Metales alcalinos

Características de los metales alcalinos.

Los átomos de los elementos del grupo del litio contienen solo un electrón en la capa de valencia en estado básico en el orbital s . Debido a los bajos valores de la primera energía de ionización, que son:

• 3 [kJ ·mol ^-1] para litio,
• 8 [kJ ·mol ^-1] para sodio,
• 8 [kJ ·mol ^-1] para potasio,
• 0 [kJ ·mol ^-1] para rubidio,
• 7 [kJ ·mol ^-1] para cesio,

el electrón de valencia está unido a la capa muy débilmente, siendo fácil de desprender. A otro elemento le resulta mucho más difícil extraer el siguiente electrón, que se encuentra en la capa electrónica cerrada. Esto requiere que el aporte de energía sea incluso varias veces mayor. Las segundas energías de ionización para los elementos del grupo del litio son las siguientes:

• 1 [kJ ·mol ^-1] para litio,
• 4 [kJ ·mol ^-1] para sodio,
• 4 [kJ ·mol ^-1] para potasio,
• 0 [kJ ·mol ^-1] para rubidio,
• 0 [kJ ·mol ^-1] para el cesio.

Esto implica que los metales alcalinos sólo forman cationes monovalentes y nunca se presentan en estados de oxidación superiores. Además, los compuestos químicos que forman son casi exclusivamente iónicos. Además de que el estado de oxidación +I es típico de estos elementos, hay algunos compuestos en los que el sodio, el potasio, el rubidio y el cesio se encuentran en el estado de oxidación –I. La posición de los metales alcalinos en la tabla periódica , donde comienzan cada período, sugiere que tienen la carga nuclear más baja. Esto implica que la atracción de sus electrones de valencia, así como de otros electrones ubicados en las capas encerradas, es la más débil. También tienen los radios atómicos e iónicos más largos. Los bajos valores de electronegatividad se deben a una baja energía de ionización y a un largo radio atómico. Debido a estas características, el cesio y el francio muestran la electronegatividad más baja entre todos los elementos de la tabla periódica. Los metales alcalinos se transforman fácilmente en un estado iónico, debido a que ceden electrones fácilmente. Esto también se traduce directamente en sus potenciales estándar fuertemente negativos. El litio ocupa la primera posición en la serie electroquímica, con un potencial estándar de -3,0401 V.

Metales alcalinos coloreados

También es interesante la coloración de las llamas por los elementos del grupo del litio. Sus átomos libres, que aparecen como resultado del calentamiento de sus compuestos volátiles, son muy propensos a la excitación. Entonces se convierten en fuente de radiación, debido a la liberación excesiva de energía, y su espectro, al igual que el espectro de los elementos del grupo del calcio, se sitúa parcialmente en el espectro de la luz visible. Por lo tanto, en el análisis cualitativo , los metales alcalinos se examinan mediante la prueba de llama y, respectivamente:

• el litio tiñe la llama de carmín,
• el sodio tiñe la llama de amarillo,
• El potasio, el rubidio y el cesio tiñen la llama de violeta y rosa.

Las propiedades físico-químicas de los metales alcalinos.

Todos los elementos del grupo 1 de la tabla periódica son de naturaleza metálica y de color blanco y plateado. Sus superficies presentan un brillo metálico, pero normalmente se empañan muy rápidamente y quedan cubiertas por óxidos. La dureza de los metales alcalinos disminuye desde el litio hasta el cesio, pero cada uno de ellos es lo suficientemente blando como para cortarlo fácilmente con un cuchillo. El punto de fusión también varía dentro de la misma serie, oscilando entre 453,7 K para el litio y 306,1 K para el cesio. El litio tiene la densidad más baja y la densidad del litio, el sodio y el potasio es menor que la del agua. Cada metal alcalino conduce corriente eléctrica y el sodio muestra, a temperatura ambiente, una conductividad sólo tres veces menor que la plata, que tiene la resistencia específica más baja. A diferencia de la mayoría de los metales, los elementos del grupo del litio muestran puntos de ebullición relativamente bajos. La mayoría de ellos (excepto el litio) hierven por debajo de 1300 K. Los metales alcalinos transformados al estado gaseoso toman la forma de moléculas monoatómicas.

La reactividad de los metales alcalinos.

La reactividad química de los metales alcalinos es bastante alta y crece desde el litio hasta el cesio. El litio reacciona con el oxígeno sólo cuando la temperatura aumenta a unos 370 K, por lo que en condiciones normales el litio no pierde su brillo metálico. A temperatura ambiente, todos los demás metales alcalinos reaccionan rápidamente con el oxígeno y pierden su brillo. Por lo tanto, normalmente se almacenan bajo queroseno. La quema de metales alcalinos en el aire también produce efectos variados: el litio se quema hasta convertirse en óxido, el sodio en peróxido y el potasio, el rubidio y el cesio forman superóxidos. Una reacción característica de los metales alcalinos es el lanzamiento de un trozo de metal al agua, que se observa comúnmente. Esta reacción se produce de forma abrupta y su proceso es cada vez más espectacular desde el litio hasta el cesio. El calor emitido cuando lo realizamos con sodio es suficiente para quemarlo. El potasio se enciende justo después de tocar el agua, mientras que el rubidio y el cesio provocan explosiones. El cesio, al ser el elemento más reactivo del grupo del litio, se autoinflama ya al entrar en contacto con el aire. En algunas de sus propiedades, el litio se parece a un elemento del segundo grupo de la tabla periódica: el magnesio. A diferencia de otros metales alcalinos, pero de manera similar al magnesio, produce carbonato y fosfato poco solubles.

Los compuestos de elementos del grupo del litio.

Los compuestos que pueden formar los metales alcalinos se clasifican en los siguientes grupos:

1. Hidruros de metales alcalinos de tipo MH, que se producen mediante una reacción directa entre hidrógeno y metales a temperaturas elevadas.
2. Los compuestos de metales alcalinos con oxígeno, que son un poco más complejos. Como se mencionó anteriormente, solo el óxido de litio se forma al quemar un elemento metálico en el aire. Otros se queman con la formación de óxidos superiores, que pueden reducirse con un metal apropiado a una temperatura elevada.
3. Los compuestos de metales alcalinos con halógenos son en su mayoría compuestos iónicos con estructura cristalina. Una gran parte de los haluros de metales alcalinos tienen una red espacial similar a la del cloruro de sodio, mientras que CsCl, CsBr y CsI forman una red espacial similar al cloruro de cesio.
4. Los hidróxidos de metales alcalinos son sólidos incoloros con fuertes propiedades higroscópicas. Son compuestos iónicos y su disolución en agua es muy exotérmica.
5. Sus compuestos con azufre se presentan en tres tipos: sulfuros de hidrógeno MHS, sulfuros M ₂ S y polisulfuros MS _n , donde n varía de 2 a 6.
6. Los metales alcalinos también producen sales de oxiácidos como nitratos, carbonatos y sulfatos de metales alcalinos, así como un grupo separado de sales de amonio.

Un hecho interesante sobre las sales de metales alcalinos es que si el anión tampoco tiene color, las sales son incoloras y, a menudo, fácilmente solubles en agua. En soluciones acuosas, sus cationes están sujetos a hidratación con una fuerza que aumenta del cesio al litio. Casi todas las sales de litio contienen agua cristalina. Muchos de ellos están además hidratados, a diferencia de las sales de potasio. Las sales de rubidio y cesio son siempre anhidras.

La aparición natural de metales alcalinos.

La distribución de los metales alcalinos en la naturaleza es variada. La corteza terrestre contiene cantidades extremadamente altas de sodio (2,83 %) y potasio (2,59 %), así como pequeñas cantidades de litio (2,0,10 ^-3 %), rubidio (9,10 ^-3 %) y cesio (3,10 ^-3 %). El francio se encuentra naturalmente sólo en cantidades insignificantes en forma de un isótopo radiactivo inestable, un producto de degradación del actinio. El litio se encuentra normalmente en la corteza terrestre en forma de lechos de litio, sodio y potasio, como aluminosilicatos, por ejemplo, espodumeno LiAl[Si ₂ O ₆] y lepidolita KLi ₂ Al[ (F,OH) ₂ Si ₄ O _10.], y como fosfatos, por ejemplo, ambligonita LiAl[(PO ₄ )(F,OH)]. Los minerales que contienen sodio incluyen la albita Na[AlSi ₃ O ₈] más común y sus soluciones sólidas con aluminosilicatos de potasio y calcio. Yacimientos extremadamente ricos, distribuidos prácticamente por todo el mundo, también están formados por compuestos de sodio como el cloruro de sodio (sal gema) y el nitrato de sodio, llamado salitre de Chile. También se pueden encontrar enormes cantidades de sodio en el agua salada: mares y océanos. Se estima que el cloruro de sodio representa incluso el 2,8 %del agua del océano. Si comparamos el sodio y el potasio que se encuentran en la corteza terrestre, a pesar de tener cantidades similares, el potasio se distribuye de manera completamente diferente, ya que sus compuestos se depositan muy escasamente. Los más comúnmente encontrados son minerales a base de potasio que se encuentran sobre las capas superiores de los lechos de sal gema. Estos incluyen: silvina KCl, carnalita KMgCl ₃ ·6H ₂ O y kainita KMgCl(SO ₄ )·3H ₂ O. Este elemento químico también se presenta en forma de aluminosilicatos como el feldespato potásico K[AlSi ₃ O ₈] y mica KAl ₂ [AlSi ₃ O ₁₀ (F,OH) ₂]. Los compuestos de potasio que se producen durante la descomposición de estos minerales son muy fácilmente solubles en agua. En consecuencia, a medida que se forman, una gran parte de ellos es absorbido por el suelo debido a las condiciones climáticas y sólo una pequeña cantidad es transferida a los mares y océanos junto con el agua que fluye. Por este motivo, la cantidad de potasio existente en el agua salada es aproximadamente 40 veces menor que el contenido de sodio. Como la presencia de potasio presente en el suelo es necesaria para el correcto crecimiento de las plantas, sus cenizas contienen cantidades considerables de carbonato de potasio y son bastante pobres en compuestos de sodio. La presencia natural de rubidio y cesio es baja; sólo se encuentran acompañados de otros metales alcalinos. El francio se presenta principalmente como isótopos radiactivos formados como:

• un producto de la degradación del uranio ²³⁵ U,
• un producto de la degradación del actinio ²²⁷ Ac.

También podemos encontrar potasio ^{de 40} K y rubidio ^{de 87} Rb en ​​forma de isótopos radiactivos.

Aplicaciones de los metales alcalinos.

El litio metálico se utiliza a menudo como aditivo para mejorar la estabilidad y resistencia de las aleaciones de aluminio, zinc y magnesio. También se aplica como desoxidante en metalurgia del cobre y como componente en baterías eléctricas Li/FeS _x . Como estearato de litio, proporciona una densidad adecuada de lubricantes. Sus características lubricantes son estables a temperaturas de 250 a 420 K. El carbonato de litio se utiliza para la producción de porcelana y esmaltes en forma de fundente. El sodio es un material muy importante con el que se adquieren muchos productos de uso diario, como los blanqueantes peróxido de sodio, amida y cianuro de sodio. En los laboratorios, el sodio se aplica en menor escala debido a las propiedades reductoras de muchos compuestos orgánicos. Otra aplicación importante del sodio es su uso como componente de la aleación de plomo utilizada para producir los agentes antidetonantes que se añaden a la gasolina. El sodio metálico también se utiliza en lámparas de vapor de sodio debido a la característica luz amarilla que podemos observar al excitarla. Los reactores nucleares contienen sodio líquido y una aleación líquida de sodio y potasio que están ahí para enfriar todo el sistema. Los electrones del cesio metálico están sujetos al efecto fotoeléctrico, por lo que pueden detectarse fácilmente con el uso de luz. Por este motivo, el cesio se utiliza para construir fotocélulas a base de cesio, que contienen una aleación de cesio con aluminio y bario.