14 Maggio 2012 Atomi di Li e Na

Data pubblicazione: May 14, 2012 6:26:52 AM

Abbiamo due sostanze semplici del gruppo IA, i metalli alcalini. Una formata solo da atomi di litio e una formata solo da atomi di sodio.

Entrambe le sostanze sono metalliche, come può essere dimostrato dal rivelatore di conducibilità a LED.

pezzo di sodio appena tagliato il sodio metallico ha elettroni mobili

La conducibilità elettrica dimostra che ci sono elettroni abbastanza liberi di muoversi nello spazio tra gli ioni o nòccioli positivi rimanenti.

È evidente, infatti, che solo l'elettrone esterno di questi elementi, quello meno legato, cioè facilmente ionizzabile, sarà mobile.

Il litio (Li) e il sodio (Na) sono dei metalli particolari perché i loro atomi hanno grandi dimensioni e bassa carica del nòcciolo e degli ioni (+1).

Questo fa sì che i loro atomi si attraggano tra di loro più debolmente degli atomi degli altri metalli e siano perciò poco compatti.

Questi metalli sono così poco densi da galleggiare in acqua e così poco tenaci che si possono tagliare con un coltello.

Inoltre fondono a bassa temperatura (sodio a 98 °C e litio a 181 °C).

Ma la caratteristica chimica più interessante di questi metalli è che i loro atomi cedono facilmente l'elettrone esterno ad altre sostanze con cui entrano in contatto, diventando ioni positivi: Li⁺ ed Na⁺.

Ogni atomo delle molecole O₂ dell'ossigeno dell'aria cattura due elettroni dal sodio e dal litio, diventando ione ossido O^2-, mentre litio e sodio cedono un solo elettrone per atomo, formando i già visti ioni Li⁺ ed Na⁺.

Il risultato di questo trasferimento di elettroni è una reazione chimica di ossido-riduzione: i metalli sono stati ossidati dall'ossigeno, passando da neutri a ioni positivi, mentre l'ossigeno si è ridotto passando da neutro a ione negativo.

I prodotti delle reazioni del sodio e del litio con ossigeno si formano dall'unione degli ioni positivi e negativi, che chiaramente si attraggono molto tra loro, e si chiamano ossido di litio e ossido di sodio. Occorrono due ioni positivi Li⁺ o Na⁺ per ogni ione negativo O^2-, per neutralizzare le cariche.

Li⁺ + Li⁺ + O^2- = Li₂O;

Na⁺ + Na⁺ + O^2- = Na₂O;

L'ossido di sodio Na₂O si forma facilmente semplicemente tenendo il metallo all'aria, anche senza riscaldamento, e corrisponde allo strato bianco che lo riveste.

La reazione del sodio con l'ossigeno può essere rappresentata dall'equazione chimica:

Na(s) + O₂(g) --> Na₂O(s)

Le sostanze che reagiscono sono ben separate da una freccia dalle sostanze formate dalla reazione (una sola in questo caso).

L'obiettivo del vostro esperimento consisterà nell'osservare e comparare le reazioni del sodio e del litio con l'acqua. Alla fine aggiungerete una goccia di soluzione di fenolftaleina, che è in grado di rilevare ioni idrossido (OH^-) trasformandosi, con essi, in una sostanza rosso ciclamino.

Poiché la reazione può risultare violenta riceverete solo pezzetti molto piccoli dei metalli e comunque dovrete usare occhiali protettivi.

Avrete inoltre a disposizione acqua distillata, e due becher.

Potrete ripetere l'esperimento in una provetta con uno strato di etere sopra all'acqua. Questo permetterà di rallentare la reazione e osservare meglio il gas prodotto.

Descrizione della reazione litio + acqua

Descrizione della reazione sodio + acqua

Ecco cosa succederebbe col potassio (alla fine del video in francese).

LAVAGNATA DI CHIARIMENTI DALLA LEZIONE DEL 16 Maggio

RAGIONAMENTI DIFFICILI MA NON IMPOSSIBILI DA CAPIRE

1. Perché il litio reagisce in modo meno energico del sodio, e il potassio in modo più violento del sodio?

I disegni a sinistra dicono che scendendo lungo la famiglia degli alcalini, passando da Li (litio) a Na (sodio) e a K (potassio),

il nòcciolo resta sempre carico +1, mentre le dimensioni dell'atomo aumentano, per l'aggiunta di nuove orbite.

L'elettrone esterno, per questa ragione, sarà legato sempre più debolmente (l'energia di ionizzazione diminuisce).

L'atomo formerà ioni positivi con maggiore facilità.

Perciò reagirà più facilmente con l'acqua.

2. Quando un atomo del metallo alcalino reagisce con l'acqua e diventa uno ione positivo, dove va a finire il suo elettrone?

Per rispondere a questa domanda dobbiamo prima capire come lo ione OH¯ (ione idrossido) si forma dalla molecola dell'acqua, HOH.

È una cosa un po' complicata perché lo ione idrossido è formato da due atomi (O e H) e non da uno solo, come Zn²⁺, I^- o Na⁺.

Ma con un po' di concentrazione si può ugualmente capire bene.

I tre atomi della molecola d'acqua hanno in tutto 1 + 1 + 8 = 10 elettroni (sommando gli 8 dell'ossigeno e l'elettrone di ciascun idrogeno).

Se stacchiamo un atomo di idrogeno da H2O, e se tale atomo H si riprende il suo elettrone, ai due atomi O e H rimasti uniti conserveranno gli altri 9 elettroni.

Quindi non otterremo OH ione, ma una molecola neutra, cioè senza carica elettrica.

Per ottenere OH¯ dev'essere che l'idrogeno si è staccato senza portarsi dietro l'elettrone. Se ad H· togliamo l'elettrone ' · ' rimane solo il protone (+)

L'idrogeno diventa uno ione H⁺.

Quindi la rottura della molecola d'acqua avviene così: H-O-H --> H⁺ + :OH^-.

I due puntini significano che l'atomo di ossigeno si è tenuto un proprio elettrone e anche quello dell'idrogeno, e proprio per questo lo ione è diventato negativo.

Deduciamo che l'elettrone perso dal sodio, o dal litio, non va nello ione idrossido.

Quindi concentriamoci sull'idrogeno.

Sappiamo che le bollicine prodotte dal litio e dal sodio nella reazione con l'acqua sono piene di idrogeno, cioè H₂, ovvero molecole H:H o H-H, due atomi con due elettroni. Un elettrone per ogni H.

Ma se dal distacco con l'acqua l'idrogeno era rimasto ione H+, cioè senza elettrone, da dove ha preso l'elettrone?

Ecco la risposta alla nostra domanda: dal sodio o dal litio.

3. Conclusione: in questa reazione di ossido-riduzione, il metallo alcalino si è ossidato, l'idrogeno dell'acqua si è invece ridotto

Infatti: ossidarsi = perdere elettroni. Ridursi = diminuire la carica positiva perché si guadagnano elettroni.

4. Bilancio degli atomi (controllare la lavagna)

Per formare una molecola di H-H occorrono due atomi di idrogeno e due elettroni, quindi serviranno due atomi di metallo alcalino (visto che ciascuno può fornire un solo elettrone) e si formeranno due ioni Na⁺. Perciò mettiamo un 2 a sinistra di Na(s) e un due davanti ad Na⁺(aq), a destra.

Inoltre servirà "staccare" i due atomi H da due molecole d'acqua per lasciare 2 ioni idrossido. Perciò mettiamo dei 2 davanti ad H₂O e ad OH^-.

Infine controlliamo le cariche. Ciò che abbiamo messo a reagire non aveva carica elettrica. Quindi la soma delle cariche elettriche scritte nell'equazione di reazione dopo la freccia dovrà essere zero. E così è perché abbiamo due cariche negative dei due ioni idrossido e due cariche positive dei due ioni sodio.

5. Che cosa succede se evaporiamo tutta l'acqua? Quante sostanze rimarranno?

Dovete convincervi che una sostanza formata solo da ioni negativi, o solo da ioni positivi, non può esistere.

Le cariche dello stesso segno si respingerebbero in modo esplosivo.

Gli ioni positivi possono esistere solo in compagnia di ioni negativi in modo da bilanciare esattamente le cariche.

L'equazione ci dice che per ogni due ioni sodio formati si sono formati anche due ioni idrossido.

Questi ioni sono liberi di muoversi indipendentemente gli uni dagli altri finché sono in soluzione.

Ma, quando evaporeremo l'acqua, non rimarranno due sostanze (ioni idrossido e ioni sodio), ma una sola:

l'idrossido di sodio, NaOH o l'idrossido di litio, LiOH.

All'interno di tale sostanza ci saranno gli ioni con cariche negative e positive in numero esattamente bilanciato.

Quando lo scorso anno abbiamo preparato lo ioduro di zinco, per reazione tra iodio e zinco, si sono formati ioni Zn²⁺ e ioni I^- in numero doppio.

Quando abbiamo in effetti evaporato l'acqua, non abbiamo ottenuto un miscuglio scuro per la presenza di zinco e iodio, ma una polvere bianca.

Quella polvere bianca è una nuova sostanza, diversa dallo iodio e dallo zinco, che contiene due ioni ioduro (I^-) per ogni ione zinco (Zn²⁺) e che ha formula ZnI₂.

Questa situazione è simile a quella degli ossidi di litio e di sodio visti all'inizio di questa esperienza.