4.2: Grupos de elementos relacionados

El enfoque macroscópico y descriptivo del conocimiento químico ha llevado a una gran cantidad de información fáctica. En este momento más de 100 millones de compuestos químicos y sus propiedades están archivados en el Chemical Abstracts Service de la American Chemical Society ^[1]. Cualquiera que quiera información sobre estas sustancias puede buscarla, aunque en la práctica ayuda que una computadora haga la mirada! Incluso con la memoria de una computadora es difícil hacer un seguimiento de tantos hechos, ninguna persona puede recordar más de una fracción del total.

Afortunadamente estos millones de hechos están interrelacionados de numerosas maneras, y las relaciones son útiles para recordar los hechos. Para ilustrar este punto, presentaremos parte de la química descriptiva de unos 20 elementos. Si bien cada elemento tiene propiedades físicas y químicas únicas, será obvio que ciertos grupos de elementos están estrechamente relacionados. Los miembros de cada grupo son más parecidos entre sí que como cualquier miembro de otro grupo. Debido a esta estrecha relación se le ha asignado un nombre especial a estas colecciones de elementos. También es posible escribir ecuaciones generales que se aplican a todos los miembros de una familia de elementos. La experiencia práctica de laboratorio con un miembro da una indicación bastante precisa de cómo se comportará cada uno de los demás.

Debido a sus similitudes, el litio, el sodio, el potasio, el rubidio y el cesio se agrupan y se denominan metales alcalinos. ¿Qué queremos decir cuando decimos que estos elementos son similares? El siguiente video de litio, sodio y potasio reaccionando en agua demuestra bastante bien las similitudes.

En el video, cada metal se agrega a un platillo que contiene agua. Los tres metales reaccionan con el agua, volando sobre la superficie a medida que se produce H ₂ (aunque a diferentes velocidades). LiOH, NaOH y KOH, se producen cada uno respectivamente. Estos hidróxidos se evidencian a través del uso del indicador de fenolftaleína, el cual se vuelve rosado en presencia de iones OH ^-. Si bien la reactividad de cada metal difiere (el potasio es claramente más reactivo con el agua que con el sodio, que es más reactivo que el litio) los tres están experimentando la misma reacción. Las tres reacciones son:

\[ 2 \text{Li} (s) + 2 \text{H}_{2} \text{O} (l) \rightarrow 2 \text{LiOH} (aq) + \text{H}_{2} (g) \nonumber \]

\[ 2 \text{Na} (s) + 2 \text{H}_{2} \text{O} (l) \rightarrow 2 \text{NaOH} (aq) + \text{H}_{2} (g) \nonumber \]

\[ 2 \text{K} (s) + 2\text{H}_{2} \text{O} (l) \rightarrow 2 \text{KOH} (aq) + \text{H}_{2} (g) \nonumber \]

De hecho, todos los metales alcalinos reaccionan con el agua de esta manera exacta, según una ecuación general:

\[ 2 \text{M} (s) + 2\text{H}_{2} \text{O} (l) \rightarrow 2 \text{MOH} (aq) + \text{H}_{2} (g)~~~~~~~~~ \text{M = Li, Na, K, Rb, or Cs} \nonumber \]

Las similitudes físicas también son evidentes en el video. Los tres son metálicos, de color gris plateado y los tres metales son menos densos que el agua. Todos flotan en la superficie mientras reaccionan. Existen otras propiedades no obvias en el video. Los metales alcalinos son blandos y se cortan fácilmente. Todos son sólidos a temperatura ambiente, pero funden por debajo de 200°C, bajo para un metal.

Más allá de reacciones similares con el agua, todos los metales alcalinos experimentan reacciones análogas con el oxígeno de la atmósfera, formando óxidos, M ₂ O. Los metales alcalinos reaccionan con hidrógeno para formar hidruros, MH y azufre para formar sulfuros, M ₂ S. En todos estos compuestos, los metales alcalinos son positivos iones, Li ⁺, Na ⁺, K ⁺, Rb ⁺ o Cs ⁺.

Cada miembro de la familia química de los metales alcalinos tiene propiedades físicas y químicas muy similares a todas las demás. En la mayoría de los casos todos los metales alcalinos se comportan igual con respecto a las fórmulas de sus compuestos. Los peróxidos y superóxidos son excepciones a esta regla, pero las fórmulas para los óxidos y cada uno de los otros tipos de compuestos que hemos descrito son idénticas a excepción del símbolo químico de cada metal alcalino.

Para una demostración de metales alcalinos en una escala más grande (y más emocionante), echa un vistazo a lo que hicieron los Cazadores de Mitos con los metales alcalinos.

Otro conjunto de elementos con propiedades similares son flúor, cloro, bromo y yodo, conocidos colectivamente como los halógenos. Los cuatro elementos existen como moléculas diatómicas, en forma de: X ₂, donde X=F, Cl, Br y I. Además, todos los halógenos reaccionan con los metales alcalinos para formar sales de acuerdo con la reacción:

\[ 2 \text{M} + \text{X}_{2} \rightarrow 2 \text{MX}~~~~~~~~~~~ \text{M = Li, Na, K, Rb, or Cs and X = F, Cl, Br, I} \nonumber \]

Todos los compuestos resultantes también tienen propiedades similares, como el sabor “salado”.

Otro ejemplo de similitud en las propiedades químicas es con el mercurio, cuya reacción con el bromo se discutió en la sección que cubre vistas macroscópicas y microscópicas de una reacción química. El mercurio reacciona con otros halógenos de la misma manera:

\[ \text{Hg} (l) + \text{X}_{2} (g, l, \text{or} s) \rightarrow \text{HgX}_{2} (s)~~~~~~~~~~~ \text{X = F, Cl, Br, or I} \nonumber \]

Los halógenos también reaccionan directamente con hidrógeno, produciendo los haluros de hidrógeno:

\[ \text{H}_{2} + \text{X}_2 \rightarrow 2\text{HX} ~~~~~~~~~~~ \text{X = F, Cl, Br, I} \nonumber \]

A pesar de que difieren en fase (F y Cl son gases, Br es un líquido e I es un sólido), todos son solubles en agua y, a excepción del HF, son ácidos fuertes en solución acuosa.

En todos estos ejemplos, los halógenos son aniones, F ^-, Cl ^-, Br ^-, e I ^-. A partir de estos ejemplos, debe quedar claro que los halógenos, al igual que los metales alcalinos, representan una agrupación de elementos que comparten una serie de propiedades químicas y físicas.

Hay varios otros ejemplos de grupos de elementos relacionados. El berilio, el magnesio, el calcio, el estroncio, el bario y el radio muestran similitudes, y se denominan metales alcalinotérreos. Todas las tierras alcalinas son metales de color gris plateado que son dúctiles y relativamente blandos. Sin embargo, son mucho más densos que los metales alcalinos, y sus puntos de fusión son significativamente mayores. También son más duros que los metales alcalinos. Además, todos forman hidruros, MH ₂; óxidos, MO; haluros, MX ₂; con M = Mg, Ca, Sr, Ba, o Ra y X = F, Cl, Br, I. En todos estos compuestos los elementos alcalinotérreos se presentan como iones dipositivos, Mg ²⁺, Ca ²⁺, Sr ²⁺, o Ba ²⁺.

Otro ejemplo de elementos relacionados son los metales de acuñación, cobre, plata y oro, que a menudo ocurren naturalmente como elementos, no en compuestos. Se han utilizado a lo largo de la historia para hacer monedas porque no se combinan rápidamente con el oxígeno atmosférico. Los colores marrón rojizo y dorado del cobre y el oro son distintivos entre los metales, y las conductividades eléctricas de los metales acuñados son mayores que las de cualquier otro elemento. Los calcógenos (azufre, selenio y teluro) son otro grupo relacionado de elementos no metálicos. Sus compuestos de hidrógeno (sulfuro de hidrógeno, seleniuro de hidrógeno y telururo de hidrógeno) son todos gases que tienen olores repugnantes. El familiar olor a huevos podridos se debe al sulfuro de hidrógeno y los otros dos son aún peores. Estos compuestos también son altamente venenosos y más densos que el aire. Se conocen numerosos casos en los que las personas que trabajan en acequias u otras zonas bajas han quedado inconscientes o incluso asesinadas por sulfuro de hidrógeno resultante de fuentes naturales o de actividades industriales como la refinación de petróleo.

Un grupo de elementos, los gases nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón), casi no forma compuestos químicos. Si bien pequeñas concentraciones de los gases nobles están presentes en la atmósfera terrestre, no se descubrieron hasta 1894, en gran parte porque no sufrieron reacciones. El flúor es suficientemente reactivo para combinarse con muestras puras de xenón, radón y (bajo condiciones especiales) kriptón. El único otro elemento que se ha demostrado concluyentemente que ocurre en compuestos con los gases nobles es el oxígeno, y no se conocen más de un par de docenas de compuestos de gas noble de todo tipo. Este grupo de elementos es mucho menos reactivo químicamente que cualquier otro.

1. ↑ “Contador de Sustancias y Números de Registro”. Chemical Abstracts Service-American Chemical Society. 1 de julio de 2009.www.cas.org/cgi-bin/cas/regreport.pl