Los elementos del Grupo 1, conocidos como metales alcalinos, son abundantes en la naturaleza. Algunos de sus compuestos han sido utilizados desde tiempos prehistóricos. Sin embargo, no se logró aislar estos elementos en su estado puro hasta hace aproximadamente doscientos años. El descubrimiento de los compuestos de metales alcalinos requería desarrollos científicos novedosos, ya que no se descomponían fácilmente mediante procedimientos químicos ordinarios. El sodio (1807) y el potasio (1807) fueron descubiertos mediante electrólisis, mientras que el litio fue descubierto en 1817. El cesio (1860) y el rubidio (1861) fueron identificados como nuevos elementos a través de sus espectros de emisión. El francio (1939) fue aislado a partir de productos de la desintegración radiactiva del actinio.
Debido a que la mayoría de los compuestos de los metales alcalinos son solubles en agua, es posible obtener varios compuestos de Li, Na y K a partir de salmueras naturales, como doruros, carbonatos y sulfatos. Algunos de estos compuestos, como NaCl, KCl y Na2CO3, se encuentran en minas como depósitos sólidos. El cloruro de sodio también puede obtenerse del agua del mar. Una fuente importante de litio es el mineral espodumena, LiAl(SiO3)2. El rubidio y el cesio se obtienen como subproductos del procesamiento de minerales de litio.
Propiedades físicas de los metales alcalinos
Cualquiera que sea la propiedad que se examine, los elementos del Grupo 1 son los metales más reactivos. A continuación se analizan algunas de estas propiedades.
Colores de la llama: las diferencias de energía entre los orbitales s y p de la capa de valencia de los metales del Grupo 1 corresponden a longitudes de onda de luz visible. Por lo tanto, cuando los compuestos de los metales del Grupo 1 se calientan en una llama, se producen colores característicos. Por ejemplo, cuando el NaCl se vaporiza en una llama, los iones se convierten en átomos gaseosos. Los átomos de Na(g) se excitan a niveles de energía más altos y cuando estos átomos excitados de sodio (Na*) vuelven a sus configuraciones electrónicas fundamentales, emiten luz con una longitud de onda de 589 nm (amarillo). Los compuestos de los metales alcalinos se utilizan en pirotecnia para crear fuegos artificiales.
Densidad y puntos de fusión: los átomos de los elementos del Grupo 1 son los más grandes de su periodo, y los radios atómicos tienden a aumentar hacia abajo en el grupo. Estos átomos grandes tienen una baja densidad en relación a su masa por unidad de volumen. Los metales alcalinos más ligeros (Li, Na y K) flotan en el agua. Debido a sus grandes tamaños atómicos y a tener solo un electrón de valencia por átomo, su enlace metálico es relativamente débil. Como resultado, los metales alcalinos tienen puntos de fusión bajos y son bastante blandos. Una barra de sodio tiene la consistencia de una barra de mantequilla congelada y se puede cortar fácilmente con un cuchillo.
Potenciales de electrodo: una indicación del carácter metálico de los elementos del Grupo 1 son sus potenciales de electrodo negativos y altos. Los iones M*(aq) rara vez se reducen a metales M(s), mientras que los metales se oxidan fácilmente a iones M+(aq). Todos los metales alcalinos pueden desplazar con facilidad el H2(g) del agua.
2 M(s) + 2 H2O(l) → 2 M+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g)
E°cell = E°reduction;H2 - E°oxidation;M
(-0.828 V) = E°reduction;H2 - E°oxidation;M
Utilizando los potenciales estándar de reducción, se pueden calcular los siguientes valores de E°cell:
E°cell = 2.212 V (para Li), 1.885 V (para Na), 2.096 V (para K), 2.096 V (para Rb), 2.095 V (para Cs).
Estos valores indican que el litio es el agente reductor más fuerte entre los metales alcalinos en disolución acuosa. Sin embargo, todos los metales alcalinos son fuertes agentes reductores en disolución acuosa. Al convertir estos valores de E°cell en constantes de equilibrio (K) mediante la ecuación K = exp(E°cell / (0.0592 V)), se obtienen valores de K que oscilan entre 7 x 10^31 para la reacción del Na(s) con agua y 2 x 10^37 para la reacción del Li(s) con agua. La posición de equilibrio de la reacción está muy desplazada hacia la derecha, lo que significa que la reacción transcurre casi por completo, sin importar qué metal alcalino la lleve a cabo.
Los experimentos demuestran que el litio reacciona más lentamente y con menos vigor con el agua que los otros metales alcalinos. Para explicar esto, debemos considerar lo que sucede con la energía liberada durante la reacción cuando el metal se oxida en presencia de agua. A medida que el metal reacciona, la energía liberada calienta el sistema, incluyendo el metal que no ha reaccionado. Para todos los metales alcalinos, excepto el litio, la energía liberada es suficiente para fundir el metal no reaccionado. La fusión del metal acelera la reacción al permitir que más átomos del metal entren en contacto con las moléculas de agua. Sin embargo, debido a que el litio no se funde durante la reacción, su reacción con el agua no es tan rápida ni tan vigorosa como la de los otros metales alcalinos.