QUÍMICA INORGÁNICA 2014UNIDAD IX: METALES ALCALINOS Y ALCALINOTÉRREOS

Propiedades generales. Estudio comparativo. Química de los elementos. Óxidos e hidróxidos. Basicidad. Sales más importantes. Descomposición térmica de carbonatos.

CONSIDERACIONES GENERALES

METALES ALCALINOSMETALES ALCALINOSLi: LiAlSi2O6 mineral espodumeno.

Na: NaCl sal gema; NaNO3 nitrato de Chile; Na3AlF6 criolita.( 3 NaF+ AlF3)

K: KCl silvita; KNO3 salitre; KCl.MgCl2.6H2O carnalita.

Rb y Cs :se encuentra en forma de silicatos en varios minerales.

Fr: existe como vestigio proveniente de la desintegración del 235U. Tiene una vida media de desintegración de 22 minutos.METALES ALCALINOTÉRREOSMETALES ALCALINOTÉRREOSBe: Be3Al2(SiO3)6 berilo. La esmeralda es berilo con trazas de Cr.

Mg: MgCO3 magnesita; MgCO3.CaCO3 dolomita

Ca: el mineral piedra caliza contiene CaCO3. El mármol es CaCO3 en forma de microcristales; CaF2 fluorita; CaSO4.2H2O yeso.

Sr: SrCO3 estroncianita; SrSO4 celestina

Ba: BaSO4 baritina; Ba(OH)2 barita.

Ra: tiene varios isótopos radiactivos. Se obtienen por desintegración del 238U.

ESTADO NATURAL

Clorofila

FUNCIONES BIOLÓGICAS

MgMgProceso de coagulación

Propiedad GRUPO IAGRUPO IA

3Li 11Na 19K 37Rb 55Cs

Configuración Electrónica Externa 2s1 3 s1 4 s1 5 s1 6 s1

Radio Atómico (nm) 0,152 0,186 0,231 0,244 0,262

Radio Iónico (Å) M+ 0,60 0,95 1,33 1,48 1,69

Energía de Sublimación (kJ/mol) 160,6 108,3 89,9 81,6 78,2

Energía de Ionización (kJ/mol) 520 496 419 403 376

Energía de Hidratación (kJ/mol) M+ – 519 – 406 – 322 – 301 – 276

Eº red (V) M+(ac) + 1 e– → M – 3,05 – 2,71 – 2,93 – 2,92 – 2,92

Punto de Fusión (ºC) 180 98 64 39 29

Color a la llama rojo carmín amarillo violeta púrpura azul

Propiedad GRUPO IIAGRUPO IIA

4Be 12Mg 20Ca 38Sr 56Ba

Configuración Electrónica Externa 2s2 3s2 4s2 5s2 6s2

Radio Atómico (nm) 0,111 0,160 0,197 0,215 0,217

Radio Iónico (Å) M2+ 0,31 0,65 0,99 1,13 1,35

Energía de Sublimación (kJ/mol) 324 148,95 178,2 164 175,6

1ra Energía de Ionización (kJ/mol) 900 738 590 550 503

Energía de Hidratación (kJ/mol) M2+ – 2494 – 1920 – 1650 – 1480 – 1360

Eº red (V) M2+(ac) + 2 e– → M – 1,97 – 2,37 – 2,87 – 2,89 – 2,90

Punto de Fusión (ºC) 1277 650 838 768 714

Color a la llama incoloro incoloro rojo ladrillo Rojo carmín Verde manzana

PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS DE LOS GRUPOS IA y IIA

ESTUDIO COMPARATIVO

Los MetalesUna estructura cristalina

Se describe

Una red de iones positivos en

posiciones fijas

En un mar de electrones de

valencia móviles

Se mueven por toda la red

Pertenecer a ningún catión en particular

Que los electrones están deslocalizados

tienen

que

como sumergidos

que

sin esto implica

Para analizar algunas propiedades de los elementos de ambos grupos se debe tener en cuenta:

Los metales Los metales AlcalinosAlcalinos

Metales blandos

Color gris

sonde

Una estructura cristalina

tienen

Abierta poco compacta

Un electrón de valencia

por tener

Los metalesLos metalesAlcalinotérreosAlcalinotérreos

Sólidos duros

Diferentes colores

soncon Una estructura cristalina compacta

tienen

Dos electrones de valencia

por poseer

Están fuertemente unidos

Red cristalina

Son mas duros y densos que los metales Alcalinos

los átomos

en la

debido a esto

EL MODELO DEL ENLACE METÁLICO

Algunas propiedades únicas de los metales

explica

Alta conductividad eléctrica

Elevada conductividad térmica

Maleabilidad

Ductilidad

El calor es transportado

Los electrones pueden moverse

libremente

Cuando al metal

Aplica una diferencia de

potencial

porque

se

A las numerosas colisiones entre los

electrones

debido

estos choques

Hace que el metal pueda absorber y emitir luz

en

Un amplio intervalo de

longitudes de onda

Lo que explica el

brillo

Que presentan las superficies

metálicas recién cortadas

COLORES A LA LLAMA DE LOS METALES ALCALINOS Y ALCALINOTÉRREOS

Cuando una solución

acuosa de NaClSe vaporiza en una llama

Forman pares de iones de Na+ Cl-

gaseosos

selos

cualesSe reducen y se oxidan

aPor efecto de la llama Na(g) Cl(g)Átomos

de Na(g)

Niveles energéticos superiores

Atomos de Na

excitados: Na*

pasan los

Vuelven al estado

fundamental

y cuando

emiten

Una radiación amarilla

característica del elemento

Lo analizado se puede representar de la siguiente manera

Na+ Cl- (g) Na (g) + Cl (g)

Na (g) Na* (g)

Na* (g) Na (g) + h

Li + -------- Rojo carmín Ca 2+ ------------ Rojo ladrillo

Na + -------- Amarillo Sr 2+ ------------ Rojo carmín

K + --------- Violeta Ba 2+ ----------- Verde manzana

Colores a la llama

Incoloros

Na (g) Na* (g)

Na* (g) Na (g) + h

REACCIONES DE LOS METALES ALCALINOS Y ALCALINOTÉRREOS

METALES ALCALINOSMETALES ALCALINOS SUSTANCIA QUE SE COMBINA

REACCIÓN

I Todos HIDRÓGENO 2 M (s) + H2 (g) 2 MH (s) HIDRUROS

II Todos HALÓGENOS 2 M (s) + X2 2 MX (s) HALUROS

III Li NITRÓGENO 6 M (s) + N2 (g) 2 M3N (s) NITRURO

IV Todos AZUFRE 2 M (s) + S (s) M2S (s) SULFUROS

V Li OXÍGENO 4 M (s) + O2 (g) 2 M2O (s) ÓXIDO

Na 2 M (s) + O2 (g) M2O2 (s) PERÓXIDO

K, Rb, Cs M (s) + O2 (g) MO2 (s) SUPERÓXIDOS

VI Todos AGUA 2 M (s) + 2 H2O (l) MOH(ac) + H2 (g)

METALES METALES ALCALINOTERREOSALCALINOTERREOS

I Ca, Sr, Ba HIDRÓGENO M (s) + H2 (g) MH2 (s) HIDRUROS

II Todos HALÓGENOS M (s) + X2 MX2 (s) HALUROS

III Mg, Ca, Sr, Ba NITRÓGENO 3 M (s) + N2 (g) M3N2 (s) NITRUROS

IV Mg, Ca, Sr, Ba AZUFRE M (s) + S (s) MS (s) SULFUROS

V Be, Mg, Ca, Sr, Ba OXÍGENO 2 M (s) + O2 (g) 2 MO (s) ÓXIDOS

Ba M (s) + O2 (g) MO2 (s) PERÓXIDO

VI Ca, Sr, Ba AGUA M (s) + 2 H2O (l) M(OH)2 (ac) + H2 (g)

Mg M (s) + H2O (g) MO (s) + H2 (g)

PODER REDUCTOR

M(s) M+(ac) + 1e-

M(g) M+(g) + 1e-

∆Hfº

S

I

H

M(s) M2+(ac) + 2e-

M(g) M2+(g) + 2e-

∆Hfº

S

I1+ I2

H

REACCIÓN CON EL AGUALos EºRED de los metales alcalinos y alcalinotérreos indican que todos pueden reducir al agua produciendo gas hidrógeno y el hidróxido respectivo.

A partir: 2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2 OH-(ac) Eº = - 0,826 v, calcule el potencial a pH = 7.

OXIDACIÓN DEL SODIO POR EL AGUA. Calcule Eº y E a pH = 7. Escriba las hemirreacciones de oxidación y reducción respectivamente y la reacción global.

METALES ALCALINOS

REACCIONES CON EL OXÍGENO

METALES ALCALINOS

Los metales alcalinos y alcalinotérreos reaccionan en caliente con el oxígeno del aire, es decir, se queman en presencia de oxígeno para dar distintos óxidos. Los compuestos que se pueden obtener son: óxidos normales (contienen el ion O2–), peróxidos (contienen el ion O2

2–) y superóxidos (contienen ion O2–).

Grupo IA Oxido Normal Peróxido Superóxido

Li Li2O Li2O2 pequeñas cantidades –

Na Na2O pequeñas cantidades

Na2O2 –

K KO2

Rb RbO2

Cs CsO2

METALES ALCALINOTERREOS: el Be y el Mg están protegidos de la oxidación por una

fina capa de óxido, que hace que los dos metales puedan existir en presencia de agua y aire.

Grupo IIA Oxido Normal Peróxido Superóxido

Be BeO

Mg MgO

Ca CaO

Sr SrO

Ba BaO2

REACCIÓN DE LOS ÓXIDOS CON EL AGUA

SUPERÓXIDO + H2O HIDRÓXIDO + H2O2 + O2

ÓXIDO + H2O HIDRÓXIDO

PERÓXIDO + H2O HIDRÓXIDO + H2O2

METALES ALCALINOTERREOS

EJERCICIOS

1.- Aplicando el método del cálculo haga la estructura de Lewis de los iones:

a) O22-

EN:

EV:

EC:

ENC:

b) O2-

EN:

EV:

EC:

ENC:

2.- Aplicando TOM haga el diagrama de energía simplificado y determine el orden de enlace y propiedad magnética de los iones:

a) O22- b) O2

-

OXIDACION DEL SODIO Y CALCIO METALICO POR AGUA

OXIDACIÓN DEL SODIO POR EL OXÍGENO DEL AIRE EN CALIENTE

HIDRÓXIDOS. SOLUCIÓN SATURADA. SOLUBILIDADMETALES ALCALINOS: Los hidróxidos de estos elementos son higroscópicos, es decir, delicuescentes. Son muy solubles en agua, el proceso de disolución es exotérmico.

METALES ALCALINOTÉRREOS

Kps Be(OH)2 1,6.10–26 Mg(OH)2 8,9.10–12 Ca(OH)2 1,3.10–6 Sr(OH)2 3,2.10–4 Ba(OH)2 5.10–3

LiOHNaOHKOHRbOHCsOH

Aumenta

solubilidad

SOLUBILIDAD DE SALES EN AGUA

HALUROS DE METALES GIA y GIIA: KF, NaBr, MgCl2 , CaF2

MX(s) M+(ac) + X-( ac)

M+(g) + X-(g)

Qdisolución

UHM

+ HX-

a) Haga el ciclo de Born-Haber para el LiF y calcule Qdis con los siguientes datos:

Q disolución = U + ( HM+ + HX

- )

ULiF = -1047 kJ/mol; H Li+ = – 519 kJ/mol; H F- = – 450 kJ/mol

Si Qdis < 0 el haluro es soluble

Si Qdis > 0 el haluro no es soluble.

Ciclo de Born- Haber

b) Haga el ciclo de Born-Haber para el MgF2 y calcule Qdis con los siguientes datos:

UMgF2 = - 2920 kJ/mol; H Mg2+ = – 1906 kJ/mol; H F- = – 450 kJ/mol

c) Haga el ciclo de Born-Haber para el CaS y calcule Qdis con los siguientes datos:

UCaS = - 3042 kJ/mol; H Ca2+ = – 1593 kJ/mol; H S2- = -1270 kJ/mol

SOLUBILIDAD DE: NO3-, ClO3

- , ClO4- CO3

2- , CrO42- y SO4

2-

METALES ALCALINOSI) La solubilidad de aniones univalentes, NO3

-, ClO3- , ClO4

- disminuye en el grupo de arriba hacia abajo.

II) La solubilidad de aniones divalentes, CO32- , CrO4

2- y SO42- aumenta en el grupo de

arriba hacia abajo.

LiNO3

NaNO3

KNO3

RbNO3

CsNO3

Solubilidad disminuye

Li2CO3

K2CO3

Cs2CO3

Solubilidad aumenta

Relación: Catión :Anión

11

Relación: Catión :Anión

21

METALES ALCALINOTÉRREOS

La solubilidad de los CO32-, CrO4

2- y SO42- disminuye en el grupo de arriba hacia abajo

MgCO3 SrCrO4 CaSO4

3,5.10–8 2,2.10–5 9,1.10–6

SrCO3 BaCrO4 BaSO4

1,6.10–9 1,2.10–10 9,8.10–11

Kps

ESTABILIDAD DE LOS ÓXIDOS DE LOS ALCALINOTÉRREOS

BeO

MgO

CaO

SrO

BaOMenos estable, más reactivo

Estabilidad disminuye

DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA DE CARBONATOS DE LOS ALCALINOTÉRREOS TEMPERATURA DE DESCOMPOSICIÓN (ºC )

BeCO3 < 100

MgCO3 540

CaCO3 900

SrCO3 1260

BaCO3 1360

PROCESO SOLVAY

CO2 (g) + NH3 (g) + H2O (l) + NaCl (ac) NaHCO3 (s) + NH4Cl (ac)

Materias primas: CaCO3, NaCl, H2O, NH3

El proceso Solvay involucra una serie de equilibrios ácido-base:

CO2 (g) + H2O(l) H+(ac) + HCO3

–(ac)

CO2( (g) + H2O(l) H2CO3(ac) H2CO3(ac) H+ (ac) + HCO3

– (ac)

a) Al burbujear CO2 en agua se establecen los siguientes equilibrios:

CaCO3(s) CaO (s) + CO2 (g)1) 1000 °C

2)

2NaHCO3 Na2CO3(s) + CO2 (g)+ H2O3)

b) El proceso total proviene de la suma de los siguientes equilibrios: CO2 (g)+ NH3 (g) + H2O (l) NH4

+(ac) + HCO3– (ac)

Na+(ac) + Cl–(ac) + HCO3– (ac) NaHCO3 (s) + Cl–(ac)

CO2 (g) + NH3 (g) + H2O (l) + NaCl(ac) NaHCO3 (s) + NH4Cl (ac)

Usos del NaUsos del Na22COCO33

Papel

CONFERENCIAS SOLVAYCONFERENCIAS SOLVAY

Nernst

Rutherford

Marie CurieEinstein

DUREZA DEL AGUA

LA DUREZA DEL AGUA

Se clasifica en

Dureza temporaria

Dureza permanente

Por ebulliciónNo se elimina por ebullición

Ca2+ y Mg2+ en forma de HCO3

-

Ca2+ y Mg2+ en forma de SO4

2-, Cl-, NO3

- desaparece

Ca(HCO3)2 (ac) CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l)

impide Que el jabón haga espuma

Que resulta de la menor o mayor cantidad

Sales disueltas que contienen

de

es una propiedad

iones

Principalmente de Ca2+ y Mg2+

En menor cantidad : Sr2+, Fe2+, Zn2+, Al3+

Aguas blandas

MÉTODOS DE OBTENCIÓN

Metal MétodoLitio Electrólisis de una mezcla fundida de LiCl + KCl Sodio Electrólisis de NaCl fundidoPotasio Acción del sodio sobre KCl a 850 ºCBerilio Electrólisis de BeCl2 fundidoMagnesio 2 MgO.CaO + Si 2 Mg + Ca2SiO4

Calcio Electrólisis de CaCl2 fundidoBario 3 BaO + 2 Al 3 Ba + Al2O3 (aluminotermia)

Ejercicio. Escriba la hemi-reacción que ocurre en el cátodo y en el ánodo durante la electrólisispor vía seca de las sales: a) NaCl fundido

b) b) BeCl2 fundido