METALES ALCALINOTÉRREOS Propiedades químicas, aplicaciones, entalpía de hidratación, ciclo de Born-Haber para el NaCl e iones presentes en el agua. Luis Leonardo Carreño Torres 22 de diciembre del 2009
1. Introducción Los elementos situados en el grupo 2, de la tabla ta bla periódica, se conocen c omo metales alcalinos térreos. La denominación de alcalinotérreos proviene del nombre que recibían sus óxidos, tierras, que tienen propiedades básicas o alcalinas (Wikipedia, 20009). Al igual que los metales alcalinos, alcalin os, los elementos del grupo 2 poseen características metálicas, como lustre metálico, además de una alta conductividad térmica y eléctrica, maleabilidad, ductilidad, etc. En la imagen 1 podemos observar el aspecto metálico que presentan los elementos del grupo 2.
Imagen 1. Aspecto de los metales alcalinos térreos
Tanto el magnesio como el calcio son indispensables para los seres vivos. El calcio es importante sobre todo para p ara el crecimiento y mantenimiento manteni miento de los huesos y dientes. dient es. En el ser humano, el 99% del calcio se encuentra en nuestro sistema esquelético.(Brown Theodore L, 2004) En comparación con los metales alcalinos, los metales alcalinos térreos son más duros y más densos, y funden a temperaturas más ele el evadas. En la tabla 1 podemos observar las propiedades que presentan estos elementos.
TABLA 1. Propiedades de los metales alcalinos alc alinos térreos Configuración Punto de Densida Radio I1(Kj/mol) Color a estructura o electrónica fusión( C) d atómico(Å) la llama (g/cm3)
Elemento
2
1287
1.85
0.90
899
--------
[Ne]3s
2
650
1.74
1.30
738
---------
Calcio(Ca)
[Ar]4s2
842
1.54
1.74
590
Estroncio(Sr)
[Kr]5s2
777
2.63
1.92
549
Bario(Ba)
[Xe]6s2
727
3.51
2.15
503
Rojoladrillo Rojocarmesí Verde
CCC
Radio(Ra)
[Rn]7s2
700
<1.140
------
<500
-------
CCC
Berilio(Be)
[He]2s
Magnesio(Mg)
CCCa CCCa
Celda unitaria hexagonal CCCa:
Celda unitaria cúbica centrada en las caras CCC: Celda unitaria cúbica centrada en el cuerpo.
Como observamos en la tabla 1 los iones alcalinotérreos más pesados emiten colores característicos cuando se les calienta en una flama de alta temperatura. La flama de calcio es de color rojo ladrillo, la del estroncio, rojo carmesí, y la del bario, verde.Las sales de estos metales son utilizadas ampliamente en fuegos artificiales, ya que producen colores brillantes de acuerdo al metal presente en los juegos pirotécnicos (Imagen 2).
modernos emplean perclorato, sustancias orgánicas orgánicas como almidón o Imagen 2. Los fuegos artifici ales modernos azúcar, productos del petróleo y trazas de metales para dar color.
Al igual que en los metales alcalinos las propiedades de los metales del grupo 2 presentan las mismas tendencias. El punto de fusión disminuye en el grupo conforme aumenta el número atómico, ató mico, al igual igual que la primera energía de ionización.
La dens idad aumenta conforme ba jamos por el grupo, s in embargo a l llegar a l element o que se encuen tra en el per iodo 4 la tendenc ia se rompe. Es te compor tamiento tambi n se repite en los metales alcalinos. El radio at mico aumenta al igual que la dens idad, conforme aumen ta el número at mico. Este radio at mico est en Angs troms (Å) es dec ir un fac tor de 10-10 metros. Reacci
es de l s metales alcali
s
La tendenc ia de reac ti idad crec iente dentro del grupo se man if iesta en e l compor tamiento de los element os hacia el agua. El ber ili ilio no reacc iona con el agua, ni con el vapor del agua, ni siquiera cuando se le ca lienta a l ro jo vivo. (Brown Theodore L, 2004). El magnes io no reacc iona con agua líquida , pero s i lo hace con vapor de agua para forma oxido de magnes io e hidrogeno gaseoso(e.1). E l calcio y los e lementos que es t n deba jo de él reaccionan fác ilmente con el agua a tempera tura ambiente(e.2). Mg(s) + H 2O(g) MgO(s) + H 2(g) (e.1) Ca(s) + 2H2 O(l) Ca(OH)2 + H2(g) (e.2)
Aplicaci
es de l s metales alcali
s térreos
Ber ili ilio y
y
y y
Elemento de a leaci n, en a leaciones cobre-ber ili ilio con una gran var iedad de aplicaciones. En el diagnóstico con rayos X se usan de lgadas láminas de ber ili ilio para f ilt iltrar la radiación visi b ble, as í como en la litograf ía de rayos X para la reproducc ión de circuitos integrados. Moderador de neu trones en reac tores nuc leares. El óxido de ber ili ilio se emplea cuando son necesar ias elevada conduc tividad térmica y prop iedades mecánicas, punto de fus ión elevado y a islamient o eléctr ico.
Magnesio y
y
y
El uso pr inci pa pal del metal es como element o de a leación del aluminio, empleándose las a leaciones a luminio-magnes io en envases de beb idas. Las aleaciones de magnes io, especialmente magnes io-aluminio, se emplean en componen tes de automóviles, como llantas, y en maqu inar ia diversa. El hidróxido (leche de magnes ia), el cloruro, el sulfato (sales Epsom) y el citrato se emplean en medicina. Otros usos incluyen f lashes fotográf icos, pirotecnia y bombas incendiar ias, debido a la luz que desp ide su combus tión.
Calcio y
y
y
Agente reduc tor en la extracción de otros metales como el uranio, c irconio y tor io. Desoxidante, desulfur izador, o decarbur izador para var ias a leaciones ferrosas y no ferrosas. Agente de a leación utilizado en la producc ión de a luminio, ber ili ilio, cobre, p lomo y magnes io.
Estroncio y
y
y
Otros
compues tos de estroncio se utilizan en la fabr icación de cerámicas, productos de vidr io, pigmentos para pinturas (croma to), o), lámparas f luorescentes (fosfato) y medicamentos (cloruro y peróx ido). El isótopo radiactivo Sr-89 se usa en la terapia del cáncer, el Sr-85 se ha utilizado en radiología y el Sr-90 en generadores de energ ía autónomos. Pirotecn ia (nitrat o).
Bar io y
y y
El bar io metálico tiene pocas ap licaciones prácticas, aunque a veces se usa para recubr ir conduc tores eléctr icos en apara tos electrónicos y en s istemas de encendido de au tomóviles. Pirotecn ia. El nitrato de bar io se utiliza en fuegos ar ti tif iciales, y el carbona to de bar io en venenos para ra tas. Una forma de su lfato de bar io, opaca a los R ayos ayos X, se usa para examinar por R ayos ayos X el sistema gastrointestinal.
adio R ad y
y
y
y
Cuando se mezc la con ber ili ilio, es una fuen te de neutrones para exper imentos f ísicos. El cloruro de rad io se usa en med icina para produc ir radón, que se usa en tratamientos contra el cáncer. Una unidad de rad iactividad, el cur io, está basada en la radiactividad del radio-
226. El radio se empleaba a pr inci p pios de siglo hasta los años 30 en med icinas, entre ellos el R ad adithor (agua des tilada con rad io), que lo descr i b bían como solución ante todos los males. También se mezc laba con pas tas dentales, chicles, cremas y una inf inidad de cosas más. Se br indaba con R ad adithor, y a menudo, es te elemento se empleaba en los cr istales, para dar les una tonalidad verdosa br illante en la oscur idad. La razón de todo esto es que todo lo que con tenía radio signif icaba avance.
E talpia de sol ci Energía asociada al proceso que un so luto se disuelve en un so lvente(citar). Cuando en el proceso de d isolución se utiliza agua como so lvente, la ental p pía de solución se denomina ental p pía de hidratación.
Ciclo de Born- Haber El ciclo de Born±Haber es un ciclo de reacciones químicas desarrollado en un principio por el físico Max Born y el químico alemán Fritz Haber en 1917. El ciclo de Born±Haber comprende la formación de un compuesto iónico desde la reacción de un metal (normalmente un elemento del grupo 1 o 2) con un no metal (como gases halógenos, oxígeno u otros). Los ciclos de Born±Haber se usan u san principalmente co mo medio para calcular la energía reticular, que no puede ser determinada experimentalmente (Wikipedia,2009). La energía reticular representa la energía de formación de compuestos iónicos a partir de iones gaseosos. También se la puede definir como la energía necesaria para separar un compuesto iónico en e n sus iones gaseosos. La primera definición es exotérmica y la segunda endotérmica. endotérmica.
Ciclo de Born-Haber para el ClNa Como se observa en el diagrama 1 a través tra vés del ciclo teórico de Born-Haber, Born-Haber, se puede pu ede llegar a formar NaCl(s) por dos caminos diferent es. Por lo tanto, en aplicación de la Ley de Hess, las energía s intercambiada interca mbiadass por cada uno de los caminos plantead pla nteados os tienen que ser las mismas, es decir:
Esta expresión nos permite obtener el valor de la energía reticular (Uret), conocidas o medidas el resto de las energías que aparecen en la expresión. En el el caso de otro compuesto iónico distinto, el ciclo tiene las mismas etapas, pero pueden aparecer otras energías distintas y, por supuesto, la estequiometría de las reacciones pueden ser diferente.
Diagrama
1. Ciclo teórico de Born- Haber para el Na Cl
En otros casos, la expr esión obtenida del ciclo de Born-Haber se pu ede usar para obtener el valor de alguna propiedad que sea difícil de medir experimentalmente, como
puede ocurr cas os, el valor de la Uret es ir con las electroaf inidades. En es tos casos, el proporcionado por la expres ión teór ica de Born-Landé (W i i ped pedia, 2009). Pri
cipales iones presentes en el agua
Cationes
Na+ K + Ca2+ 2+ Mg
Tabla 2. Principales cationes y aniones presentes en el agua Aniones Cl-
SO42HCO3-
En la tabla 2 se presentan los pr inci pa pales iones presentes en el agua. Estos iones representan e l 99% de ca tiones y aniones presentes en el cuerpo acuá tico (océanos, r íos, lagos, lagunas, etc.). La concentrac ión total de las sales disueltas en agua de r ío es mucho menor que en agua de mar. Los pr inci pa pales iones que hay en agua de r ío no son los mismos que hay en agua de mar. E l anión más común en agua de r ío es HCO3- y no Cl-, el catión más común suele ser Ca2+ y no Na + (Manual de prácticas de química genera l 2, 2003). La razón de la presencia de estos iones en el agua obedece que cuando la lluvia cae sobre la tierra en su camino a los océanos, d isuelve diversos cationes y aniones (tabla 2), además de c ier tos gases (pr inci pa palment e O2, N2 y CO2). La cantidad de O2 disuelto es un impor tante indicador de la calidad del agua. E l agua totalmente saturada de a ire a 1 a t m y 20 oC contiene a lrededor de 9 ppm de O2. E l oxigeno es necesar io para los peces y muchas o tras formas de vida acuática. Los peces de aguas fr ías neces itan que el agua fr ía contenga al menos 5 ppm de ox igeno disuelt o para sobrev ivir (Brown Theodore L, 2004).
2. Discusi n Propiedades
f ísicas y químicas de los metales alcalinotérreos
En la tabla 1 se puede observar la ausenc ia de a lgunas propiedades del elemento radio y otras propiedades del mismo elemento con va lores aproximados. Esto se debe a que e l radio es extremadamente radiactivo lo que hace d if ícil ana lizar lo y obtener cier tas de sus propiedades. A diferenc ia de los metales alcalinos, en donde todos poseen una es tructura cr istalina CCC, los element os del grupo 2 además de las celda CCC y CCca poseen celdas hexagona les (Be y Mg). Justamente los dos elementos que poseen ce ldas hexagona les tienen los puntos de fus ión más a ltas. El arreglo hexagona l de los átomos de es tos element os son más compac tos que s i estuvieran dispuestos en una ce lda cúbica. Esta propiedad les conf iere un mayor pun to de fusión y más dureza en re lación con los demás elementos del grupo.
Los pr imeros potenciales de ionizac ión de los e lement os del grupo 2, son más a ltos que en los metales alcalinos, lo que los hace menos reac tivos con respec to a éstos. Lo contrar io ocurre con e l radio atómico (radio cova lente) en donde se no ta que los metales alcalinos térreos poseen rad io a tómicos menores que los element os del grupo 1. Es to se se debe a que e l radio a tómico disminuye conforme avanzamos por un per iodo, por lo que el litio(metal alcalino) posee un rad io atómico mayor que e l ber ili ilio(metal alcalino térreo) que se encuen tra en el mismo per iodo. En comparac ión con los metales alcalinos, los element os del grupo 2 son más densos. Esta propiedad hace que los metales alcalinos sean más blandos que los metales alcalinos térreos. Esta propiedad f ísica hace que los metales del grupo 2 sean tomados en cuenta para formar a leaciones o recubr ir superf icies que se exponen a a ltas tempera turas. En genera l los metales reaccionan con agua formando h idrogeno gaseoso y bases acuosas. S in embargo el ber ili ilio no reacc iona con e l agua, deb ido a la elevada energ ía de ionizac ión del ber ili ilio lo que lo hace poco reac tivo. Ciclo de Born-Haber
En este resumen se presen tó el ciclo de Born-Haber para e l cloruro de sod io (sa l de mesa), s in embargo es te ciclo puede ser u tilizado para cua lquier sustancia. Hay que pía que se producen duran te el ciclo. S i la sustancia tener en c laro los cambios de ental p pasa de un estado otro el cambio de en tal p pia ser ia la energía asociada a l cambio de estado. Si la sustancia pierde un electron el cambio de ental pìa ser ia el pot encial de pia ser ía igual a la ionizac ión y s i ocurre lo contrar io(gananc ia de e lectrones) la ental p af inidad electrónica. De
forma s imilar si se rompen en laces el cambio de en tal p pia es la energía asociada la ruptura de ese en lace. Como es te es un c iclo termodinámica la suma de todos los cambios de ental p pia debe ser igual a 0. Iones presentes en el agua La cantidad de iones pos itivos presentes en el agua debe ser igual a la cantidad de iones negativos. Este es el concepto de ba lance iónico del agua. Este concepto es muy útil para es tablecer la cantidad de iones disueltos en agua, ya que s i se det ermina la cantidad total de cationes present es en una mues tra de agua inmediatamente se puede conocer la cantidad de an iones. La unidad en que se expresa la concentrac ión de es tos iones en e l agua es meq/L. 3.
Conclusiones y
y
En comparac ión con los metales alcalinos, los metales alcalinos térreos son más duros y más densos, y funden a temperaturas más elevadas. Los metales del grupo 2 poseen var iadas aplicac iones entre las más impor tantes formar a leaciones presentes en maquinar ia pesada y au tomóviles. El otro uso común es la pirotecnia, presente en los fuegos ar ti tif iciales en sus respec tivas sales.
y
y
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y
y
y
El radio es el último element o del grupo de los metales alcalinos térreos y el único radioactivo. Esta propiedad hace d if ícil su aná lisis, y algunas propiedades f ísicas y químicas no han s ido esti madas o en el me jor de los casos estos va lores son aproximados. El ber ili ilio es el metal menos reactivo del grupo 2. La reac tividad de es te elemento con el agua es nula. La ental p pia de hidratación es el cambio de energ ía asociada a la disolución de un soluto en agua. La energía reticular o energ ía de red es la energía desprendida al formarse un mol de un compues to iónico sólido a par ti tir de sus iones en es tado gaseoso. Los ciclos de Born±Haber se usan pr inci pa palmente como med io para ca lcular la energía reticular, que no puede ser de terminada exper imentalmente. Los pr inci pa pales iones presentes en todo el cuerpo acuá tico son K+, Na+, Ca2+, Mg2+, -,
2-
-
Cl SO4 y HCO3 , y re rese an el 99% de de los los iones iones dis dis eltos ltos en toda s ac í f fe ra. y
4.
erfic rficie
Es impor tante conocer las sustancias que na turalmente se encuentran disueltas en agua, para as í poder identif icar agentes contaminantes o extraños en el agua.
Bibliograf í í a
L., y co ls, 2004, Química. La ciencia central, Pearson Educa tion. Brown Theodore L., Páginas 1152.( Capitulo 7 : Propiedades per iódicas de los element os, meta les alca linos y alcalinotérreos, paginas: 256-261), México. Escuela Super ior Politécnica del Litoral, ICQA, 2003, Manual de prácticas de química genera l 2, Práctica 9-Dureza del agua, Guayaqu il-Ecuador. www.Wi i ped pedia.com, La enc iclopedia li bre, bre, 2009, Ciclo de Born-Haber.
