portal/Educacion-General/Ciencias-Naturales-1-Medio-Eje-Quimica/CN1M-OA-19/133544:Hidrogeno-desplazado-por-metales-Serie-de-actividad- metallisia
Reaktiivisuus sarja . (2019, 25. elokuuta). Fysiikka ja kemia . https://lafisicayquimica.com/serie-de-reactividad/
Vedanthu. (2020, 6. lokakuuta). Reaktiivisin metalli on?(A) Natrium(B) Magnesium(C) Kalium(D) Kalsium . Vedantu.Com. https://www.vedantu.com/question-answer/the-most-reactive-metal-is-a-sodium-b-magnesium-class-10-chemistry-cbse-5f7c7d3763e3867bef7676d9
