Metalli alcalini

Caratteristiche dei metalli alcalini

Gli atomi degli elementi del gruppo del litio contengono solo un elettrone sul guscio di valenza nello stato basico sull’orbitale s . A causa dei bassi valori dell’energia di prima ionizzazione che sono:

• 3 [kJ ·mol ^-1] per il litio,
• 8 [kJ ·mol ^-1] per il sodio,
• 8 [kJ ·mol ^-1] per il potassio,
• 0 [kJ ·mol ^-1] per il rubidio,
• 7 [kJ ·mol ^-1] per il cesio,

l’elettrone di valenza è legato molto debolmente al guscio ed è facile da staccare. È molto più difficile per un altro elemento estrarre l’elettrone successivo, che si trova nel guscio elettronico racchiuso. Ciò richiede che l’apporto energetico sia addirittura molte volte superiore. Le energie di seconda ionizzazione per gli elementi del gruppo del litio sono le seguenti:

• 1 [kJ ·mol ^-1] per il litio,
• 4 [kJ ·mol ^-1] per il sodio,
• 4 [kJ ·mol ^-1] per il potassio,
• 0 [kJ ·mol ^-1] per il rubidio,
• 0 [kJ ·mol ^-1] per il cesio.

Ciò implica che i metalli alcalini formano solo cationi monovalenti e non si verificano mai in stati di ossidazione più elevati. Inoltre, i composti chimici che formano sono quasi esclusivamente ionici. Oltre allo stato di ossidazione +I tipico di questi elementi, ci sono alcuni composti in cui sodio, potassio, rubidio e cesio si trovano nello stato di ossidazione –I. La posizione dei metalli alcalini nella tavola periodica , dove iniziano ciascun periodo, suggerisce che hanno la carica nucleare più bassa. Ciò implica che l’attrazione dei loro elettroni di valenza e di altri elettroni situati sui gusci racchiusi è la più debole. Hanno anche i raggi atomici e ionici più lunghi. I bassi valori di elettronegatività sono causati da una bassa energia di ionizzazione e da un lungo raggio atomico. A causa di queste caratteristiche, il cesio e il francio mostrano l’elettronegatività più bassa tra tutti gli elementi della tavola periodica. I metalli alcalini si trasformano facilmente in uno stato ionico, perché cedono facilmente elettroni. Ciò si traduce direttamente anche nei loro potenziali standard fortemente negativi. Il litio occupa la prima posizione nella serie elettrochimica, con un potenziale standard di -3,0401 V.

Metalli alcalini colorati

Interessante è anche la colorazione delle fiamme da parte degli elementi del gruppo del litio. I loro atomi liberi, che appaiono come risultato del riscaldamento dei loro composti volatili, sono molto inclini all’eccitazione. Poi, a causa della cessione dell’energia in eccesso, diventano una fonte di radiazione e il loro spettro, come quello degli elementi del gruppo del calcio, si trova parzialmente nell’ambito della luce visibile. Pertanto, nell’analisi qualitativa , i metalli alcalini vengono esaminati mediante la prova alla fiamma e, rispettivamente:

• il litio colora di carminio la fiamma,
• il sodio colora la fiamma di giallo,
• potassio, rubidio e cesio colorano la fiamma viola e rosa.

Le proprietà fisico-chimiche dei metalli alcalini

Tutti gli elementi del gruppo 1 della tavola periodica hanno natura metallica e colore bianco e argento. Le loro superfici mostrano una lucentezza metallica, ma normalmente si ossidano molto rapidamente, ricoprendosi di ossidi. La durezza dei metalli alcalini diminuisce dal litio al cesio, ma ciascuno di essi è sufficientemente morbido da poter essere tagliato facilmente con un coltello. Anche il punto di fusione varia all’interno della stessa serie, variando da 453,7 K per il litio a 306,1 K per il cesio. Il litio ha la densità più bassa e la densità di litio, sodio e potassio è inferiore a quella dell’acqua. Ogni metallo alcalino conduce corrente elettrica e il sodio mostra, a temperatura ambiente, una conduttività solo tre volte inferiore a quella dell’argento, che ha la resistenza specifica più bassa. A differenza della maggior parte dei metalli, gli elementi del gruppo del litio mostrano punti di ebollizione relativamente bassi. La maggior parte di essi (ad eccezione del litio) bolle al di sotto di 1300 K. I metalli alcalini trasformati allo stato gassoso assumono la forma di molecole monoatomiche.

La reattività dei metalli alcalini

La reattività chimica dei metalli alcalini è piuttosto elevata e cresce dal litio al cesio. Il litio reagisce con l’ossigeno solo quando la temperatura viene aumentata fino a circa 370 K, quindi in condizioni normali il litio non perde la sua lucentezza metallica. A temperatura ambiente tutti gli altri metalli alcalini reagiscono rapidamente con l’ossigeno e perdono la loro lucentezza. Pertanto, vengono normalmente conservati sotto cherosene. Anche la combustione dei metalli alcalini nell’aria dà vari effetti: il litio brucia in un ossido, il sodio in un perossido e il potassio, il rubidio e il cesio formano superossidi. Una reazione caratteristica dei metalli alcalini è il lancio comunemente osservato di un pezzo di metallo nell’acqua. Questa reazione avviene all’improvviso e il suo processo è sempre più spettacolare dal litio al cesio. Il calore emesso quando lo eseguiamo con il sodio è sufficiente per bruciarlo. Il potassio si accende subito dopo aver toccato l’acqua, mentre il rubidio e il cesio provocano esplosioni. Il cesio, essendo l’elemento più reattivo del gruppo del litio, si autoinfiamma già al contatto con l’aria. Il litio assomiglia per alcune sue proprietà a un elemento del secondo gruppo della tavola periodica: il magnesio. A differenza di altri metalli alcalini, ma analogamente al magnesio, produce carbonato e fosfato scarsamente solubili.

I composti degli elementi del gruppo del litio

I composti che possono formarsi dai metalli alcalini sono classificati nei seguenti gruppi:

1. Idruri di metalli alcalini di tipo MH, prodotti da una reazione diretta tra idrogeno e metalli a temperature elevate.
2. I composti dei metalli alcalini con l’ossigeno, che sono un po’ più complessi. Come accennato in precedenza, solo l’ossido di litio si forma bruciando un elemento metallico nell’aria. Altri bruciano con la formazione di ossidi superiori, che possono essere ridotti con un metallo appropriato a temperatura elevata.
3. I composti dei metalli alcalini con alogeni sono per lo più composti ionici con una struttura cristallina. Gran parte degli alogenuri di metalli alcalini hanno un reticolo spaziale simile al cloruro di sodio, mentre CsCl, CsBr e CsI formano un reticolo simile al cloruro di cesio.
4. Gli idrossidi di metalli alcalini sono solidi incolori con forti proprietà igroscopiche. Sono composti ionici e la loro dissoluzione in acqua è fortemente esotermica.
5. I loro composti con lo zolfo si presentano in tre tipi: idrogeno solforati MHS, solfuri M ₂ S e polisolfuri MS _n , dove n varia da 2 a 6.
6. I metalli alcalini producono anche sali ossiacidi come nitrati, carbonati e solfati di metalli alcalini, nonché un gruppo separato di sali di ammonio.

Un fatto interessante riguardo ai sali dei metalli alcalini è che se anche l’anione non ha colore, i sali sono incolori e spesso facilmente solubili in acqua. Nelle soluzioni acquose i loro cationi sono soggetti ad idratazione con una forza che aumenta dal cesio al litio. Quasi tutti i sali di litio contengono acqua cristallina. Molti di loro sono inoltre idratati, a differenza dei sali di potassio. I sali di rubidio e cesio sono sempre anidri.

La presenza naturale di metalli alcalini

La distribuzione dei metalli alcalini in natura è varia. La crosta terrestre contiene quantità estremamente elevate di sodio (2,83%) e potassio (2,59%) nonché piccole quantità di litio (2,0·10 ^-3 %), rubidio (9,10 ^-3 %) e cesio (3,10 ^-3 %). Il francio si trova in natura solo in quantità trascurabili sotto forma di un isotopo radioattivo instabile, un prodotto della degradazione dell’attinio. Il litio si trova normalmente nella crosta terrestre sotto forma di letti di litio-sodio-potassio come gli alluminosilicati, ad esempio spodumene LiAl[Si ₂ O ₆] e lepidolite KLi ₂ Al[ (F,OH) ₂ Si ₄ O ₁₀], e come fosfati, ad esempio l’ambligonite LiAl[ (PO ₄ )(F,OH)]. I minerali contenenti sodio includono la più comune albite Na[AlSi ₃ O ₈] e le sue soluzioni solide con alluminosilicati di potassio e calcio. Giacimenti estremamente ricchi, distribuiti praticamente in tutto il mondo, sono formati anche da composti del sodio come il cloruro di sodio (salgemma) e il nitrato di sodio, chiamato salnitro del Cile. Enormi quantità di sodio si trovano anche nell’acqua salata: mari e oceani. Si stima che il cloruro di sodio rappresenti addirittura il 2,8 %dell’acqua oceanica. Confrontando il sodio e il potassio contenuti nella crosta terrestre, nonostante le loro quantità simili, il potassio è distribuito in modo completamente diverso, poiché i suoi composti formano depositi molto scarsamente. I più comuni sono i minerali a base di potassio che si trovano sugli strati superiori dei letti di salgemma. Questi includono: silvina KCl, carnallite KMgCl ₃ ·6H ₂ O e kainite KMgCl(SO ₄ )·3H ₂ O. Questo elemento chimico si presenta anche sotto forma di alluminosilicati come il feldspato di potassio K[AlSi ₃ O ₈] e mica KAl ₂ [AlSi ₃ O ₁₀ (F,OH) ₂]. I composti di potassio prodotti durante la scomposizione di questi minerali sono molto facilmente solubili in acqua. Di conseguenza, man mano che si formano, gran parte di essi viene assorbita dal suolo a causa delle condizioni atmosferiche e solo una piccola quantità viene ceduta ai mari e agli oceani insieme alle acque correnti. Ecco perché la quantità di potassio presente nell’acqua salata è circa 40 volte inferiore al contenuto di sodio. Poiché la presenza del potassio presente nel terreno è necessaria per la corretta crescita delle piante, le loro ceneri contengono notevoli quantità di carbonato di potassio pur essendo piuttosto povere di composti di sodio. La presenza naturale di rubidio e cesio è bassa; si trovano solo accompagnati da altri metalli alcalini. Il Francio si presenta principalmente sotto forma di isotopi radioattivi formati come:

• un prodotto della degradazione dell’uranio ²³⁵ U,
• un prodotto della degradazione dell’attinio ²²⁷ Ac.

Possiamo trovare anche ⁴⁰ K potassio e ⁸⁷ Rb rubidio sotto forma di isotopi radioattivi.

Applicazioni dei metalli alcalini

Il litio metallico viene spesso utilizzato come additivo per migliorare la stabilità e la resistenza delle leghe di alluminio, zinco e magnesio. Viene anche applicato come disossidante nella metallurgia del rame e come componente nelle batterie elettriche Li/FeS _x . Come stearato di litio, fornisce un’adeguata densità di lubrificanti. Le sue caratteristiche lubrificanti sono stabili a temperature comprese tra 250 e 420 K. Il carbonato di litio viene utilizzato per la produzione di porcellana e smalto sotto forma di flusso. Il sodio è un materiale molto importante utilizzato per acquisire molti prodotti di uso quotidiano, come il perossido di sodio sbiancante, l’ammide e il cianuro di sodio. Nei laboratori, il sodio viene applicato su scala minore a causa delle proprietà riducenti di molti composti organici. Un’altra importante applicazione del sodio è l’utilizzo come costituente nella lega di piombo utilizzata per produrre gli agenti antidetonanti aggiunti alla benzina. Il sodio metallico viene utilizzato anche nelle lampade ai vapori di sodio per la caratteristica luce gialla che possiamo osservare eccitandolo. I reattori nucleari contengono sodio liquido e una lega liquida di sodio-potassio che servono a raffreddare l’intero sistema. Gli elettroni del cesio metallico sono soggetti all’effetto fotoelettrico, quindi possono essere facilmente rilevati con l’uso della luce. Questo è il motivo per cui il cesio viene utilizzato per costruire fotocellule a base di cesio che contengono una lega di cesio con alluminio e bario.