QUÍMICA INORGÁNICA 2014 UNIDAD IX: METALES ALCALINOS Y ALCALINOTÉRREOS

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1 QUÍMICA INORGÁNICA 2014 UNIDAD IX: METALES ALCALINOS Y ALCALINOTÉRREOS
Propiedades generales. Estudio comparativo. Química de los elementos. Óxidos e hidróxidos. Basicidad. Sales más importantes. Descomposición térmica de carbonatos. CONSIDERACIONES GENERALES

2 ESTADO NATURAL METALES ALCALINOS Li: LiAlSi2O6 mineral espodumeno. Na: NaCl sal gema; NaNO3 nitrato de Chile; Na3AlF6 criolita.( 3 NaF+ AlF3) K: KCl silvita; KNO3 salitre; KCl.MgCl2.6H2O carnalita. Rb y Cs :se encuentra en forma de silicatos en varios minerales. Fr: existe como vestigio proveniente de la desintegración del 235U. Tiene una vida media de desintegración de 22 minutos. METALES ALCALINOTÉRREOS Be: Be3Al2(SiO3)6 berilo. La esmeralda es berilo con trazas de Cr. Mg: MgCO3 magnesita; MgCO3.CaCO3 dolomita Ca: el mineral piedra caliza contiene CaCO3. El mármol es CaCO3 en forma de microcristales; CaF2 fluorita; CaSO4.2H2O yeso. Sr: SrCO3 estroncianita; SrSO4 celestina Ba: BaSO4 baritina; Ba(OH)2 barita. Ra: tiene varios isótopos radiactivos. Se obtienen por desintegración del 238U.

3 FUNCIONES BIOLÓGICAS Clorofila Mg Proceso de coagulación

4 PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS DE LOS GRUPOS IA y IIA
Propiedad GRUPO IA 3Li 11Na 19K 37Rb 55Cs Configuración Electrónica Externa 2s1 3 s1 4 s1 5 s1 6 s1 Radio Atómico (nm) 0,152 0,186 0,231 0,244 0,262 Radio Iónico (Å) M+ 0,60 0,95 1,33 1,48 1,69 Energía de Sublimación (kJ/mol) 160,6 108,3 89,9 81,6 78,2 Energía de Ionización (kJ/mol) 520 496 419 403 376 Energía de Hidratación (kJ/mol) M+ – 519 – 406 – 322 – 301 – 276 Eº red (V) M+(ac) + 1 e– → M – 3,05 – 2,71 – 2,93 – 2,92 Punto de Fusión (ºC) 180 98 64 39 29 Color a la llama rojo carmín amarillo violeta púrpura azul Propiedad GRUPO IIA 4Be 12Mg 20Ca 38Sr 56Ba 2s2 3s2 4s2 5s2 6s2 0,111 0,160 0,197 0,215 0,217 Radio Iónico (Å) M2+ 0,31 0,65 0,99 1,13 1,35 324 148,95 178,2 164 175,6 1ra Energía de Ionización (kJ/mol) 900 738 590 550 503 Energía de Hidratación (kJ/mol) M2+ – 2494 – 1920 – 1650 – 1480 – 1360 Eº red (V) M2+(ac) + 2 e– → M – 1,97 – 2,37 – 2,87 – 2,89 – 2,90 1277 650 838 768 714 incoloro rojo ladrillo Rojo carmín Verde manzana

5 Los Metales ESTUDIO COMPARATIVO
Para analizar algunas propiedades de los elementos de ambos grupos se debe tener en cuenta: Los Metales Una estructura cristalina tienen que En un mar de electrones de valencia móviles Una red de iones positivos en posiciones fijas sumergidos como Se describe que Que los electrones están deslocalizados Pertenecer a ningún catión en particular esto implica sin Se mueven por toda la red

6 Los metales Alcalinos Los metales Alcalinotérreos
son Los metales Alcalinos Color gris de Metales blandos tienen Una estructura cristalina Abierta poco compacta por tener Un electrón de valencia Los metales Alcalinotérreos son Diferentes colores con Sólidos duros tienen Una estructura cristalina compacta por poseer Red cristalina en la Están fuertemente unidos los átomos Dos electrones de valencia debido a esto Son mas duros y densos que los metales Alcalinos

7 EL MODELO DEL ENLACE METÁLICO
explica Maleabilidad Algunas propiedades únicas de los metales Alta conductividad eléctrica Ductilidad porque Los electrones pueden moverse libremente El calor es transportado Elevada conductividad térmica debido A las numerosas colisiones entre los electrones estos choques Hace que el metal pueda absorber y emitir luz Cuando al metal en se Un amplio intervalo de longitudes de onda Que presentan las superficies metálicas recién cortadas Aplica una diferencia de potencial Lo que explica el brillo

8 COLORES A LA LLAMA DE LOS METALES ALCALINOS Y ALCALINOTÉRREOS
se Cuando una solución acuosa de NaCl Se vaporiza en una llama Forman pares de iones de Na+ Cl- gaseosos los cuales Se reducen y se oxidan a Atomos de Na excitados: Na* Niveles energéticos superiores pasan Átomos de Na(g) los Por efecto de la llama Na(g) Cl(g) Incoloros y cuando Lo analizado se puede representar de la siguiente manera Vuelven al estado fundamental Na+ Cl- (g) Na (g) + Cl (g) Na (g) Na* (g) Na (g) Na* (g) emiten Na* (g) Na (g) + h Na* (g) Na (g) + h Una radiación amarilla característica del elemento Colores a la llama Li Rojo carmín Ca Rojo ladrillo Na Amarillo Sr Rojo carmín K Violeta Ba Verde manzana

9 SUSTANCIA QUE SE COMBINA
REACCIONES DE LOS METALES ALCALINOS Y ALCALINOTÉRREOS METALES ALCALINOS SUSTANCIA QUE SE COMBINA REACCIÓN I Todos HIDRÓGENO 2 M (s) + H2 (g)  2 MH (s) HIDRUROS II HALÓGENOS 2 M (s) + X2  2 MX (s) HALUROS III Li NITRÓGENO 6 M (s) + N2 (g)  2 M3N (s) NITRURO IV AZUFRE 2 M (s) + S (s)  M2S (s) SULFUROS V OXÍGENO 4 M (s) + O2 (g)  2 M2O (s) ÓXIDO Na 2 M (s) + O2 (g)  M2O2 (s) PERÓXIDO K, Rb, Cs M (s) + O2 (g)  MO2 (s) SUPERÓXIDOS VI AGUA 2 M (s) + 2 H2O (l)  MOH(ac) + H2 (g) METALES ALCALINOTERREOS Ca, Sr, Ba M (s) + H2 (g)  MH2 (s) HIDRUROS M (s) + X2  MX2 (s) HALUROS Mg, Ca, Sr, Ba 3 M (s) + N2 (g)  M3N2 (s) NITRUROS M (s) + S (s)  MS (s) SULFUROS Be, Mg, Ca, Sr, Ba 2 M (s) + O2 (g)  2 MO (s) ÓXIDOS Ba M (s) + O2 (g)  MO2 (s) PERÓXIDO M (s) + 2 H2O (l)  M(OH)2 (ac) + H2 (g) Mg M (s) + H2O (g)  MO (s) + H2 (g)

10 PODER REDUCTOR M(s) M2+(ac) + 2e- M(g) M2+(g) + 2e- ∆Hfº S I1+ I2 H M(s) M+(ac) + 1e- M(g) M+(g) + 1e- ∆Hfº S I H

11 REACCIÓN CON EL AGUA METALES ALCALINOS
Los EºRED de los metales alcalinos y alcalinotérreos indican que todos pueden reducir al agua produciendo gas hidrógeno y el hidróxido respectivo. METALES ALCALINOS A partir: 2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2 OH-(ac) Eº = - 0,826 v, calcule el potencial a pH = 7. OXIDACIÓN DEL SODIO POR EL AGUA. Calcule Eº y E a pH = 7. Escriba las hemirreacciones de oxidación y reducción respectivamente y la reacción global.

12 REACCIONES CON EL OXÍGENO
METALES ALCALINOTERREOS: el Be y el Mg están protegidos de la oxidación por una fina capa de óxido, que hace que los dos metales puedan existir en presencia de agua y aire. REACCIONES CON EL OXÍGENO Los metales alcalinos y alcalinotérreos reaccionan en caliente con el oxígeno del aire, es decir, se queman en presencia de oxígeno para dar distintos óxidos. Los compuestos que se pueden obtener son: óxidos normales (contienen el ion O2–), peróxidos (contienen el ion O22–) y superóxidos (contienen ion O2–). METALES ALCALINOS Grupo IA Oxido Normal Peróxido Superóxido Li Li2O Li2O2 pequeñas cantidades – Na Na2O pequeñas cantidades Na2O2 K KO2 Rb RbO2 Cs CsO2

13 METALES ALCALINOTERREOS
Grupo IIA Oxido Normal Peróxido Superóxido Be BeO Mg MgO Ca CaO Sr SrO Ba BaO2 REACCIÓN DE LOS ÓXIDOS CON EL AGUA ÓXIDO + H2O  HIDRÓXIDO PERÓXIDO + H2O  HIDRÓXIDO + H2O2 SUPERÓXIDO + H2O  HIDRÓXIDO + H2O2 + O2

14 EJERCICIOS 1.- Aplicando el método del cálculo haga la estructura de Lewis de los iones: a) O22- b) O2- EN: EV: EC: ENC: EN: EV: EC: ENC: 2.- Aplicando TOM haga el diagrama de energía simplificado y determine el orden de enlace y propiedad magnética de los iones: b) O2- a) O22-

15 OXIDACION DEL SODIO Y CALCIO METALICO POR AGUA

16 OXIDACIÓN DEL SODIO POR EL OXÍGENO DEL AIRE EN CALIENTE

17 METALES ALCALINOTÉRREOS
HIDRÓXIDOS. SOLUCIÓN SATURADA. SOLUBILIDAD METALES ALCALINOS: Los hidróxidos de estos elementos son higroscópicos, es decir, delicuescentes. Son muy solubles en agua, el proceso de disolución es exotérmico. LiOH NaOH KOH RbOH CsOH Aumenta solubilidad METALES ALCALINOTÉRREOS Kps Be(OH)2 1,6.10–26 Mg(OH)2 8,9.10–12 Ca(OH)2 1,3.10–6 Sr(OH)2 3,2.10–4 Ba(OH) –3

18 SOLUBILIDAD DE SALES EN AGUA
HALUROS DE METALES GIA y GIIA: KF, NaBr, MgCl2 , CaF2 Ciclo de Born- Haber Qdisolución M+(ac) X-( ac) MX(s) HM+ HX- U M+(g) X-(g) Q disolución = U + ( HM+ + HX- ) Si Qdis < 0 el haluro es soluble Si Qdis > 0 el haluro no es soluble. a) Haga el ciclo de Born-Haber para el LiF y calcule Qdis con los siguientes datos: ULiF = kJ/mol; H Li+ = – 519 kJ/mol; H F- = – 450 kJ/mol

19 b) Haga el ciclo de Born-Haber para el MgF2 y calcule Qdis con los siguientes datos:
UMgF2 = kJ/mol; H Mg2+ = – 1906 kJ/mol; H F- = – 450 kJ/mol c) Haga el ciclo de Born-Haber para el CaS y calcule Qdis con los siguientes datos: UCaS = kJ/mol; H Ca2+ = – 1593 kJ/mol; H S2- = kJ/mol

20 SOLUBILIDAD DE: NO3-, ClO3- , ClO4- CO32- , CrO42- y SO42-
METALES ALCALINOS I) La solubilidad de aniones univalentes, NO3-, ClO3- , ClO4- disminuye en el grupo de arriba hacia abajo. Catión : Anión 1 Relación: LiNO3 NaNO3 KNO3 RbNO3 CsNO3 Solubilidad disminuye II) La solubilidad de aniones divalentes, CO32- , CrO42- y SO42- aumenta en el grupo de arriba hacia abajo. Relación: Catión : Anión 2 1 Li2CO3 K2CO3 Cs2CO3 Solubilidad aumenta

21 METALES ALCALINOTÉRREOS
La solubilidad de los CO32-, CrO42- y SO42- disminuye en el grupo de arriba hacia abajo MgCO SrCrO CaSO4 3,5.10– ,2.10– ,1.10–6 SrCO BaCrO BaSO4 1,6.10– ,2.10– ,8.10–11 Kps

22 ESTABILIDAD DE LOS ÓXIDOS DE LOS ALCALINOTÉRREOS
BeO MgO CaO SrO BaO Estabilidad disminuye Menos estable, más reactivo

23 DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA DE CARBONATOS DE LOS ALCALINOTÉRREOS
TEMPERATURA DE DESCOMPOSICIÓN (ºC ) BeCO < 100 MgCO CaCO SrCO BaCO

24 Materias primas: CaCO3, NaCl, H2O, NH3
PROCESO SOLVAY Materias primas: CaCO3, NaCl, H2O, NH3 1000 °C 1) CaCO3(s)  CaO (s) + CO2 (g) 2) CO2 (g) + NH3 (g) + H2O (l) + NaCl (ac)  NaHCO3 (s) + NH4Cl (ac) 3) 2NaHCO3  Na2CO3(s) + CO2 (g)+ H2O El proceso Solvay involucra una serie de equilibrios ácido-base: a) Al burbujear CO2 en agua se establecen los siguientes equilibrios: CO2( (g) + H2O(l) ⇄ H2CO3(ac) H2CO3(ac) ⇄ H+ (ac) + HCO3 – (ac) CO2 (g) + H2O(l)  H+(ac) + HCO3–(ac)

25 b) El proceso total proviene de la suma de los siguientes equilibrios:
CO2 (g)+ NH3 (g) + H2O (l)  NH4+(ac) + HCO3– (ac) Na+(ac) + Cl–(ac) + HCO3– (ac)  NaHCO3 (s) + Cl–(ac) CO2 (g) + NH3 (g) + H2O (l) + NaCl(ac)  NaHCO3 (s) + NH4Cl (ac) Usos del Na2CO3 Papel

26 CONFERENCIAS SOLVAY Rutherford Nernst Einstein Marie Curie

27 Sales disueltas que contienen
DUREZA DEL AGUA Principalmente de Ca2+ y Mg2+ En menor cantidad : Sr2+, Fe2+, Zn2+, Al3+ iones Sales disueltas que contienen de Que resulta de la menor o mayor cantidad es una propiedad LA DUREZA DEL AGUA impide Que el jabón haga espuma Ca2+ y Mg2+ en forma de SO42-, Cl-, NO3- Se clasifica en Dureza temporaria Ca2+ y Mg2+ en forma de HCO3- Dureza permanente desaparece No se elimina por ebullición Aguas blandas Por ebullición Ca(HCO3)2 (ac) CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l) 

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29 MÉTODOS DE OBTENCIÓN Metal Método Litio Electrólisis de una mezcla fundida de LiCl + KCl Sodio Electrólisis de NaCl fundido Potasio Acción del sodio sobre KCl a 850 ºC Berilio Electrólisis de BeCl2 fundido Magnesio MgO.CaO + Si  2 Mg + Ca2SiO4 Calcio Electrólisis de CaCl2 fundido Bario 3 BaO + 2 Al  3 Ba + Al2O3 (aluminotermia) Ejercicio. Escriba la hemi-reacción que ocurre en el cátodo y en el ánodo durante la electrólisis por vía seca de las sales: NaCl fundido b) BeCl2 fundido