โลหะที่มีปฏิกิริยามากที่สุดในตารางธาตุคืออะไร?

ในบรรดาธาตุโลหะที่เราพบได้ตามธรรมชาตินั้น ซีเซียม (Cs) เป็นธาตุที่มีปฏิกิริยามากที่สุด มันเกี่ยวกับธาตุที่ 55 ของตารางธาตุและสอดคล้องกับโลหะอัลคาไลของคาบที่หก โลหะนี้ทำปฏิกิริยาระเบิดได้กับน้ำ และต้องเก็บไว้อย่างระมัดระวังภายใต้บรรยากาศเฉื่อยในภาชนะที่ปิดสนิทหรือแช่ในน้ำมัน เนื่องจากการสัมผัสกับความชื้นในอากาศเพียงอย่างเดียวสามารถกระตุ้นปฏิกิริยาได้

ในฐานะที่เป็นโลหะอัลคาไลปฏิกิริยา ทั้งหมด ที่เกี่ยวข้องกับธาตุนี้มีลักษณะพิเศษคือการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากโลหะไปยังสารเคมีที่ทำปฏิกิริยา ทำให้ซีเซียมเป็นตัวรีดิวซ์ที่ทรงพลัง ในสารประกอบทั้งหมดที่ซีเซียมกลายเป็นส่วนหนึ่งหลังจากเกิดปฏิกิริยาเคมี โลหะจะแสดงวาเลนซ์เป็น +1

เมื่อรู้ว่าโลหะที่ทำปฏิกิริยาได้ดีที่สุดคือซีเซียม เราสงสัยว่าโลหะที่ทำปฏิกิริยาหมายถึงอะไรกันแน่ และวิธีวัดปฏิกิริยานี้ เราสามารถถามตัวเองได้ว่าทำไมซีเซียมจึงเป็นโลหะที่มีปฏิกิริยามากที่สุด ไม่ใช่โลหะอื่น? กล่าวอีกนัยหนึ่ง อะไรคือปัจจัยที่กำหนดปฏิกิริยาเคมีในธาตุโดยทั่วไปและในโลหะโดยเฉพาะ ปัญหาเหล่านี้และปัญหาอื่น ๆ จะชี้แจงในบทความนี้

ปฏิกิริยาเคมีคืออะไร?

ตามชื่อของมัน ปฏิกิริยาเคมีเป็นตัววัดแนวโน้มของสารเคมี ไม่ว่าจะเป็นองค์ประกอบหรือสารประกอบ ที่จะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมี เมื่อเราพูดว่าธาตุหรือสารประกอบทางเคมีหนึ่งมีปฏิกิริยามากกว่าอีกธาตุหนึ่ง โดยทั่วไปเราหมายความว่าธาตุหรือสารประกอบทางเคมีชนิดหนึ่งทำปฏิกิริยาได้เร็วกว่าหรือมีระดับที่มากกว่าธาตุที่สอง

แม้จะเป็นแนวคิดที่ดูเรียบง่าย แต่ก็สามารถคลุมเครือได้ ทั้งนี้เนื่องจากองค์ประกอบและสารประกอบทางเคมีทั้งหมดไม่จำเป็นต้องมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเดียวกันหรือแม้แต่ปฏิกิริยาประเภทเดียวกัน สิ่งนี้ทำให้เกิดความสับสนหรือยากที่จะเปรียบเทียบความว่องไวต่อปฏิกิริยาของสารประเภทหรือประเภทต่างๆ

ในแง่นี้ เมื่อพูดถึงปฏิกิริยาเคมีและเมื่อเปรียบเทียบปฏิกิริยาเคมีขององค์ประกอบต่างๆ จำเป็นต้องจัดกลุ่มและเปรียบเทียบเฉพาะองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกันและสามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีระดับเดียวกันได้ นี่เป็นวิธีเดียวที่จะสร้างลำดับปฏิกิริยาขององค์ประกอบได้อย่างถูกต้อง ด้วยเหตุนี้ เมื่อพูดถึงซีเซียมว่าเป็นธาตุที่มีปฏิกิริยามากที่สุด เราจึงหมายถึงธาตุที่อยู่ในธาตุนั้น ซึ่งก็คือโลหะ

ปฏิกิริยาของโลหะวัดได้อย่างไร?

ในการเปรียบเทียบความว่องไวต่อปฏิกิริยาขององค์ประกอบต่างๆ จะต้องเลือกประเภทปฏิกิริยาเพื่อใช้เป็นข้อมูลอ้างอิง ปฏิกิริยานี้จะต้องเหมือนกันกับองค์ประกอบทั้งหมดของกลุ่มที่กำลังเปรียบเทียบ ในกรณีของโลหะ ปฏิกิริยาที่มักใช้ในการทดสอบคือแนวโน้มของโลหะที่จะแทนที่หรือแทนที่ไฮโดรเจนในสารประกอบเฉพาะ

ตัวอย่างนี้คือปฏิกิริยาของโลหะกับน้ำ ซึ่งในระหว่างนั้นโลหะจะแทนที่ไฮโดรเจนเพื่อสร้างโมเลกุลไฮโดรเจนและไฮดรอกไซด์ของโลหะตามลำดับ ในกรณีของโลหะที่ทำปฏิกิริยากับน้ำได้ไม่ดีพอ จะทำปฏิกิริยากับกรดแร่ เช่น กรดไนตริกหรือกรดซัลฟิวริกแทน

เมื่อเราสั่งโลหะเป็นลำดับแรกตามปฏิกิริยาของพวกมันกับน้ำ และตามด้วยปฏิกิริยาของพวกมันกับกรดแร่ เราจะได้สิ่งที่เรียกว่าอนุกรมปฏิกิริยาของโลหะ ซีรี่ส์เหล่านี้สามารถใช้เพื่อทำนายว่าโลหะชนิดหนึ่งสามารถแทนที่โลหะอื่นในสารประกอบทางเคมีได้หรือไม่

ปัจจัยที่กำหนดปฏิกิริยาของโลหะ

ปฏิกิริยาขององค์ประกอบ ทางเคมีที่แตกต่างกัน ถูกกำหนดโดยวิธีการจัดเรียงและกระจายอิเล็กตรอนที่ประกอบกัน หลังเรียกว่าการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ ในบรรดาอิเล็กตรอนทั้งหมด ตัวกำหนดคุณสมบัติ ทางเคมีต่างๆ ของธาตุต่างๆ มากที่สุด รวมถึงโลหะคือเวเลนต์อิเล็กตรอนหรือชั้นสุดท้ายหรือระดับพลังงาน

ข้อมูลต่อไปนี้จะอธิบายถึงการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์นี้ ร่วมกับปัจจัยอื่นๆ ของโครงสร้างอะตอม กำหนดปฏิกิริยาของโลหะ

การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์

ดังที่ได้กล่าวไว้เมื่อเร็วๆ นี้ การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ขององค์ประกอบ และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง การกำหนดค่าของเปลือกเวเลนซ์ เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทาง เคมีหลายอย่างขององค์ประกอบ เช่น วาเลนซ์หรือสถานะออกซิเดชันที่พวกมันแสดงเมื่อรวมกับองค์ประกอบอื่นๆ

ในกรณีของโลหะ ธาตุเหล่านี้มีลักษณะเด่นคือมีเวเลนต์เชลล์ที่มีอิเล็กตรอนน้อยหรือมีอิเล็กตรอนอยู่ในออร์บิทัลของอะตอม ซึ่งง่ายต่อการถอดออก ในกรณีของซีเซียม เวเลนซ์เชลล์นั้นเกิดจากอิเล็กตรอนตัวเดียวในออร์บิทัล 6s อิเล็กตรอนนี้ล้อมรอบชุดของอิเล็กตรอนที่กระจายในลักษณะเดียวกับอิเล็กตรอนของ Xe ซึ่งเป็นก๊าซมีตระกูลที่มีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เสถียรมาก

สิ่งนี้ทำให้ง่ายสำหรับซีเซียมที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนโดดเดี่ยวจากเปลือกวาเลนซ์ ดังนั้นจึงบรรลุการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของก๊าซมีตระกูล

ประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ

ประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิผลคือการวัดแรงดึงดูดที่เกิดขึ้นจริงจากอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของอะตอม โดยการเติมออร์บิทัลอะตอมของอะตอมทีละน้อย โดยเริ่มจากออร์บิทัลที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดและต่อด้วยออร์บิทัลที่อยู่นอกสุด การมีอยู่ของอิเล็กตรอนในวงโคจรทำให้เกิดผลเป็นเกราะป้องกันในออร์บิทัลนอกเนื่องจากแรงผลักไฟฟ้าสถิตระหว่างประจุของเครื่องหมายเดียวกัน สิ่งนี้ทำให้เวเลนซ์อิเล็กตรอนถูกดึงดูดไปยังนิวเคลียสน้อยลงและกำจัดออกได้ง่ายกว่ามากในระหว่างปฏิกิริยาเคมี

เวเลนต์อิเล็กตรอนเดี่ยวของซีเซียมอยู่ในระดับพลังงาน 6 และถูกป้องกันโดยอิเล็กตรอนวงในอีก 54 ตัว สิ่งนี้ช่วยลดแรงดึงดูดของนิวเคลียสที่มีต่ออิเล็กตรอนดังกล่าวได้อย่างมาก ดังนั้นจึงรู้สึกว่ามีประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพต่ำมาก ในทางกลับกัน สิ่งนี้ทำให้ง่ายต่อการกำจัดอิเล็กตรอนนี้ ซึ่งจะอธิบายปฏิกิริยาที่สูงขึ้นของธาตุนี้เมื่อเทียบกับโลหะอัลคาไลอื่นๆ

วิทยุปรมาณู

จากข้อเท็จจริงที่ว่าพวกมันลดแรงดึงดูดของนิวเคลียส ธาตุที่มีประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิผลน้อยกว่าก็มีแนวโน้มที่จะมีรัศมีอะตอม ที่ ใหญ่ กว่าด้วย เนื่องจากแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตระหว่างนิวเคลียสขั้วบวกและอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับระยะทาง การอยู่ห่างจากนิวเคลียสยังช่วยลดแรงดึงดูดของเวเลนต์อิเล็กตรอน ทำให้ซีเซียมมีปฏิกิริยามากขึ้น

พลังงานไอออไนเซชัน

พลังงานไอออไนเซชันเป็นหน่วยวัดปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ในการกำจัดเวเลนต์อิเล็กตรอนตัวสุดท้ายออกจากอะตอม พลังงานไอออไนเซชันเป็นสมบัติที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับปัจจัยดังกล่าว ธาตุอย่างซีเซียมมีพลังงานไอออไนเซชันต่ำกว่าธาตุอื่นๆ ในตารางธาตุ โดยจับกับนิวเคลียสแน่นน้อยกว่า

อิเลคโตรเนกาติวิตี

ในที่สุด อิเล็กโทรเนกาติวิตีเป็นอีกคุณสมบัติหนึ่งที่กำหนดปฏิกิริยา คุณสมบัตินี้วัดแนวโน้มหรือความสามารถของอะตอมในการดึงดูดอิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะเมื่ออะตอมสร้างพันธะเคมีกับอะตอมอื่น นี่เป็นคุณสมบัติสัมพัทธ์ เนื่องจากวัดจากความหนาแน่นทางอิเล็กทรอนิกส์ของพันธะเคมีที่สามารถดึงดูดเข้าหาตัวมันเองเมื่อเชื่อมโยงกับอะตอมอื่น อย่างไรก็ตาม ค่าของมันไม่สามารถระบุได้หากอะตอมอยู่เพียงลำพัง กล่าวคือ เมื่ออะตอมนั้นไม่ได้ถูกสร้างพันธะ

จากนั้น ค่าอิเลคโตรเนกาติวิตีจะช่วยให้เราคาดการณ์ได้ว่าระหว่างสองอะตอม อะตอมใดจะสามารถดึงดูดอิเล็กตรอนได้ด้วยแรงที่มากกว่า ซีเซียมเป็นหนึ่งในธาตุที่มีประจุไฟฟ้าลบน้อยที่สุดในตารางธาตุ ดังนั้นแทนที่จะดึงดูดอิเล็กตรอน แทนที่จะปล่อยอิเล็กตรอนเพื่อสร้างไอออนบวก

แนวโน้มเป็นระยะของปัจจัยที่มีผลต่อการเกิดปฏิกิริยา

ตอนนี้เราทราบแล้วว่าปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาและเหตุใดจึงส่งผลต่อปฏิกิริยาดังกล่าว เราก็พร้อมที่จะเข้าใจว่าทำไมซีเซียมจึงเป็นองค์ประกอบที่มีปฏิกิริยามากที่สุด ในการทำเช่นนี้ เราต้องพิจารณาว่าคุณสมบัติเหล่านี้แสดงพฤติกรรมที่สามารถคาดเดาได้เมื่อเราย้ายจากองค์ประกอบหนึ่งไปยังองค์ประกอบถัดไปในตารางธาตุ นั่นคือมันเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของธาตุเป็นระยะ

ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง

เมื่อเราเคลื่อนผ่านคาบหนึ่ง (นั่นคือ ในแถวเดียวกันในตารางธาตุ) ประจุของนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ แต่เนื่องจากอิเล็กตรอนใหม่ทั้งหมดอยู่ในเปลือกเวเลนซ์เดียวกัน เอฟเฟกต์การกำบังจึงไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ .

ดังนั้น เมื่อเราเลื่อนไปทางขวาในช่วงเวลาหนึ่ง ประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิผลจะเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังส่งผลให้รัศมีอะตอมลดลง ผลกระทบทั้งสองนี้มีส่วนช่วยเพิ่มแรงที่นิวเคลียสดึงดูดเวเลนซ์อิเล็กตรอน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพลังงานไอออไนเซชันจึงเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาด้วย

ทั้งหมดข้างต้นทำให้ปฏิกิริยาของโลหะลดลงจากซ้ายไปขวาในตารางธาตุ ซึ่งเหมือนกับการบอกว่าเพิ่มขึ้นจากขวาไปซ้าย ด้วยเหตุนี้ โลหะที่มีปฏิกิริยามากที่สุดในตารางธาตุจึงเป็นโลหะอัลคาไล

ตลอดทั้งกลุ่ม

เมื่อเราเลื่อนกลุ่มบนตารางธาตุขึ้นหรือลง ระดับของเปลือกหรือพลังงานซึ่งเป็นที่ตั้งของเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไป เมื่อเราลงไปตามกลุ่ม จำนวนของเปลือกอิเล็กตรอนที่กำบังใต้เปลือกเวเลนซ์จะเพิ่มขึ้น ซึ่งลดประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพและเพิ่มรัศมีอะตอม การลดลงของกลุ่ม อิเล็กโทรเนกาติวิตีก็ลดลงเช่นกัน ซึ่งเหมือนกับการบอกว่าองค์ประกอบต่างๆ มีอิเล็กโทรบวกมากขึ้น

ด้วยเหตุผลเดียวกับที่กล่าวไว้ข้างต้น สิ่งนี้จะลดพลังงานไอออไนเซชันลง ทำให้อะตอมในกลุ่มล่างมีปฏิกิริยาเหมือนโลหะมากขึ้น

ซีเซียม (Cs) กับ แฟรนเซียม (Fr)

เมื่อพิจารณาถึงแนวโน้มของคุณสมบัติตามคาบธาตุที่อธิบายไว้ข้างต้น จะเห็นได้ชัดว่าโลหะที่มีปฏิกิริยามากที่สุดคือโลหะที่อยู่ทางซ้ายสุดและถัดไปจากตารางธาตุ อย่างไรก็ตาม เมื่อเราดูว่าธาตุใดอยู่ในตำแหน่งนั้น เราจะเห็นว่าไม่ใช่ซีเซียมแต่เป็นแฟรนเซียม

แล้วทำไมเราถึงบอกว่าซีเซียมเป็นโลหะที่มีปฏิกิริยามากที่สุด? มันควรจะเป็นแฟรนเซียมไม่ใช่เหรอ?

จากการสังเกตแนวโน้มเป็นระยะและการคำนวณทางทฤษฎี คาดการณ์ว่าแฟรนเซียมน่าจะมีปฏิกิริยามากกว่าซีเซียม อย่างไรก็ตาม เหตุผลที่ซีเซียมถือเป็นสารที่มีปฏิกิริยามากที่สุดและไม่ใช่แฟรนเซียม เนื่องจากสารซีเซียมเป็นธาตุสังเคราะห์ นั่นคือแฟรนเซียมไม่มีอยู่ในธรรมชาติ แต่ต้องสังเคราะห์ขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาคด้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

เช่นเดียวกับธาตุสังเคราะห์อื่นๆ เมื่อนิวเคลียสของแฟรนเซียมถูกสังเคราะห์หรือก่อตัวขึ้น มันจะสลายตัวอย่างรวดเร็วเนื่องจากเป็นนิวเคลียสที่ไม่เสถียรอย่างยิ่ง ด้วยเหตุผลนี้ แฟรนเซียมในปริมาณที่ประเมินค่าไม่ได้จึงไม่สามารถสังเคราะห์เพื่อทำปฏิกิริยากับน้ำหรือสารเคมีอื่นๆ เพื่อระบุปฏิกิริยาได้ โดยสรุป เราคิดว่าแฟรนเซียมควรมีปฏิกิริยามากกว่าซีเซียม แต่เราไม่มีทางรู้ได้ ดังนั้นเราจึงเหลือโลหะที่มีปฏิกิริยามากที่สุดซึ่งเราสามารถวัดปฏิกิริยาได้

โลหะที่มีปฏิกิริยามากที่สุดกับธาตุที่มีปฏิกิริยามากที่สุด

สุดท้าย ควรแสดงความคิดเห็นเล็กน้อยเกี่ยวกับองค์ประกอบที่มีปฏิกิริยาตอบสนองมากที่สุด ดังที่กล่าวไว้ในตอนต้น ความว่องไวต่อปฏิกิริยาสามารถเปรียบเทียบได้ก็ต่อเมื่อสารที่เรากำลังเปรียบเทียบมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่มีลักษณะเฉพาะประเภทเดียวกัน

ด้วยเหตุนี้จึงคลุมเครือที่จะพูดถึงธาตุที่มีปฏิกิริยาไวที่สุดในตารางธาตุ โดยพิจารณาว่าโลหะและอโลหะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีที่ตรงข้ามกันโดยสิ้นเชิง อย่างไรก็ตาม ฟลูออรีนมักถูกพิจารณาว่าเป็นธาตุที่มีปฏิกิริยามากที่สุดในตารางธาตุทั้งหมด เนื่องจากความสามารถในการทำปฏิกิริยากับสารเคมีหลายชนิด แม้กระทั่งกับแก้วและวัสดุเฉื่อยอื่นๆ

อ้างอิง

บีบีซี (น.ป.). ชุดปฏิกิริยา – ชุดปฏิกิริยา – GCSE Chemistry (Single Science) . บีบีซี ไบท์ไซส์ https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zcxn82p/revision/1

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). เคมี (ฉบับที่ 11) McGraw-Hill Interamericana de España SL

ลิเบรอเท็กซ์ (2563, 15 สิงหาคม). กลุ่มที่ 1: ปฏิกิริยาของโลหะอัลคาไล เคมี LibreTexts https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/

มิเนดัค. พริก. (น.ป.). ไฮโดรเจนถูกแทนที่ด้วยโลหะ ชุดกิจกรรมโลหะ หลักสูตรระดับชาติ. https://www.curriculumnacional.cl/portal/Educacion-General/Ciencias-Naturales-1-Medio-Eje-Quimica/CN1M-OA-19/133544:Hidrogeno-desplazado-por-metales-Serie-de-actividad- ของโลหะ

ชุดปฏิกิริยา (2562, 25 สิงหาคม). ฟิสิกส์และเคมี https://lafisicayquimica.com/serie-de-reactividad/

พระเวท. (2563, 6 ตุลาคม). โลหะที่ทำปฏิกิริยามากที่สุดคือ?(A) โซเดียม(B) แมกนีเซียม(C) โพแทสเซียม(D)แคลเซียม Vedantu.Com. https://www.vedantu.com/question-answer/the-most-reactive-metal-is-a-sodium-b-magnesium-class-10-chemistry-cbse-5f7c7d3763e3867bef7676d9