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自然界に存在する金属元素の中で、セシウム (Cs) は最も反応性に優れています。周期表の元素 55 についてであり、第 6 周期のアルカリ金属に対応します。この金属は水と爆発的に反応し、空気中の湿気と接触するだけで反応を引き起こす可能性があるため、密閉容器内の不活性雰囲気下または油に浸して慎重に保管する必要があります。
アルカリ金属であるため、この元素が関与するすべての反応は、金属から反応する化学種への電子の移動によって特徴付けられ、セシウムは強力な還元剤になります。セシウムが化学反応の後に一部になるすべての化合物では、金属は+1の原子価を示します。
最も反応性の高い金属がセシウムであることを知っていると、反応性金属であるとは正確には何を意味し、この反応性はどのように測定されるのか疑問に思う. また、セシウムが他の金属ではなく、最も反応性の高い金属である理由を自問することもできます。言い換えれば、元素全般、特に金属の化学反応性を決定する要因は何ですか? これらおよびその他の問題は、この記事で明確にされます。
化学反応性とは何ですか？
その名前が示すように、化学反応性は、元素であれ化合物であれ、化学物質が化学反応に参加する傾向の尺度です。ある元素または化学化合物が別の元素または化合物よりも反応性が高いと言うとき、一般的には、前者が後者よりも速く、またはより大きく反応することを意味します.
一見単純な概念ですが、あいまいな場合があります。これは、すべての元素やすべての化合物が必ずしも同じ反応、または同じ種類の反応に関与しているわけではないためです。これにより、異なるタイプまたはクラスの物質の反応性を比較することが混乱したり困難になったりします。
この意味で、化学反応性について話し、さまざまな元素の化学反応性を比較するときは、それらをグループ化し、互いに関連し、同じクラスの化学反応に参加できる元素のみを比較する必要があります. これは、要素の反応性の順序を正確に確立する唯一の方法です。セシウムを最も反応性の高い元素として語るとき、セシウムが属する元素のクラス、すなわち金属に言及するのはまさにこの理由による。
金属の反応性はどのように測定されますか?
異なる元素の反応性を比較するには、基準となる反応タイプを選択する必要があります。この反応は、比較されるグループのすべての要素に共通する必要があります。金属の場合、テストとしてよく使用される反応は、特定の化合物で水素を置換または置換する金属の傾向です。
この例は、金属と水との反応であり、その間、金属は水素を置換して分子水素とそれぞれの金属水酸化物を形成します。水と反応するほど反応性がない金属の場合、代わりに 硝酸や硫酸などの鉱酸と反応します。
最初に水に対する反応性、次に鉱酸に対する反応性によって金属を並べると、金属の反応性系列と呼ばれるものが得られます。これらのシリーズは、とりわけ、ある金属が化学化合物で別の金属を置換できるかどうかを予測するために使用できます。
金属の反応性を決定する要因
さまざまな化学元素の反応性は、それらを構成する電子の配置と分布の仕方によって決まります。後者は電子配置と呼ばれます。すべての電子の中で、金属を含む元素のさまざまな化学的性質の最も決定的な要因は、価電子または最後の殻またはエネルギー準位です。
以下では、この電子配置が、原子構造の他の要因とともに、金属の反応性をどのように決定するかについて説明します。
電子構成
最近述べたように、元素の電子配置、特に原子価殻の配置は、他の元素と組み合わせたときに示す原子価や酸化状態など、元素の多くの化学的性質の決定要因です。
金属の場合、これらの元素は、電子がほとんどない原子価殻または電子が非常に簡単に除去できる原子軌道にある原子価殻を持つという特徴があります。セシウムの場合、その価電子殻は 6s 軌道の単一の電子によって形成されます。この電子は、非常に安定した電子配置を持つ希ガスである Xe の電子と同じように分布する一連の電子を取り囲んでいます。
これにより、セシウムはその価電子殻から孤立電子を失いやすくなり、希ガスの電子配置が実現します。
実効核電荷
実効核電荷は、原子の最も外側の電子が感じる実際の引力の尺度です。原子の原子軌道を原子核に最も近いものから始めて最も外側のものまで徐々に満たすことにより、内側の電子の存在は、同じ符号の電荷間の静電反発により、外側の電子に遮蔽効果を及ぼします。これにより、価電子が原子核に引き寄せられにくくなり、化学反応中に除去しやすくなります。
セシウムの単一の価電子はエネルギー準位 6 にあり、他の 54 個の内部電子によって遮蔽されています。これにより、電子に対する核の引力が大幅に減少するため、有効な核電荷が非常に低く感じられます。次に、これにより、この電子を非常に簡単に除去できます。これは、他のアルカリ金属と比較してこの元素の反応性が高いことを説明しています.
原子力ラジオ
それらが核の引力を減少させるというまさにその事実によって、より小さな実効核電荷を持つ元素は、より大きな原子半径を持つ傾向もあります. 正の原子核と電子の間の静電引力は距離に依存するため、原子核から離れると価電子の引力が減少し、セシウムの反応性が高まります。
イオン化エネルギー
イオン化エネルギーは、原子から最後の価電子を取り除くのに必要なエネルギー量の尺度です。イオン化エネルギーは、前述の要因に直接関係する特性です。セシウムのような元素は、原子核への結合が緩いため、周期表の他の元素よりもイオン化エネルギーが低くなります。
電気陰性度
最後に、電気陰性度は反応性を決定するもう 1 つの特性です。この特性は、原子が別の原子と化学結合を形成するときに、電子の結合対を引き付ける傾向または能力を測定します。これは相対的な特性です。これは、化学結合が別の原子に結合しているときに、化学結合の電子密度がそれ自体に引き寄せられる量に基づいて測定されるためです。ただし、原子が単独の場合、つまり結合していない場合、その値を決定することはできません。
次に、電気陰性度の値により、2 つの原子間で、どちらがより大きな力で電子を引き付けることができるかを予測できます。セシウムは、周期表で最も電気陰性度の低い元素の 1 つであるため、電子を引き付けるのではなく、陽イオンを形成する傾向があります。
反応性に影響を与える要因の周期的傾向
反応性に影響を与える要因とその理由がわかったので、セシウムが最も反応性の高い元素である理由を理解する準備が整いました。これを行うには、周期表のある元素から次の元素に移動するときに、これらの特性が比較的予測可能な挙動を示すことを考慮する必要があります。つまり、元素の周期的な性質を扱います。
一定期間
周期を移動するにつれて (つまり、周期表の同じ行に沿って)、原子核の電荷は徐々に増加しますが、新しい電子はすべて同じ原子価殻にあるため、遮蔽効果は大幅には増加しません。 .
したがって、ある周期で右に移動すると、実効核電荷が増加します。これはまた、原子半径が減少するという結果をもたらします。これらの効果は両方とも、原子核が価電子を引き付ける力の増加に寄与します。これが、イオン化エネルギーも左から右に増加する理由です。
上記のすべてにより、金属の反応性は周期表の左から右に減少します。これは、右から左に増加すると言っているのと同じです. このため、周期表で最も反応性の高い金属はアルカリ金属です。
グループ全体で
周期表のグループを上下に移動すると、価電子が位置するシェルまたはエネルギー準位が変化します。グループを下るにつれて、価電子殻の下の遮蔽電子殻の数が増加し、有効な核電荷が減少し、原子半径が増加します。グループを下ると、電気陰性度も減少します。これは、要素がより電気的に陽性になると言っているのと同じです.
上記と同じ理由で、これによりイオン化エネルギーが低下し、グループ内の下位原子が金属としてより反応しやすくなります。
セシウム (Cs) とフランシウム (Fr)
上記の特性の周期的な傾向を見ると、最も反応性の高い金属は、周期表で最も左にあり、さらに下にある金属であることが明らかになります。しかし、どの元素がその位置にあるかを見ると、セシウムではなくフランシウムであることがわかります。
では、セシウムが最も反応性の高い金属であると言えるのはなぜでしょうか? フランシウムじゃないの？
実際、周期的な傾向の観察と理論計算に基づいて、フランシウムはセシウムよりも反応性が高いはずであると予測されています。しかし、フランシウムではなくセシウムが最も反応性が高いと考えられている理由は、フランシウムが合成元素であるためです。つまり、フランシウムは自然界には存在せず、核融合によって粒子加速器で合成する必要があります。
すべての合成元素と同様に、フランシウム核が合成または形成されると、非常に不安定な核であるため、すぐに崩壊します。このため、かなりの量のフランシウムを合成して、水または他の化学物質と反応させてその反応性を決定することはできません. 要約すると、フランシウムはセシウムよりも反応性が高いはずですが、知る方法がないため、反応性を測定できる最も反応性の高い金属が残されています.
最も反応性の高い金属と最も反応性の高い元素
最後に、最も反応性の高い要素に関して少しコメントする価値があります。冒頭で述べたように、反応性は、比較する物質が同じ種類の特徴的な反応に関与する場合にのみ比較できます。
このため、金属と非金属がまったく反対の化学反応に関与していることを考えると、周期表で最も反応性の高い元素について話すことはあいまいです. しかし、フッ素は通常、さまざまな化学物質のホストと反応する能力があり、ガラスやその他の通常不活性な物質を攻撃する能力があるため、周期表全体で最も反応性の高い元素と見なされています。
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