Metais alcalinos

Características dos metais alcalinos

Os átomos dos elementos do grupo lítio contêm apenas um elétron na camada de valência no estado básico do orbital s . Devido aos baixos valores da primeira energia de ionização, que são:

• 3 [kJ ·mol ^-1] para lítio,
• 8 [kJ ·mol ^-1] para sódio,
• 8 [kJ ·mol ^-1] para potássio,
• 0 [kJ ·mol ^-1] para rubídio,
• 7 [kJ ·mol ^-1] para césio,

o elétron de valência está ligado à camada muito fracamente, sendo fácil de separar. É muito mais difícil para outro elemento extrair o próximo elétron, que está localizado na camada eletrônica fechada. Isto exige que a entrada de energia seja ainda várias vezes maior. As segundas energias de ionização para os elementos do grupo lítio são as seguintes:

• 1 [kJ ·mol ^-1] para lítio,
• 4 [kJ ·mol ^-1] para sódio,
• 4 [kJ ·mol ^-1] para potássio,
• 0 [kJ ·mol ^-1] para rubídio,
• 0 [kJ ·mol ^-1] para césio.

Isto implica que os metais alcalinos formam apenas cátions monovalentes e nunca ocorrem em estados de oxidação mais elevados. Além disso, os compostos químicos que formam são quase exclusivamente iônicos. Além do estado de oxidação +I ser típico desses elementos, existem alguns compostos onde sódio, potássio, rubídio e césio ocorrem no estado de oxidação –I. A posição dos metais alcalinos na tabela periódica , onde iniciam cada período, sugere que eles possuem a carga nuclear mais baixa. Isto implica que a atração de seus elétrons de valência, bem como de outros elétrons localizados nas camadas fechadas, é a mais fraca. Eles também têm os raios atômicos e iônicos mais longos. Os baixos valores de eletronegatividade são causados ​​por uma baixa energia de ionização e um longo raio atômico. Devido a essas características, o césio e o frâncio apresentam a menor eletronegatividade entre todos os elementos da tabela periódica. Os metais alcalinos transformam-se facilmente em um estado iônico, porque eles liberam elétrons facilmente. Isto também se traduz diretamente em seus potenciais padrão fortemente negativos. O lítio ocupa a primeira posição na série eletroquímica, com potencial padrão de -3,0401 V.

Metais alcalinos coloridos

O que também é interessante é a coloração das chamas pelos elementos do grupo do lítio. Seus átomos livres, que aparecem como resultado do aquecimento de seus compostos voláteis, são muito propensos à excitação. Então eles se tornam a fonte de radiação devido à liberação do excesso de energia, e seu espectro, assim como o espectro dos elementos do grupo do cálcio, está parcialmente situado na faixa da luz visível. Portanto, na análise qualitativa , os metais alcalinos são examinados pelo teste de chama e, respectivamente:

• o lítio colore a chama carmim,
• o sódio colore a chama de amarelo,
• potássio, rubídio e césio colorem a chama de violeta e rosa.

As propriedades físico-químicas dos metais alcalinos

Todos os elementos do grupo 1 da tabela periódica têm natureza metálica e cor branca e prateada. Suas superfícies apresentam brilho metálico, mas normalmente mancham muito rapidamente, ficando cobertas por óxidos. A dureza dos metais alcalinos diminui do lítio para o césio, mas cada um deles é macio o suficiente para ser facilmente cortado com uma faca. O ponto de fusão também varia dentro da mesma série, variando de 453,7 K para o lítio a 306,1 K para o césio. O lítio tem a densidade mais baixa, e a densidade do lítio, do sódio e do potássio é menor que a da água. Cada metal alcalino conduz corrente elétrica, e o sódio apresenta, à temperatura ambiente, uma condutividade apenas três vezes menor que a prata, que possui a menor resistência específica. Ao contrário da maioria dos metais, os elementos do grupo do lítio apresentam pontos de ebulição relativamente baixos. A maioria deles (exceto o lítio) ferve abaixo de 1300 K. Os metais alcalinos transformados no estado gasoso assumem a forma de moléculas monoatômicas.

A reatividade dos metais alcalinos

A reatividade química dos metais alcalinos é bastante alta e cresce do lítio ao césio. O lítio reage com o oxigênio somente quando a temperatura aumenta para cerca de 370 K, portanto, em condições normais, o lítio não perde seu brilho metálico. À temperatura ambiente, todos os outros metais alcalinos reagem rapidamente com o oxigênio e perdem o brilho. Assim, normalmente são armazenados sob querosene. A queima de metais alcalinos no ar também produz efeitos variados: o lítio se transforma em óxido, o sódio em peróxido e o potássio, o rubídio e o césio formam superóxidos. Uma reação característica dos metais alcalinos é o lançamento comumente observado de um pedaço de metal na água. Esta reação ocorre abruptamente e seu processo é cada vez mais espetacular do lítio ao césio. O calor emitido quando o realizamos com sódio é suficiente para queimá-lo. O potássio inflama logo após tocar na água, enquanto o rubídio e o césio causam explosões. O césio, sendo o elemento mais reativo do grupo do lítio, auto-inflama já em contato com o ar. Em termos de algumas de suas propriedades, o lítio se assemelha a um elemento do segundo grupo da tabela periódica: o magnésio. Ao contrário de outros metais alcalinos, mas de forma semelhante ao magnésio, produz carbonato e fosfato pouco solúveis.

Os compostos de elementos do grupo do lítio

Os compostos que podem ser formados por metais alcalinos são classificados nos seguintes grupos:

1. Hidretos de metais alcalinos do tipo MH, que são produzidos por uma reação direta entre hidrogênio e metais em temperaturas elevadas.
2. Os compostos de metais alcalinos com oxigênio, que são um pouco mais complexos. Conforme mencionado acima, apenas o óxido de lítio é formado pela queima de um elemento metálico no ar. Outros queimam com a formação de óxidos superiores, que podem ser reduzidos com um metal apropriado a uma temperatura elevada.
3. Os compostos de metais alcalinos com halogênios são principalmente compostos iônicos com estrutura cristalina. Uma grande parte dos halogenetos de metais alcalinos possui uma rede espacial semelhante ao cloreto de sódio, enquanto CsCl, CsBr e CsI formam uma rede semelhante ao cloreto de césio.
4. Os hidróxidos de metais alcalinos são sólidos incolores com fortes propriedades higroscópicas. São compostos iônicos e sua dissolução em água é fortemente exotérmica.
5. Seus compostos com enxofre ocorrem em três tipos: hidrogenossulfetos MHS, sulfetos M ₂ S e polissulfetos MS _n , onde n varia de 2 a 6.
6. Os metais alcalinos também produzem sais de oxiácidos , como nitratos, carbonatos e sulfatos de metais alcalinos, bem como um grupo separado de sais de amônio.

Um facto interessante sobre os sais de metais alcalinos é que se o anião também não tiver cor, os sais são incolores e muitas vezes livremente solúveis em água. Em soluções aquosas, seus cátions estão sujeitos à hidratação com uma força que aumenta do césio ao lítio. Quase todos os sais de lítio contêm água cristalina. Muitos deles são adicionalmente hidratados, ao contrário dos sais de potássio. Os sais de rubídio e césio são sempre anidros.

A ocorrência natural de metais alcalinos

A distribuição dos metais alcalinos na natureza é variada. A crosta terrestre contém quantidades extremamente elevadas de sódio (2,83%) e potássio (2,59%), bem como pequenas quantidades de lítio (2,0,10 ^-3 %), rubídio (9,10 ^-3 %) e césio (3,10 ^-3 %). Francium ocorre naturalmente apenas em quantidades insignificantes na forma de um isótopo radioativo instável, um produto de degradação do actínio. O lítio ocorre na crosta terrestre normalmente como leitos de lítio-sódio-potássio, como aluminossilicatos, por exemplo, espodumênio LiAl[Si ₂ O ₆] e lepidolita KLi ₂ Al[ (F,OH) ₂ Si ₄ O ₁₀], e como fosfatos, por exemplo, ambligonita LiAl[ (PO ₄ )(F,OH)]. Os minerais que contêm sódio incluem a albita mais comum Na[AlSi ₃ O ₈] e suas soluções sólidas com aluminossilicatos de potássio e cálcio. Depósitos extremamente ricos, distribuídos praticamente em todo o mundo, também são formados por compostos de sódio como o cloreto de sódio (sal-gema) e o nitrato de sódio, denominado salitre do Chile. Enormes quantidades de sódio também podem ser encontradas na água salgada: mares e oceanos. Estima-se que o cloreto de sódio represente até 2,8 %da água do oceano. Comparando o sódio e o potássio contidos na crosta terrestre, apesar de suas quantidades semelhantes, o potássio se distribui de forma completamente diferente, pois seus compostos formam depósitos de forma muito esparsa. Os mais comumente encontrados são os minerais à base de potássio que ocorrem nas camadas superiores dos leitos de sal-gema. Estes incluem: silvina KCl, carnalita KMgCl ₃ ·6H ₂ O e cainita KMgCl(SO ₄ )·3H ₂ O. Este elemento químico também ocorre na forma de aluminossilicatos, como feldspato de potássio K[AlSi ₃ O ₈] e mica KAl ₂ [AlSi ₃ O ₁₀ (F,OH) ₂]. Os compostos de potássio produzidos durante a decomposição desses minerais são facilmente solúveis em água. Consequentemente, à medida que se formam, grande parte deles é absorvida pelo solo devido às condições climáticas e apenas uma pequena quantidade é transferida para mares e oceanos juntamente com a água corrente. É por isso que a quantidade de potássio existente na água salgada é cerca de 40 vezes menor que o teor de sódio. Como a presença de potássio presente no solo é necessária para o crescimento adequado das plantas, as suas cinzas contêm quantidades consideráveis ​​de carbonato de potássio, sendo bastante pobres em compostos de sódio. A presença natural de rubídio e césio é baixa; eles só são encontrados acompanhados de outros metais alcalinos. Francium ocorre principalmente como isótopos radioativos formados como:

• um produto da decomposição do urânio ²³⁵ U,
• um produto da quebra do actínio ²²⁷ Ac.

Também podemos encontrar ⁴⁰ K de potássio e ⁸⁷ Rb de rubídio na forma de isótopos radioativos.

Aplicações de metais alcalinos

O lítio metálico é frequentemente usado como aditivo, melhorando a estabilidade e a resistência das ligas de alumínio, zinco e magnésio. Também é aplicado como desoxidante na metalurgia do cobre e como componente em baterias elétricas Li/FeS _x . Como estearato de lítio, fornece densidade adequada de lubrificantes. Suas características lubrificantes são estáveis ​​em temperaturas de 250 a 420 K. O carbonato de lítio é utilizado para a produção de porcelana e esmalte na forma de fluxo. O sódio é um material muito importante utilizado na aquisição de diversos produtos de uso diário, como o clareador peróxido de sódio, amida e cianeto de sódio. Em laboratórios, o sódio é aplicado em menor escala devido às propriedades redutoras de muitos compostos orgânicos. Outra aplicação importante do sódio é utilizá-lo como constituinte da liga de chumbo utilizada na produção de agentes antidetonantes adicionados à gasolina. O sódio metálico também é utilizado em lâmpadas de vapor de sódio devido à característica luz amarela que podemos observar ao excitá-la. Os reatores nucleares contêm sódio líquido e uma liga líquida de sódio-potássio que existe para resfriar todo o sistema. Os elétrons do césio metálico estão sujeitos ao efeito fotoelétrico, por isso podem ser facilmente detectados com o uso da luz. É por isso que o césio é usado para construir fotocélulas à base de césio que contêm uma liga de césio com alumínio e bário.