Atomnummer og reaktivitet:Hvorfor alkalimetaller bliver mere reaktive

Billede udlånt af Getty Images

Introduktion

Alkalimetallerne - lithium, natrium, kalium, rubidium, cæsium og francium - er bløde, meget reaktive metaller, der hver har en enkelt elektron i deres yderste s-orbital. Selvom de tilhører gruppe 1 i det periodiske system, stiger deres kemiske reaktivitet støt, efterhånden som deres atomnummer stiger.

Faktorer, der former alkalimetalreaktivitet

Tre indbyrdes forbundne faktorer styrer, hvor let et alkalimetal donerer sin valenselektron:kernens positive ladning, de indre elektroners afskærmningseffekt og afstanden mellem den ydre elektron fra kernen (dvs. atomradius). At forstå hvert element hjælper med at forklare den observerede reaktivitetstendens fra lithium til francium.

Atomladning

Kerneladningen er lig med atomnummeret, så det effektive positive træk på valenselektronen vokser fra lithium (Z=3) til francium (Z=87). Hvis nuklear ladning var den eneste bestemmende faktor, ville højere Z-metaller være mindre reaktive, fordi den stærkere tiltrækning ville holde den ydre elektron tættere bundet.

Elektronafskærmning

Indre elektroner skærmer delvist valenselektronen fra kernens fulde positive ladning. Denne afskærmning afhænger af orbitalgeometri og antallet af kerneelektroner. Selvom afskærmning reducerer den effektive nukleare ladning, der mærkes af den ydre elektron, er den mindre indflydelsesrig for alkalimetaller end den radiale afstandsfaktor.

Atomradius og afstand fra kernen

Den dominerende faktor er den rumlige adskillelse mellem kernen og den ydre elektron. Elektrostatisk tiltrækning følger den omvendte kvadratlov; Derfor, når radius fordobles, falder tiltrækningen til en fjerdedel. Alkalimetaller udviser stigende atomradius:lithium =167 pm, natrium =190 pm, kalium =243 pm, rubidium =265 pm, cæsium =298 pm, og francium er endnu større. Jo større radius, jo mindre stramt holdes valenselektronen, hvilket gør metallet mere reaktivt.

Reaktivitetstendens på tværs af alkalimetallerne

Kombination af disse faktorer giver den klare reaktivitetssekvens:francium> rubidium> cæsium> kalium> natrium> lithium. Tendensen stemmer overens med de stigende atomradier, hvilket bekræfter, at afstanden fra kernen styrer alkalimetalreaktiviteten mere end nuklear ladning eller afskærmning alene.