METALES ALCALINOS (Propiedades físicas y químicas, tendencias periódicas y reacciones)
Luis Carreño Torres 15/12/09
Introducción.
Estos elementos pertenecen todos al Grupo 1 de la Tabla Periódica. El nombre de esta familia proviene de la palabra árabe álcalis, que significa c enizas; ya que los pri meros compuestos de sodio y potasio fueron descubiertos en cenizas de maderas. Son metales blandos, tan es así que el sodio se puede cortar fácilmente con un cuchillo. Al cortarlos o fundirlos se observa su color plateado y su brillo metálico(Imagen 1).
IMAGEN 1. Sodi o metálico
Estos metales son los más activos químicamente. Por ejemplo: el sodio reacciona enérgicamente con el agua, mientras flota, desprendiéndose gases de hidrógeno. El potasio reacciona aún más violentamente que el sodio. Por estos motivos, esta clase de metales no se encuentran en estado libre en la naturaleza, sino en forma de compuestos, generalmente sales. El rubidio y el cesio son muy escasos. El francio es altamente radiactivo y de muy corta vida (22 minutos), por lo que es es mucho más escaso aún. El sodio y el potasio son abundantes en la biosfera de la tierra (2.6% y 2.4% respectivamente) pero no se encuentran en la naturaleza en estado elemental. Al contrario del sodioy potasio, la abundancia natural del Li, Rb y Cs es pequeña; estos minerales se encuentran en forma d diversos minerales de silicato, por ejemplo espodumeno(LiAlSi2O6). En la siguiente tabla se presenta algunas de las propiedades físicas y químicas de los metales alcalinos. Nótese también ta mbién las tendencias de estas propiedades.
IMAGEN 2. Color de llama que se produce al expone iones sodio en la región central de la flama.
R
ccion
d
lo m t les lc lino s.
Reacción de los metales alcalinos con agua. Los metales alcalinos reaccionan vigorosamente con el agua para producir hidrógeno gaseoso y soluciones de hidróxidos de metales alcalinos: 2Li(s) + 2
O(l) 2O(l)
2 Li(O Li(O )(ac) )(ac) +
2
(eq .
Las reacciones de los metales alcalinos son muy exotérmicas. En muchos casos se genera suficiente calor para para encender el 2 y producir producir fuego o unaexplosión (Image (Imagen n ). Esta reacción es más violenta con los miembros más pesados del grupo, lo que es congruente con la menor fuerza con que retienen retien en su único únic oelectrón de capa exterior.
IMAGEN 3. Reacción entre potasio metálico y agua. El color purpura es debido a la presencia de fenoftaleina que indica la presencia de iones OH
R ea eacción de los metales alcalinos con oxi
eno.
Las reacciones entre los metales alcalinos y el oxigeno son complejas. Cuando el oxigeno reacciona con metales, suelen formarse for marse óxidos metálicos que contiene contien e el ion 2 O . Efectivamente el Li r eacciona de esta manera para formar óxido de litio, Li2O: 4Li(s) + O2(g) 2Li2O(s) (eq2 . En cambio todos los metales alcalinos reaccionan con oxigeno para formar peróxidos 2 metálicos, que contienen el ion O2 . Por ejemplo el sodio for ma peróxido de sodio, Na2O2: 2Na(s) + O2(g) Na2O2(s). (eq .
-
Cur iosament osament e el el K , R b y Cs tambi ambién forman compuest compues tos que conti contienen enen el el ion O2 , llamado llamado superóxi superóxido. Por e jemp jempllo, el el pot potasi as io forma el el superóxi superóxido de pot potasi as io K O2: O2: K s) K s) +O2(g) K O2(s).( O2(s).(eq4) eacc ión de los met ales alcalinos con hidrógeno y azufre. R ea
Los met metales a lcali calinos nos reacci reacciona con hi hidrógeno para formar hi h idruros y con azufre para formar sul sulfuros: furos: 2M(s) + H2(g) 2MH 2MH(s) (eq5) 2M(s) + S(s) M2S(s) (eq6) El símbol mbolo M en las ecuaci ecuaciones x y y represent represen ta cual cualqui quiera de los met metales al alcali calinos. nos.
APLICACIONES DE LOS METALES ALCALINOS.
Tabla . Aplicaciones de cada uno de los metales alcalinos Na
K
APLIC APLIC ACIONES En cuant cuanto a sus apli ap licac caciiones prácti prácticas, cas, los compuest compuestos de sodi sodio son altamen ltamentte hi hidróf ilos, ilos, por l por lo que suel suelen empl emplearse como deshumect deshumec tant antes en lugares cerrados, tales como envases de equi equ i pos pos elect ectróni rónicos o fot fotográf icos, y de al a lgunos medi medicament camentos. El hidróxi dróxido de sodi sod io, llamado llamado soda cáusti cáustica ca que se produce tant ant o en forma sóli só lida da como líqu líquiida, es ampli ampliamen amentte empl empleado en la fabr icaci cación de papel papel, en la indust ndustr ia textil; extil; y para el el lavado y est ester ilizac ilizaciión de envases reutili reu tilizab zablles de vi vidr io de product productos alimen limenti ticcios, como leche y bebi bebidas refrescant refrescantes. Tambi También se utili utiliza za en las indust ndustr ias textil extil y papel papelera, el el peróxi peróxido de sodi sodio (Na2O2), como el element ement o bl blanqueador.
Los usos prácti prác ticos cos del del pot potasi as io consi consisten fundament fundamentalment mente en la elaboraci aboración de abonos para la agr icult cultura, ura, como el el sul sulfuro de pot potasi asio (K 2SO4). 2SO4). El El carbonat carbonato de pot potasi asio, tambi ambién llamado llamado pot potasa, y tambi ambién el hidróxi dróxido de pot potasi asio (K ( K OH), llamado llamado pot potasa cáusti cáustica, ca, se utilizan tilizan para la fabr icaci cación de al a lgunos ti pos pos de j de jabones. abones. Algunos compuest compues tos de pot potasi asio, como el el cromat croma to y el dicromat cromato de pot potasi asio (K 2Cro4 y K 2Cr2O7 r2O7), a l oxi oxidarse vi violent entament amente en el el moment moment o de su combusti combus tión ón y generar ot otros compuest compues tos, producen distin tintos col colores sumament sumamente vistosos (anaran jado, jado, vi violeta); a); por lo cual cual son ampli ampliamen amentte empl empleados en la fabr icaci cación de fuegos ar tif tif iciales.
Li Otro de sus compuest compues tos, el el hidróxi dróxido de litio, litio, absorbe el e l dióxi óxido de carbono, por lo cual cua l se empl emplea en submar inos y naves espaci espac iales para la pur if icaci cación del del aire ambi ambient ente, eli e lim minando los resi residuos de la
respi respiraci ración humana. Otros der ivados del del litio litio tienen tienen impor tant antes usos medi medicinal nales. El El carbonat carbonato de litio litio para el el trat ratami amient ento de ar trosi rosis, el e l bromuro de litio litio como sedant sedante; y el citra itratto de litio litio y el carbonat carbona to de litio, litio, como antí antído dottos de las psi psicosi cosis maní maníacoaco-depresi depres ivas en fase aguda. R b En sus apli aplicac caciiones prácti prácticas, cas, por su gran reacti reac tiv vidad, al a l igual gual que el el litio litio y el e l pot potasi as io se empl emplea para eli elim minar t nar totalment mente los gases en los tubos de vací vac ío; y en apli aplicac caciiones el elect ectróni rónicas tales como los fot fotocát ocátodos, lumi uminóforos y semi semiconduct conductores. Tambi También se empl emplea su isot sotopo rubi rubidio 87 para det determi erminar, por su grado de desi des integraci egración, la edad geol geológi ógica, debi debido a su gran lentit entitud ud para desi des integrarse.
Cs En sus apli aplicac caciiones prácti prácticas, cas, dada su propi prop iedad de emiti emitirr el elect ectrones al cont contact acto con la luz, es empl empleado como cát cá todo en la fabr icaci cac ión de las cél células fot fotoel oeléct éctr icas. Tambi También es utili utilizado, zado, tant anto como el el litio litio y el pot potasi asio, para ext extraer t raer totalment ment e los gases en los tubos de vací vac ío. Fr El franci francio es alt a ltamen amentte radi radiacti activo vo y de muy cor ta vi vida (22 mi minut nutos) os)
DISCUSIÓN. Análi Análissis de las propi propiedades de los met metales al alcali calinas nas descr itas itas en la Tabl Tabla 1. R adi adio at atómi ómico. Como podemos observar en los dat da tos de est esta tabl abla, el radi radio at a tómi ómico aument aumenta conforme aument aumenta el número at atómi ómico. Est Esto se debe a un aument aumen to del de l número cuánti cuántico co pr inci nci pal pal o nivel vel energéti energético co de los elect ectrones de val va lenci encia. Si los elect ectrones de val va lenci encia se encuent encuentran más le jos jos del del núcl núcleo, las distanci ancias de enl enlaces serán mayores y por lo tant ant o el radi radio at atómi ómico que es la mit mitad ad de la di distanci ancia de enl enlace aument aumentará. Pr imera energí energía de ioni onizaci zación. La pr imera energí energía de ioni onizaci zación dent dentro del del grupo de los met metales al a lcali calinos, nos, decrece de arr ba i ba haci hacia aba jo, jo, es deci decir, el litio litio posee la pr imera energí energía de ioni onizaci zación más alt a ltaa de est este grupo y el el franci francio la menor. El El litio litio tiene tiene est esta caract caract er ísticas ticas debi debido a que sus elect ectrones de val va lenci encias se encuent encuentran más cerca del del núcl núcleo y por lo tant anto la cargan nucl nuclear efecti efectiva va que exper iment mentan est estos el elect ectrones es mayor que cua lqui quiera de los ot otros
met metales. Conforme ba jamos jamos por el el grupo el el núcl núcleo e jerce jerce menor at a tracci racción el elect ectrost rostática tica sobre los elect ectrones más ext externos, a causa de que la distanci ancia ent entre ellos llos aument aumenta a l aument aumentar el el número cuánti cuántico co pr inci nci pal pal. R eacti eactiv vidad. Como el el pot potenci encial de ioni onizaci zación decrece de arr i ba ba haci hacia aba jo jo en est es te grupo, los át átomos con menor energí energía de ioni onizaci zación son más reacti reac tivos. vos. La di diferenci ferencia radi radica en la facili facilidad, dad, en térmi érminos energéti energéticos, cos, con que los át átomos que se encuent encuentran en est es ta posi pos ición pi pierden su el elect ectrón más ext externo o de val va lenci encia, el el cual cual es necesar io para que ocurra la reacci reacción. Punt Punto de fusi fus ión. La tendenci endencia indi ndica que el el punt punto de fusi fusión decrece de arr i ba ba haci hacia aba jo jo en est este grupo. La razón de est es ta tendenci endencia es el el me jor jor empaquet empaquetami amient ento que poseen los átomos con menor radi radio atómi ómico. Como son át á tomos más pequeños se pueden agrupar de me jor jor manera. A di diferenci ferenc ia de los átomos más grandes donde las repul repulsiones de sus nubl nub les elect ectróni rónicas mucho más le janas janas al a l núcl núcleo hacen imposi mposi bl ble un ordenami ordenamient ento de sus átomos en forma compact compac ta. Densi Dens idad. La densi dens idad de los át á tomos posee una tendenci endenc ia par ticu ticullar dent dentro de est es te grupo. Hast asta el el sodi sodio ocurre un aument aumento, en el el pot potasi asio rompe est esta tendenci endencia, para luego segui seguir aument aumentando en el el cesi cesio y rubi rubidio. El análi análissis indi ndica que el el element ement o que rompe la tendenci endencia es el el pot potasi asio. Ent Entonces la masa del del átomo de pot potasi as io debe ocupar un vol vo lumen mucho mayor que el e l átomo de Na y de igual gual forma mayor que R b. Si Si no est estuvi uviera el el pot potasi asio la densi dens idad aument aumentar ía de arr i ba haci hacia aba jo, jo, est esto se dar ía ya que la masa se increment ncrementa mucho más que el e l vol volumen desde arr i ba ba haci hacia aba jo jo del del grupo. Color de la llama llama El análi aná lissis sobre las longit ongitudes udes de ondas que emit em iten en los át átomos de est este grupo lo vamos a reali realizar zar en base a un e jerc jerciicio sobre radi radiaci ación el elect ectromagnéti romagnética. ca. Como se indi ndicó en la introducci roducción los iones de los met metales se reducen a át á tomos met metálicos licos gaseosos en la regi región cent central ral de la f lama. El El litio litio emit emitee una f lama col color carmesí carmesí(ro jo jo intenso), cuya longit ongitud ud de onda es aproxi aprox imadament madamente igual gual a 750 nm. nm. Para hall ha llar ar la energí energía de un fot fotón con aquell aquellaa longit ongitud ud de onda utili utilizamos zamos la sigui guient ent e ecuaci ecuación: ón: E=
(eq7) -34 -3 4
E es la energí energía de un fot fotón, h la const cons tant ante de Pl Planck (6.63 (6.63 x10 x10 J-s), c la vel veloci ocidad de la luz y lambda la longit ongitud ud de onda. -34 -34 8 -9 R eempl eemplazando: azando: E = 6.63 6.63 x10 x10 X 3X1 3X10 / 750 X 1X10 = 2.65X10-19 J. el elect ectrón de val valenci encia del del litio litio ha emiti emitido do est esta energí energía en forma de luz col color carmesí carmesí al regresar a su est estado basal basa l desde un est es tado de mayor energí energ ía. Si reali realizáramos záramos el el mismo cál cálcul culo con la longit ongitud ud de onda de la radi radiaci ación emiti emitida da por un átomo de sodi sod io, la energí energía emiti emitida da por el el elect ectrón de val va lenci encia ser ía mayor. La ecuaci ecuac ión
eq7 eq7 indi ndica que a mayor longit ongitud ud de onda menor energí energ ía del del fot fotón, por lo que al a l ir dismi sminuyendo la longit ongitud ud de onda la energí energía emiti emitida da se irá increment ncrementando. Est Este compor tami amient ento se ref le ja ja en el el col color de luz que emit emiten en est estos element ement os a l ser llama. Los el expuest expuestos a la llama. element ement os con mayor número at a tómi ómico poseen el elect ectrones de val valenci encia muchos más le jos jos del del núcl núcleo, es deci dec ir, en ni nivel veles de mayor energí energ ía. La excit excitac aciión de est es tos elect ectrones los lleva lleva a ni nivel veles muchos más energéti energé ticos cos que los átomos con menor numero a tómi ómico, por l por lo que la energí energía de la radi radiaci ación que emit emiten en es mucho mayor que en los ot otros át átomos. Por e jemp jempllo el pot potasi asio emit emitee radi radiaci ación elect ectromagnéti romagnética ca de col color li or lilla con una longit ongitud ud de onda aproxi aprox imada de 250 250 nm, lo que indi ndica q se encuent encuentra cercana a la radi radiaci ación col color vi violeta que es la radi radiaci ación del del espect espectro vi visi bl ble de mayor energí energía.
CONCLUSIÓN y
y
y
y
y
y
Los el element ement os que per tenecen al a l grupo de los met metales alcali calino no son muy reacti reactivos vos debi debido a que tienen tienen las energí energías de ioni onizaci zación más ba jas jas de la tabl abla per iódi ódica. Est Esto les da facili fac ilidad dad para formar fácil fác ilmen mentte compuest compues tos con di diversas sust sustanci ancias, por l por lo que no se los encuent encuentra en est estado el element emental en la nat natural uraleza. Los met metales al alcali calinos nos son de ba j ba jaa densi densidad. Li Li, Na y K son K son menos densos que e l agua. El El Li es el el más duro y a la vez el el menos denso. El E l Cs es el el más bl blando y el el jos, comprendi más denso. Ti T ienen punt puntos de fusi fus ión ba jos, comprendidos ent entre 181ºC 1ºC para el el Li y 28 28.7ºC para el el Cs. Los met metales alcali calinos nos reacci reacc ionan con el el agua formando hi hidróxi dróxidos acuosos e hidrogeno mol molecul ecular en reacci reacc iones muy exot exotérmi érmicas. Al Al combi combinarse con hidrogeno mol molecul ecular producen hi h idruros met metálicos licos y con el e l azufre forman sul sulfuros. Los el element ement os sodi sodio y pot potasi as io son component component es fundament fundamentales de los seres vivos. Se encuent encuentran en forma de iones, cuyas propi propiedades son muy di d iferent ferent es a la de los met metales. El NaCl NaCl (cl (cloruro de sodi sod io) es el el sol soluto más abundant abundan te en el el agua del del mar. El El K NO3 NO3 (nit (nitra ratto de pot potasi asio) es el el salit salitre, re, y abunda en a lgunos yaci yac imient entos, especi especialment mente en Chile. ile. Los compuest compuestos de litio litio son utili utilizados zados ampli ampliamen amentte en la medi medicina sobre todo en enfermedades como la ar trosi ros is, psi psicosi cosis o depresi depres ión.
BIBLIOGRAFÍA OWN BR OWN
TH THEODOR EODOR E L., y col cols, 200 2004, 4, Quí Química. La ci cienci encia cent central ral, PEAR PEAR SON SON EDUC EDUCATION, Méxi México. Pági Páginas 115 1152.(C 2.(Capit apitu ulo 7: Propi Propiedades per iódi ódicas de los element ement os, met metales al alcali calinos, nos, pagi paginas: nas: 256-259). 59). Shr iver, D.F D.F.; Atk ins, P.W.; P.W. ; Langford, C.H. Quí Química Inorgáni Inorgánica. Vol Vol. 1. Segunda edi edición. R ever ever té. 1997 1997..