aktywność chemiczna
Aktywność chemiczna – zdolność pierwiastków chemicznych do oddawania elektronów i tworzenia kationów (metale) lub przyjmowania elektronów i tworzenia anionów (niemetale). Aktywność chemiczna pierwiastków w układzie okresowym, wraz ze wzrostem ich liczby atomowej, rośnie w obrębie grupy i maleje w obrębie okresu (metale) bądź maleje w obrębie grupy i rośnie w obrębie okresu (niemetale). Pierwiastki ułożone ze względu na ich wzrastającą zdolność do przyjmowania elektronów tworzą szeregi elektrochemiczne, zwykle ograniczone do pierwiastków metalicznych (szeregi napięciowe metali).
Położenie w układzie okresowym a właściwości pierwiastków
Układ okresowy jest zestawieniem wszystkich pierwiastków chemicznych uporządkowanych według ich liczby atomowej oraz właściwości chemicznych, przedstawianym w formie tabeli podzielonej na 7 poziomych rzędów, zwanych okresami oraz 18 pionowych kolumn, zwanych grupami, w obrębie których wyróżnia się grupy główne (1, 2, 13-18) i grupy poboczne (3-12).
Zgodnie z prawem okresowości właściwości pierwiastków wraz ze wzrostem ich liczby atomowej zmieniają się okresowo, co sprawia, że w każdej grupie układu okresowego znajdują się pierwiastki o podobnych właściwościach chemicznych. Położenie pierwiastka chemicznego w układzie okresowym stanowi odzwierciedlenie budowy jego atomu, a ściślej budowy powłok elektronowych. Atomy pierwiastków w obrębie okresu posiadają taką samą liczbę powłok elektronowych; natomiast w obrębie grupy posiadają taką samą liczbę elektronów walencyjnych (zewnętrznych), które decydują o fizycznych i chemicznych właściwościach atomu oraz uczestniczą w tworzeniu wiązań chemicznych.
Aktywność chemiczna pierwiastków
Aktywność chemiczna pierwiastków stanowi ich zdolność do oddawania elektronów oraz tworzenia dodatnio naładowanych jonów (kationów) (elektrododatnie pierwiastki metaliczne) bądź ich zdolność do przyjmowania elektronów oraz tworzenia ujemnie naładowanych jonów (anionów) (elektroujemne pierwiastki niemetaliczne). Atomy metali cechują się małym powinowactwem elektronowym (tendencją do wiązania elektronów); atomy niemetali wykazują duże powinowactwo elektronowe. Najniższą energię jonizacji (miarę zdolności do oddawania elektronów) mają litowce, gdyż łatwo oddają elektron walencyjny powiązany z jądrem atomu słabymi oddziaływaniami elektrostatycznymi; najwyższą energię jonizacji mają helowce i fluorowce, w których atomach występuje bardzo silne przyciąganie między jądrem atomu a elektronami walencyjnymi.
Aktywność chemiczna metali, ich metaliczny charakter oraz elektrododatniość (zdolność do oddawania elektronów walencyjnych) wzrastają w obrębie grupy i maleją w obrębie okresu wraz ze wzrostem liczby atomowej. Aktywność chemiczna niemetali, ich niemetaliczny charakter i elektroujemność (zdolność do przyciągania elektronów) rosną w obrębie okresu oraz maleją w obrębie grupy wraz ze wzrostem liczby atomowej. Pierwiastki o najsilniejszym charakterze metalicznym i największej elektrododatniości należą więc do 1 grupy układu okresowego (litowców); natomiast pierwiastki chemiczne o najsilniejszym charakterze niemetalicznym i największej elektroujemności zaliczane są do 17 grupy układu okresowego (fluorowców).
Szereg elektrochemiczny pierwiastków chemicznych
Pierwiastki chemiczne ułożone ze względu na ich wzrastającą zdolność do przyjmowania elektronów (utleniania się) w reakcjach utleniania-redukcji tworzą szeregi elektrochemiczne pierwiastków, przeważnie ograniczone do pierwiastków metalicznych (szeregi napięciowe metali). Pierwiastki metaliczne w szeregu elektrochemicznym ułożone są na podstawie standardowego potencjału elektrodowego (E⁰) metalu zanurzonego w wodnym roztworze własnych kationów o jednostkowej aktywności, zmierzonego względem standardowej elektrody wodorowej o potencjale zerowym (E⁰ = 0).
Szereg elektrochemiczny dla wybranych metali obejmuje metale nieszlachetne o ujemnej wartości potencjału standardowego wykazujące aktywność chemiczną (leżące po stronie lewej od wodoru) oraz metale szlachetne o dodatniej wartości potencjału standardowego nie wykazujące aktywności chemicznej (leżące po prawej stronie od wodoru):
Metale o najniższej wartości potencjału standardowego (litowce i większość berylowców) wykazują największą aktywność chemiczną oraz wypierają wodór z wody w warunkach normalnych, zgodnie z reakcją:
Beryl i magnez wypierają wodór z wody przy wyższej temperaturze</a>; w warunkach normalnych mogą wypierać z roztworu metale o wyższym potencjale standardowym.
Metale o ujemnej wartości potencjału standardowego wykazujące mniejszą aktywność chemiczną (np. glin, mangan, cynk, żelazo) wypierają wodór z kwasów słabo utleniających, zgodnie z reakcją:
Metale o dodatniej wartości potencjału standardowego (metale szlachetne) nie są aktywne chemicznie, reagują wyłącznie z kwasami silnie utleniającymi, np. stężonymi kwasami siarkowym (VI) (H₂SO₄) i azotowym (V) (HNO₃), nie wypierając z tych kwasów wodoru, zgodnie z reakcją:
Każdy metal o niższym potencjale standardowym (leżący niżej w szeregu napięciowym) posiada ponadto zdolność do wypierania z roztworu kationu metalu o wyższym potencjale standardowym (leżącego wyżej w szeregu), np. metaliczny cynk (Zn) redukuje kationy miedzi (Cu²⁺) do metalicznej miedzi (Cu) i sam przechodzi do roztworu w postaci kationów (Zn²⁺). Metale o niższych potencjałach i większej aktywności chemicznej wykazują więc zdolności redukujące względem mniej aktywnych metali o wyższych potencjałach.
Bibliografia:
- Chemia nieorganiczna – krótkie wykłady, Tony Cox, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.
- Chemistry of the Elements (2nd ed.), Norman Neill Greenwood, Alan Earnshaw, Butterworth-Heinemann, Oxford 1997.
- Chemistry³. Introducing inorganic, organic and physical chemistry, Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price, Oxford University Press, 2017.
- Nowoczesne kompendium chemii, K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.
- Podstawy chemii dla kandydatów na wyższe uczelnie, K.M. Pazdro, Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa 1991.
- Podstawy chemii nieorganicznej – część 2, Adam Bielański, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994.
