Tema 3: Elementos del grupo 1

Introducción Estado natural Propiedades físicas Propiedades químicas Compuestos: hidruros, haluros, óxidos y compuestos

relacionados Métodos de obtención Aplicaciones

1“El autor/La autora se acoge al artículo 32 de la Ley de Propiedad Intelectual vigente respecto al uso parcial de obras ajenas, como imágenes, gráficos u otromaterial contenido en las diferentes diapositivas, dado el carácter y la finalidad exclusivamente docente y eminentemente ilustrativa de las explicaciones enclase de esta presentación”

Introducción

Configuración electrónica (ns1) Elementos muy reactivos Elementos esenciales para los seres vivos (Na+ y K+ mantienen la presión

osmótica en las células) Li+ actúa sobre neurotransmisores en membranas celulares

2

Abundancia de los elementos en la corteza terrestre (g/T)O Si Al Fe Ca Na K

Mg Ti H P

Mn F S

Sr Ba C Cl Cr Zr

Rb V

Ni Zn N

Ce Cu

466000 277200

81300 50000 36300 28300 25900 20900 4400 1400 1180 1000 700 520 450 400 320 200 200 160 120 110

80 65 46 46 45

Y Li

Nd Nb Co La Pb Ga Th

Sm Gd Pr Sc Hf Dy Sn

B Yb Er Br

Ge Be As U

Ta W

Mo

40 30 24 24 23 18 15 15 10 7 6 6 5 5 5 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1

Cs Ho Eu Tl

Tb Lu Hg

I Sb Bi

Tm Cd Ag In

Se Ar Pd Pt

Au He Te Rh Re

Ir Os Ru

1 1 1 1

0.9 0.8 0.5 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1

0.09 0.04 0.01

0.005 0.005 0.003 0.002 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001

Introducción

t1/2 = 21.8 min

22387 Fr

3

Estado natural

Litio Espodumeno (LiAlSi2O6) Lepidolita

(KLi2Al(Al,Si)3O10(F,OH)2) Sodio

Sal de roca (NaCl) Salmuera (NaCl) Bórax (Na2[B4O5(OH)4].8H2O) Nitrato de Chile (NaNO3)

Potasio Silvita (KCl) Silvinita (KCl/NaCl) Carnalita (KCl·MgCl2·6H2O)

Rubidio Subproducto de la lepidolita: Rb

sustituye al K Cesio

Polucita Cs4Al4Si9O26·H2O Subproducto de la lepidolita: Cs

sustituye al K

Elementos Litófilos

4

Li Na K Rb Cs Fr

Radio metálico (pm) 152 186 231 244 262 --

Radio iónico M+ (pm) (IC) 59(4) 102(6) 138(6) 148(6) 174(8) --PF (°C) 180 98 64 39 27PE (° C) 1326 889 774 688 690 677Densidad (g/cm3) 0,534 0,971 0,862 1,53 1,90 --

Poder polarizante relativo (100q/r) 1,69 0,98 0,76 0,68 0,57 --DH0

atom (kJ/mol) 161 108 90 82 78 --1er EI (kJ/mol) 519 494 418 402 376 --

E0 (V) -3,040 -2,714 -2,936 -2,923 -3,026 --

Propiedades físicas y químicas

Estructurac.c.e.

5

Integral de solapamiento disminuye al aumentar r

LiRbNa K

Propiedades químicas: potenciales de reducción, E0 (V)

Son consecuencia del equilibrio energético entre:M(s) → M(g) DH0

(atomización)

M(g) → M+(g) 1ª EIM+(g) → M+(ac) DH (hidratación)

La entalpía de hidratación (kJ/mol) aumenta al disminuir el tamaño del catión (↑100q/r):

M+(ac) + e- M(s)

M(g)M+(g) + e-

E0 = -DG0/nF

DH (atom.)

1ª EI

DH (hidrat.)

Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+

-519 -404 -321 -296 -271

Li+/Li Na+/Na K+/K Rb+/Rb Cs+/Cs-3,040 -2,714 -2,936 -2,923 -3,026

6

Propiedades químicasReaccionan con:■ Oxígeno atmosférico:

óxidos, M2O (O=): Li2O; Na2O peróxidos, M2O2 (-O-O-): Li2O2, Na2O2; K2O2 super-óxidos, MO2 (O2

-): KO2, RbO2; CsO2 Agua:

hidróxidos: 2M + 2H2O → H2 + 2MOH Halógenos:

haluros: 2M + X2 → 2MX Hidrógeno:

hidruros: 2M + H2 → 2MH Nitrógeno (solamente Li):

nitruro: 6Li + N2 → 2Li3N

Li

Na

K

Rb

Cs

Aum

enta

rea

ctiv

idad

7

Propiedades químicasReaccionan con (cont.): Carbono:

Li y Na forman acetiluros M2C2

K, Rb, Cs forman compuestos de intercalación con grafito CnM (n= 8, 24, 36,48, 60).

Son solubles en NH3 (l) Disoluciones diluidas (azul brillante), paramagnéticas, ocupan un volumen

mayor que los volúmenes aditivos. Elevada conductividad iónica (e- casi libre):

Al aumentar la concentración (0,04M) se hacen diamagnéticas y laconductividad llega a un mínimo [M-

(am)]:

Disoluciones concentradas (color bronce), débilmente paramagnéticas. Secomportan como metales [(M2)(am)]:

M M eam am am( ) ( ) ( )

M M eam am am( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )M Mam am2 2

8

Compuestos: óxidos y compuestos relacionados Mediante reacción de M con exceso de oxígeno:

Li2O; Na2O, Na2O2; K2O2, KO2; RbO2; CsO2

Carácter iónico: según el valor de

Carácter básico: Na2O(s) + H2O → 2NaOH(ac) Na2O2(s) + 2H2O → H2O2(ac) + 2NaOH(ac) 2KO2(s) + 2H2O → H2O2(ac) + O2(g) + 2KOH(ac)

Máscaras de respiración: 4 KO2 (s)+ 2 CO2 → 2 K2CO3(s) + 3O2(g)

Li2O

Na2O

K2O

Rb2O

Cs2O

Aum

enta

bas

icid

ad

9

r I.C. Mr

Compuestos: Hidróxidos Son sólidos iónicos. KOH presenta estructura tipo NaCl (el resto presentan estructuras

más complejas).

El NaOH es la base más utilizada en Química orgánica e inorgánica.

Manufactura de productos químicos

Productos de limpieza

Rayón y algodón

Tratamiento de aceites y grasas

10

Compuestos: hidruros y haluros Se preparan por síntesis directa (DHf<0) Compuestos iónicos (estructura, solubilidad,..) Los hidruros son menos estables que los haluros.

M+ DHformación de MX (kJ/mol)

F- Cl- Br- I- H-

Li+ -616 -409 -351 -270 -91Na+ -577 -411 -361 -288 -57K+ -567 -438 -394 -328 -56Rb+ -558 -435 -395 -334 -55Cs+ -553 -443 -406 -347 -59

KH

CsCl

K(g) 12 Cl (g)2

K (g) Cl (g)

K (g) e (g) 12 Cl (g)2

K (g) e (g) Cl(g)

244/2=122

425

-355

89

438

KCl(s)

K(s) 12 Cl (g)2

- DHf(K)

1ª EI

DHatom(K)

1/2DHdis(Cl2)

DHred(KCl)

1ª AE

11

Disminuye estabilidad

Haluros: solubilidad

M+ DHred de MX (kJ/mol)F - Cl - Br - I -

Li+ -1047 -862 -818 -759Na+ -928 -788 -751 -700K+ -826 -718 -689 -645

Rb+ -793 -693 -666 -677Cs+ -756 -668 -645 -608

■ En general, son solubles en aguaMX(s) → M+(ac) + X- (ac)

■ La solubilidad de los haluros alcalinos está determinada por los valores de DHredy de DHsolvatación.

El LiF es sólo moderadamente soluble

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M+ DHsolvatación de MX (kJ/mol)F - Cl - Br - I -

Li+ -1025 -883 -854 -812Na+ -912 -770 -741 -699K+ -828 -686 -657 -615

Rb+ -807 -665 -636 -594Cs+ -782 -640 -611 -569

Haluros: solubilidad

■ La DHdisolución depende de la diferencia entre las entalpías de hidratación del anión y del catión:

DHsolvatación (X-) - DHsolvatación (M+)

■ Para LiF es ligeramente positiva, por loque se absorbe calor para su disolución.

■ Los haluros con mayor diferencia deentalpías de hidratación de sus ionesson los que se disuelven exotérmicamente.

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Métodos de obtención

Se presentarán en las clases de tutorías

Aplicaciones Li

Aleaciones Li-Al Síntesis orgánica Jabones (grasas) de Li como lubricante en motores Li2CO3 en vidrios y cerámicas Baterías de Li

Na Síntesis de metales Refrigerante de reactores nucleares (Na-K) Aleación Na-K termómetro de alta temperatura Células fotoeléctricas Baterías sodio/azufre

K (Fertilizantes) Rb y Cs (Células fotoeléctricas)

carga

descarga

carga

desca

2 6

r

2

2 g4 6 2 4a

6 ( )

6 ( )

LiCoO C grafito LiC CoO

LiMn O C grafito LiC Mn O

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Aplicaciones del cloruro sódico

49,4%

7,6% Industria del cloro-álcali(Cl2, NaOH, H2)

Otros productos (7,6%)

Na2CO3 (9,8%)Otros productos químicos (3,7%)

Pulpa de papel (0,4%)

Industria textil y tintes (0,4%)Enlatado de comidas y productos lácteos (0,7%)Procesado de carne (1,3 %)

Ablandamiento de aguas (1,8%)

Sal de mesa (2,7%)

Comida para animales (4,2%)

Fundido de hielo en carreteras (16,6%)

Manufacturación de metal (0,5 %)

Gomas y aceites industriales (0,9%)

Cuestiones de clase ¿Por qué disminuyen los puntos de fusión de los elementos alcalinos al bajar en

el grupo?

¿Por qué aumenta la reactividad de los elementos alcalinos frente a oxígeno,halógenos, etc… al bajar en el grupo?

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