Reacções características dos metais alcalinos e alcalino-terrosos

Como trabalho de projecto no clube de ciências, durante o 1.º período, o aluno Pedro Reis (da turma 9.º/7.ª) estudou algumas das reacções químicas características dos grupos 1 e 2 da tabela periódica (TP): os metais alcalinos e alcalino-terrosos. 

Muito reactivos, estes metais ardem com facilidade através de reacções de combustão com o O2(g) do ar, libertando-se no processo grandes quantidades de energia (geralmente na forma de luz e calor). As equações químicas dessas reacções são:

• Grupo 1: 4M(s) + O2(g) --> 2M2O(s) + energia   (M = Li, Na, K, ...)
• Grupo 2: 2M(s) + O2(g) --> 2MO(s) + energia    (M = Be, Mg, Ca, ...)

sendo as combustões dos primeiros muito mais energéticas que as dos segundos (no caso do cálcio, Ca, o calor libertado por uma simples lamparina de álcool é insuficiente para desencadear a reacção).

Estas reacções já tinham sido efectuadas nas sessões do clube do ano passado, todavia, neste ano lectivo, foi possível estudá-las com mais pormenor, bem como proceder a novos registos gráficos, como demonstra o seguinte vídeo da combustão do magnésio, Mg(s).

Outras combustões realizadas foram as do lítio, Li(s), e do potássio, K(s), ambos metais do grupo 1 da TP.

 

As combustões destes metais foram também estudadas nas aulas de Físico-Química do 9.º ano, tendo-se utilizado nas aulas das turmas 9.º/2.ª, 5.ª e 6.ª o espectroscópio construído pelo aluno José Rafael Correia (ver aqui para mais detalhes), para observação das riscas espectrais emitidas pelos átomos desses elementos aquando das reacções de combustão.

As imagens abaixo correspondem aos espectros de emissão esperados para os metais estudados: lítio, sódio e magnésio [fonte: wikipédia em língua inglesa].

Fig.1: Espectro de emissão dos átomos de lítio, Li [grupo 1 da TP].

Fig.2: Espectro de emissão dos átomos de sódio, Na [grupo 1 da TP].

Fig.3: Espectro de emissão dos átomos de magnésio, Mg [grupo 2 da TP].



Dos três espectros, apenas a risca verde do Mg foi visível com o espectroscópio construído, dada a intensidade da luz emitida durante a respectiva combustão. As riscas dos restantes espectros não puderam ser inequivocmente identificadas/visualizadas, pelo que, no próximo ano lectivo, um dos materiais a adquirir para o clube será um espectroscópio de bolso (não artesanal).

As riscas visíveis em cada um dos espectros resultam das transições dos electrões de valência dos átomos em causa (1 electrão no caso dos metais alcalinos e 2 electrões no caso dos alcalino-terrosos) quando "descem a escada energética" dos estados de maior energia (estados excitados) para o estado fundamental (estado de menor energia possível). 
As cores das radiações emitidas nestas transições (por metais destes grupos e de muitos outros) são a base dos famosos "fogos-de-artifício".

Outra reacção estudada pelo aluno Pedro Reis (e também nas aulas de Físico-Química) foi a reactividade com a água dos metais dos grupos 1 e 2 da TP, sendo disso exemplo a seguinte fotografia da reacção do potássio, K(s):

As equações químicas dessas reacções são traduzidas pelos esquemas

• Grupo 1: 2M(s) + 2H2O(l) --> 2MOH(aq) + H2(g) + energia  (M = Li, Na, K, Rb, ...)
• Grupo 2: M(s) + 2H2O(l) --> M(OH)2(aq) + H2(g) + energia (M = Mg, Ca, Ba, Sr, ...)

Tal como nas combustões, a reactividade dos metais do grupo 1 é muito maior que a dos metais do grupo 2, aumentando essa reactividade à medida que se desce em cada grupo (os electrões de valência vão ficando, em média, cada vez mais distantes dos núcleos dos respectivos átomos, sendo mais facilmente capturados pelas moléculas de água, H2O).

Este tipo de reacção é particularmente violenta com os metais do grupo 1, dada a extrema facilidade com que os átomos desses elementos perdem o seu único electrão de valência e rapidamente se forma H2(g), o combustível mais potente do Universo e um gás altamente inflamável, como demonstra o seguinte filme do desastre com o dirigível Hindenburg, ocorrido em 1937 aquando da sua aterragem em S. Francisco (EUA).