12.3: Grupo II- Tierras Alcalinas
- Page ID
- 75612
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)El grupo IIA también conocido como metales alcalinotérreos, incluye berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y radio. El último miembro del grupo, Ra, es radiactivo y no será considerado aquí. Todas las tierras alcalinas son metales de color gris plateado que son dúctiles y relativamente blandos. Sin embargo, la siguiente tabla muestra que son mucho más densos que los metales del grupo IA, y sus puntos de fusión son significativamente mayores. También son más duros que los metales alcalinos. Esto puede atribuirse a la configuración electrónica de valencia general ns 2 para las tierras alcalinas, que involucra dos electrones por átomo de metal en enlace metálico (en lugar de solo uno como en un metal alcalino).
| Elemento | Símbolo | Configuración de electrones | Estado de oxidación usual< | Radio/PM | |
|---|---|---|---|---|---|
| Atómica | Iónico (M 2+) | ||||
| Bario | Ba | [Xe] 6 s 2 | +2 | 198 | 135 |
| Berilio | Be | [Él] 2 s 2 | +2 | 89 | 31 |
| Calcio | Ca | [Ar] 4 s 2 | +2 | 174 | 99 |
| Magnesio | Mg | [Ne] 3 s 2 | +2 | 136 | 65 |
| Estroncio | Sr | [Kr] 5 s 2 | +2 | 191 | 113 |
| Símbolo | Energía de ionización/MJ mol —1 | Densidad/ g cm —3 | Electro negatividad | Punto de fusión (en °C) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Primero | Segundo | Tercero | ||||
| Be | 0.906 | 1.763 | 14.86 | 1.86 | 1.5 | 1278 |
| Mg | 0.744 | 1.467 | 7.739 | 1.74 | 1.2 | 651 |
| Ca | 0.596 | 1.152 | 4.918 | 1.54 | 1.0 | 839 |
| Sr | 0.556 | 1.071 | 4.21 | 2.60 | 1.0 | 769 |
| Ba | 0.509 | 0.972 | 3.43 | 3.51 | 0.9 | 725 |
Las energías de ionización primera y segunda para las tierras alcalinas (correspondientes a la eliminación del primer y segundo electrones de valencia) son relativamente pequeñas, pero la interrupción de un octeto por eliminación de un tercer electrón es mucho más difícil. Al igual que los metales alcalinos, los átomos alcalinotérreos pierden electrones fácilmente, por lo que son buenos agentes reductores. Otras tendencias entre los datos de la tabla son las que esperaríamos. Las energías de ionización y las electronegatividades disminuyen de arriba a abajo del grupo, y los radios atómicos e iónicos aumentan. Los radios de +2 iones alcalinotérreos son mucho más pequeños que los +1 iones de metales alcalinos del mismo período, debido a que la mayor carga nuclear retiene las conchas internas con mayor fuerza. Este efecto es suficientemente grande para que un alcalinotérreo debajo y a la derecha de un metal alcalino dado en la tabla periódica a menudo tenga casi el mismo radio iónico. Así Na + (95 pm), puede encajar exactamente en el mismo tipo de celosía cristalina que Ca 2 + (99 pm), y estos dos elementos a menudo se encuentran en los mismos minerales. Lo mismo ocurre con K + y Ba 2 +. A continuación se muestra la tabla para metales alcalinos, para comparar con la tabla de metales alcalinotérreos.
| Elemento | Símbolo | Configuración de electrones | Estado de oxidación habitual | Radio/PM | |
|---|---|---|---|---|---|
| Atómica | Iónico (M +) | ||||
| Litio | Li | [Él] 2 s 1 | +1 | 122 | 60 |
| Sodio | Na | [Ne] 3 s 1 | +1 | 157 | 95 |
| Potasio | K | [Ar] 4 s 1 | +1 | 202 | 133 |
| Rubidio | Rb | [Kr] 5 s 1 | +1 | 216 | 148 |
| Cesio | Cs | [Xe] 6 s 1 | +1 | 235 | 169 |
| Símbolo | Energía de ionización/MJ mol —1 | Densidad/ g cm —3 | Electronegatividad | Punto de fusión (en °C) | |
|---|---|---|---|---|---|
| Primero | Segundo | ||||
| Li | 0.526 | 7.305 | 0.534 | 1.0 | 179 |
| Na | 0.502 | 4.569 | 0.97 | 0.9 | 98 |
| K | 0.425 | 3.058 | 0.86 | 0.8 | 64 |
| Rb | 0.409 | 2.638 | 1.52 | 0.8 | 39 |
| Cs | 0.382 | 2.430 | 1.87 | 0.7 | 28 |
La similitud de los radios iónicos también conduce a propiedades relacionadas para Li y Mg. Dado que estos dos elementos son adyacentes a lo largo de una línea diagonal desde la parte superior izquierda hasta la parte inferior derecha en la tabla periódica, su similitud se denomina relación diagonal. Las relaciones diagonales son principalmente evidentes en el segundo y tercer periodo: Be es similar a Al, y B es como Si en muchos sentidos.
Más hacia el lado derecho de la tabla tales relaciones son menos pronunciadas. La similitud más llamativa entre Li y Mg es su capacidad para formar enlaces covalentes con elementos de electronegatividad promedio, como el C, al tiempo que forman compuestos bastante iónicos con más elementos electronegativos, como O o F. Dos ejemplos de compuestos covalentes son etillitio, CH 3 CH 2 Li, y dietilmagnesio, (CH 3 CH 2) 2 Mg. Tales compuestos son probables en el caso de Li y Mg pero no los álcalis o alcalinotérreos por debajo de ellos, porque Li + y Mg 2+ son lo suficientemente pequeños como para ser fuertemente polarizantes y así formar enlaces con considerable carácter covalente.
Reacciones Químicas y Compuestos
Los metales alcalinotérreos reaccionan directamente con la mayoría de los elementos no metálicos. formando A excepción del berilio, las tierras alcalinas reaccionan directamente con gas hidrógeno para formar hidruros, MH 2; M = Mg, Ca, Sr, Ba o Ra. También se puede preparar hidruro de berilio, BeH 2, pero no directamente a partir de los elementos. Los metales alcalinotérreos se combinan fácilmente con el oxígeno del aire para formar óxidos, MO. Esto sigue la reacción general:
\[\text{2M}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{2MO}_2(s) \nonumber \]M = Ser, Mg, Ca, Sr, Ba o Ra
El siguiente video muestra la reacción del magnesio con el oxígeno:
En el video, el magnesio se quema en el aire, y emite una llama blanca brillante. Un polvo blanco de MgO permanece después de la reacción descrita por la ecuación:
\[\text{2Mg}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{2MgO}_2(s) \nonumber \]
También hay que señalar que si bien el MgO es el producto principal, el nitrógeno también está presente en el aire, por lo que también se produce algo de nitruro de magnesio de acuerdo con la ecuación química:
\[\text{Mg}(s) + \text{N}_2(g) \rightarrow \text{Mg}_3\text{N}_2(s) \nonumber \]
Estos óxidos cubrirán la superficie del metal y evitarán que otras sustancias entren en contacto y reaccionen con él. Un buen ejemplo del efecto de tal recubrimiento de óxido es la reacción de los metales alcalinotérreos con el agua. El berilio y el magnesio reaccionan mucho más lentamente que los demás porque sus óxidos son insolubles y evitan que el agua entre en contacto con el metal.
Los metales alcalinotérreos reaccionan directamente con halógenos para formar sales:
\[\text{M}(s) + \text{Cl}_2(g) \rightarrow \text{MCl}_2(s) \nonumber \]M = Ser, Mg, Ca, Sr, Ba o Ra
La sal obtenida por evaporación del agua de mar (sal marina) contiene una buena cantidad de cloruro de magnesio y cloruro de calcio así como cloruro de sodio. También tiene pequeñas trazas de sales yoduro, lo que explica la ausencia de bocio simple en comunidades que obtienen su sal de los océanos. El bocio simple es un agrandamiento de la glándula tiroides causado por la deficiencia de yodo.
Las tierras alcalinas también forman sulfuros: MS. En todos estos compuestos los elementos alcalinotérreos se presentan como iones dipositivos, Mg 2 +, Ca 2 +, Sr 2 +, o Ba 2 +.
Compuestos similares de Be se pueden formar por medios de rotonda, pero no por combinación directa de los elementos. Además, los compuestos Be son más covalentes que iónicos. El ion Be 2 + tiene un radio muy pequeño (31 pm) y por lo tanto es capaz de distorsionar (polarizar) la nube de electrones de un anión en su vecindad. Por lo tanto, todos los enlaces que involucran a Be tienen un carácter covalente considerable, y la química del Be es significativamente diferente de la de los demás miembros del grupo IIA.
Al igual que en el caso de los metales alcalinos, las tierras alcalinas más importantes y abundantes, Mg y Ca, se encuentran en el tercer y cuarto periodo. El ser es raro, aunque su resistencia y baja densidad lo hacen útil en ciertas aleaciones especiales. Sr y Ba ocurren naturalmente como los sulfatos relativamente insolubles SrSO 4 (estrontianita) y BaSO 4 (barita), pero estos dos elementos son de menor importancia comercial.
Los minerales más comunes de Mg y Ca son la dolomita, MgCo 3 •CaCO 3, después de lo cual se nombra a toda una cordillera en Italia, y la piedra caliza, CaCo 3, un importante material de construcción. El Mg también se recupera del agua de mar a gran escala. Los óxidos de las tierras alcalinas se obtienen comúnmente calentando los carbonatos. Por ejemplo, la cal, CaO, se obtiene de la piedra caliza de la siguiente manera:
\[\text{CaCO}_3(s) \xrightarrow{\Delta } \text{CaO}(s) + \text{CO}_2(g) \nonumber \]
A excepción del BeO, que está unido covalentemente, los óxidos alcalinotérreos contienen iones O 2— y son fuertemente básicos. Cuando se tratan con agua (un proceso conocido como apagamiento), se convierten en hidróxidos:
\[\text{CaO}(s) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow \text{Ca(OH)}_2(s) \nonumber \]
Ca (OH) 2 (cal apagada) es una base fuerte importante para aplicaciones industriales, ya que es más barato que el NaOH.
El MgO tiene un punto de fusión extremadamente alto (2800°C) debido al acercamiento cercano y las grandes cargas de sus iones constituyentes Mg 2 + y O 2— en la red cristalina. Como sólido es un buen aislante eléctrico, por lo que se utiliza para rodear cables calefactores de resistencia metálica en rangos eléctricos. El MgO también se utiliza para la línea de hornos de alta temperatura. Cuando se convierte al hidróxido, el Mg encuentra un uso diferente. El Mg (OH) 2 es bastante insoluble en agua, por lo que no produce una concentración suficientemente alta de iones hidróxido para ser cáustico. Sin embargo, es básico y gramo por gramo puede neutralizar casi el doble de la cantidad de ácido que el NaOH puede. En consecuencia una suspensión de Mg (OH) 2 en agua (leche de magnesia) hace un excelente antiácido, para quienes pueden soportar su sabor.
Debido a que el ion carbonato se comporta como una base de Brönstedt-Lowry, las sales de carbonato se disuelven en soluciones ácidas. En la naturaleza, el agua a menudo se vuelve ácida debido a que el óxido ácido CO 2 está presente en la atmósfera. Cuando el CO 2 del aire se disuelve en agua, puede ayudar a disolver la piedra caliza:
\[\text{CO}_2(g) + \text{H}_2\text{O}(l) + \text{CaCO}_3(s) \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+}(aq) + \text{HCO}_3^{-}(aq) \nonumber \]
Esta reacción suele ocurrir bajo tierra ya que el agua de lluvia saturada con CO 2 se filtra a través de una capa de piedra caliza. Las cuevas de las que se ha disuelto la piedra caliza suelen prevalecer en áreas donde hay grandes yacimientos de CaCo 3. Además, el agua subterránea y el agua de pozo en tales áreas se vuelve dura. El agua dura contiene concentraciones apreciables de Ca 2 +, Mg 2 + y ciertos otros iones metálicos. Estos forman compuestos insolubles con jabón, causando precipitados curdy y escummy. El agua dura se puede ablandar añadiendo Na 2 CO 3, sosa de lavado, que precipita CaCo 3, o por intercambio iónico, proceso en el que los iones Ca 2 + y Mg 2 + indeseables son reemplazados en solución por Na + iones, que no precipitan jabón. La mayoría de los ablandadores de agua domésticos funcionan según este último principio.