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3.1: Los elementos de metal alcalino

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    69492
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    Los metales del Grupo 1 tienen un nombre particular: los metales alcalinos. Esto se debe a la formación de soluciones alcalinas (básicas) tras su reacción con agua. En el cuadro\(\PageIndex{3}\) .1 se enumera la derivación de los nombres de los metales alcalinos.

    Elemento Símbolo Nombre
    Litio Li lithos griego, significado, piedra
    Sodio Na Natrium latino o natrun árabe que significa soda
    Potasio K Del latín kalium, y del árabe al-qali que significa cenizas vegetales
    Rubidio Rb Rubidus latino que significa rojo más profundo
    Cesio Cs Latín cesio que significa gris azulado
    Francium Fr

    El nombre de Francia

    Cuadro\(\PageIndex{3}\) .1: Derivación de los nombres de cada uno de los elementos de metal alcalino.
    Nota

    El cesio es la ortografía internacional estandarizada por la IUPAC, pero en Estados Unidos se deletrea más comúnmente como cesio.

    Descubrimiento

    Litio

    La petalita (Li 2 O.Al 2 O 3 .8SiO 2) fue descubierta por primera vez en 1800 por José Bonifácio de Andrade e Silva (Figura\(\PageIndex{3}\) .1), quien descubrió el mineral en una mina sueca en la isla de Utö. Sin embargo, no fue hasta 1817 que Johan August Arfwedson (Figura\(\PageIndex{3}\) .2) trabajando en el laboratorio de J ö ns Jakob Berzelius (Figura\(\PageIndex{3}\) .3), descubrió la presencia de un nuevo elemento mientras analizaba el mineral de petalita. Nombrado del griego lithos que significa piedra refleja su descubrimiento en un mineral, a diferencia del sodio y potasio, que había sido descubierto en el tejido vegetal; su nombre fue posteriormente estandarizado como litio. El elemento no se aisló hasta 1821, cuando William Brande (Figura\(\PageIndex{3}\) .4) aisló el elemento realizando electrólisis sobre óxido de litio, proceso previamente empleado por Sir Humphry Davy para aislar potasio y sodio.

    Figura <span translate=\ (\ PageIndex {3}\) .1.png” src=” https://chem.libretexts.org/@api/dek...Figure_3.1.png "/>
    Figura\(\PageIndex{1}\): El estadista y naturalista portugués José Bonifácio de Andrada e Silva (1763 - 1838).
    Figura <span translate=\ (\ PageIndex {3}\) .2.png” src=” https://chem.libretexts.org/@api/dek...Figure_3.2.png "/>
    Figura\(\PageIndex{2}\): El químico sueco Johan August Arfwedson (1792 - 1841).
    Figura <span translate=\ (\ PageIndex {3}\) .3.png” src=” https://chem.libretexts.org/@api/dek...Figure_3.3.png "/>
    Figura\(\PageIndex{3}\): El químico sueco Friherre J¨ ons Jacob Berzelius (1779 - 1848).
    Figura <span translate=\ (\ PageIndex {3}\) .4.png” src=” https://chem.libretexts.org/@api/dek...Figure_3.4.png "/>
    Figura\(\PageIndex{4}\): Químico inglés William Thomas Brande FRS (1788 - 1866).

    Sodio

    3.1.1.2 Sodio Elemental de sodio fue aislado por primera vez por Sir Humphry Davy (Figura\(\PageIndex{3}\) .5) en 1806 pasando una corriente eléctrica a través de hidróxido de sodio fundido.

    Figura <span translate=\ (\ PageIndex {3}\) .5.png” src=” https://chem.libretexts.org/@api/dek...Figure_3.5.png "/>
    Figura\(\PageIndex{5}\): Químico e inventor británico Sir Humphry Davy FRS (1778 - 1829).

    Potasio

    El nombre kalium fue tomado de la palabra álcali, que vino del árabe al qali que significa las cenizas calcinadas. El nombre potasio se hizo a partir de la palabra inglesa potasa, es decir, un álcali extraído en una maceta de la ceniza de madera quemada u hojas de árbol. El metal potásico fue descubierto en 1807 por Sir Humphry Davy (Figura\(\PageIndex{3}\) .5), quien lo derivó de potasa cáustica (KOH), mediante el uso de electrólisis de la sal fundida.

    Rubidio

    El rubidio fue descubierto mediante espectroscopia en 1861 por Robert Bunsen (Figura\(\PageIndex{3}\) .6) y Gustav Kirchho (Figura\(\PageIndex{3}\) .7) en el mineral lepidolita. El primer metal de rubidio fue producido por Bunsen a partir de la reacción del cloruro de rubidio (RbCl) con potasio.

    Figura <span translate=\ (\ PageIndex {3}\) .6.png” src=” https://chem.libretexts.org/@api/dek...Figure_3.6.png "/>
    Figura\(\PageIndex{6}\): El químico alemán Robert Wilhelm Eberhard Bunsen (1811 - 1899).
    Figura <span translate=\ (\ PageIndex {3}\) .7.png” src=” https://chem.libretexts.org/@api/dek...Figure_3.7.png "/>
    Figura\(\PageIndex{7}\): El físico alemán Gustav Robert Kirchho (1824 - 1887).

    Cesio

    Al igual que el Rubidio, el cesio fue descubierto espectroscópicamente por Bünsen (Figura\(\PageIndex{3}\) .6) y Kirchho (Figura\(\PageIndex{3}\) .7) en 1860 en agua mineral de Drkheim, Alemania. Los residuos de 44 mil litros de agua mineral arrojaron varios gramos de una sal de cesio. Su identificación se basó en las líneas azules brillantes en su espectro y fue el primer elemento descubierto por análisis espectral. El primer metal de cesio se produjo posteriormente en 1882 por electrólisis de cloruro de cesio.

    Francium

    Originalmente conocido como eka-cesio, el francium fue descubierto en 1939 por Marguerite Perey (Figura\(\PageIndex{3}\) .8) del Instituto Curie en París, Francia cuando purificó una muestra de actinio-227, que se había reportado que tenía una energía de decaimiento de 220 keV. Sin embargo, Perey notó partículas de descomposición con un nivel de energía por debajo de 80 keV. Perey pensó que esta actividad de desintegración fue causada por un elemento previamente no identificado, el cual exhibió propiedades químicas de un metal alcalino. Esto llevó a Perey a creer que se trataba del elemento 87, causado por la desintegración alfa del actinio-227. Perey nombró al nuevo isótopo Actinio-K (ahora conocido como francio-223) y en 1946, propuso el nombre de catium para su elemento recién descubierto, sin embargo, posteriormente sugirió francio, después de Francia.

    Figura <span translate=\ (\ PageIndex {3}\) .8.png” src=” https://chem.libretexts.org/@api/dek...Figure_3.8.png "/>
    Figura\(\PageIndex{8}\): La física francesa Marguerite Catherine Perey (1909 - 1975), estudiante de Marie Curie, y la primera mujer en ser electa para la Académie des Sciences francesa.

    Abundancia

    La abundancia de los metales alcalinos se da en el Cuadro\(\PageIndex{3}\) .2. La alta abundancia de sodio se debe principalmente a los grandes depósitos subterráneos de sal de roca (NaCl). Sin embargo, el sodio también es más abundante en el agua de mar (10,800 ppm) en comparación con el potasio (380 ppm).

    Elemento Abundancia terrestre (ppm)
    Li 20 (corteza terrestre), 40 (suelo), 0.17 (agua de mar)
    Na 23,000 (corteza terrestre), 10,500 (agua de mar)
    K 21,000 (corteza terrestre), 14 (suelo), 380 (agua de mar)
    Rb 90 (corteza terrestre), 30 - 250 (suelo), 0.1 (agua de mar)
    Cs 3 (corteza terrestre), 0.0001 (suelo), 0.0003 (agua de mar)
    Fr Esencialmente nulo
    Cuadro\(\PageIndex{3}\) .2: Abundancia de elementos de metales alcalinos.

    Isótopos

    Los isótopos naturalmente abundantes de los metales alcalinos se enumeran en la Tabla\(\PageIndex{3}\) .3. Todos los isótopos de francium son radiactivos. El litio-7 y el sodio-23 son ambos núcleos de RMN útiles que tienen I = 1/2.

    Isótopo Abundancia natural (%)
    Litio-6 7.5
    Litio-7 92.5
    Sodio-23 100
    Potasio-39 93
    Potasio-40 0.0118
    Potasio-41 6.9
    Cesio-133 100
    Cuadro\(\PageIndex{3}\) .3: Abundancia de los principales isótopos de los metales alcalinos.

    El potasio tiene tres isótopos (Cuadro\(\PageIndex{3}\) .3), de los cuales el potasio-40 es radiactivo y proporciona la base para la determinación de la edad de rocas entre 10 5 y 10 9 años de edad, es decir, las formadas en periodos proterozoico y cenozoico de tiempo geológico. La descomposición del potasio-40 ocurre con una vida media de 1.31 x 10 9 años, por dos vías. Lo asociado con una desintegración de partículas beta representa el 89% de la descomposición:

    \[${40}_{19}K \rightarrow ^{97}_{20}Ca + ^0_{-1}e\]

    Mientras que el asociado con una captura de electrones y por decaimiento de emisión de positrones representa 11% de la desintegración para dar argón-40. Dado que muchas rocas contienen minerales que contienen potasio, la descomposición del potasio-40 después de la solidificación de la roca dará como resultado la formación de argón atrapado en la roca. El contenido de argón-40 se determina mediante espectrometría de masas, mientras que el contenido de potasio se determina mediante espectrofotometría de llama. La relación de los dos, (3.2), permitirá determinar el tiempo transcurrido desde que la roca se solidificó.

    \[ \dfrac{[^{40}_{18}Ar]}{[^{40}_{19}K]}\]

    El cesio tiene al menos 39 isótopos conocidos (más que cualquier otro elemento excepto el francio) que van desde cesio-112 cesio-151; sin embargo, el cesio-133 es el único isótopo estable de origen natural. Los otros isótopos tienen vidas medias desde unos pocos días hasta fracciones de segundo. El isótopo radiogénico cesio-137 se produce a partir de la detonación de armas nucleares y se produce en centrales nucleares, y fue liberado a la atmósfera sobre todo a partir del accidente de Chernobyl de 1986.

    Propiedades físicas

    Muchas de las propiedades físicas de los metales alcalinos (Cuadro\(\PageIndex{3}\) .4) son típicas de los metales, por ejemplo, conductividad térmica y eléctrica. Sin embargo, debido a las fuerzas interatómicas relativamente débiles (débil unión M-M) son suaves y se cortan fácilmente con una cuchilla.

    Elemento Punto de fusión ( C) Punto de ebullición ( C) Densidad (g/cm 3) Resistividad eléctrica (Ω·cm)
    Li 453 1615 0.534 12.17 @ 86 C
    Na 370 1156 0.968 5.23 @ 29 C
    K 336 1032 0.89 7.01 @ 22.8 C
    Rb 312 961 1.532 12.52 @ 53 C
    Cs 201 944 1.93 37.38 @ 28.1 C
    Cuadro\(\PageIndex{3}\) .4: Propiedades físicas seleccionadas de los elementos de metal alcalino.

    Reactividad

    Todos los metales alcalinos son altamente reactivos y son como consecuencia de la estabilidad del ion M + son fuertes agentes reductores (Cuadro\(\PageIndex{3}\) .5). Los metales reaccionan fácilmente con hidrógeno y oxígeno.

    \[\ce{ M + 1/2 H2 \rightarrow M^{+}H^{-}}\]

    \[ \ce{ M + O2 -> M^{+}(O_2)^{-} }\]

    Reducción Potencial de reducción (V)
    Li + e - → Li -3.045
    Na + + e - → Na -2.7109
    K + e - → K -2.924
    Rb + e - → Rb -2.925
    Cs + e - → Cs -2.923
    Cuadro\(\PageIndex{3}\) .5: Potencial de reducción electroquímica para metales alcalinos.

    Todos los metales alcalinos reaccionan con el agua para liberar hidrógeno.

    \[ \ce{ M + H2O -> M(OH) + 1/2H2}\]

    ADVERTENCIA

    Las reacciones de los metales alcalinos con el agua son exotérmicas y el calor generado es suciente para encender el hidrógeno. Además las soluciones formadas son altamente alcalinas. Se debe tener precaución al manipular metales alcalinos y el almacenamiento siempre debe ser bajo aceite mineral.

    También se observa una reacción similar, pero menos violenta, con el amoníaco cuando es catalizada por iones de metales de transición.

    \[ \ce{M + NH3 -> M(NH2) + 1/2 H2} \]

    En ausencia de un catalizador, los metales del Grupo 1 se disuelven en amoníaco líquido para formar soluciones con propiedades características.

    • Altamente reductor.
    • Color azul.
    • Señal ESR por electrones solvatados.

    Como ejemplo, la disolución del sodio en amoníaco líquido da como resultado la formación de cationes Na+ solvatados y electrones.

    \[ Na_{(s)} \rightarrow Na_{(solv)} \leftrightharpoons Na^+_{(solv)} + e^-_{(solv)} \]

    Los electrones solvatados son estables en amoníaco líquido y forman un complejo: [e - (NH 3) 6]. Es este electrón solvatado el que da las fuertes propiedades reductoras de la solución así como la señal característica en el espectro ESR asociada a un solo electrón desapareado. El color azul de la solución suele atribuirse a estos electrones solvatados; sin embargo, su absorción se encuentra en la región infrarroja lejana del espectro. Una segunda especie, Na- (solv), es realmente responsable del color azul de la solución.

    \[ 2 Na_{(solv)} \leftrightharpoons Na^+_{(solv)} + Na^-_{(solv)} \]

    La formación del anión sodio se confirma mediante la complejación del catión con un ligando criptano (C) tal como un éter corona.

    \[ Na^+_{(solv)} + Na^-_{(solv)} + "C" \rightarrow [Na(C)]^+ + Na^- \]

    Se encuentra que el complejo resultante es isoestructural al análogo de yoduro en estado sólido.

    \[ Na^+_{(solv)} + I^-_{(solv)} + "C" \rightarrow [Na(C)]^+ + I^- \]

    Fase vapor

    Todos los metales alcalinos forman dímeros M 2 en fase vapor de manera análoga al hidrógeno. Al igual que con el dihidrógeno, el enlace se asocia con la combinación orbital molecular de los dos orbitales s de valencia (Figura\(\PageIndex{3}\) .9).

    Figura <span translate=\ (\ PageIndex {3}\) .9.png” src=” https://chem.libretexts.org/@api/dek...Figure_3.9.png "/>
    Figura\(\PageIndex{9}\): Diagrama orbital molecular para la formación de M 2.

    El vapor de sodio se usa comúnmente para la iluminación en una lámpara de descarga de gas, que utiliza sodio en estado excitado para producir luz (Figura\(\PageIndex{3}\) .10). Hay dos variedades de tales lámparas: baja presión y alta presión.

    Figura <span translate=\ (\ PageIndex {3}\) .10.png” src=” https://chem.libretexts.org/@api/dek...igure_3.10.png "/>
    Figura\(\PageIndex{10}\): Farola de sodio de baja presión.

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