Metales alcalinos: configuración, propiedades, aplicaciones

Los metales alcalinos son elementos del bloque S que se encuentran en el lado izquierdo de la tabla periódica. Debido a que los metales alcalinos pierden electrones fácilmente, se encuentran entre los elementos más reactivos del planeta. El término álcali se refiere a la naturaleza básica o alcalina de sus hidrrusts metálicos en general. Los compuestos se conocen como metales alcalinos porque cuando reaccionan con el agua producen álcalis, que son bases fuertes que pueden neutralizar fácilmente los ácidos.

Los metales alcalinos tienen una configuración electrónica  [Gas noble] ns ^{1 correspondiente.}

Se encuentran en la primera columna de la tabla periódica. El litio (Li), el sodio (Na), el potasio (K), el rubidio (Ru), el cesio (Cs) y el francio (Fr) son elementos alcalinos que ocupan períodos sucesivos del uno al siete. El francio es un elemento radiactivo que tiene una vida media extremadamente corta. La razón principal por la que el hidrógeno no se considera un metal alcalino es que se encuentra más comúnmente como gas a temperaturas y presiones normales. Cuando se expone a una presión extremadamente alta, el hidrógeno puede exhibir propiedades o transformarse en un metal alcalino.

Configuración Electrónica de Metales Alcalinos

La capa de valencia de los metales alcalinos contiene un electrón. ns ¹ especifica la configuración electrónica.

Tienen una propensión a perder el electrón de la capa externa, lo que da como resultado cationes con carga +1. (iones monovalentes). En consecuencia, son los elementos más electropositivos y, por tanto, no se encuentran en estado puro.

Tendencias en las propiedades físicas de los metales alcalinos

• Radios atómicos e iónicos de los elementos

Los radios atómicos e iónicos de los elementos aumentan en línea recta a lo largo de la columna. Además, en el período correspondiente, cada metal alcalino tiene los radios más grandes de cualquier elemento.

Orden creciente de radio atómico e iónico: Li ˂ Na ˂ K ˂ Rb ˂ Cs y Li ⁺ ˂ Na ⁺ ˂ K ⁺ ˂ Rb ⁺ ˂ Cs ⁺

• Densidad de los metales alcalinos

Los elementos alcalinos tienen la densidad más baja a pesar de tener el mayor radio y volumen. Como resultado, son extremadamente suaves y se pueden cortar con un cuchillo. Los elementos litio, sodio y potasio son todos más ligeros que el agua. Entre los metales alcalinos, el potasio tiene la densidad más baja.

• Carácter Metálico Electropositivo y Energía de Ionización

Todos los metales alcalinos son metales univalentes electropositivos. El pequeño átomo de litio requerirá la mayor cantidad de energía de ionización para eliminar el electrón de valencia. El electrón de valencia queda protegido por los electrones internos a medida que aumenta el tamaño atómico, lo que facilita su eliminación con menos energía. Como resultado, a medida que aumenta el número atómico, también lo hace la energía de ionización.

Orden creciente de energía de ionización: Li > Na > K > Rb > Cs

• Solubilidad o hidratación de iones de metales alcalinos

El más soluble es el ion de litio y, a medida que aumenta el tamaño, también lo hace la solubilidad, siendo el ion de cesio el ion de metal alcalino menos soluble en agua. La naturaleza iónica y el tamaño de una sustancia influyen en su solubilidad en agua. Los iones más pequeños tienen una mayor densidad de carga y pueden ser disueltos por más moléculas de agua. Esto da como resultado una mayor entalpía de hidratación e iones hidratados más estables.

Solubilidad de Li ⁺ > Na+ > K ⁺ > Rb ⁺ > Cs ⁺

• Coloración de la llama

La energía requerida para una transición electrónica entre los niveles de energía disponibles en los elementos del bloque s cae en la región del espectro visible. Como resultado, cuando se calientan, emiten un color distintivo a la llama que refleja su espectro de emisión o absorción y puede usarse para identificarlos.

Propiedades químicas de los metales alcalinos

• hidruros

A temperaturas más altas, los metales alcalinos reaccionan con el hidrógeno para formar hidruros metálicos. Los iones hidruros son liberados por los hidruros metálicos.

2M + H ₂ → 2MH → M ⁺ + H ^–

• nitruros

Los nitruros se pueden formar cuando los metales alcalinos reaccionan incluso con el nitrógeno atmosférico.

6M + N ₂ → 2M ₃ N

• Rusts

Los metales alcalinos empañan su naturaleza brillante cuando reaccionan con el oxígeno atmosférico. Los rusts se forman cuando reaccionan con el oxígeno. Sin embargo, la naturaleza de los rusts formados difiere. Cada uno tiene un estado de oxidación diferente para el oxígeno. Los átomos de litio más pequeños forman un rust normal, mientras que los átomos de sodio forman perrusts y los átomos más grandes forman superrusts. Debido a que los metales alcalinos reaccionan en el aire con nitrógeno, oxígeno y agua, siempre se almacenan en queroseno.

4Li + O ₂ → 2Li ₂ O (rusts)

2Na + O ₂ → Na ₂ O (Perrust)

Ce + O ₂ → CeO ₂ (Superrust)

Extracción de Metales Alcalinos

El método de extracción convencional no es aplicable a la extracción de metales alcalinos. Dado que estos metales tienen la electropositividad más alta, el desplazamiento y la electrólisis no son aplicables. Además, el alto potencial de electrodo limita la capacidad de reducir agentes como el carbono para reducirlos. 

Los iones de hidrógeno se reducen preferentemente a hidrógeno gaseoso durante la electrólisis de la solución acuosa sobre los iones de sodio. Como resultado, el sodio y el potasio solo pueden obtenerse por electrólisis de las sales fundidas de hidrrust de sodio y cloruro de sodio. Los metales alcalinos se combinan para formar aleaciones, amalgamas y amalgamas con otros metales.

Comportamiento anómalo del litio

Debido a su pequeño tamaño, alta energía de ionización y propiedades electropositivas y polarizantes más fuertes, el litio se diferencia de otros metales alcalinos en que tiene una naturaleza más covalente. Debido a su pequeño tamaño, mayor solubilidad y mayor potencial de electrodo, el litio tiene el carácter reductor más fuerte.

Relación diagonal de litio con magnesio

1. El litio del grupo de metales alcalinos es más similar al magnesio del grupo de metales alcalinotérreos.
2. El magnesio y el litio son metales más duros con puntos de fusión más altos.
3. Ambos reaccionan lentamente con el agua, liberando hidrógeno.
4. El agua hidroliza ambos nitruros, liberando amoníaco.
5. Ambos producen rusts normales, que son menos solubles en agua.
6. Ambos producen carburo, que cuando se hidroliza produce acetileno.
7. Los bicarbonatos de litio y magnesio solo son estables en solución y no en forma sólida.

Aplicaciones de los metales alcalinos

1. El litio, el sodio y el potasio tienen numerosas aplicaciones, mientras que el rubidio y el cesio son particularmente útiles en entornos académicos.
2. El litio se usa comúnmente en baterías de iones de litio y el rust de litio puede ayudar en el procesamiento de sílice.
3. El cloruro de litio es una aleación de soldadura fuerte utilizada para piezas de aluminio.
4. El litio metálico se combina con magnesio y aluminio para crear aleaciones extremadamente resistentes y ligeras.
5. Cloruro de sodio, que se utiliza como sal de mesa.
6. El jabón está hecho de sales de sodio de ácidos grasos.
7. El metal de sodio puro tiene numerosas aplicaciones, incluido el uso en lámparas de vapor de sodio, que producen una luz muy eficiente en comparación con otros tipos de iluminación y pueden ayudar a suavizar las superficies de otros metales.
8. Los compuestos de potasio se utilizan con frecuencia como fertilizantes porque el potasio es un nutriente esencial para las plantas.
9. El hidrrust de potasio es una base muy fuerte que se utiliza para regular el pH de una variedad de sustancias.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Por qué los elementos del Grupo I son conocidos como el elemento más electropositivo?

Responder:

Estos elementos tienen la mayor cantidad de metales electropositivos debido al electrón s suelto en la capa de valencia más externa. Pierden fácilmente electrones, dando como resultado iones M ⁺ monovalentes .

Pregunta 2: ¿Por qué los puntos de fusión y ebullición de los metales alcalinos son bajos?

Responder:

Dado que los metales alcalinos tienen solo un electrón de valencia, sus puntos de fusión y ebullición son bajos, lo que indica un enlace metálico débil.

Pregunta 3: ¿Por qué el litio se mantiene bajo el aceite de queroseno?

Responder:

Debido a su alta reactividad al aire y al agua, el litio generalmente se almacena en aceite de queroseno.

Pregunta 4: ¿Por qué los hidrrusts de metales alcalinos son las bases más fuertes?

Responder:

Hacen la base más fuerte ya que se disuelven libremente en agua y generan mucho calor debido a la intensa hidratación, los hidrrusts de metales alcalinos son las más poderosas de todas las bases.

Pregunta 5: ¿Por qué los compuestos de litio son solubles en solventes orgánicos?

Responder:

Son solubles en solventes orgánicos debido a su alto poder polarizante, los compuestos de litio tienen un carácter covalente aumentado, lo que explica su solubilidad en solventes orgánicos.