Hispanopedia WikiLos metales alcalinotérreos son seis elementos químicos del grupo 2 de la tabla periódica . Son berilio (Be), magnesio (Mg), calcio (Ca), estroncio (Sr), bario (Ba) y radio (Ra). [ 1 ] Estos elementos tienen propiedades muy similares: son metales brillantes, de color blanco plateado y algo reactivos , aunque menos reactivos que sus primos más violentos, los metales alcalinos, a temperatura y presión estándar . [ 2 ]
Junto con el helio , estos elementos tienen en común un orbital s externo que está completo [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] , es decir, este orbital contiene su complemento completo de dos electrones, que los metales alcalinotérreos pierden fácilmente para formar cationes con carga +2 y un estado de oxidación de +2. [ 5 ] El helio se agrupa con los gases nobles y no con los metales alcalinotérreos, pero se teoriza que tiene algunas similitudes con el berilio cuando se le fuerza a formar enlaces y a veces se ha sugerido que pertenece al grupo 2. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
Todos los metales alcalinotérreos descubiertos se encuentran en la naturaleza, aunque el radio solo se produce a través de la cadena de desintegración del uranio y el torio y no como un elemento primordial. [ 9 ] Se han realizado experimentos, todos infructuosos, para intentar sintetizar el elemento 120 , el siguiente miembro potencial del grupo.
Características
Químico
Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia muestran patrones en su configuración electrónica , especialmente en las capas más externas, lo que da lugar a tendencias en el comportamiento químico:
La mayor parte de la química se ha observado solo para los primeros cinco miembros del grupo. La química del radio no está bien establecida debido a su radiactividad ; [ 2 ] por lo tanto, la presentación de sus propiedades aquí es limitada.
Los metales alcalinotérreos son todos de color plateado y blandos, y tienen densidades , puntos de fusión y puntos de ebullición relativamente bajos . En términos químicos, todos los metales alcalinotérreos reaccionan con los halógenos para formar haluros de metales alcalinotérreos , que son compuestos cristalinos iónicos (excepto el cloruro de berilio , el bromuro de berilio y el yoduro de berilio , que son covalentes ). Todos los metales alcalinotérreos, excepto el berilio, también reaccionan con el agua para formar hidróxidos fuertemente alcalinos y, por lo tanto, deben manipularse con mucho cuidado. Los metales alcalinotérreos más pesados reaccionan más vigorosamente que los más ligeros. [ 2 ] Los metales alcalinotérreos tienen las segundas energías de primera ionización más bajas en sus respectivos períodos de la tabla periódica [ 4 ] debido a sus cargas nucleares efectivas algo bajas y la capacidad de alcanzar una configuración de capa externa completa perdiendo solo dos electrones . La segunda energía de ionización de todos los metales alcalinos también es algo baja. [ 2 ] [ 4 ]
El berilio es una excepción: no reacciona con el agua ni con el vapor a menos que sea a temperaturas muy elevadas, [ 10 ] y sus haluros son covalentes. Si el berilio formara compuestos con un estado de ionización de +2, polarizaría fuertemente las nubes electrónicas cercanas y causaría una superposición orbital extensa , dado que el berilio tiene una alta densidad de carga. Todos los compuestos que contienen berilio tienen un enlace covalente. [ 11 ] Incluso el fluoruro de berilio , que es el compuesto de berilio más iónico, tiene un punto de fusión bajo y una baja conductividad eléctrica cuando está fundido. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
Todos los metales alcalinotérreos tienen dos electrones en su capa de valencia, por lo que el estado energéticamente preferido para lograr una capa electrónica completa es perder dos electrones para formar iones positivos doblemente cargados . [ 15 ]
Compuestos y reacciones
Todos los metales alcalinotérreos reaccionan con los halógenos para formar haluros iónicos, como el cloruro de calcio ( CaCl₂).2 ), así como reaccionar conoxígenopara formar óxidos comoel óxido de estroncio(SrO). El calcio, el estroncio y el bario reaccionan con agua para producirhidrógeno gaseosoy sus respectivoshidróxidos(el magnesio también reacciona, pero mucho más lentamente), y también experimentande transmetalaciónpara intercambiarligandos. [ 16 ]
Físico y atómico
Estabilidad nuclear
Los isótopos de los seis metales alcalinotérreos están presentes en la corteza terrestre y en el Sistema Solar en concentraciones variables, dependiendo de las vidas medias de los nucleidos y, por lo tanto, de sus estabilidades nucleares. Los primeros cinco tienen uno , tres , cinco , cuatro y seis isótopos estables (o estables desde el punto de vista observacional) respectivamente, para un total de 19 nucleidos estables, como se indica aquí: berilio-9; magnesio-24, -25, -26; calcio- 40 , -42, -43, -44, -46 ; estroncio- 84 , -86, -87, -88; bario- 132 , -134, -135, -136, -137, -138. Según la energética de la desintegración de los radionúclidos, los cuatro isótopos subrayados en la lista son estables solo desde el punto de vista observacional y se desintegran con vidas medias extremadamente largas mediante desintegración beta doble , aunque hasta 2024 no se había observado ninguna desintegración atribuida definitivamente a estos isótopos. El radio no tiene isótopos estables ni primordiales .
Además de las especies estables, el calcio y el bario tienen cada uno un radionúclido primordial y de vida extremadamente larga : el calcio-48 y el bario-130, con vidas medias de5,6 × 10 19 y1,6 × 10²¹ años, respectivamente. Ambos son mucho más largos que la edad actual del universo (4,7 × y 117 × mil millones de veces más largos, respectivamente) y menos de una parte por cada diez mil millones se ha desintegrado desde la formación de la Tierra . Los dos isótopos son estables para fines prácticos.
Aparte de los 21 isótopos estables o casi estables , los seis elementos alcalinotérreos poseen cada uno un gran número de radioisótopos conocidos . Ninguno de los isótopos, salvo los 21 mencionados, es primordial : todos tienen vidas medias demasiado cortas como para que siquiera un solo átomo haya sobrevivido desde la formación del Sistema Solar, tras la siembra de núcleos pesados por supernovas cercanas y colisiones entre estrellas de neutrones , y los presentes se derivan de procesos naturales en curso. El berilio-7 , el berilio-10 y el calcio-41 son nucleidos traza , así como cosmogénicos , formados por el impacto de los rayos cósmicos con átomos atmosféricos o de la corteza terrestre. Entre ellos, los periodos de semidesintegración más largos son 1,387 millones de años para el berilio-10, 99,4 mil años para el calcio-41, 1599 años para el radio-226 (el isótopo de radio de mayor duración), 28,90 años para el estroncio-90 , 10,51 años para el bario-133 y 5,75 años para el radio-228. Todos los demás tienen periodos de semidesintegración inferiores a medio año, siendo la mayoría significativamente más cortos.
El calcio-48 y el bario-130, los dos isótopos primordiales e inestables, se desintegran únicamente mediante emisión beta doble [ n 5 ] y tienen vidas medias extremadamente largas , en virtud de la probabilidad extremadamente baja de que ambas desintegraciones beta ocurran al mismo tiempo. Todos los isótopos del radio son altamente radiactivos y se generan principalmente a través de la desintegración de radionúclidos más pesados . El de mayor vida media es el radio-226, un miembro de la cadena de desintegración del uranio-238 . [ 29 ] El estroncio-90 y el bario-140 son productos de fisión comunes del uranio en reactores nucleares, representando el 5,73% y el 6,31% de los productos de fisión del uranio-235 respectivamente cuando son bombardeados por neutrones térmicos. [ 30 ] Los dos isótopos tienen vidas medias de 28,90 años y 12,7 días cada uno. El estroncio-90 se produce en cantidades apreciables en los reactores nucleares en funcionamiento que utilizan combustible de uranio-235 o plutonio-239 , y también está presente una minúscula concentración de equilibrio secular debido a las raras desintegraciones por fisión espontánea en el uranio que se encuentra en la naturaleza.
El calcio-48 es el nucleido más ligero conocido que experimenta desintegración beta doble . [ 31 ] El calcio y el bario presentes en la naturaleza son muy poco radiactivos: el calcio contiene aproximadamente un 0,1874 % de calcio-48, [ 32 ] y el bario contiene aproximadamente un 0,1062 % de bario-130. [ 33 ] En promedio, se produce una desintegración beta doble del calcio-48 por segundo por cada 90 toneladas de calcio natural, o 230 toneladas de piedra caliza (carbonato de calcio). [ 34 ] Mediante el mismo mecanismo de desintegración, se produce una desintegración del bario-130 por segundo por cada 16 000 toneladas de bario natural, o 27 000 toneladas de barita (sulfato de bario). [ 35 ]
El isótopo de radio de mayor duración es el radio-226, con una vida media de 1600 años; este, junto con el radio-223 , -224 y -228, se produce de forma natural en las cadenas de desintegración del torio y el uranio primordiales . El berilio-8 destaca por su ausencia, ya que se divide prácticamente instantáneamente en dos partículas alfa cada vez que se forma. El proceso de triple alfa en las estrellas solo puede ocurrir a energías lo suficientemente altas como para que el berilio-8 se fusione con una tercera partícula alfa antes de desintegrarse, formando carbono-12 . Este cuello de botella termonuclear limitante es la razón por la que la mayoría de las estrellas de la secuencia principal pasan miles de millones de años fusionando hidrógeno en sus núcleos, y solo rara vez logran fusionar carbono antes de colapsar en un remanente estelar, e incluso entonces, solo durante una escala de tiempo de ~1000 años. [ 36 ] Los radioisótopos de los metales alcalinotérreos tienden a acumularse en los huesos , ya que se comportan químicamente de forma similar al calcio, un componente integral de la hidroxiapatita en el hueso compacto , y se acumulan gradualmente en el esqueleto humano. Los radionúclidos incorporados causan un daño significativo a la médula ósea con el tiempo mediante la emisión de radiación ionizante, principalmente partículas alfa. Esta propiedad se aprovecha de forma positiva en la radioterapia de ciertos cánceres óseos , ya que las propiedades químicas de los radionúclidos hacen que se dirijan preferentemente a los crecimientos cancerosos en el tejido óseo, dejando el resto del cuerpo relativamente intacto.
En comparación con sus vecinos en la tabla periódica, los metales alcalinotérreos tienden a tener un mayor número de isótopos estables, ya que todos poseen un número par de protones debido a su condición de elementos del grupo 2. Sus isótopos son generalmente más estables debido al apareamiento de nucleones. Esta estabilidad se ve reforzada si el isótopo también tiene un número par de neutrones, ya que ambos tipos de nucleones pueden participar en el apareamiento y contribuir a la estabilidad del núcleo.
Historia
Etimología
Los metales alcalinotérreos reciben su nombre de sus óxidos , las tierras alcalinas , cuyos nombres antiguos eran berilia , magnesia , cal , estroncia y baria . Estos óxidos son básicos (alcalinos) al combinarse con agua. El término "tierra" era utilizado por los primeros químicos para referirse a sustancias no metálicas insolubles en agua y resistentes al calor, propiedades que comparten estos óxidos. Se atribuye al químico Antoine Lavoisier la constatación de que estas tierras no eran elementos, sino compuestos . En su Traité Élémentaire de Chimie ( Elementos de Química ) de 1789, las denominó elementos de tierra formadores de sales. Posteriormente, sugirió que las tierras alcalinas podrían ser óxidos metálicos, pero admitió que se trataba de una mera conjetura. En 1808, actuando según la idea de Lavoisier, Humphry Davy se convirtió en el primero en obtener muestras de los metales mediante la electrólisis de sus tierras fundidas, [ 37 ] apoyando así la hipótesis de Lavoisier y provocando que el grupo recibiera el nombre de metales alcalinotérreos .
Descubrimiento
Los compuestos de calcio calcita y cal se conocen y utilizan desde tiempos prehistóricos. [ 38 ] Lo mismo ocurre con los compuestos de berilio berilo y esmeralda . [ 39 ] Los demás compuestos de los metales alcalinotérreos se descubrieron a partir de principios del siglo XV. El compuesto de magnesio sulfato de magnesio fue descubierto por primera vez en 1618 por un agricultor en Epsom , Inglaterra. El carbonato de estroncio se descubrió en minerales en el pueblo escocés de Strontian en 1790. El último elemento es el menos abundante: el radio radiactivo , que se extrajo de la uraninita en 1898. [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]
Todos los elementos, excepto el berilio, se aislaron mediante electrólisis de compuestos fundidos. El magnesio, el calcio y el estroncio fueron producidos por primera vez por Humphry Davy en 1808, mientras que el berilio fue aislado independientemente por Friedrich Wöhler y Antoine Bussy en 1828 mediante la reacción de compuestos de berilio con potasio. En 1910, el radio fue aislado como metal puro por Curie y André-Louis Debierne también mediante electrólisis. [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]
Berilio
El berilo , un mineral que contiene berilio, se conoce desde la época del Reino Ptolemaico en Egipto. [ 39 ] Aunque originalmente se pensó que el berilo era un silicato de aluminio , [ 43 ] posteriormente se descubrió que contenía un elemento entonces desconocido cuando, en 1797, Louis-Nicolas Vauquelin disolvió hidróxido de aluminio del berilo en un álcali. [ 44 ] En 1828, Friedrich Wöhler [ 45 ] y Antoine Bussy [ 46 ] aislaron independientemente este nuevo elemento, el berilio, mediante el mismo método, que implicaba una reacción de cloruro de berilio con potasio metálico ; esta reacción no fue capaz de producir grandes lingotes de berilio. [ 47 ] No fue hasta 1898, cuando Paul Lebeau realizó una electrólisis de una mezcla de fluoruro de berilio y fluoruro de sodio , que se produjeron grandes muestras puras de berilio. [ 47 ]
Magnesio
El magnesio fue producido por primera vez por Humphry Davy en Inglaterra en 1808 mediante la electrólisis de una mezcla de magnesia y óxido mercúrico . [ 48 ] Antoine Bussy lo preparó en forma coherente en 1831. La primera sugerencia de Davy para un nombre fue magnio, [ 48 ] pero ahora se usa el nombre magnesio.
Calcio
La cal se ha utilizado como material de construcción desde el 7000 al 14000 a. C., [ 38 ] y se han datado hornos utilizados para la cal en el 2500 a. C. en Khafaja , Mesopotamia . [ 49 ] [ 50 ] El calcio como material se conoce al menos desde el siglo I, ya que se sabe que los antiguos romanos utilizaban óxido de calcio preparándolo a partir de cal. Se sabe que el sulfato de calcio puede fijar huesos rotos desde el siglo X. Sin embargo, el calcio en sí no se aisló hasta 1808, cuando Humphry Davy , en Inglaterra , utilizó la electrólisis en una mezcla de cal y óxido mercúrico , [ 51 ] después de oír que Jöns Jakob Berzelius había preparado una amalgama de calcio a partir de la electrólisis de cal en mercurio.
Estroncio
En 1790, el médico Adair Crawford descubrió minerales con propiedades distintivas, que Thomas Charles Hope , profesor de química en la Universidad de Glasgow , denominó estroncitas en 1793 , [ 52 ] quien confirmó el descubrimiento de Crawford. El estroncio fue finalmente aislado en 1808 por Humphry Davy mediante electrólisis de una mezcla de cloruro de estroncio y óxido mercúrico . Davy anunció el descubrimiento el 30 de junio de 1808 en una conferencia ante la Royal Society. [ 53 ]
Bario
La barita , un mineral que contiene bario, fue reconocida por primera vez como un nuevo elemento en 1774 por Carl Scheele , aunque solo pudo aislar óxido de bario . El óxido de bario fue aislado nuevamente dos años después por Johan Gottlieb Gahn . Más tarde, en el siglo XVIII, William Withering observó un mineral pesado en las minas de plomo de Cumberland , que ahora se sabe que contienen bario. El bario en sí fue finalmente aislado en 1808 cuando Humphry Davy utilizó electrólisis con sales fundidas, y Davy nombró al elemento bario , en honor a la barita . Posteriormente, Robert Bunsen y Augustus Matthiessen aislaron bario puro mediante electrólisis de una mezcla de cloruro de bario y cloruro de amonio . [ 54 ] [ 55 ]
Radio
Mientras estudiaban la uraninita , el 21 de diciembre de 1898, Marie y Pierre Curie descubrieron que, incluso después de la desintegración del uranio, el material resultante seguía siendo radiactivo. Este material se comportaba de forma similar a los compuestos de bario , aunque algunas propiedades, como el color de la prueba de la llama y las líneas espectrales, eran muy diferentes. Anunciaron el descubrimiento de un nuevo elemento el 26 de diciembre de 1898 a la Academia Francesa de Ciencias . [ 56 ] El radio recibió su nombre en 1899 a partir de la palabra radio , que significa rayo , ya que el radio emitía energía en forma de rayos. [ 57 ]
Aparición
El berilio se encuentra en la corteza terrestre en una concentración de dos a seis partes por millón (ppm), [ 58 ] gran parte de la cual se halla en los suelos, donde tiene una concentración de seis ppm. El berilio es uno de los elementos más raros en el agua de mar, incluso más raro que elementos como el escandio , con una concentración de 0,2 partes por billón. [ 59 ] [ 60 ] Sin embargo, en el agua dulce, el berilio es algo más común, con una concentración de 0,1 partes por mil millones. [ 61 ]
El magnesio y el calcio son muy comunes en la corteza terrestre, siendo respectivamente el quinto y el octavo elemento más abundante. Ninguno de los metales alcalinotérreos se encuentra en estado elemental. Los minerales comunes que contienen magnesio son la carnalita , la magnesita y la dolomita . Los minerales comunes que contienen calcio son la tiza , la caliza , el yeso y la anhidrita . [ 2 ]
El estroncio es el decimoquinto elemento más abundante en la corteza terrestre. Los principales minerales son la celestita y la estroncianita . [ 62 ] El bario es ligeramente menos común, y se encuentra principalmente en el mineral barita . [ 63 ]
El radio, al ser un producto de la desintegración del uranio , se encuentra en todos los minerales que contienen uranio . [ 64 ] Debido a su vida media relativamente corta, [ 65 ] el radio de la historia temprana de la Tierra se ha desintegrado, y las muestras actuales provienen de la desintegración mucho más lenta del uranio. [ 64 ]
Producción
La producción de los seis metales alcalinotérreos puede darse de muchas maneras.
Berilio
La mayor parte del berilio se extrae del hidróxido de berilio. Un método de producción es la sinterización , que se realiza mezclando berilo , fluorosilicato de sodio y sosa a altas temperaturas para formar fluoroberilato de sodio , óxido de aluminio y dióxido de silicio . Una solución de fluoroberilato de sodio e hidróxido de sodio en agua se utiliza posteriormente para formar hidróxido de berilio por precipitación. Alternativamente, en el método de fusión, el berilo en polvo se calienta a alta temperatura, se enfría con agua y luego se calienta ligeramente de nuevo en ácido sulfúrico , obteniéndose finalmente hidróxido de berilio. El hidróxido de berilio obtenido por cualquiera de los dos métodos produce fluoruro de berilio y cloruro de berilio mediante un proceso relativamente largo. La electrólisis o el calentamiento de estos compuestos pueden producir berilio. [ 11 ]
Estroncio
En general, el carbonato de estroncio se extrae del mineral celestita mediante dos métodos: lixiviando la celestita con carbonato de sodio o de una manera más compleja que involucra carbón . [ 66 ]
Bario
Para producir bario, la barita (sulfato de bario impuro) se convierte en sulfuro de bario mediante reducción carbotérmica (por ejemplo, con coque ). El sulfuro es soluble en agua y reacciona fácilmente para formar sulfato de bario puro, utilizado en pigmentos comerciales, u otros compuestos, como el nitrato de bario . Estos, a su vez, se calcinan para obtener óxido de bario , que finalmente produce bario puro tras su reducción con aluminio . [ 63 ] El principal proveedor de bario es China , que produce más del 50 % del suministro mundial. [ 67 ]
Magnesio
El magnesio se suele producir a partir de mineral de magnesita , así como de dolomita . Cuando la dolomita se tritura, se tuesta y se mezcla con agua de mar en grandes tanques, el hidróxido de magnesio se deposita en el fondo. Al calentarlo, mezclarlo con coque y reaccionar con cloro, se produce cloruro de magnesio fundido. Este se puede electrolizar, liberando magnesio, que flota en la superficie. [ 68 ]
Calcio
El calcio es el quinto elemento más abundante en la corteza terrestre, existiendo principalmente como carbonato de calcio. Otros minerales importantes de calcio incluyen el yeso, la anhidrita, la fluorita y la apatita. [ 5 ] Los mayores productores de calcio del mundo son China y Rusia, donde se utiliza el método de electrólisis de Davy sobre el cloruro de calcio para producir el metal. Otros grandes productores de calcio son Estados Unidos y Canadá, donde la cal se reduce con aluminio a altas temperaturas. [ 69 ]
Radio
Marie Skłodowska-Curie desarrolló los primeros métodos de extracción de radio utilizando residuos de pechblenda, tras su extracción de uranio. Estos residuos contenían principalmente sulfato de bario. Un largo proceso de purificación que implicaba hervir con hidróxido de sodio, tratar con ácido clorhídrico y luego añadir carbonato de sodio producía una mezcla de carbonatos de bario y radio, que podía convertirse en cloruros, y de la cual la sal de radio podía separarse mediante cristalización fraccionada. [ 70 ] El método de Curie se utilizó hasta 1940, después de lo cual los bromuros mixtos se hicieron más populares. [ 71 ] A partir de 2011, el radio se extrae únicamente del combustible gastado de reactores como óxidos. [ 72 ] El metal puro puede aislarse por reducción con aluminio al vacío a 1200 °C. [ 73 ]
Aplicaciones
El berilio se utiliza principalmente en aplicaciones militares, [ 74 ] pero existen usos no militares. En electrónica, el berilio se utiliza como dopante de tipo p en algunos semiconductores, [ 75 ] y el óxido de berilio se utiliza como aislante eléctrico de alta resistencia y conductor térmico . [ 76 ] Las aleaciones de berilio se utilizan para piezas mecánicas cuando se requiere rigidez, peso ligero y estabilidad dimensional en un amplio rango de temperaturas. [ 77 ] [ 78 ] El berilio-9 se utiliza en fuentes de neutrones a pequeña escala que utilizan la reacción 9 Be + 4 He (α) → 12 C + 1 n , la reacción utilizada por James Chadwick cuando descubrió el neutrón . Su bajo peso atómico y baja sección transversal de absorción de neutrones harían que el berilio fuera adecuado como moderador de neutrones , pero su alto precio y las alternativas fácilmente disponibles como el agua, el agua pesada y el grafito nuclear han limitado esto a aplicaciones de nicho. En el eutéctico FLiBe utilizado en reactores de sales fundidas , el papel del berilio como moderador es más incidental que la propiedad deseada que motivó su uso.
El magnesio tiene muchos usos. Ofrece ventajas sobre otros materiales estructurales como el aluminio , pero su inflamabilidad limita su uso. [ 79 ] El magnesio se alea frecuentemente con aluminio, zinc y manganeso para aumentar su resistencia y su resistencia a la corrosión. [ 80 ] El magnesio tiene muchas otras aplicaciones industriales, como su papel en la producción de hierro y acero , y en el proceso Kroll para la producción de titanio . [ 81 ]
El calcio se utiliza como agente reductor en la separación de otros metales, como el uranio , del mineral. Es un componente principal de muchas aleaciones, especialmente de aluminio y cobre , y también se utiliza para desoxidarlas. El calcio interviene en la elaboración de queso , morteros y cemento . [ 82 ]
El estroncio y el bario tienen menos aplicaciones que los metales alcalinotérreos más ligeros. El carbonato de estroncio se utiliza en la fabricación de fuegos artificiales rojos . [ 83 ] El estroncio puro se utiliza en el estudio de la liberación de neurotransmisores en las neuronas. [ 84 ] [ 85 ] El estroncio-90 radiactivo se utiliza en algunos generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) , [ 86 ] [ 87 ] que aprovechan su calor de desintegración . El bario se utiliza en tubos de vacío como absorbente para eliminar gases. [ 63 ] El sulfato de bario tiene muchos usos en la industria petrolera , [ 4 ] [ 88 ] y otras industrias. [ 4 ] [ 63 ] [ 89 ]
El radio tuvo muchas aplicaciones en el pasado debido a su radiactividad, pero su uso ya no es común debido a los efectos adversos para la salud y su larga vida media. El radio se usaba frecuentemente en pinturas luminiscentes , [ 90 ] aunque este uso se suspendió después de que enfermara a los trabajadores. [ 91 ] La pseudociencia nuclear que alegaba beneficios para la salud del radio llevó en el pasado a su adición al agua potable , la pasta de dientes y muchos otros productos. [ 79 ] El radio ya no se usa incluso cuando se desean sus propiedades radiactivas porque su larga vida media dificulta su eliminación segura. Por ejemplo, en braquiterapia , generalmente se utilizan alternativas de vida media más corta como el iridio-192 . [ 92 ] [ 93 ]
Reacciones representativas de los metales alcalinotérreos
Reacción con halógenos
- Ca + Cl 2 → CaCl 2
El cloruro de calcio anhidro es una sustancia higroscópica que se utiliza como desecante. Al exponerse al aire, absorbe el vapor de agua presente en él, formando una disolución. Esta propiedad se conoce como delicuescencia .
Reacción con oxígeno
- Ca + 1/2O 2 → CaO
- Mg + 1/2O₂ → MgO
Reacción con azufre
- Ca + 1/8S 8 → CaS
Reacción con carbono
Con el carbono, forman acetiluros directamente. El berilio forma carburo.
- 2Be + C → Be 2 C
- CaO + 3C → CaC 2 + CO (a 2500 °C en horno)
- CaC 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + C 2 H 2
- Mg₂C₃ + 4H₂O → 2Mg ( OH ) ₂ + C₃H₄
Reacción con nitrógeno
Solo el Be y el Mg forman nitruros directamente.
- 3Be + N 2 → Be 3 N 2
- 3Mg + N 2 → Mg 3 N 2
Reacción con hidrógeno
Los metales alcalinotérreos reaccionan con el hidrógeno para generar hidruros salinos que son inestables en el agua.
- Ca + H 2 → CaH 2
Reacción con agua
El Ca, el Sr y el Ba reaccionan fácilmente con el agua para formar hidróxido e hidrógeno gaseoso. El Be y el Mg están pasivados por una capa impermeable de óxido. Sin embargo, el magnesio amalgamado reacciona con el vapor de agua.
- Mg + H₂O → MgO + H₂
Reacción con óxidos ácidos
Los metales alcalinotérreos reducen el no metal a partir de su óxido.
- 2Mg + SiO 2 → 2MgO + Si
- 2Mg + CO₂ → 2MgO + C (en dióxido de carbono sólido )
Reacción con ácidos
- Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂
- Be + 2HCl → BeCl 2 + H 2
Reacción con bases
El berilio presenta propiedades anfotéricas . Se disuelve en hidróxido de sodio concentrado .
- Ser + NaOH + 2H 2 O → Na[Be(OH) 3 ] + H 2
Reacción con haluros de alquilo
El magnesio reacciona con los haluros de alquilo mediante una reacción de inserción para generar reactivos de Grignard .
- RX + Mg → RMgX (en éter anhidro)
Identificación de cationes alcalinotérreos
La prueba de la llama
La tabla que aparece a continuación [ 94 ] presenta los colores observados cuando la llama de un mechero Bunsen se expone a sales de metales alcalinotérreos. El Be y el Mg no imparten color a la llama debido a su pequeño tamaño. [ 95 ]
En solución
Mg 2+
El fosfato disódico es un reactivo muy selectivo para los iones magnesio y, en presencia de sales de amonio y amoníaco, forma un precipitado blanco de fosfato de magnesio y amonio.
- Mg 2+ + NH 3 + Na 2 HPO 4 → (NH 4 )MgPO 4 + 2Na +
Ca 2+
El Ca²⁺ forma un precipitado blanco con el oxalato de amonio. El oxalato de calcio es insoluble en agua, pero soluble en ácidos minerales.
- Ca 2+ + (COO) 2 (NH 4 ) 2 → (COO) 2 Ca + NH 4 +
Sr 2+
Los iones de estroncio precipitan con sales de sulfato solubles.
- Sr 2+ + Na 2 SO 4 → SrSO 4 + 2Na +
Todos los iones de los metales alcalinotérreos forman un precipitado blanco con carbonato de amonio en presencia de cloruro de amonio y amoníaco.
Compuestos de metales alcalinotérreos
Óxidos
Los óxidos de metales alcalinotérreos se forman a partir de la descomposición térmica de los carbonatos correspondientes .
- CaCO₃ → CaO + CO₂ ( a aprox. 900 °C)
En el laboratorio, se obtienen a partir de hidróxidos:
- Mg ( OH) ₂ → MgO + H₂O
o nitratos:
- Ca(NO₃ ) ₂ → CaO + 2NO₂ + 1/ 2O₂
Los óxidos presentan carácter básico: tiñen de rojo la fenolftaleína y de azul el papel tornasol . Reaccionan con el agua para formar hidróxidos en una reacción exotérmica.
- CaO + H₂O → Ca(OH) ₂ + Q
El óxido de calcio reacciona con el carbono para formar acetiluro.
- CaO + 3C → CaC 2 + CO (a 2500°C)
- CaC 2 + N 2 → CaCN 2 + C
- CaCN 2 + H 2 SO 4 → CaSO 4 + H 2 N—CN
- H 2 N—CN + H 2 O → (H 2 N) 2 CO ( urea )
- CaCN 2 + 2H 2 O → CaCO 3 + NH 3
hidróxidos
Se generan a partir de los óxidos correspondientes al reaccionar con agua. Presentan carácter básico: tiñen de rosa la fenolftaleína y de azul el papel tornasol . El hidróxido de berilio es una excepción, ya que presenta carácter anfótero .
- Be(OH) 2 + 2HCl → BeCl 2 + 2 H 2 O
- Ser(OH) 2 + NaOH → Na[Be(OH) 3 ]
Sales
El calcio y el magnesio se encuentran en la naturaleza en muchos compuestos como la dolomita , la aragonita y la magnesita (rocas carbonatadas). Los iones de calcio y magnesio se encuentran en el agua dura . El agua dura representa un problema complejo. Es de gran interés eliminar estos iones para ablandar el agua. Este procedimiento se puede realizar utilizando reactivos como el hidróxido de calcio , el carbonato de sodio o el fosfato de sodio . Un método más común es utilizar aluminosilicatos de intercambio iónico o resinas de intercambio iónico que atrapan el Ca²⁺ y el Mg²⁺ y liberan Na⁺ .
- Na 2 O·Al 2 O 3 ·6SiO 2 + Ca 2+ → CaO·Al 2 O 3 ·6SiO 2 + 2Na +
Función biológica y precauciones
El magnesio y el calcio son esenciales para todos los organismos vivos conocidos. El magnesio se encuentra en las plantas, donde aparece en la clorofila . [ 96 ] Los iones de calcio desempeñan un papel importante en la señalización celular , [ 97 ] y las sales de calcio también cumplen una función estructural, sobre todo en los huesos de los vertebrados [ 98 ] y en algunas conchas de los invertebrados [ 99 ] .
El estroncio desempeña un papel importante en la vida acuática marina, especialmente en los corales duros, que lo utilizan para construir sus exoesqueletos [ 100 ] . En medicina, los compuestos de estroncio se emplean en algunas pastas dentales para reducir la hipersensibilidad dental [ 101 ] . Si bien el estroncio generalmente tiene una baja toxicidad, los isótopos radiactivos de estroncio (como el estroncio-90 ) pueden ser tóxicos. Dado que el estroncio-90 imita al calcio (es decir, actúa como un " buscador óseo "), se bioacumula con una vida media biológica significativa , por lo que la exposición prolongada al estroncio-90 en bajas concentraciones aún puede dañar las células [ 102 ] .
El bario tiene una función biológica mínima, ya que el bario soluble (iones Ba²⁺ ) es tóxico. Sin embargo, en el género Loxodes , un orgánulo conocido como vesícula de Müller contiene sales de bario, lo que permite a la célula orientarse espacialmente mediante la gravedad. [ 103 ] [ 104 ] El bario, especialmente su sulfato (BaSO₄ ) , también se utiliza en medicina. Dado que el sulfato de bario tiene una baja toxicidad y una densidad relativamente alta de 4,5 g/cm³ , se utiliza como agente de contraste radiológico en imágenes de rayos X (" tratamientos con bario " y " enemas de bario ").
El berilio y el radio, sin embargo, son tóxicos. [ 105 ] [ 106 ] La baja solubilidad acuosa del berilio significa que rara vez está disponible para los sistemas biológicos; no tiene ningún papel conocido en los organismos vivos y, cuando entran en contacto con ellos, suele ser altamente tóxico. La exposición aguda al berilio, generalmente por inhalación, causa inflamación en las vías respiratorias. La exposición prolongada puede causar beriliosis o enfermedad crónica por berilio (ECB). El radio tiene baja disponibilidad y es altamente radiactivo, lo que lo hace tóxico para la vida. La exposición a grandes cantidades de radio puede causar anemia, cataratas, fracturas dentales y la muerte. Además, dado que el radio emite radiación gamma , simplemente estar cerca de áreas con altos niveles de radio puede ser peligroso.
Extensiones
Se cree que el siguiente metal alcalinotérreo después del radio es el elemento 120 , aunque esto podría no ser cierto debido a efectos relativistas . [ 107 ] La síntesis del elemento 120 se intentó por primera vez en marzo de 2007, cuando un equipo del Laboratorio Flerov de Reacciones Nucleares en Dubna bombardeó plutonio -244 con iones de hierro -58; sin embargo, no se produjeron átomos, lo que llevó a un límite de 400 fb para la sección transversal a la energía estudiada. [ 108 ] En abril de 2007, un equipo del GSI intentó crear el elemento 120 bombardeando uranio -238 con níquel -64, aunque no se detectaron átomos, lo que llevó a un límite de 1,6 pb para la reacción. La síntesis se intentó nuevamente con sensibilidades más altas, aunque no se detectaron átomos. Se han probado otras reacciones, aunque todas han fracasado. [ 109 ]
Se predice que la química del elemento 120 se asemeja más a la del calcio o el estroncio [ 110 ] que a la del bario o el radio . Esto contrasta notablemente con las tendencias periódicas , que predecirían que el elemento 120 sería más reactivo que el bario y el radio. Esta menor reactividad se debe a las energías esperadas de los electrones de valencia del elemento 120, lo que aumenta su energía de ionización y disminuye sus radios metálico e iónico . [ 110 ]
El siguiente metal alcalinotérreo después del elemento 120 no se ha predicho con certeza. Si bien una simple extrapolación utilizando el principio de Aufbau sugeriría que el elemento 170 es un congénere del 120, los efectos relativistas podrían invalidar dicha extrapolación. Se ha predicho que el siguiente elemento con propiedades similares a las de los metales alcalinotérreos es el elemento 166, aunque debido a la superposición de orbitales y a una menor brecha de energía por debajo de la subcapa 9s, el elemento 166 podría ubicarse en el grupo 12 , por debajo del copernicio . [ 111 ] [ 112 ]
Véase también
Notas explicativas
- ↑ La notación de gases nobles se utiliza para mayor concisión; primero se escribe el gas noble más cercano que precede al elemento en cuestión, y luego se continúa la configuración electrónica a partir de ese punto.
- ↑ El número que aparece entre paréntesis se refiere a la incertidumbre de la medición . Esta incertidumbre se aplica a la (s) cifra(s) menos significativa (s) del número anterior(es) al valor entre paréntesis (es decir, contando desde el dígito más a la derecha hacia la izquierda). Por ejemplo,1.007 94 (7) representa1,007 94 ± 0,000 07 , mientras que1.007 94 (72) representa1,007 94 ± 0,000 72 . [ 21 ]
- ↑ El elemento no tiene nucleidos estables , y un valor entre corchetes indica el número másico del isótopo de mayor duracióndel elemento. [ 22 ] [ 23 ]
- ↑ Nunca se ha observado el color de la prueba de llama del radio puro; el color rojo carmesí es una extrapolación del color de la prueba de llama de sus compuestos. [ 27 ]
- ↑ El calcio-48 es teóricamente capaz de desintegrarse en una sola partícula beta , pero este proceso nunca se ha observado. [ 28 ]
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«El berilio no reacciona con el agua ni con el vapor, ni siquiera a temperaturas muy altas». Esto se citaba con frecuencia en los libros de texto… Sin embargo, un investigador me envió una foto que mostraba el resultado de exponer el berilio al vapor a 800 °C. Definitivamente, sí reacciona. Creo que el problema radica en que el berilio es caro y conlleva importantes riesgos para la salud… Las afirmaciones sobre él que aparecen en los libros de texto (o, en la actualidad, en internet) nunca se verifican.
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Lecturas adicionales
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- Petrucci RH, Harwood WS y Herring FG, Química general (8.ª edición, Prentice-Hall, 2002)
- Silberberg, MS, Química: La naturaleza molecular de la materia y el cambio (3.ª edición, McGraw-Hill, 2009)
- metales alcalinotérreos
- Grupos (tabla periódica)
- Tabla periódica
