Metalli reattivi: reazioni con ossigeno, reazioni con acqua

I metalli reattivi sono elementi che reagiscono con ossigeno e acqua in modo molto più vigoroso rispetto agli altri metalli. Questa caratteristica è legata alla loro tendenza a perdere elettroni e a formare ioni positivi (cationi), fenomeno che dipende dall’energia di ionizzazione, ossia l’energia necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo neutro

Nella Tavola Periodica, i metalli più reattivi si trovano nella parte sinistra, in particolare nel blocco s (metalli alcalini e alcalino-terrosi). All’interno di un gruppo, la reattività aumenta scendendo verso il basso, perché l’energia di ionizzazione diminuisce: gli elettroni di valenza sono più lontani dal nucleo e più facili da rimuovere.

Questa osservazione consente di costruire una serie di reattività, cioè una classificazione empirica che ordina i metalli dal più al meno reattivo. Tra i metalli alcalini, il cesio, scoperto da Robert Bunsen e Gustav Kirchhoff nel 1860, è il più reattivo: si ossida spontaneamente all’aria e reagisce in modo esplosivo con l’acqua anche a basse temperature. Per questo motivo deve essere conservato in assenza di ossigeno e umidità.

Un elemento del blocco s ha una bassa energia di ionizzazione e ciò implica che tende a perdere elettroni ed è quindi probabile che esso si comporti da metallo reattivo.

Poiché l’energia di ionizzazione aumenta dal basso verso l’alto lungo un gruppo ci si deve aspettare che gli elementi che si trovano in fondo a un gruppo siano più reattivi degli elementi che si trovano in una posizione più in alto della Tavola Periodica.  Si può quindi costruire una serie di reattività (o serie di reattività degli elementi ) che è una progressione empirica, calcolata e strutturalmente analitica  di una serie di metalli, ordinati in base alla loro “reattività” dal più alto al più basso.

Reazioni con l’ossigeno dei metalli reattivi

I metalli reattivi formano con l’ossigeno ossidi, perossidi o superossidi, a seconda della loro reattività

Il litio reagisce con l’ossigeno per dare l’ossido di litio in cui è presente lo ione O^2-:
Li_(s) + O_2(g) → Li₂O_(s)

Il sodio, invece, non dà in condizioni normali il rispettivo ossido; esso infatti reagisce con l’ossigeno per dare il perossido di sodio secondo la reazione:
2 Na_(s) + O_2(g) → Na₂O_2(s)

La formazione del perossido può essere giustificata considerando che, tra i metalli reattivi,  il sodio, più reattivo del litio, viene consumato prima che una molecola di ossigeno possa legarsi ad una quantità di sodio sufficiente per formare l’ossido Na₂O.

Tale ipotesi è avvalorata dal fatto che se il sodio è presente in largo eccesso rispetto all’ossigeno si forma l’ossido:
4 Na_(s) + O_2(g) → 2Na₂O_(s)

Scendendo lungo il gruppo dei metalli alcalini poiché la reattività degli elementi aumenta il potassio, il rubidio e il cesio reagiscono così rapidamente con l’ossigeno in rapporto di 1:1 per formare i rispettivi superossidi:
K_(s) + O_2(g) → KO_2(s)

Reazioni con l’acqua

La reattività dei metalli reattivi può essere dimostrata ponendo piccole quantità di litio, sodio e potassio in acqua: si noterà che il litio reagisce lentamente, il sodio più rapidamente e il potassio violentemente.

Il sodio che ha un potenziale standard di riduzione di – 2.71 V e pertanto potenziale di ossidazione + 2.71 V si trasforma in ione Na⁺ secondo la semireazione di ossidazione:
Na → Na⁺ + 1 e^–    E° = + 2.71 V

Le proprietà riducenti del sodio provocano la riduzione dell’idrogeno presente nell’acqua con formazione di idrogeno gassoso secondo la semireazione:
2 H₂O + 2 e^– → H₂ + 2 OH^– che ha un potenziale di – 0.83 V

La reazione complessiva è quindi:
2 Na + 2 H₂O → 2 Na⁺ + 2 OH^– + H₂ con un potenziale E° = 2.71 – 0.83 = + 1.88 V

Nel corso della reazione che è molto esotermica il sodio, che galleggia sull’acqua avendo una densità minore reagisce con essa, inizia a reagire con essa fino a fondere stante il suo basso punto di fusione.

Tendenza alla corrosione dei metalli reattivi

I metalli reattivi mostrano una tendenza marcata alla corrosione, specialmente quando sono esposti ad ambienti umidi o sostanze corrosive. Questo comportamento è una conseguenza diretta della loro elevata reattività chimica: essi tendono a ossidarsi rapidamente, formando strati di ossido, perossido o superossido sulla superficie, anche solo a contatto con l’aria.

Questa elevata tendenza alla corrosione dei metalli reattivi richiede conservazione sotto atmosfere inerti o solventi anidri, come olio minerale, kerosene o gas inerte (argon) per prevenire l’ossidazione. L’uso di un contenitore ermetico o atmosfera esclusiva di gas inerte è indispensabile per evitare perossidi o superossidi altamente irritanti o esplosivi, che possono formarsi anche nel serbatoio stesso se l’ossigeno è presente nell’aria interna

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