De los elementos metálicos que podemos encontrar de forma natural, el cesio (Cs) es el más reactivo. Se trata del elemento 55 de la tabla periódica y corresponde al metal alcalino del sexto período. Este metal reacciona de manera explosiva con el agua, debiendo almacenarse cuidadosamente bajo atmósfera inerte en recipientes sellados o sumergidos en aceite, ya que el solo contacto con la humedad del aire puede desencadenar una reacción.
Al ser un metal alcalino, todas las reacciones en las que participa este elemento se caracterizan por la transferencia de un electrón del metal a la especie química con la que reacciona, lo que hace del cesio un agente reductor potente. En todos los compuestos de los que el cesio pasa a formar parte tras una reacción química, el metal exhibe una valencia de +1.
Sabiendo que el metal más reactivo es el cesio, cabe preguntarse qué significa exactamente ser ser un metal reactivo y cómo se mide esta reactividad. También nos podemos preguntar ¿por qué el cesio es el metal más reactivo y no otro metal? En otras palabras, ¿cuáles son los factores que determinan la reactividad química en los elementos en general y en los metales en particular? Estas y otras cuestiones se aclararán en en el presente artículo.
¿Qué es la reactividad química?
Como su nombre lo indica, la reactividad química es una medida de la tendencia que tiene una sustancia química, sea un elemento o un compuesto, de participar en reacciones químicas. Cuando decimos que un elemento o que un compuesto químico es más reactivo que otro, por lo general nos referimos a que el primero reacciona más rápidamente o en mayor grado que el segundo.
A pesar de tratarse de un concepto en apariencia sencillo, puede resultar ambiguo. Esto se debe a que no todos los elementos y no todos los compuestos químicos necesariamente participan en las mismas reacciones, ni siquiera en el mismo tipo de reacciones. Esto hace que sea confuso o que resulte difícil comparar las reactividades de distintos tipos o clases de sustancias.
En este sentido, al hablar de reactividad química y al comparar las reactividades químicas de los distintos elementos, se hace necesario agruparlos y comparar solo aquellos elementos que estén relacionados entre sí y que puedan participar en la misma clase de reacciones químicas. Solo así se puede establecer de forma precisa el orden de reactividad de los elementos. Es justamente por esta razón que, al hablar del cesio como el elemento más reactivo, la hacemos en relación a la clase de elemento a la cual pertenece, a saber, los metales.
¿Cómo se mide la reactividad de los metales?
Para comparar la reactividad de distintos elementos, se debe seleccionar un tipo de reacción que sirva como referencia. Esta reacción debe ser común a todos los elementos del grupo que se está comparando. En el caso de los metales, la reacción que se suele utilizar como prueba es la tendencia del metal a reemplazar o a desplazar al hidrógeno en un compuesto particular.
Un ejemplo de esto es la reacción de los metales con agua, durante la cual el metal desplaza al hidrógeno para formar hidrógeno molecular y el respectivo hidróxido metálico. En el caso de metales que no son lo suficientemente reactivos para reaccionar con el agua, se hacen reaccionar con ácidos minerales como el ácido nítrico o el ácido sulfúrico en su lugar.
Cuando ordenamos a los metales primero según su reactividad frente al agua y luego por su reactividad con ácidos minerales, obtenemos lo que se denomina la serie de reactividad de los metales. Estas series pueden utilizarse, entre otras cosas, para predecir si un metal es capaz de desplazar a otro en un compuesto químico.
Factores que determinan la reactividad de un metal
La reactividad de los distintos elementos químicos viene determinada por la forma en la que están ordenados y distribuidos los electrones que los conforman. A esto último se le denomina configuración electrónica. De todos los electrones, los más determinantes de las distintas propiedades químicas de los elementos, incluyendo a los metales, son los electrones de valencia o de la última capa o nivel de energía.
A continuación se describe cómo esta configuración electrónica, junto con otros factores propios de la estructura atómica, determinan la reactividad de un metal.
Configuración electrónica
Como se mencionó recientemente, la configuración electrónica de un elemento, y, en particular, la configuración de la capa de valencia, es determinante de muchas propiedades químicas de los elementos tales como las valencias o estados de oxidación que exhiben al combinarse con otros elementos.
En el caso de los metales, estos elementos se caracterizan por tener capas de valencia con pocos electrones o con electrones ubicados en orbitales atómicos de donde resultan muy fáciles de remover. En el caso del cesio, su capa de valencia está formada por un único electrón en el orbital 6s. Este electrón rodea a un conjunto de electrones distribuidos de la misma forma que los electrones del Xe, que es un gas noble con una configuración electrónica muy estable.
Esto hace que el cesio pierda fácilmente el electrón solitario de su capa de valencia ya que así logra adquirir la configuración electrónica de un gas noble.
Carga nuclear efectiva
La carga nuclear efectiva es una medida de la fuerza de atracción real que sienten los electrones más externos de un átomo. Al llenar progresivamente los orbitales atómicos de un átomo, comenzando por los más cercanos al núcleo y siguiendo con los más externos, la presencia de los electrones internos ejerce un efecto de apantallamiento sobre los más externos debido a la repulsión electrostática entre cargas de igual signo. Esto hace que los electrones de valencia sientan menor atracción por parte del núcleo y sean mucho más fáciles de remover durante una reacción química.
El único electrón de valencia del cesio se encuentra en el nivel 6 de energía y está apantallado por los demás 54 electrones internos. Esto reduce considerablemente la fuerza de atracción del núcleo sobre dicho electrón, por lo que siente una carga nuclear efectiva muy baja. A su vez, esto hace que sea muy fácil remover este electrón, lo cual explica la mayor reactividad de este elemento comparado a los demás metales alcalinos.
Radio atómico
Por el mismo hecho de reducir la fuerza de atracción del núcleo, los elementos cuya carga nuclear efectiva es menor también tienden a tener un radio atómico mayor. Como la fuerza de atracción electrostática entre el núcleo positivo y los electrones depende de la distancia, estar más alejados del núcleo también contribuye a reducir la fuerza de atracción de los electrones de valencia, lo que hace que el cesio sea más reactivo.
Energía de ionización
La energía de ionización es una medida de la cantidad de energía que se requiere para remover el último electrón de valencia de un átomo. La energía de ionización es una propiedad que está directamente relacionada con los factores anteriormente mencionados. Al unirse con menos fuerza al núcleo, elementos como el cesio tienen menor energía de ionización que los otros elementos de la tabla periódica.
Electronegatividad
Finalmente, la electronegatividad es otra propiedad que determina la reactividad. Esta propiedad mide la tendencia o capacidad de un átomo para atraer a los pares de electrones enlazantes cuando el átomo forma un enlace químico con otro átomo. Esta es una propiedad relativa, ya que se mide en función de qué tanto logra atraer hacia sí la densidad electrónica del enlace químico cuando está enlazado con otro átomo; sin embargo, no puede determinarse su valor si el átomo está solo, es decir, cuando no está enlazado.
Entonces, los valores de electronegatividad nos permiten predecir, entre dos átomos, cuál será capaz de atraer a los electrones con mayor fuerza. El cesio es uno de los elementos menos electronegativos de la tabla periódica, por lo que su tendencia, en vez de a atraer electrones, es más bien a cederlos para formar un catión.
Tendencia periódica de los factores que afectan la reactividad
Ahora que sabemos cuáles son los factores que afectan a la reactividad y por qué la afectan, estamos mejor preparados para entender por qué el cesio es el elemento más reactivo. Para ello, debemos considerar que estas propiedades muestran un comportamiento relativamente predecible a medida que pasamos de un elemento al siguiente en la tabla periódica. Es decir, se trata de propiedades periódicas de los elementos.
A lo largo de un período
Al movernos a lo largo de un período (es decir, a lo largo de una misma fila en la tabla periódica), va aumentando progresivamente la carga del núcleo, pero, como los electrones nuevos está todos ubicados en la misma capa de valencia, el efecto de apantallamiento no aumenta significativamente.
Por ello, al movernos hacia la derecha en un período, la carga nuclear efectiva aumenta. Esto también trae como consecuencia que disminuya el radio atómico. Ambos efectos contribuyen a que aumente la fuerza con la que el núcleo atrae a los electrones de valencia, razón por la cual también aumenta la energía de ionización de izquierda a derecha.
Todo lo anterior hace que la reactividad de los metales disminuya de izquierda a derecha en la tabla periódica, lo que es igual a decir que aumenta de derecha a izquierda. Por esta razón, los metales más reactivos de la tabla periódica son los metales alcalinos.
A lo largo de un grupo
Al movernos hacia arriba o hacia abajo en un grupo de la tabla periódica, cambia la capa o nivel de energía en el que se ubican los electrones de valencia. Cuando bajamos en un grupo, aumenta el número de capas de electrones apantallantes que se encuentran por debajo de la capa de valencia, lo cual reduce la carga nuclear efectiva y aumenta el radio atómico. Al bajar en un grupo, también disminuye la electronegatividad, lo que es lo mismo que decir que los elementos se tornan más electropositivos.
Por las mismas razones mencionadas antes, esto reduce la energía de ionización, haciendo que los átomos que se encuentran más abajo en un grupo sean más reactivos como metales.
El cesio (Cs) versus el francio (Fr)
Al observar la tendencia periódica de las propiedades antes descritas, queda claro que el metal más reactivo es el que se encuentra más hacia la izquierda y más hacia abajo en la tabla periódica. Sin embargo, cuando observamos qué elemento se encuentra en dicha posición, vemos que no es el cesio sino el francio.
¿Por qué, entonces, decimos que el cesio es el metal más reactivo? ¿No debería ser el francio?
En efecto, en base a la observación de las tendencias periódicas y a cálculos teóricos, se predice que el francio debería ser más reactivo que el cesio. Sin embargo, la razón por la que el cesio se considera el más reactivos y no el francio es porque este último es un elemento sintético. Es decir, el francio no existe en la naturaleza, sino que se debe sintetizar en un acelerador de partículas por medio de la fusión nuclear.
Como todos elemento sintético, una vez sintetizado o formado el núcleo de francio, este se desintegra rápidamente por tratarse de un núcleo extremadamente inestable. Por esta razón, no se puede sintetizar cantidades apreciables de francio como para hacerlo reaccionar con el agua o con otras sustancias químicas y así poder determinar su reactividad. En resumen, asumimos que el francio debería ser más reactivo que el cesio, pero no tenemos manera de saberlo, por lo que nos quedamos con el metal más reactivo cuya reactividad sí podemos medir.
El metal más reactivo versus el elemento más reactivo
Para finalizar, cabe hacer un pequeño comentario en relación al elemento más reactivo. Como se mencionó al principio, la reactividad solo se puede comparar cuando las sustancias que estamos comparando participan en los mismos tipos de reacciones características.
Por esta razón, resulta ambiguo hablar acerca del elemento más reactivo de la tabla periódica, considerando que los metales y los no metales participan en reacciones químicas totalmente opuestas. Sin embargo, se suele considerar al flúor como el elemento más reactivo de toda la tabla periódica debido a su capacidad de reaccionar con un sinfín de sustancias químicas diferentes, atacando incluso al vidrio y a otros materiales usualmente inertes.
Referencias
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