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
sonconUna 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 NaCl
Se vaporiza en una llama
Forman pares de iones de Na+ Cl-
gaseosos
selos
cualesSe reducen y se oxidan
a
Por 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 AGUA
Los 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. SOLUBILIDAD
METALES 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 ALCALINOS
I) 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
BaO
Menos 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 Curie
Einstein
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