4.1: Los elementos alcalinotérreos
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Los metales del Grupo 2 tienen un nombre particular: los metales alcalinotérreos. El nombre se deriva de la observación de que tienen puntos de fusión tan altos (Cuadro\(\PageIndex{4}\) .1) que permanecen sólidos (tierras) en un incendio. En el cuadro\(\PageIndex{4}\) .2 se enumera la derivación de los nombres de los metales alcalinos.
| Metal alcalino | Punto de fusión (◦ C) | Metal alcalinotérreo | Punto de fusión (◦ C) |
|---|---|---|---|
| Li | 180.54 | Be | 1287 |
| Na | 97.72 | Mg | 650 |
| K | 63038 | Ca | 842 |
| Rb | 39.31 | Sr | 777 |
| Cs | 28.44 | Ba | 727 |
| Fr | 27 (estimado) | Ra | 700 |
|
Element |
Símbolo | Nombre |
|---|---|---|
| Berilio | Be |
Del griego berullos que significa ponerse pálidos, en referencia a la piedra semipreciosa pálida berilo |
| Magnesio | Mg | Desde el distrito de Magensia en Grecia |
| Calcio | Ca | Del latín calcis que significa lima |
| Estroncio | Sr | De la strontianita mineral que lleva el nombre del pueblo escocés de Strontian |
| Bario | Ba | Del griego bary, que significa pesado |
| Radium | Ra | Desde el radio latino que significa rayo |
Descubrimiento
Berilio
El berilio fue descubierto por Louis-Nicolas Vauquelin (Figura\(\PageIndex{4}\) .1) en 1798 como componente en berilos y esmeraldas; sin embargo, Fredrich Wöhler (Figura\(\PageIndex{4}\) .2) y Antoine Bussy (Figura\(\PageIndex{4}\) .3) aislaron independientemente el metal en 1828 haciendo reaccionar potasio con cloruro de berilio, (4.1.1).
\[ BeCl_2 + 2K \rightarrow Be + 2 KCl \]
Magnesio
El magnesio se encuentra en grandes depósitos de magnesita y dolomita, y en aguas minerales donde el ion Mg 2 + es soluble. En 1618 un granjero de Epsom en Inglaterra intentó dar agua a sus vacas de un pozo. El granjero se percató de que el agua parecía curar rasguños y erupciones. Estas sales de Epsom fueron reconocidas como sulfato de magnesio hidratado, MgSO 4. El metal fue aislado por primera vez en 1808 por Sir Humphry Davy (Figura\(\PageIndex{4}\) .4) a través de la electrólisis de una mezcla de magnesia y óxido de mercurio.
Antoine Bussy (Figura\(\PageIndex{4}\) .3) posteriormente preparó magnesio calentando cloruro de magnesio y potasio en un tubo de vidrio, (4.1.2). Cuando el cloruro de potasio fue lavado, quedaron pequeños glóbulos de magnesio.
\[ MgCl_2 + 2K \rightarrow Mg + 2KCl\]
Calcio
El óxido de calcio o cal era conocido en la antigua Roma, mientras que incluso en 975 dC, se reportó que Yeso de París (sulfato de calcio) era útil para el fraguado de huesos rotos. El elemento en sí no se aisló hasta 1808 cuando Sir Humphry Davy (Figura\(\PageIndex{4}\) .4) electrolizó una mezcla de cal y óxido mercúrico (HgO). Su trabajo se basó en trabajos previos de Jöns Berzelius (Figura\(\PageIndex{4}\) .5) quien había preparado amalgama de calcio (una aleación de calcio y mercurio) electrolizando cal en mercurio.
Estroncio
Descubierto en minas de plomo en 1787, el mineral strontianita recibió el nombre del pueblo escocés de Strontian. Si bien se dio cuenta de que este mineral era diferente de otros que contenían bario, no fue hasta 1798 que Thomas Hope (Figura\(\PageIndex{4}\) .6) sugirió la presencia de un nuevo elemento. Al igual que con el calcio, el estroncio metálico fue aislado por primera vez por Sir Humphry Davy (Figura\(\PageIndex{4}\) .4) en 1808 mediante electrólisis de una mezcla que contenía cloruro de estroncio y óxido mercúrico.
Bario
Los minerales de bario eran conocidos por los alquimistas a principios de la Edad Media. Se sabía que las piedras de la barita mineral que se encuentran en Bolonia, Italia (también conocidas como piedras de Bolonia), brillaban después de la exposición a la luz. Carl Scheele (Figura\(\PageIndex{4}\) .7) identificó barita en 1774, pero no aisló bario. El bario fue aislado por primera vez como Ba 2 + en solución por Sir Humphry Davy (Figura\(\PageIndex{4}\) .4) en 1808. El bario oxidado fue al principio llamado barote, por Guyton de Morveau, (Figura\(\PageIndex{4}\) .8) el cual fue cambiado por Antoine Lavoisier (Figura\(\PageIndex{4}\) .9) a barita, de la cual se derivó el bario para describir el metal.
Radium
El radio fue descubierto por Marie Curie (Figura\(\PageIndex{4}\) .10) y su esposo Pierre (Figura\(\PageIndex{4}\) .11) en 1898 mientras estudiaban pitchblende. Después de retirar el uranio encontraron que el material restante seguía siendo radiactivo. Luego separaron una mezcla radiactiva compuesta principalmente por bario y un elemento que daba líneas espectrales carmesí que nunca antes habían sido documentadas. En 1910, el radio fue aislado como metal puro por Curie y André-Louis Debierne (Figura\(\PageIndex{4}\) .12) a través de la electrólisis de una solución de cloruro de radio mediante el uso de un cátodo de mercurio y la destilación en una atmósfera de gas hidrógeno.
Abundancia
La abundancia de los elementos alcalinotérreos se da en el Cuadro\(\PageIndex{4}\) .3. El berilio es raro, pero se encuentra en el mineral berilo (Be 3 Al 2 Si 6 O 18). Si bien el magnesio está muy extendido dentro de la corteza terrestre, las fuentes comerciales tienden a ser del agua de mar así como de los minerales carbonatados magnesita (MgCO 3) y dolomita [(Ca, Mg) CO 3]. El calcio también se encuentra comúnmente como el carbonato, sin embargo, el estroncio y el bario están presentes como los sulfatos celestina (SrSO 4) y baritas (BaSO 4), respectivamente.
| Element | Abundancia terrestre (ppm) |
|---|---|
| Be | 2.6 (corteza terrestre), 6 (suelo), 2 x 10 -7 (agua de mar) |
| Mg | 23,000 (corteza terrestre), 10,000 (suelo), 1,200 (agua de mar) |
| Ca | 41,000 (corteza terrestre), 20,000 (suelo), 400 (agua de mar) |
| Sr | 370 (corteza terrestre), 200 (suelo), 8 (agua de mar) |
| Ba | 500 (corteza terrestre), 500 (suelo), 0.001 (agua de mar) |
| Ra | 6 x 10 -7 (corteza terrestre), 8 x 10 -7 (suelo), 1 x 10 -10 (agua de mar) |
El calcio es un elemento clave para vivir. No solo está presente como material esquelético para shell sh y cangrejos (CaCo 3) su derivado fosfato, hidroxiapetita [Ca 5 (OH) (PO 4) 3] es el material estructural de huesos y dientes. El calcio también está presente en los tejidos blandos a un nivel de ca. 22g/kg. El calcio es un metal vital para lo siguiente:
- Enlaza moléculas grandes juntas.
- Utilizado en la activación de los músculos
- Se utiliza en la activación enzimática mediante la estabilización de conformaciones particulares de proteínas sobre las que actuarán las enzimas.
Isótopos
Los isótopos naturalmente abundantes de los elementos alcalinotérreos se enumeran en la Tabla\(\PageIndex{4}\) .4. Todos los 25 isótopos de radio son radiactivos, y mientras que el radio223, el radio 224 y el radio 228 se encuentran en la naturaleza como productos de desintegración del uranio o del torio, solo están presentes en cantidades traza.
| Isótopo | Abundancia natural (%) |
|---|---|
| Berilio-9 | 100 |
| Magnesio-24 | 78.99 |
| Magnesio-25 | 10 |
| Magnesio-26 | 11.01 |
| Calcio-40 | 96.941 |
| Calcio-42 | 0.647 |
| Calcio-43 | 0.135 |
| Calcio-44 | 2.086 |
| Calcio-46 | 0.004 |
| Calcio-48 | 0.187 |
| Estroncio-84 | 0.56 |
| Estroncio-86 | 9.86 |
| Estroncio-87 | 7.0 |
| Estroncio-88 | 82.58 |
| Bario-130 | 0.106 |
| Bario-132 | 0.101 |
| Bario-134 | 2.417 |
| Bario-135 | 6.592 |
| Bario-136 | 7.854 |
| Bario-137 | 11.23 |
| Bario-138 | 71.7 |
| Radio-226 | 100 |
Aunque el berilio-7 y el berilio-10 se encuentran como isótopos traza, son tan raros el berilio que se considera elemento mononúclido (un elemento químico que se encuentra esencialmente como un solo núclido, de una sola masa atómica). El calcio tiene cuatro isótopos estables más dos isótopos más (calcio-46 y calcio-48) que tienen semividas tan largas (2.8 x 10 15 y 4 x 10 19 años, respectivamente) que para todos los fines prácticos pueden considerarse estables.
La medición de la relación 87 Sr/ 86 Sr permite la datación geológica de minerales y rocas. El estroncio-90 (semivida = 28.9 años) es un subproducto de la fisión nuclear y se encuentra en la precipitación nuclear. Por ejemplo, el accidente nuclear de Chernobyl de 1986 contaminado liberó una gran cantidad de estroncio-90. Dado que el estroncio sustituye el calcio en los huesos evita la excreción del cuerpo y por lo tanto presenta un riesgo significativo para la salud, sin embargo, el estroncio-89 es un radioisótopo artificial de corta duración que se utiliza en el tratamiento del cáncer de hueso.
El bario natural es una mezcla de siete isótopos estables (Cuadro\(\PageIndex{4}\) .4), pero hay un total de veintidós isótopos conocidos, la mayoría de los cuales son altamente radiactivos y tienen vidas medias en el rango de varios milisegundos a varios días. La única excepción notable es el bario-133 que tiene una vida media de 10.51 años.
Producción industrial
La producción industrial de berilio suele ser de la reacción de berilo (Be 3 Al 2 Si 6 O 18) con Na 2 (SiF 6) lo que produce el fluoruro de berilio, Na 2 (BeF 4). Las reacciones posteriores con base dan el hidróxido.
\[ Na_2(BeF_4) + 2 NaOH \rightarrow Be(OH)_2 + 4 NaF \]
La reacción del hidróxido con la sal amónica de HF 2 -, seguida de termólisis da fluoruro de berilio (BeF2). Finalmente, la reducción del fluoruro con magnesio produce berilio.
\[BeF_2 + Mg \rightarrow MgF_2 + Be \]
Si bien el magnesio es un metal abundante en decenas de minerales la mayor parte de la producción comercial proviene del agua de mar, donde está presente en aproximadamente un nivel de 12% el del sodio. Se agrega hidróxido de calcio al agua de mar para formar un precipitado de hidróxido de magnesio.
\[ MgCl_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow Mg(OH)_2 + CaCl_2 \]
La reacción posterior con ácido clorhídrico produce una solución concentrada de cloruro de magnesio.
\[ Mg(OH)_2 + 2 HCl \rightarrow MgCl_2 + 2 H_2O \]
La electrólisis del cloruro de magnesio produce magnesio. En el cátodo, el ion Mg 2 + se reduce a magnesio metálico, (4.1.7), mientras que en el ánodo se forma gas cloro, (4.1.8).
\[ Mg^{2+} + 2 e^- \rightarrow Mg\]
\[ 2 Cl^- \rightarrow Cl_{2(g)} + 2 e^- \]
El metal de estroncio se produce de manera análoga; sin embargo, también se puede preparar a partir de óxido de estroncio por reducción con aluminio en vacío a una temperatura a la que el estroncio se destila.
\[ 3 SrO + 2 Al \rightarrow 3 Sr + Al_2O_3 \]
Reactividad y toxicidad
La química de los elementos del Grupo 2 está dominada por el estado de oxidación +2 y la configuración del gas noble del catión M 2+.
El calcio, el estroncio y el bario reaccionan con el agua en contacto para producir el hidróxido y el gas hidrógeno. Aunque los metales alcalinotérreos más ligeros no reaccionan violentamente con el agua, sí queman en el aire.
El magnesio se quema con una llama blanca muy brillante tal que se debe tener precaución de no mirar el ame directamente. El magnesio es capaz de reducir el agua, (4.1.10), y como resultado, el agua no puede ser utilizada para extinguir la res de magnesio; el gas hidrógeno producido sólo intensificará la re. Además, el magnesio también reacciona con el dióxido de carbono, (4.1.11), impidiendo el uso de reextintores de dióxido de carbono. Clase D químico seco re extintor o arena se utilizan para res de magnesio.
\[ Mg_{(s)} + 2 H_2O \rightarrow Mg(OH)_{2(s)} + H_{2(g)} \]
\[ 2 Mg_{(s)} + CO_2 \rightarrow 2 MgO_{(s)} + C_{(s)} \]
El estroncio y el bario se queman en el aire para producir tanto el óxido como el nitruro, pero como los metales no reaccionan con el nitrógeno excepto a altas temperaturas, solo forman el óxido espontáneamente a temperatura ambiente.
El berilio es un carcinógeno de clase 1, es decir, es cancerígeno tanto para animales como para humanos. El berilio es dañino si se inhala; si la concentración en el aire es lo suficientemente alta (mayor a 100 µg/m3) puede resultar una afección aguda, llamada enfermedad aguda del berilio, que se asemeja a la neumonía. La enfermedad aguda del berilio se reportó como asociada a la fabricación de tubos de iluminación fluorescente (práctica que cesó en 1949).
El cuerpo humano absorbe el estroncio como si fuera calcio, y si bien los isótopos estables no han planteado ninguna amenaza signicante para la salud, la absorción de estroncio-90 radiactivo puede conducir a diversos trastornos y enfermedades óseas, entre ellos el cáncer de hueso. Todos los compuestos de bario solubles en agua o ácidos son extremadamente venenosos. A dosis bajas, el bario actúa como estimulante muscular, mientras que las dosis más altas afectan el sistema nervioso. El radio es altamente radiactivo y su producto de desintegración, el gas radón, también es radiactivo.