Autor de la entrada: G. Espino (Facultad de Ciencias. Universidad de Burgos, España)
CUIDADO: La reacción entre el agua y los metales alcalinos como el Na ó el K desprende H2 de forma violenta, pudiendo llegar a ser explosiva, cuando la cantidad de Na es demasiado grande.
Este experimento permite ilustrar algunas propiedades físicas y la reactividad química del sodio metálico frente al agua.
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| Imagen 1. Sodio hilado en hexano. |
Descripción
experimental
En un vaso de precipitados de 100 mL se introducen 30 ó 40 mL de agua desionizada y se añaden 4 gotas de fenolftaleína (indicador ácido-base). A continuación se añaden otros 30 ó 40 mL de hexano (o en su defecto otro disolvente de la familia de los hidrocarburos que sea inmiscible con el agua, y más ligero; también puede utilizarse gasolina) de modo que se formen dos fases bien diferenciadas. Finalmente se añade un trozo pequeño de sodio metálico recién cortado y se observa lo que ocurre.
Observaciones
El trozo de sodio metálico cae por gravedad hasta la interfase agua/hexano
donde entra en contacto con la fase acuosa y es impulsado de nuevo hacia
arriba, gracias a las burbujas de gas que se forman en su superficie como
resultado de la violenta reacción redox entre el agua y el sodio. Al mismo
tiempo se observa un cambio de color en la fase acuosa (de incolora a
rosa-púrpura) como consecuencia de la formación de NaOH y el consiguiente aumento del pH. El trozo de sodio llega a la
interfase hexano/aire y las burbujas de H2 se desprenden de su
superficie con lo que el trozo de metal vuelve a sumergirse hasta la interfase
agua/hexano.
Discusión
Para estimular la interpretación
y discusión de las observaciones realizadas se pueden formular las preguntas
que aparecen más abajo.
El sodio metálico es blando
y dúctil de modo que se puede cortar fácilmente con una navaja y se puede
estirar en forma de hilos o de cintas. Además es poco denso (flota en el agua)
y tiene un bajo punto de fusión (97,82 ºC). Todas estas propiedades físicas son
observables en el experimento.
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| Imagen 2. Trozo de sodio recién cortado. Se aprecia el color plateado y el brillo metálico, y también la incipiente formación del recubrimiento de NaOH como resultado de la reacción con la humedad ambiental. |
Los metales alcalinos son muy reactivos. Ahora bien, el
carácter electropositivo y la reactividad de los metales alcalinos aumentan, al
aumentar el radio atómico, es decir, al descender en el grupo. Así por ejemplo,
el Na se oxida más fácilmente que el
Li en aire húmedo, recubriéndose de
una capa de NaOH que enmascara el
brillo metálico de una pieza recién cortada en pocos minutos. Por esta razón el
Na se almacena bajo hexano, éter de
petróleo, tolueno, etc, pero aún así el recubrimiento se puede llegar a formar
por reacción con los compuestos de oxígeno disueltos en el disolvente orgánico (¿H2O?).
Por el contrario, el Na es muy
estable frente al O2
seco. Finalmente, el recubrimiento de NaOH,
se puede carbonatar (Holleman, 236 y 1099).
La reacción del Na con agua líquida es muy rápida y
virulenta, de modo que el metal se oxida hasta Na+, y un protón por cada molécula de agua se reduce liberando
H2 y aniones OH-. Además la reacción es muy
exotérmica (DH = - 285,5
kJ) y el calor generado provoca la fusión superficial del trozo de Na, lo cual aumenta
su plasticidad y le confiere una forma esférica compacta mientras continúa la
reacción y hasta que se consume totalmente. Por otra parte, la burbujas de H2
que se forman en su superficie hacen que el Na se desplace rápidamente y de
forma caótica por la superficie del líquido (cuando no se añade hexano sobre el
agua), o bien hacia arriba (cuando se añade hexano sobre el agua), pero el H2 normalmente no llega a
inflamarse si la cantidad utilizada es pequeña [1], [2]. El sodio también reacciona de modo análogo con los alcoholes, para dar los
correspondientes alcóxidos e hidrógeno.
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| Esquema 1. Reacciones químicas entre el sodio y el agua y entre el sodio y metanol. |
La densidad del Na es menor que la del agua, pero mayor
que la del hexano, de modo que el diseño de este experimento permite observar
un movimiento vertical oscilante. Cuando se introduce el Na en la mezcla, cae hasta la interfase agua/hexano en virtud de
su densidad y una vez en la interfase, flota y empieza a reaccionar con el agua,
de modo que al formarse H2
en su superficie el Na reflota o es
impulsado hacia arriba y hacia abajo de nuevo por la gravedad al tiempo que se
forma NaOH, que se disuelve en la
fase acuosa haciendo disminuir el pH y provocando un cambio de color.
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| Tabla 1. Propiedades de Na y K y de los disolventes usados en el experimento. |
Por último, se puede
observar el color plateado y el brillo típicamente metálicos en el corte recién
hecho sobre una pieza de Na
metálico, y la rápida oxidación superficial del mismo.
La fenolftaleína es un compuesto
orgánico de color blanco que se utiliza como indicador ácido-base con un punto
de viraje comprendido entre 8,2 y 10, de modo que presenta un cambio de color
de incoloro a pH < 8,2 (disoluciones ácidas, neutras o ligeramente básicas)
a rosa o magenta a pH > 10 (disoluciones netamente básicas).
Aplicaciones de esta reacción
La aplicación más común de esta reacción es la deshidratación de disolventes orgánicos como tetrahidrofurano, dietiléter y tolueno. En los 2 primeros casos el Na se hila (es muy dúctil), porque eso permite aumentar la superficie de contacto y la eficacia del proceso de deshidratación. En el caso del tolueno no se hila porque la T de fusión del Na es menor (97,82 ºC) que la T de ebullición del tolueno (111 ºC), y por lo tanto, el metal hilado se funde durante la destilación dando lugar a esferas de gran tamaño, lo cual hace inútil el hilado previo.
Cuestiones
1.- ¿Qué
propiedades físicas del Na se ponen de manifiesto en el experimento?
2.-
¿Por qué se forman dos fases en la mezcla agua/hexano? ¿Por qué el Na sólo se
sumerge hasta la interfase? ¿Por qué es impulsado hacia arriba después de
entrar en contacto con la interfase?
3.- ¿Qué tipo de
reacción química que tiene lugar y cuál es la ecuación química que la describe?
¿Por qué se considera peligrosa y en qué condiciones? ¿Cuál es el gas que se
desprende?
4.- ¿Por qué la
fase acuosa se torna de color rosa, mientras que la fase orgánica permanece
incolora?
5.- ¿Por qué el
color plateado y el brillo metálico del sodio solo pueden apreciarse cuando
está recién cortado, mientras que el sodio metálico envejecido presenta un
recubrimiento de color blanco-grisáceo?
6.- ¿Por qué el Na
es menos reactivo que el K? ¿Por qué otros metales de la izquierda de la tabla
periódica como el Mg y el Al son inertes frente al agua? ¿y el Pt?
[1] Ahora bien, si la cantidad de Na es muy grande y la de agua pequeña, el H2 puede inflamarse ya que el Na no se refrigera convenientemente, y también si el Na está inmovilizado sobre un trozo de
papel que flota, porque el calor liberado está más localizado y se alcanzan T
más altas. En caso de inflamación la llama observada tiene un color amarillo
debido al espectro de emisión del Na, y en ningún caso a la combustión del H2,
que arde con una llama incolora.
[2] La reacción del agua con K, Rb y Cs es más virulenta, y libera mayor
cantidad de calor, fundiendo los metales y provocando la ignición del H2. Por otra parte, los
metales del grupo de los alcalino-terreos y del grupo
3 también reaccionan con agua, pero con mayor dificultad, al
desplazarnos hacia la derecha y hacia abajo. Una de las razones que explican
esta tendencia es el aumento de la insolubilidad de los respectivos hidróxidos
formados en la reacción, al desplazarnos hacia la derecha en la tabla y hacia
abajo en cada grupo, lo cual protege a los correspondientes metales, que de por
sí son menos reactivos, de un ataque en mayor extensión.
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