Одни специалисты считают, что самый активный металл - литий. Другие полагают, что наивысшей активностью обладает цезий. А третьи утверждают, что пальму первенства должен получить франций.
Невольно задаешься вопросом: "А почему такая разница во мнениях?" И почему никто не упоминает натрий, калий и рубидий?
Вопросов возникает больше, чем ответов. Но при более пристальном изучении предмета, в хаосе данных обнаруживаются очень стройные закономерности, которые не только позволяют получить ответы, но даже выяснить, какой же металл самый активный.
Почему до сих пор неизвестно, какой металл самый активный? История развития науки показывает, что ясные и однозначные ответы появляются, как правило, в двух случаях. Во-первых, в случае, если ответ единственно верный, и не существует более иных интерпретаций и толкований. Например, самая высокая гора на планете - Джомолунгма.
В случае, когда ответ продиктован практической необходимостью.
В 20-х годах прошлого века, в молодом еще Советском Союзе был поставлен вопрос, подоплекой которого служили политические и экономические обоснования: можно ли получить резину каким-то другим путем, кроме как из каучуковых деревьев? И в то время, как весь мир ездил на колесах, сделанных из сока южноамериканских деревьев, профессор С. В. Лебедев ответил: "Можно." И вместе с группой специалистов продемонстрировал миру шарик, сделанный из синтезированного каучука.
Вопрос же о самом активном металле не относится ни к первому, ни ко второму случаю. Равноправных кандидатов на роль самого активного металла немало, а поиск правильного ответа не имеет никакой практической пользы. Вряд ли какой-нибудь ученый приступит к серьезным лабораторным испытаниям только лишь для того, чтобы удовлетворить чье-то праздное любопытство.
Ну пусть хотя бы и теоретически, но можно ли все таки узнать какой металл самый активный?
А что значит самый активный? Атом любого вещества состоит из ядра, окруженного облаком электронов. Электроны вращаются вокруг ядра по фиксированным траекториям (орбиталям). Иногда орбитали еще называют энергетическими уровнями или оболочками.
Так уже самой природой устроено, что на любом энергетическом уровне атома элемента может находиться не более определенного количества электронов. Уровни, на которых это максимальное количество уже имеется, считаются завершенными. Однако вместе с завершенными уровнями, в каждом элементе (кроме благородных газов) имеется еще один, незаполненный.
Атом стремится заполнить все свои электронные оболочки. И как только представится удобный случай, атом немедленно отдаст свои электроны с внешнего уровня, либо заберет чужие. Все зависит от конкретного элемента и от строения его внешней электронной оболочки.
Элемент, которому необходимо добрать один электрон, справится с этой задачей быстрее, чем элемент, которому для заполнения уровня требуется два электрона. Того, кто быстрее, называют более активным.
Элементы, которым требуется добрать один электрон, составляют седьмую группу в таблице Менделеева: водород, фтор, хлор, бром, иод, астат. унунсептий.
Среди элементов,которые отдают свои электроны, самым активным будет тот, которому требуется отдать всего лищь один электрон. Такие элементы представляют первую группу Периодической системы: водород, литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций.
В поисках металла.
Прежде, чем выяснять, какой из этих элементов самый активный, необходимо исключить элементы, которые не являются металлами. Атому фтора до завершения внешнего уровня не хватает одного электрона. Два атома фтора объединяются и забирают этот электрон друг у друга. В результате, такой электрон становится общим и является частью теперь уже завершенной оболочки. Такая связь называется молекулярной, а два атома фтора теперь образуют молекулу. Двухатомные молекулы фтора удерживаются вместе межмолекулярными силами, и образуют вещество - фтор.
Всем элементам седьмой группы не хватает до завершения одного электрона. Поэтому атомы этих элементов тоже связаны в двухатомные молекулы. Элементы седьмой группы способны создавать исключительно молекулярные связи, поэтому они не могут быть металлами, потому что металлами в первую очередь называют элементы, структура которых основана на "металлической связи". Следовательно, даже самые активные элементы седьмой группы исключаются и в дальнейшем рассматриваться не будут.
Первая группа. Металлическая связь.
В электронной оболочке атома цезия содержится 55 электронов. 54 из них образут вокруг ядра плотное электронное облако, состоящее из пяти завершенных уровней. Это облако экранирует практически всю силу притяжения ядра, в результате чего один-единственный электрон на внешнем, шестом уровне связан с ядром очень слабо.
Атомы цезия группируются и отдают свои внешние электроны в "общую копилку", стремясь создать завершенный шестой уровень. К процессу подключаются все атомы, образуя при этом кристаллическую структуру,
При сближении атомов вакантные орбитали перекрываются таким образом, что возникают целые области, по которым может свободно двигаться электрон. В результате внешние электроны покидают свои орбитали и начинают двигаться по объему всего кристалла. Теперь они получают название "свободных" электронов. и являются своеобразным "цементом", который удерживает атомы вместе.
Связь, которая устанавливается между ионами (атомами, отдавших электрон), скрепленных цементом "свободных" электронов, называется металлической связью, а структура называется металлической.
Все элементы первой группы (кроме водорода) являются металлами, потому что благодаря единственному электрону на внешнем уровне, организуются исключительно в металлическую структуру.
Свойства элементов первой группы практически одинаковые, однако вниз вдоль группы эти свойства повышаются. С каждым периодом радиус атомов становится больше, а значит электрон внешнего уровня притягивается к ядру слабее, и, следовательно активность элемента и металлические свойства повышаются.
Теперь, когда понятна общая картина, осталось исключить элементы, которые не могут называться самым активным металлом в силу тех или иных причин.
Исключаем водород.
На энергетическом уровне водорода содержится всего один электрон. Эта деталь делает его очень похожим на элементы первой группы, однако на этом сходство и заканчивается. Потому что до заполнения электронной оболочки атому водорода требуется тоже всего лишь один электрон. А раз так, то атомы водорода в стандартных условиях не смогут образовывать кристаллическую решетку с металлической связью.
Исключаем литий.
Многие наблюдатели самым активным металлом считают литий. Потенциал ионизации (скорость превращения атома в ион) лития самый низкий по сравнению с другими металлами. Но! Только в единственном случае: при погружении лития в водный раствор. Энергии, потраченной на ионизацию лития, потребуется гораздо меньше, чем энергии, потраченной на ионизацию других металлов. Объясняется это тем, что энергия ионизации атома в водном растворе включает в себя сумму двух величин: потенциал ионизации и энергию гидратации (взаимодействие с молекулами воды).
Когда же рассматривают свойства элементов в группах и периодах Периодической системы, отправной точкой является условие, что элементы находятся в вакууме, то есть элементы не взаимодействуют друг с другом. Таким образом, литий, рассматриваемый в условиях Периодической системы, не может быть самым активным металлом.
Исключаем натрий, калий и рубидий.
Металлические свойства и химическая активность увеличиваются с каждым периодом. Значит, даже рубидий, элемент пятого периода не может быть самым активным, не говоря уже о калии и натрии, элементов четвертого и третьего периодов.
На роль самого активного металла осталось два кандидата: цезий и франций. Я считаю, что исключать нужно франций - это субъективное мнение автора, не претендующее на роль единственно верного. Радиоактивность франция не позволяет получить вещество в макроскопических количествах, что существенно затрудняет изучение, и, как следствие, точное описание его свойств.
Самый активный металл.
Самым активным металлом можно назвать цезий. Открытый в 1860г. учеными Р. В. Бунзеном и Г. Р. Кирхгофом, цезий стал первым элементом, открытым методом спектрального анализа. Благодаря двум ярким синим линиям в эмиссионном спектре, элемент получил свое название от латинского caesius, что означает - небесно-голубой.
Цезий чрезвычайно активен: на воздухе он мгновенно окисляется с воспламенением, образуя гипероксид. Реакция с водой происходит со взрывом. Цезий реагирует со льдом, даже при температуре -120°С. В условиях ограниченного доступа кислорода цезий окисляется до простого оксида . Этим иногда пользуются, когда требуется создать в защищенной среде абсолютный вакуум.
Цезий востребован практически во всех отраслях науки и промышленности. Однако добыча и получение цезия дело весьма затратное. Поэтому стоимость цезия на рынках достаточно высокая. Это обстоятельство обязывает относиться к использованию цезия очень избирательно и бережно.
