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Editions Al-Djazair Chimie Minérale Descriptive Saliha Guermouche - Chérifa Rab

Editions Al-Djazair Chimie Minérale Descriptive Saliha Guermouche - Chérifa Rabia cours Alcalins et alcalino-terreux Cours Pr. Saliha Guermouche USTHB Alcalins et les Alcalino-terreux Chimie Minérale Descriptive Cours Editions Al-Djazair Pr. Chérifa Rabia USTHB SOMMAIRE Chapitre II : LES ALCALINS ET LES ALCALINO-TERREUX I. Introduction II. Caractéristiques III. Composés chimiques IV. Propriétés acido-basiques et redox IV. 1 Propriétés acido-basiques IV.2 Propriétés redox V. Applications VI. Production LES ALCALINS ET LES ALCALINO-TERREUX I. Introduction Les alcalins qui constituent le sous-groupe IA (ou le 1er groupe) de la classification périodique, représentent les éléments suivants : lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb) césium (Cs) et le francium (Fr). Le francium, élément radioactif obtenu par désintégration naturelle de l’actinium, a été découvert par Perey (1939). Le nom alcalin dérive de « alcali », de l'arabe al-qâly signifiant la soude. Les alcalino-terreux qui constituent le sous-groupe IIA (ou le 2ème groupe) de la classification périodique, représentent les éléments suivants: béryllium (Be), magnésium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), baryum (Ba) et radium (Ra). Le radium, élément radioactif obtenu par désintégration naturelle de l’uranium a été découvert (1898) et isolé (1910) par Pierre et Marie Curie. Le nom des alcalino-terreux dérive de celui de leur oxyde (minerai): béryl (signifiant oxyde de béryllium, minerai brillant), magnésie (oxyde de magnésium), chaux vive (oxyde de calcium), stronthian (oxyde de strontium) et baryte (oxyde de baryum). L'appellation alcalino-terreux est également liée au fait que la position de ces éléments est comprise entre celle des alcalins et celle des terres-rares. Très réactifs, les alcalins et les alcalino-terreux ne se trouvent jamais à l’état métallique dans le milieu naturel. On les trouve dans les mers et les océans (généralement leurs composés sont très solubles en milieux aqueux en particulier ceux des alcalins) et dans les dépôts sédimentaires issus des mers anciennes, aujourd’hui disparues. Le sodium et le potassium se trouvent dans des minéraux tels le salpêtre (KNO3, NaNO3) ou le borax (Na2B4O7), le béryllium dans les silicates, le magnésium dans la magnésite (MgCO3) et la dolomite (MgCa(CO3)2), le calcium dans le marbre (CaCO3), calcaire (CaCO3) et le gypse (CaSO4), le strontium dans la célestite (SrSO4) et le baryum dans la barytine (BaSO4). II. Caractéristiques Les alcalins (M: Li, Na, K, Cs) et les alcalino-terreux (M: Be, Mg, Ca, Sr, Ba) sont des métaux et ont pour configuration électronique externe ns1 et ns2 respectivement. La configuration électronique devient plus stable lorsque les alcalins et les alcalino-terreux Chimie Minérale Descriptive Les alcalins et alcalino-terreux 1 perdent un électron pour former M+ et deux électrons pour former M2+ respectivement. Ils acquièrent ainsi la configuration du gaz rare de la période précédente. Les alcalins et les alcalino-terreux se présentent dans les conditions normales de température et de pression, sous forme de métaux mous. A cause de leur grande réactivité chimique, ils doivent être conservés à l’abri de l’air dans du pétrole, sinon ils se recouvrent très rapidement d’une croûte d’hydroxyde et de carbonate, en absorbant la vapeur d’eau et le gaz carbonique de l’air. Les alcalins et les alcalino-terreux se dissolvent facilement dans l’ammoniac liquide, les solutions diluées sont d’un bleu foncé et lorsque la concentration augmente, la solution prend un éclat métallique doré. Les alcalins et alcalino-terreux possèdent le potentiel d'ionisation le plus bas de leur période; le second potentiel d'ionisation est en revanche très élevé dans le cas des alcalins et le troisième dans le cas des alcalino-terreux en raison de la configuration électronique de gaz rare des cations alcalins (M+) et des cations alcalino-terreux (M2+). Les tableaux 1 et 2 présentent certaines caractéristiques des alcalins et alcalino-terreux respectivement. Tableau 1: Caractéristiques des alcalins Elément Li Na K Rb Cs Fr Masse atomique 6,941 22,990 39,098 85,468 132,900 223,000 Rayon atomique (Å) 1,23 1,57 2,03 2,16 2,35 Electronégativité de Pauling 0,98 0,93 0,82 0,82 0,79 0,70 Energie de la 1ère et 2èmeionisation (eV) 5,39 ; 75,62 5,14 ; 47,29 4,34 ; 31,81 4,18 ; 27,15 3,89 ; 25,1 Masse volumique (g.cm-3) 0,534 0,968 0,890 1,532 1,930 1,870 Température de fusion (°C) 181 98 63 39 28 27 Température d’ébullition (°C) 1342 884 759 688 671 677 Chimie Minérale Descriptive Les alcalins et alcalino-terreux 2 Tableau 2: Caractéristiques des alcalino-terreux Elément Be Mg Ca Sr Ba Ra Masse atomique 9,120 24,305 40,078 87,620 137,330 226,000 Rayon atomique (Å) 1,05 1,50 1,80 2,00 2,15 Electronégativité de Pauling 1,40 1,25 0,95 0,90 0,80 0,80 Energie de la 1ère, 2ème et 3ème ionisation (eV) 9,32 ; 18,20 ; 153,25 7,64 ; 15,03 ; 80,12 6,11 ; 11,87 ; 51,21 5,69 ; 11,03 2,21 ; 10,00 5,28 ; 10,15 Masse volumique (g.cm-3) 1,850 1,738 1,550 2,640 3,510 5,500 Température de fusion (°C) 1280 651 851 757 710 700 Température d’ébullition (°C) 1500 1107 1437 1366 1537 1140 III. Composés chimiques Les alcalins et les alcalino-terreux possèdent un seul degré d’oxydation I et II respectivement. Be forme des composés covalents, Mg peut former des composés covalents ou ioniques, les alcalins et Ca, Sr et Ba forment des composés ioniques. Les alcalins et alcalino-terreux se combinent avec l’hydrogène, l’oxygène, les halogènes et les bases conjuguées des oxoacides (HClO4, HNO3, H2SO4, H2CO3...). En général, les sels des alcalino- terreux sont moins solubles que ceux des alcalins.  Hydrures alcalins et alcalino-terreux Avec l’hydrogène, les alcalins et les alcalino-terreux conduisent aux hydrures MH et MH2 respectivement. MH et MH2 (M : Ca, Sr et Ba) sont des composés ioniques. Leur stabilité croît avec le numéro atomique de l’élément M. L’hydrure de lithium possède une stabilité exceptionnelle. Fondu, il conduit l’électricité et, par électrolyse, il y a un dégagement de l’hydrogène à l’anode. L’hydrure de lithium s’obtient facilement en faisant passer un courant d’hydrogène sur du métal légèrement chauffé. La préparation des autres hydrures est plus délicate.  Oxydes, peroxydes et superoxy des alcalins et des alcalino-terreux Chimie Minérale Descriptive Les alcalins et alcalino-terreux 3 Avec l’oxygène moléculaire, les alcalins et alcalino-terreux forment des oxydes de formule M2O et MO respectivement. A l’exception du lithium, les alcalins donnent des composés plus riches en oxygène: peroxydes (M2O2) superoxyde (MO2) et sous-oxydes (Cs7O, Cs4O, Cs7O2). L’existence de composés de type M2O2 et MO2 est due à la présence des ions (O2)2- dans les peroxydes et (O2)- dans les superoxydes; le cation a toujours la charge +1(M+). Les peroxydes alcalino- terreux ont pour formule MO2. Les peroxydes libèrent de l’eau oxygénée par action des acides ou de l’eau : Na2O2 + H2SO4  Na2SO4 + H2O2 Na2O2 + H2O  2NaOH + H2O2 Les peroxydes et hyperoxydes se dismutent également en dioxygène et en oxyde : Na2O2  Na2O + 1/2O2  Halogénures alcalins et alcalino-terreux Les alcalins et les alcalino-terreux réagissent facilement avec les halogènes pour former des sels ioniques solubles appelés halogénures à l’exception des fluorures MF2 (M: Mg, Ca, Sr et Ba) qui sont insolubles. Les halogénures alcalins sont très répandus à l’état naturel et cristallisent dans 2 modes de structures cubiques: structure cubique à faces centrées type NaCl et cubique centré type CsCl.  Sels des oxoacides Les hydrogénocarbonates ou bicarbonates des alcalins, MHCO3 sont insolubles, et les carbonates M2CO3 sont solubles excepté le carbonate de lithium qui est peu soluble. Par contre les carbonates alcalino-terreux, MCO3, sont insolubles. Chimie Minérale Descriptive Les alcalins et alcalino-terreux 4 Les sels alcalins des oxoacides H2CO3, H2SO4, HNO3, HClO3... sont tous solubles. Ils ont pour formule respectivement: M2CO3, M2SO4, MNO3 et MClO3. Par contre les carbonates (MCO3) et les sulfates (MSO4) des alcalino-terreux sont insolubles.  Combinaison des alcalins et alcalino-terreux avec l’azote et le carbone Les alcalino-terreux donnent des composés avec l’azote (nitrure) et le carbone (carbure). En milieu aqueux, les nitrures donnent de l’ammoniac et les carbures de l’acétylène : Mg3N2 + 6H2O  3Mg(OH)2 + 2NH3 CaC2 + 2H2O  Ca(OH)2 + C2H2 IV. Propriétés acido-basiques et redox IV.1 Propriétés acido-basiques La dissolution des alcalins et celle des alcalino-terreux (Ca, Sr et Ba) dans l’eau sont très exothermiques et peuvent être très dangereuses, si les quantités mises en jeu sont grandes. Il y a formation de OH- et de H2. L’hydrogène, dégagé peut s’enflammer (flamme jaune avec le sodium et mauve avec le potassium). L’énergie dégagée augmente avec l’électropositivité de l’élément M: M + H2O  M+(aq) + OH- + 1/2H2(g) M + 2H2O  M2+(aq) + 2OH- + H2(g) En solution aqueuse, les hydrures réagissent avec l'eau pour former du dihydrogène et des hydroxydes. Ils ont un caractère basique : MH + H2O  M+(aq) + OH- + H2(g) MH2 + 2H2O  M2+(aq) + 2OH- + H2(g) Chimie Minérale Descriptive Les alcalins et alcalino-terreux 5 En solution aqueuse, les oxydes M2O et MO ont un caractère basique. Ils réagissent avec l’eau pour donner des ions OH- : M2O + H2O  2M+(aq) + 2OH- MO + H2O  M2+(aq) + 2OH- La force de basicité d'un oxyde dépend de son caractère ionique, plus la liaison M-O est ionique, plus l’oxyde est basique. L’ion O2- est une base très forte, n’existant pas à l’état libre, il réagit fortement avec l’eau en fixant uploads/Geographie/ alcalins-alcalino-terreux-de-mme-rabia.pdf