Tabla de Contenidos
Af de metalliske grundstoffer , som vi kan finde naturligt, er cæsium (Cs) det mest reaktive . Det er omkring grundstof 55 i det periodiske system og svarer til alkalimetallet i den sjette periode. Dette metal reagerer eksplosivt med vand og skal omhyggeligt opbevares under en inaktiv atmosfære i lukkede beholdere eller nedsænket i olie, da den blotte kontakt med luftfugtighed kan udløse en reaktion.
Da det er et alkalimetal, er alle reaktioner , der involverer dette element, karakteriseret ved overførsel af en elektron fra metallet til den kemiske art, som det reagerer med, hvilket gør cæsium til et kraftigt reduktionsmiddel. I alle forbindelser, som cæsium bliver en del af efter en kemisk reaktion, udviser metallet en valens på +1.
Når man ved, at det mest reaktive metal er cæsium, undrer man sig over, hvad det præcist vil sige at være et reaktivt metal, og hvordan denne reaktivitet måles. Vi kan også spørge os selv, hvorfor cæsium er det mest reaktive metal og ikke et andet metal? Med andre ord, hvad er de faktorer, der bestemmer kemisk reaktivitet i grundstoffer generelt og i metaller i særdeleshed? Disse og andre spørgsmål vil blive afklaret i denne artikel.
Hvad er kemisk reaktivitet?
Som navnet antyder, er kemisk reaktivitet et mål for et kemisk stofs tendens, det være sig et grundstof eller en forbindelse, til at deltage i kemiske reaktioner . Når vi siger, at et grundstof eller kemisk forbindelse er mere reaktivt end et andet, mener vi generelt, at det første reagerer hurtigere eller i højere grad end det andet.
På trods af at det er et tilsyneladende simpelt koncept, kan det være tvetydigt. Dette skyldes, at ikke alle grundstoffer og ikke alle kemiske forbindelser nødvendigvis deltager i de samme reaktioner, eller endda de samme typer reaktioner. Dette gør det forvirrende eller vanskeligt at sammenligne reaktiviteten af forskellige typer eller klasser af stoffer.
I denne forstand, når man taler om kemisk reaktivitet og sammenligner de forskellige grundstoffers kemiske reaktiviteter, er det nødvendigt at gruppere dem og kun sammenligne de elementer, der er relateret til hinanden, og som kan deltage i den samme klasse af kemiske reaktioner . Dette er den eneste måde til nøjagtigt at fastslå rækkefølgen af elementernes reaktivitet. Det er netop derfor, når vi taler om cæsium som det mest reaktive grundstof, henviser vi til den klasse af grundstoffer, som det tilhører, nemlig metaller.
Hvordan måles metallers reaktivitet?
For at sammenligne reaktiviteten af forskellige elementer, skal en reaktionstype vælges til at tjene som reference. Denne reaktion skal være fælles for alle elementer i gruppen, der sammenlignes. I tilfælde af metaller er reaktionen ofte brugt som en test metallets tendens til at erstatte eller fortrænge brint i en bestemt forbindelse.
Et eksempel på dette er reaktionen af metaller med vand, hvorved metallet fortrænger brint for at danne molekylært brint og det respektive metalhydroxid. I tilfælde af metaller, der ikke er reaktive nok til at reagere med vand, reageres de med mineralsyrer såsom salpetersyre eller svovlsyre i stedet.
Når vi først bestiller metaller efter deres reaktivitet over for vand og derefter efter deres reaktivitet over for mineralsyrer, får vi det, man kalder reaktivitetsrækken for metaller. Disse serier kan blandt andet bruges til at forudsige, om et metal er i stand til at fortrænge et andet i en kemisk forbindelse.
Faktorer, der bestemmer et metals reaktivitet
Reaktiviteten af de forskellige kemiske grundstoffer bestemmes af den måde, hvorpå elektronerne, der udgør dem, er arrangeret og fordelt. Sidstnævnte kaldes en elektronisk konfiguration. Af alle elektronerne er den mest bestemmende for grundstoffernes forskellige kemiske egenskaber , inklusive metaller, valenselektronerne eller det sidste skal eller energiniveau.
Det følgende beskriver, hvordan denne elektroniske konfiguration sammen med andre faktorer af atomstrukturen bestemmer et metals reaktivitet.
Elektronisk konfiguration
Som nævnt for nylig er den elektroniske konfiguration af et element, og især konfigurationen af valensskallen, bestemmende for mange kemiske egenskaber af grundstofferne, såsom de valenser eller oxidationstilstande, som de udviser, når de kombineres med andre elementer .
I tilfælde af metaller er disse grundstoffer karakteriseret ved at have valensskaller med få elektroner eller med elektroner placeret i atomare orbitaler, hvorfra de er meget nemme at fjerne. I tilfælde af cæsium er dens valensskal dannet af en enkelt elektron i 6s orbitalen. Denne elektron omgiver et sæt elektroner fordelt på samme måde som elektronerne i Xe, som er en ædelgas med en meget stabil elektronisk konfiguration.
Dette gør det let for cæsium at miste den enlige elektron fra dens valensskal og dermed opnå den elektroniske konfiguration af en ædelgas.
effektiv atomladning
Den effektive kerneladning er et mål for den faktiske tiltrækningskraft, der mærkes af et atoms yderste elektroner. Ved gradvis at fylde et atoms atomorbitaler , begyndende med dem, der er tættest på kernen og fortsætte med de yderste, udøver tilstedeværelsen af de indre elektroner en afskærmende effekt på de ydre på grund af den elektrostatiske frastødning mellem ladninger af samme fortegn. Dette gør valenselektroner mindre tiltrukket af kernen og meget nemmere at fjerne under en kemisk reaktion.
Cæsiums enkeltvalenselektron er på energiniveau 6 og er afskærmet af de andre 54 indre elektroner. Dette reducerer i høj grad kernens tiltrækningskraft på elektronen, så den føles en meget lav effektiv kerneladning. Til gengæld gør dette det meget nemt at fjerne denne elektron, hvilket forklarer den højere reaktivitet af dette grundstof sammenlignet med andre alkalimetaller.
Atomradio
Ved selve det faktum, at de reducerer kernens tiltrækningskraft, har elementer med en mindre effektiv kerneladning også en tendens til at have en større atomradius . Da den elektrostatiske tiltrækningskraft mellem den positive kerne og elektronerne afhænger af afstanden, hjælper det at være længere væk fra kernen også med at reducere tiltrækningskraften for valenselektronerne, hvilket gør cæsium mere reaktivt.
ioniseringsenergi
Ioniseringsenergi er et mål for mængden af energi, der kræves for at fjerne den sidste valenselektron fra et atom. Ioniseringsenergi er en egenskab, der er direkte relateret til de førnævnte faktorer. Ved at binde mindre tæt til kernen har grundstoffer som cæsium lavere ioniseringsenergier end de andre grundstoffer i det periodiske system.
elektronegativitet
Endelig er elektronegativitet en anden egenskab, der bestemmer reaktivitet. Denne egenskab måler et atoms tendens eller evne til at tiltrække bindingspar af elektroner, når atomet danner en kemisk binding med et andet atom. Dette er en relativ egenskab, da den måles ud fra, hvor meget den elektroniske tæthed af den kemiske binding formår at tiltrække mod sig selv, når den er knyttet til et andet atom; dets værdi kan dog ikke bestemmes, hvis atomet er alene, altså når det ikke er bundet.
Derefter giver elektronegativitetsværdierne os mulighed for at forudsige, mellem to atomer, hvilken der vil være i stand til at tiltrække elektroner med større kraft. Cæsium er et af de mindst elektronegative grundstoffer i det periodiske system, så dets tendens, i stedet for at tiltrække elektroner, er snarere at opgive dem for at danne en kation.
Periodisk trend af faktorer, der påvirker reaktivitet
Nu hvor vi ved, hvilke faktorer der påvirker reaktiviteten og hvorfor de påvirker den, er vi bedre forberedt til at forstå hvorfor cæsium er det mest reaktive grundstof. For at gøre dette skal vi overveje, at disse egenskaber viser relativt forudsigelig adfærd, når vi bevæger os fra et grundstof til det næste i det periodiske system. Det vil sige, at den omhandler grundstoffernes periodiske egenskaber.
Over en periode
Når vi bevæger os gennem en periode (det vil sige langs den samme række i det periodiske system), stiger ladningen af kernen progressivt, men da de nye elektroner alle er placeret i den samme valensskal, øges afskærmningseffekten ikke væsentligt .
Derfor, når vi bevæger os til højre i en periode, stiger den effektive atomladning. Dette medfører også som en konsekvens, at atomradius falder. Begge disse effekter er med til at øge den kraft, hvormed kernen tiltrækker valenselektroner, hvorfor ioniseringsenergien også stiger fra venstre mod højre.
Alt det ovenstående får metallers reaktivitet til at falde fra venstre mod højre på det periodiske system, hvilket er det samme som at sige, at det stiger fra højre mod venstre. Af denne grund er de mest reaktive metaller i det periodiske system alkalimetallerne.
i hele en gruppe
Når vi bevæger os op eller ned i en gruppe på det periodiske system, ændres skal- eller energiniveauet, hvori valenselektronerne er placeret. Når vi går ned ad en gruppe, stiger antallet af afskærmende elektronskaller under valensskallen, hvilket reducerer den effektive kerneladning og øger atomradius. Går man ned i en gruppe, falder elektronegativiteten også, hvilket er det samme som at sige, at grundstofferne bliver mere elektropositive.
Af samme årsager nævnt ovenfor sænker dette ioniseringsenergien, hvilket gør de lavere atomer i en gruppe mere reaktive som metaller.
Cæsium (Cs) versus Francium (Fr)
Ser man på den periodiske tendens af egenskaberne beskrevet ovenfor, bliver det klart, at det mest reaktive metal er det, der er længst til venstre og længere nede i det periodiske system. Men når vi ser på hvilket grundstof der er i den position, ser vi, at det ikke er cæsium, men francium.
Hvorfor siger vi så, at cæsium er det mest reaktive metal? Burde det ikke være francium?
Faktisk, baseret på observation af periodiske tendenser og teoretiske beregninger, forudsiges det, at francium skulle være mere reaktivt end cæsium. Grunden til, at cæsium betragtes som det mest reaktive og ikke francium, er, at sidstnævnte er et syntetisk grundstof. Det vil sige, at francium ikke findes i naturen, men skal syntetiseres i en partikelaccelerator gennem kernefusion.
Som alle syntetiske grundstoffer, når først francium-kernen er syntetiseret eller dannet, går den hurtigt i opløsning, fordi den er en ekstremt ustabil kerne. Af denne grund kan betydelige mængder francium ikke syntetiseres for at få det til at reagere med vand eller andre kemikalier for at bestemme dets reaktivitet. Sammenfattende antager vi, at francium burde være mere reaktivt end cæsium, men vi har ingen mulighed for at vide det, så vi står tilbage med det mest reaktive metal, hvis reaktivitet vi kan måle.
Det mest reaktive metal versus det mest reaktive element
Til sidst er det værd at komme med en lille kommentar i forhold til det mest reaktive element. Som nævnt i begyndelsen kan reaktivitet kun sammenlignes, når de stoffer, vi sammenligner, deltager i de samme typer karakteristiske reaktioner.
Af denne grund er det tvetydigt at tale om det mest reaktive grundstof i det periodiske system, i betragtning af at metaller og ikke-metaller deltager i totalt modsatte kemiske reaktioner. Fluor anses dog normalt for at være det mest reaktive grundstof i hele det periodiske system på grund af dets evne til at reagere med et væld af forskellige kemiske stoffer, selv angribe glas og andre sædvanligvis inaktive materialer.
Referencer
BBC. (n.d.). Reaktivitetsserien – Reaktivitetsserien – GCSE Chemistry (Single Science) . BBC Bitesize. https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zcxn82p/revision/1
Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Kemi (11. udgave). McGraw-Hill Interamericana de España SL
Libretekster. (2020, 15. august). Gruppe 1: Alkalimetallers reaktivitet . Kemi LibreTexts. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/
MINEDUC. Chili. (n.d.). Brint fortrængt af metaller. Metal aktivitetsserie. National Curriculum. https://www.curriculumnacional.cl/portal/Educacion-General/Ciencias-Naturales-1-Medio-Eje-Quimica/CN1M-OA-19/133544:Hidrogeno-desplazado-por-metales-Serie-de-actividad- af-metallerne
Reaktivitetsserie . (2019, 25. august). Fysik og kemi . https://lafisicayquimica.com/serie-de-reactividad/
Vedanthu. (2020, 6. oktober). Det mest reaktive metal er?(A) Natrium(B) Magnesium(C) Kalium(D) Calcium . Vedantu.Com. https://www.vedantu.com/question-answer/the-most-reactive-metal-is-a-sodium-b-magnesium-class-10-chemistry-cbse-5f7c7d3763e3867bef7676d9
