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Tema 8. Metales de los grupos principales . Tendencias periódicas delas propiedades metálicas. Propiedades de los metales alcalinos y metalesalcalinotérreos. Métodos de obtención y compuestos industriales másimportantes. Aluminio: métodos de obtención y química en disoluciónacuosa. Estaño y plomo: Estabilidad relativa de los estados de oxidación(II) y (IV). Aplicaciones industriales. El acumulador de plomo. Zinc ymercurio: Propiedades generales. Aplicaciones industriales. Toxicidad delmercurio.

Tema 8. Metales de los grupos principales 1

Los metales alcalinos

Los metales alcalinos nunca seencuentran en forma elemental en alnaturaleza debido a su gran reactividadquímica.

Se encuentran combinados con ioneshalogenuros, sulfatos, carbonatos ysilicatos.

Estudiaremos la química de losprimeros tres miembros del grupo l, litio,


primeros tres miembros del grupo l, litio,sodio y potasio.

La química del rubidio y cesio esmenos importante; todos los isótopos delfrancio, el último miembro del grupo, sonradiactivos

LitioAproximadamente 0.006% en masa de la corteza terrestre es litio.

El elemento también se encuentra presente en el agua de mar en casi 0.1 ppm en masa.

El espodumeno (LiAlSi2O6) es el mineral más importante que contiene litio.

El litio metálico se obtiene por electrólisis del LiCl fundido, al


2Li(s) + 2H2O(l) 2LiOH(ac) + H2(g)

que se agregan algunas sales inertes para bajar su punto de fusión a unos 5000C.

Como todos los metales alcalinos, el litio reacciona con el agua fría para producir hidrógeno gaseoso:

La química del Litio difiere de la del resto de elementos del mismo grupo. Los siguientes ejemplos muestran las diferencias entre el litio y los demás metales alcalinos:

�Por combustión, el litio forma el óxido (que contiene el ion O2-):

4Li(s) + O2(g) 2Li2O(s)

�Mientras que el sodio forma el peróxido (que contiene el ion O2-2)

y el potasio forma tanto el peróxido como el superóxido(quecontiene el ion O -).


contiene el ion O2-).

�El nitruro de litio se forma por combinación directa del metal connitrógeno molecular. Los nitruros de los otros metales alcalinos seforman de modo menos directo.

�El carbonato y el fosfato de litio son mucho menos solubles quelos carbonatos y fosfatos de los otros metales alcalinos.

�El Li2O es básico y reacciona con agua para formar el correspondiente hidróxido:

Li2O(s) + H2O(l) 2LiOH (ac)

Esta reacción es la hidrólisis del ion óxido, que es una base fuerte de Brönsted:

O2- (ac) + H2O(l) 2OH-(ac)

�El hidróxido de litio reacciona con dióxido de carbono formando el carbonato.

2LiOH(ac) + CO2(g) Li2CO3(ac) + H2O(l)


Es un útil purificador de aire en los vehículos espaciales y submarinos

�El litio se combina con hidrógeno molecular a altas temperaturas para formar hidruro de litio:

2Li(s) + H2(g) 2LiH(s)�El hidruro de litio reacciona fácilmente con agua:

2LiH(s) + 2H2O(l) 2LiOH(ac) + 2H2(g)

Útil para el secado de disolventes orgánicos.

�LiAlH4 se puede preparar por reacción del hidruro de litio con cloruro de aluminio

4LiH(s) + AICl3(s) LiAlH4(s) + 3LiCl(s)

�El cloruro y el bromuro de litio son sumamente higroscópicos

Por esta razón se usan algunas veces como dehumidificadores y acondicionadores de aire.

�Algunas sales de litio, en particular el carbonato, son


�Algunas sales de litio, en particular el carbonato, son

muy valiosas como fármacos en el tratamiento de

pacientes maniaco-depresivos.

Otros minerales que contienen sodio y potasio son la halita (NaCl), que se muestra en la figura 20.14, el "nitro de Chile" (NaNO3) y silvita (KCl). El cloruro de sodio también se obtiene de la sal de roca .

Sodio y potasio

Se presentan en forma de silicatos como la albita (NaAlSi3O8) y la ortoclasa (KAlSi3O8).

La forma más conveniente de


obtener el sodio metálico es por

electrólisis del cloruro de sodio

fundido en la celda Down

�NaCl PF(801°C),. con CaCl2, el

punto de fusión ≈200ºC

•Potasio se obtiene por destilación de KCl fundido en presencia devapor de sodio a 892°C.

Na(g) + KCl(l) NaCl(l) + K(g)

El potasio tiene un punto de ebullición (770°C) menor que el del sodio (892°C),

de modo que destila más fácilmente

Tanto el sodio como el potasio son muy activos,

2Na(s) + O2(g) Na2O2(s) amarillo pálido

Na O (s) + 2H O(l) 2NaOH(ac) + H O (ac)


Na2O2(s) + 2H2O(l) 2NaOH(ac) + H2O2(ac)

K(s) + O2(g) KO2(s)

2KO2(s) + 2H2O(l) 2KOH(ac) + O2(g) + H2O2(ac)

4KO2(s) + 2CO2(g) 2K2CO3(s) + 3O2(g)

� El sodio y el potasio metálicos se disuelven en amoniaco líquido para producir una disolución azul muy espectacular:

Na Na+ + eLos electrones solvatados son responsables del colorazul característico.


�Las disoluciones metal-amoniaco son poderosos agentes reductores (porque contienen electrones libres), que son útiles en las síntesis de compuestos orgánicos e inorgánicos.

�Esto significa que la disolución amoniacal de un metal alcalino contiene pares iónicos tales como Na+Na- y K+K-

�El sodio y el potasio son elementos esenciales para la materiaviviente. Los iones sodio y potasio están presentes en los fluidosintra y extracelulares, y son esenciales para el balance osmótico ylas funciones enzimáticas.


Carbonato de sodio Na2(CO3). El carbonato de sodio es un importante compuesto que se usa en multitud de procesos industriales, incluyendo el tratamiento de aguas, la fabricación de jabones, detergentes, medicinas, en la industria del vidrio y aditivos alimentarios.

Proceso Solvay ,

NH3(ac) + NaCl(sat.) + H2CO3(ac) NaHCO3(s)+ H4Cl(ac)

2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)

En los ultimos años se ha


En los ultimos años se ha

descubierto grandes depósitos de

trona Na3(HCO3)(CO3) - 2H2O

2HCO3- CO3

-2 + H2O + CO2

2Na3(CO3)2(HCO3) .2H2O(s) 5Na2CO3(s) + CO2(g) + 3H2O(g)

Hidróxido de sodio e hidróxido de potasio . Las propiedades de los doshidróxidos son muy similares. Ambos se preparan por electrólisis de lasdisoluciones acuosas de los cloruros respectivos NaCl y KCl

Nitrato de sodio y nitrato de potasio . En Chile se encuentran grandes depósitos de nitrato de sodio (salitre). A 500°C aproximadamente se descompone con desprendimiento de oxígeno:

2NaNO3(s) 2NaNO2(s) + O2(g)

Preparación del nitrato de potasio:


KCl(ac) + NaNO3(ac) KNO3(ac) + NaCl(ac)

La pólvora está constituida por nitrato de potasio, carbón de madera yazufre en las proporciones de 6:1:1 en masa.

La reacción que se lleva a cabo cuando la pólvora se calienta es:

2KNO3(s) + S(s) + 3C(s) K2S(s) + N2(g) + 3CO2(g)

Los metales alcalinotérreos

Los metales alcalinotérreos son un

poco menos electropositivos y menos

reactivos que los metales alcalinos.

El estado de oxidación de los metales

alcalinotérreos en las formas combinadas


es casi siempre 2+.

Berilio

El berilo (aluminiosilicato de berilio,Be3Al2Si6O18) es la única mena importante deberilio .

El berilio puro se obtiene transformando lamena en el óxido (BeO).Entonces el óxido se convierte en el cloruro ofluoruro.El fluoruro de berilio se calienta a 1000°C enpresencia de magnesio para producir berilio


metálico:

BeF2(s) + Mg(l) Be(s) + MgF2(s)

El berilio es muy tóxico. Su toxicidad proviene de la capacidad delion Be2+ para competir con el Mg2+ en muchos sitios enzimáticos.

El berilio forma numerosos compuestos simples covalentes gaseosos,tales como el BeH2, BeCl2, y BeBr2.

En muchos de sus compuestos el berilio forma cuatro enlacestetraédricos, con el Be en el centro, por ejemplo en los complejos BeF4

2-,BeCl4

-2, y BeBr4-2.

Como ejemplo de relaciones diagonales, el berilio se parece al aluminioen numerosos aspectos.

Magnesio


Magnesio El magnesio se encuentra en la brucita,

Mg(OH)2; la dolomita, CaCO3 .MgCO3 y laepsomita MgSO4 .7H2O.

El agua de mar es una buena fuente demagnesio; hay casi 1.3g de magnesio encada kilogramo de agua de mar.

Como en el caso de la mayoría de los metales alcalinos yalcalinotérreos, el magnesio metálico se obtiene por electrólisis de sucloruro fundido, MgCl2 (obtenido del agua de mar).

La química del magnesio es intermedia entre la del berilio y la de loselementos más pesados del grupo 2.

El magnesio no reacciona con agua fría,


El magnesio no reacciona con agua fría,pero la hace lentamente con vapor:

Mg(s) + H2O(g) MgO(s) + H2(g)

Arde brillantemente en el aire para producir el óxido y el nitruro :

2Mg(s) + O2(g) 2MgO(s)

3Mg(s) + N2(g) Mg3N2(s)

•El óxido de magnesio reacciona en forma muy lenta con el agua para formar hidróxido de magnesio, la leche de magnesia se usa

(flash) para fotografía


de magnesio, la leche de magnesia se usa para tratar la indigestión ácida:

MgO(s) + H2O(l) Mg(OH)2(s)

El magnesio encuentra sus principales usos en las aleaciones, como metal

estructural ligero, en la protección catódica, en síntesis orgánicas y en las

baterías.

Solubilidades de los hidróxidos alcalinotérreos a 25°C

P. de sol.(K.p) Solubilidad molar (M)

Be(OH)2 1 x 10-19 3 x 10-7

Mg(OH)2 1.2 X 10-11 1.4 x 10-4

Ca(OH)2 5.4 x 10-6 0.011

Sr(OH)2 3.1 x 10-4 0.043

Ba(OH)2 5.0 x 10-3 0.11


El magnesio es esencial para la vida animal y vegetal, y los iones Mg2+ no son tóxicos. Se calcula que un adulto consume 0.3 g de magnesio diario.

Los iones magnesio son esenciales para el funciona-miento correcto de numerosas enzimas.

El magnesio también está presente en el pigmentoverde de las plantas, la clorofila, que participa demanera relevante en la fotosíntesis.

Calcio

El calcio se encuentra en la piedra caliza, lacalcita, el gis y el mármol como CaCO3, en ladolomita como CaCO3 MgCO3; en el yeso comoCaSO4 2H20; y en la fluorita como CaF2La mejor forma de preparar calcio metálico espor electrólisis de su cloruro (CaCl2) fundido.

Reacciona con agua fría para dar el correspondiente


Reacciona con agua fría para dar el correspondientehidróxido; sin embargo, la velocidad de reacción esmucho menor que las implicadas en el caso de losmetales alcalinos:

Ca(s) + 2H2O(l) Ca(OH)2(ac) + H2(g)

•Cal viva, u óxido de calcio (CaO).•Cal apagada, o hidróxido de calcio [Ca(OH)2].

Síntesis de cal viva

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

La cal apagada se produce por la reacción entre la cal viva y el agua:

CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(s)

La cal viva se usa en metalurgia, en la eliminación del SO2 cuando sequeman combustibles fósiles. La cal apagada se usa en el


2queman combustibles fósiles. La cal apagada se usa en eltratamiento del agua .

El calcio juega un importante papel en la acción del corazón, lacoagulación de la sangre, la contracción muscular y la transmisiónnerviosa.

Estroncio y bario

El estroncio se encuentra como carbonato

SrCO3 (estroncionita) y como sulfato SrSO4

(celestita).

El estroncio no tiene usos en gran escala; se

extrae por electrólisis de su cloruro fundido

(SrCl2).


2

El bario se encuentra en forma de carbonato

BaCO3 (witherita) y como sulfato BaSO4 (barita ).

El bario metálico se puede preparar por

electrólisis de su cloruro fundido (BaCl2) o por

reducción de su óxido con aluminio:

3BaO(s) + 2Al(s) 3Ba(s) + Al2O3(s)

BaSO4, es poco soluble(Ksp = 1.1 X 10-10). Esta densa sal de bario absorbe los rayos X .

AluminioEl aluminio no se encuentra en forma elemental en

la naturaleza; su mineral principal es la bauxita

(Al2O3.2H2O). La ortoclasa (KAlSi3O2), el berilio

(Be3Al2Si6O18), la criolita (Na3AlF6) y el corindón

(Al2O3).

El aluminio se prepara a partir de bauxita


El aluminio se prepara a partir de bauxita

Al2O3(s) + 20H-(ac) 2AlO2 -(ac) + H2O(l)

AlO2(ac) + H3O+(ac) Al(OH)3(s)

Calentando :

2Al(OH)3(s) Al2O3(s) + 3H2O(g)

El óxido de aluminio se reduce electrolíticamente por el proceso Hall

Proceso Hall

Se usa la criolita, Na3AlF6 (p.f.

1000°C), como disolvente del óxido de

aluminio (p.f. 2045°C).Ánodo

Cátodo


Ánodo (oxidación): 3[2O2- O2(g) + 4e]

Cátodo (reducción): 4[Al3+ + 3e- Al(l)]

Global: 2Al2O3 4Al(l) + 3O2(g)

El aluminio reacciona con ácido clorhídrico y con bases fuertes:

2Al(s) + 6HCl(ac) 2AlCl3(ac) + 3H2(g)

2Al(s) + 2NaOH(ac) +2H2O(l) 2NaAlO2(ac)+ H2(g)

El aluminio forma rápidamente el óxido Al2O3 cuando se expone al aire:

4Al(s) + 3O2(g) 2Al2O3(s)


El óxido de aluminio tiene una entalpía de formación exotérmica muygrande (∆Ht = -670 kJ/mol). Se usa para la obtención de metales

2Al(s) + Fe2O3(s) Al2O3(l) +2Fe(l)∆H = -852 kJ

El cloruro de aluminio existe como dímero y sehidroliza de la siguiente manera:

[AlCl3]2(s) + 3H2O(l) Al(OH)3(s) + 3HCl(ac)

Al(OH)3(s) + 3H+(ac) Al3+(ac) + 3H2O(l)

Al(OH)3(s) + OH- (ac) Al(OH)4- (ac)

•El hidróxido de aluminio es un hidróxido anfótero:


KAl(SO4)2 .12H2O es el primer compuesto

de una serie que se obtiene si se sustituye

el K+ por Na+ o NH4 y el Cr+3. o Fe3+ por

Al3+.

Estos compuestos se llaman alumbres,

M+M3+(SO4)2 .12H2O

M+: K+, Na+, NH4+: M3+: Al3+, Cr3+, Fe3+

Zinc, cadmio y mercurioZinc y cadmio

El zinc se presenta sobre todo como esfalerita, ZnS,(blenda de zinc).

El zinc metálico se obtiene por tostación del sulfuroen aire para convertirlo en óxido y después recubrirlocon carbón finamente dividido:

2ZnS(l) + 3O2(g) ZnO(l) + 2SO2(g)


2ZnO(s) +C(s) Zn(l) + CO(g)

�Cadmio se presenta en pequeñas cantidades en la mayoría de las menas de zinc comoCdS.

�El cadmio se obtiene del polvo emitido durante la purificación del zinc por destilación.

Como el cadmio es más volátil (p. eb. 767°C) que el zinc (p. eb. 907°C), se evapora primero.

�Ambos metales son plateados. El zinc es duro y quebradizo, pero el cadmio eslo

suficientemente suave para ser cortado con una navaja.

Ambos reaccionan con ácidos fuertes para producir hidrógeno gaseoso:

Zn(s) + 2H+(ac) Zn+2(ac) + H2(g)

Cd(s) + 2H+(ac) Cd+2(ac) + H2(g)

Además de reaccionar con ácidos fuertes, el zinc también reacciona con basesfuertes:

Zn(s) + 2OH-(ac) + 2H2O(l) Zn(OH)4-2(ac) + H2(g)

Los óxidosdezinc y cadmioseformanpor combinacióndirectadeestosmetales


Los óxidosdezinc y cadmioseformanpor combinacióndirectadeestosmetalescon oxígeno.

2Zn(s) + O2(g) 2ZnO(s)

y por descomposición térmica del nitrato o del carbonato de zinc,

2Zn(NO3)2(l) 2ZnO(s) + 4NO2(g) + O2(g)

ZnCO3(s) ZnO(s) + CO2(g)

El óxido de zinc es anfótero:

ZnO(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2O(l)

ZnO(s) + 2NaOH(ac) Na2ZnO2(ac) + H2O(l)

El zinc metálico se usa para formar aleaciones.

El latón 20% de zinc y 8C% de cobre.


Como el zinc se oxida con facilidad, se usa para dar

protección catódica a metales menos electropositivos.

El hierro protegido en esta forma, llamado hierro

galvanizado

El sulfuro de zinc se usa en el pigmentoblanco (litopón), que contiene una mezcla más omenos equimolar de ZnS y BaSO4

El sulfuro de zinc emite luz cuandochocan con él rayos X o rayos de electrones.Por lo tanto se usa en pantallas de aparatos detelevisión, osciloscopios y fluoroscopios derayosX.


rayosX.

A pesar de que el cadmio no tiene importancia biológica, hay una corriente

preocupación sobre su efecto como contaminante ambiental. Como los

compuestos de la mayoría de los metales pesados, los de cadmio son

extremadamente tóxicos. Los síntomas comunes de envenenamiento por cadmio

son hipertensión (alta presión sanguínea), anemia e insuficiencia renal.

MercurioEs el único metal líquido a temperatura ambiente

La mena principal del mercurio es el sulfuro demercurio(II), HgS, llamado cinabrio.

El cinabrio se tuesta en aire para producir óxido demercurio(II)

2HgS(s) + 3O2(g) 2HgO(s) + 2SO2(g)

Que se descompone para dar vapor de mercurio,


Que se descompone para dar vapor de mercurio,

2HgO(s) 2Hg(g) + O2(g)

El mercurio metálico es un líquido denso,brillante, plateado, que se congela a -38.9°C yhierve a 357°C.

El mercurio líquido disuelve muchos metalescomo el cobre, la plata, el oro y los metalesalcalinos.

�A diferencia del cadmio y el zinc, el mercurio presenta en suscompuestoslos números de oxidación +1 (mercurioso) y +2 (mercúrico).

�El potencial normal de reducción del mercurio es positivo, no reaccionacon el agua ni descompone los ácidos no-oxidantes como el HCl

�De acuerdo con lo predicho por el modelo RPECV, el cloruro demercurio(II) tiene una estructura lineal: Cl—Hg—Cl

�Por otra parte, el fluoruro de mercurio(II), HgF2, es esencialmente iónico.


2

�El ion Hg+2 también tiene tendencia a formar iones complejos muyestables, tales como HgCl4

-2, Hg(NH3)4+2,y Hg(CN)4

-2.

�Si el ion mercurio(I) existiera como Hg+ sería paramagnético(configuración electrónica 6s1), pero no hay evidencia experimental que avaleesta estructura. En vez de ello, el ion está constituido por [Hg-Hg]+2

�Este fue uno de los primeros enlaces metal-metal conocidos en uncompuesto.

�Hg2Cl2, sólido blanco insoluble, llamado calomel. El calomel se usó enmedicina como purgante. Sin embargo, muestra tendencia adesproporcionarse en Hg y Hg2Cl2, que es bastante venenoso.

�El mercuriotieneun coeficientede dilatacióncúbicagrandey homogéneo


�El mercuriotieneun coeficientede dilatacióncúbicagrandey homogéneo(con la temperatura) y por lo tanto es útil para los termómetros.

�El líquido tiene una densidad muy alta (13.6 g/cm3) y se usa en losbarómetros.

� A pesar de que la conductividad del mercurio sólo alcanzaaproximadamente 2% de la del cobre, las ventajas de su fluidez son tangrandes que se usa el metal para hacer contactos eléctricos.

�El mercurio también se usa para la producción electrolíticademuchos elementos, por ejemplo, el cloro.


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