Tabla de Contenidos
A természetes fémes elemek közül a cézium (Cs) a legreaktívabb . A periódusos rendszer 55. eleméről van szó, és a hatodik periódus alkálifémjének felel meg. Ez a fém robbanásveszélyesen reagál a vízzel, és óvatosan kell tárolni inert atmoszférában, zárt tartályokban vagy olajba merítve, mivel a levegő nedvességével való puszta érintkezés reakciót válthat ki.
Mivel ez egy alkálifém, az ezen elemet érintő valamennyi reakciót az jellemzi, hogy egy elektron a fémről a reakcióba lépő kémiai anyagra jut át, így a cézium erős redukálószer. Minden olyan vegyületben, amelynek a cézium egy kémiai reakció után a részévé válik, a fém vegyértéke +1.
Tudva, hogy a legreaktívabb fém a cézium, az ember elgondolkodik azon, hogy mit jelent pontosan reaktív fémnek lenni, és hogyan mérik ezt a reakcióképességet. Azt is feltehetjük magunknak a kérdést, hogy miért a cézium a legreaktívabb fém, és miért nem a másik fém? Más szóval, melyek azok a tényezők, amelyek általában meghatározzák az elemek és különösen a fémek kémiai reakcióképességét? Ezeket és más kérdéseket ez a cikk tisztázza.
Mi a kémiai reakcióképesség?
Ahogy a neve is sugallja, a kémiai reaktivitás egy kémiai anyag – legyen az elem vagy vegyület – kémiai reakciókban való részvételére való hajlamának mértéke . Amikor azt mondjuk, hogy egy elem vagy kémiai vegyület reaktívabb, mint a másik, általában arra gondolunk, hogy az első gyorsabban vagy nagyobb mértékben reagál, mint a második.
Annak ellenére, hogy látszólag egyszerű fogalom, kétértelmű lehet. Ennek az az oka, hogy nem minden elem és nem minden kémiai vegyület vesz részt szükségszerűen ugyanabban a reakcióban, sőt nem is azonos típusú reakciókban. Ez zavaróvá vagy megnehezíti a különböző típusú vagy osztályú anyagok reakcióképességének összehasonlítását.
Ebben az értelemben, amikor kémiai reakcióképességről beszélünk, és amikor a különböző elemek kémiai reakcióképességét hasonlítjuk össze, akkor azokat csoportosítani kell, és csak azokat az elemeket kell összehasonlítani, amelyek egymással kapcsolatban vannak, és amelyek a kémiai reakciók azonos osztályában részt vehetnek . Csak így lehet pontosan megállapítani az elemek reaktivitási sorrendjét. Éppen ezért, amikor a céziumról, mint a legreaktívabb elemről beszélünk, az elemek azon osztályára utalunk, amelyhez tartozik, nevezetesen a fémekre.
Hogyan mérhető a fémek reakcióképessége?
A különböző elemek reakcióképességének összehasonlításához ki kell választani egy reakciótípust, amely referenciaként szolgál. Ennek a reakciónak közösnek kell lennie az összehasonlított csoport összes elemében. Fémek esetében a tesztként gyakran használt reakció a fém azon hajlama, hogy helyettesítse vagy kiszorítsa a hidrogént egy adott vegyületben.
Példa erre a fémek vízzel való reakciója, amelynek során a fém kiszorítja a hidrogént, így molekuláris hidrogén és a megfelelő fém-hidroxid keletkezik. Az olyan fémek esetében, amelyek nem elég reakcióképesek ahhoz, hogy reagáljanak vízzel, ezek helyett ásványi savakkal, például salétromsavval vagy kénsavval reagálnak.
Ha a fémeket először vízzel, majd ásványi savakkal szembeni reakcióképességük alapján rendezzük, akkor a fémek reakcióképességi sorozatát kapjuk. Ezek a sorozatok többek között felhasználhatók annak előrejelzésére, hogy egy fém képes-e kiszorítani egy másikat egy kémiai vegyületben.
A fém reakcióképességét meghatározó tényezők
A különböző kémiai elemek reakcióképességét az őket alkotó elektronok elrendezése és eloszlása határozza meg. Ez utóbbit elektronikus konfigurációnak nevezik. Az összes elektron közül az elemek, köztük a fémek különböző kémiai tulajdonságait leginkább a vegyértékelektronok vagy az utolsó héj vagy energiaszint határozza meg.
Az alábbiakban leírjuk, hogy ez az elektronikus konfiguráció az atomi szerkezet más tényezőivel együtt hogyan határozza meg a fém reakcióképességét.
Elektronikus konfiguráció
Amint azt a közelmúltban említettük, egy elem elektronikus konfigurációja, és különösen a vegyértékhéj konfigurációja meghatározza az elemek számos kémiai tulajdonságát, például a vegyértékeket vagy az oxidációs állapotokat, amelyeket más elemekkel kombinálva mutatnak ki .
Fémek esetében ezekre az elemekre jellemző, hogy vegyértékhéjuk kevés elektronból áll, vagy olyan atomi pályákon helyezkednek el az elektronok, amelyekről nagyon könnyen eltávolíthatók. A cézium esetében vegyértékhéját egyetlen elektron alkotja a 6s pályán. Ez az elektron olyan elektronhalmazt vesz körül, amely ugyanúgy oszlik el, mint a Xe elektronjai, amely egy nagyon stabil elektronikus konfigurációjú nemesgáz.
Ez megkönnyíti a cézium számára, hogy elveszítse a magányos elektront vegyértékhéjából, és így elérje a nemesgáz elektronikus konfigurációját.
hatékony nukleáris töltés
Az effektív magtöltés az atom legkülső elektronjai által érzékelt tényleges vonzóerő mértéke. Egy atom atomi pályáinak fokozatos kitöltésével , kezdve az atommaghoz legközelebbiekkel és a legkülsőkkel folytatva, a belső elektronok jelenléte árnyékoló hatást fejt ki a külső elektronokra az azonos előjelű töltések közötti elektrosztatikus taszítás miatt. Ezáltal a vegyértékelektronok kevésbé vonzódnak az atommaghoz, és sokkal könnyebben eltávolíthatók a kémiai reakció során.
A cézium egyetlen vegyértékelektronja a 6-os energiaszinten van, és a többi 54 belső elektron árnyékolja. Ez nagymértékben csökkenti az atommag vonzó erejét az elektronon, így nagyon alacsony effektív magtöltést érez. Ez viszont nagyon egyszerűvé teszi ennek az elektronnak az eltávolítását, ami megmagyarázza ennek az elemnek a nagyobb reaktivitását más alkálifémekhez képest.
Atom rádió
Abból a tényből adódóan, hogy csökkentik az atommag vonzó erejét, a kisebb effektív magtöltésű elemek általában nagyobb atomsugárral is rendelkeznek . Mivel a pozitív mag és az elektronok közötti elektrosztatikus vonzási erő a távolságtól függ, az atommagtól való távolabbi fekvés szintén segít csökkenteni a vegyértékelektronok vonzási erejét, ezáltal a cézium reaktívabbá válik.
ionizációs energia
Az ionizációs energia annak az energiamennyiségnek a mértéke, amely az utolsó vegyértékelektron eltávolításához szükséges egy atomból. Az ionizációs energia olyan tulajdonság, amely közvetlenül összefügg az előbb említett tényezőkkel. Azáltal, hogy kevésbé szorosan kötődnek az atommaghoz, az olyan elemek, mint a cézium, alacsonyabb ionizációs energiával rendelkeznek, mint a periódusos rendszer többi eleme.
elektronegativitás
Végül az elektronegativitás egy másik tulajdonság, amely meghatározza a reaktivitást. Ez a tulajdonság egy atom azon hajlamát vagy képességét méri, hogy kötő elektronpárokat vonzzon, amikor az atom kémiai kötést hoz létre egy másik atommal. Ez egy relatív tulajdonság, mivel az alapján mérik, hogy a kémiai kötés elektronsűrűsége mennyire képes magához vonzani, amikor egy másik atomhoz kapcsolódik; értéke azonban nem határozható meg, ha az atom egyedül van, vagyis ha nem kötődik.
Ezután az elektronegativitás értékek lehetővé teszik, hogy két atom között megjósoljuk, melyik lesz képes nagyobb erővel vonzani az elektronokat. A cézium az egyik legkevésbé elektronegatív elem a periódusos rendszerben, ezért az elektronok vonzása helyett inkább feladja azokat, hogy kationt képezzen.
A reakciókészséget befolyásoló tényezők időszakos trendje
Most, hogy tudjuk, milyen tényezők befolyásolják a reakciókészséget, és miért hatnak rá, jobban felkészültünk arra, hogy megértsük, miért a cézium a legreaktívabb elem. Ehhez figyelembe kell vennünk, hogy ezek a tulajdonságok viszonylag kiszámítható viselkedést mutatnak, amikor a periódusos rendszer egyik elemétől a másikig haladunk. Vagyis az elemek periodikus tulajdonságaival foglalkozik.
Egy időszak alatt
Ahogy haladunk egy perióduson (vagyis a periódusos rendszer ugyanazon sora mentén), az atommag töltése fokozatosan növekszik, de mivel az új elektronok mind ugyanabban a vegyértékhéjban helyezkednek el, az árnyékoló hatás nem növekszik jelentősen .
Ezért, ahogy egy perióduson belül jobbra haladunk, az effektív nukleáris töltés növekszik. Ez azt is eredményezi, hogy az atomsugár csökken. Mindkét hatás hozzájárul annak az erőnek a növekedéséhez, amellyel az atommag vonzza a vegyértékelektronokat, ezért az ionizációs energia is balról jobbra növekszik.
A fentiek mindegyike miatt a fémek reaktivitása balról jobbra csökken a periódusos rendszerben, ami ugyanaz, mintha azt mondanánk, hogy jobbról balra nő. Emiatt a periódusos rendszer legreaktívabb fémei az alkálifémek.
egy csoporton keresztül
Ahogy a periódusos rendszerben felfelé vagy lefelé haladunk egy csoportban, megváltozik az a héj vagy energiaszint, amelyben a vegyértékelektronok találhatók. Ahogy haladunk lefelé egy csoporttal, a vegyértékhéj alatti árnyékoló elektronhéjak száma növekszik, ami csökkenti az effektív magtöltést és növeli az atom sugarát. Egy csoporttal lefelé haladva az elektronegativitás is csökken, ami ugyanaz, mintha azt mondanánk, hogy az elemek elektropozitívabbá válnak.
A fent említett okok miatt ez csökkenti az ionizációs energiát, így a csoport alsóbb atomjai fémként reaktívabbakká válnak.
Cézium (Cs) kontra Francium (Fr)
A fent leírt tulajdonságok periódusos trendjét tekintve világossá válik, hogy a legreaktívabb fém az, amelyik legtávolabb van a periódusos rendszertől balra és lejjebb. Ha azonban megnézzük, melyik elem van abban a helyzetben, azt látjuk, hogy nem cézium, hanem francium.
Miért mondjuk akkor azt, hogy a cézium a legreaktívabb fém? Nem a franciumnak kellene lennie?
Valójában az időszakos trendek megfigyelése és az elméleti számítások alapján azt jósolják, hogy a franciumnak reaktívabbnak kell lennie, mint a céziumnak. Ennek ellenére a céziumot tekintik a legreaktívabbnak, és nem, mert ez utóbbi szintetikus elem. Vagyis a francium nem létezik a természetben, hanem egy részecskegyorsítóban kell szintetizálni magfúzióval.
Mint minden szintetikus elem, a franciummag szintetizálása vagy kialakulása után gyorsan szétesik, mivel rendkívül instabil mag. Emiatt jelentős mennyiségű franciumot nem lehet úgy szintetizálni, hogy az vízzel vagy más vegyi anyagokkal reagáljon a reakcióképességének meghatározásához. Összefoglalva, feltételezzük, hogy a franciumnak reaktívabbnak kell lennie, mint a céziumnak, de ezt nem tudhatjuk, így marad a legreaktívabb fém, amelynek reakcióképességét meg tudjuk mérni.
A legreaktívabb fém szemben a legreaktívabb elemmel
Végül érdemes egy kis megjegyzést tenni a legreaktívabb elemmel kapcsolatban. Ahogy az elején említettük, a reaktivitás csak akkor hasonlítható össze, ha az általunk összehasonlított anyagok azonos típusú jellemző reakciókban vesznek részt.
Emiatt nem egyértelmű a periódusos rendszer legreaktívabb eleméről beszélni, tekintve, hogy a fémek és a nemfémek teljesen ellentétes kémiai reakciókban vesznek részt. A fluort azonban általában a legreaktívabb elemnek tekintik az egész periódusos rendszerben, mivel képes reagálni egy sor különféle kémiai anyaggal, még az üveget és más, általában inert anyagokat is megtámadva.
Hivatkozások
BBC. (n.d.). A reaktivitási sorozat – Reaktivitási sorozat – GCSE Chemistry (Single Science) . BBC Bitesize. https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zcxn82p/revision/1
Chang, R. és Goldsby, K. (2013). Kémia (11. kiadás). McGraw-Hill Interamericana de España SL
Szabadszövegek. (2020, augusztus 15.). 1. csoport: Alkáli fémek reakciókészsége . Kémia LibreTexts. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/
MINEDUC. Chili. (n.d.). A hidrogént a fémek kiszorítják. Fém tevékenység sorozat. Nemzeti tanterv. https://www.curriculumnacional.cl/portal/Educacion-General/Ciencias-Naturales-1-Medio-Eje-Quimica/CN1M-OA-19/133544:Hidrogeno-desplazado-por-metales-Serie-de-actividad- fémből készült
Reaktivitási sorozat . (2019. augusztus 25.). Fizika és kémia . https://lafisicayquimica.com/serie-de-reactividad/
Vedanthu. (2020, október 6.). A legreaktívabb fém: (A) nátrium (B) magnézium (C) kálium (D) kalcium . Vedantu.Com. https://www.vedantu.com/question-answer/the-most-reactive-metal-is-a-sodium-b-magnesium-class-10-chemistry-cbse-5f7c7d3763e3867bef7676d9
