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Chimie inorganique descriptive SMC S4 Chapitre II : les alcalins A. Ouassas CHA

Chimie inorganique descriptive SMC S4 Chapitre II : les alcalins A. Ouassas CHAPITRE II LES ALCALINS II.I. INTRODUCTION  Nom : métaux alcalins (alcalin : de l’arabe al-qaly, la soude).  Config. électronique de valence : ns1  Propriétés physiques et chimiques dominées par le fait qu’ils perdent facilement leur unique électron de valence. II.II. LES ELEMENTS  Il s’agit des métaux qui réagissent le plus violemment.  Ils s’oxydent facilement et n’existent pas dans la nature à l’état libre métallique. 1 - Préparation  Difficiles à extraire de leurs composés, mais obtenus par électrolyse de leurs sels fondus. Exemple du procédé DOWNS : obtention du sodium par électrolyse du sel gemme NaCl (en présence de CaCl2 pour abaisser la température de fusion de NaCl, de 800 °C à 600 °C ce qui est plus économique): NaCl(l)  Na(l)+ ½ Cl2(g)  Production annuelle supérieure à 20000 tonnes de sodium, utilisé surtout comme liquide de refroidissement dans les réacteurs nucléaires. Attention ! Ne pas confondre l’électrolyse de NaCl(l) à celle de NaCl(aq). Chimie inorganique descriptive SMC S4 Chapitre II : les alcalins A. Ouassas 2 - Propriétés physiques  Parmi ces éléments, le lithium est le plus dur.  Le point de fusion décroît de haut en bas (effet de la taille sur l’empilement des atomes).  Possèdent des points d’ébullition élevés et sont d’excellents conducteurs de la chaleur en plus de leur stabilité vis-à-vis des radiations.  Certains alliages Na – K sont liquides (mauvais empilement des atomes de tailles différentes) et utilisés comme réfrigérants dans les réacteurs nucléaires.  Emettent de la couleur lorsqu’ils sont mis en contact avec une flamme à haute température : excitation de l’électron ns1 et retour de np vers ns avec émission de couleur. Tableau 1 : Propriétés physiques des alcalins. Forme naturelle (25 °C, 1 atm) : métaux mous gris-argent. Z Symbole PF(°C) PE(°C)  (g/cm3) 3 11 19 37 55 87 Li Na K Rb Cs Fr 181 98 64 39 28 27 1347 883 774 688 678 677 0,53 0,97 0,86 1,53 1,87 -----  Les PF sont très bas, ce sont les métaux les plus réactifs.  Ce sont des métaux très légers. Chimie inorganique descriptive SMC S4 Chapitre II : les alcalins A. Ouassas 3 - Propriétés chimiques :  Les métaux Li, Na et K se corrodent rapidement dans l’air humide. Rb et Cs sont encore plus réactifs et conservés dans des ampoules scellées à l’abri de l’air. Le Fr, radioactif, n’a jamais été isolé en quantité visible.  Ils existent souvent sous forme de cation monochargé (Na+ par exemple) car leur énergie de première ionisation (EI) est très faible et de ce fait leurs composés sont ioniques.  Ce sont de bons réducteurs car EI très faible. Exemple : utilisation de Na fondu pour préparer Zr et Ti à partir de leurs chlorures : TiCl4(g)+4Na(l)  4NaCl(s)+Ti(s)  Leurs ° sont très < 0 : réduction de H2 O : 2Na(s)+2H2O(l)2NaOH(aq)+H2(g) Cette réaction est de plus en plus violente de haut en bas, elle est explosive et dangereuse avec Rb et Cs.  Avec l’ammoniac liquide : On obtient des solutions d’électrons et de cations métalliques qui servent à réduire les composés organiques.  Tous les métaux alcalins réagissent avec les non-métaux (sauf les gaz nobles) : Avec l’azote : 6Li(s) + N2(g)  2Li3N(s) Avec l’oxygène :  La nature du produit varie de haut en bas.  Le produit est stable si tailles du cation et de l’anion voisines. 4Li(s) + O2(g)  2Li2O(s) (oxyde) Na(s) + ½ O2(g)  Na2O(s) Na2O2(s) (peroxyde) M(K,Rb,Cs)(s) + O2(g)  MO2(s) (superoxyde) Chimie inorganique descriptive SMC S4 Chapitre II : les alcalins A. Ouassas  KO2 est un solide jaune orangé utilisés dans les systèmes respiratoires en circuit fermé (masques à gaz, sous marins et navette spatiale). KO2 élimine la vapeur d’eau exhalée en produisant de l’oxygène gazeux : 4KO2(s)+2H2O(g)  4KOH(s)+3O2(g) Ensuite KOH élimine le CO2 dégagé : KOH(s) + CO2(g)  KHCO3(s) Actuellement, le potassium préparé sert à fabriquer KO2 pour cet usage. Tableau 2 : Propriétés chimiques des alcalins. Réactif Réaction avec M H2 O2 N2 X2 (halogène) H2 O S 2M(s)+H2(g)  2MH(s) 4Li(s)+O2(g)  2Li2O(s) (oxyde) 2Na(s)+O2(g)  Na2O2(s) (peroxyde) M(s)+O2(g)  MO2(s), M=K,Rb,Cs (superoxyde) 6Li(s)+N2(g)  2Li3N(s) Li3 N(s) + 3H2 O(l) 3LiOH + NH3(g) 2M(s)+X2(g,l,s)  2MX(s) 2M(s)+2H2 O(l)  2MOH(aq)+H2(g) 2M(s) + S(s)  M2S(s) III.II. COMPOSES DE Li, Na et K 1 - LE LITHIUM Li :  Li premier du groupe diffère du reste mais ressemble à Mg (ressemblance diagonale). Cause : taille petite de Li+ donc très polarisant d’où liaison covalente et interaction ion-dipôle qui donne des sels de Li hydratés. Chimie inorganique descriptive SMC S4 Chapitre II : les alcalins A. Ouassas  Li utilisé en : • Céramiques, Lubrifiants, Piles, Médecine, Savons de Li. • Production du tritium pour les ogives nucléaires :  LiAlH4(s) : Hydrure de lithium aluminium : usage dans la production de bon nombre de produits pharmaceutiques et de parfums.  LiBH4(s) : Borohydrure de lithium : synthèse organique.  Li2CO3(s) : Carbonate de lithium : traitement de la schizophrénie. 2 - LE SODIUM Na : Les composés de Na sont importants car solubles dans l’eau et bon marché.  NaCl : solide blanc cristallisé, il est plus utilisé que H2SO4 . • Obtenu à partir des mines de sel gemme ou par évaporation des saumures (solutions de NaCl plus concentrées que celles de l’eau de mer). • Assaisonnement des aliments (sel de cuisine). • Conservation de la viande, du poisson, du fromage. • Fabrication industrielle de la soude caustique, du carbonate de sodium (soude Solvay), du chlore, du chlorure d’hydrogène. • Fabrication du savon, industrie du textile et du papier. Chimie inorganique descriptive SMC S4 Chapitre II : les alcalins A. Ouassas • Sel de déneigement (la solution saturée gèle à -21°C). • Utilisé pour produire H2 , Cl2 et NaOH par électrolyse.  NaOH : hydroxyde de sodium ou soude caustique, produit solide blanc, corrosif, hygroscopique, très soluble dans l’eau et bon marché pour produire d’autres sels de Na. L’électrolyse à membrane pour la production électrolytique de NaOH 2NaCl(aq)+2H2O(l)2NaOH(aq)+Cl2(g)+H2(g) • Sa solution aqueuse est une base forte. • Neutralise les acides en formant des sels : HCl + NaOH  NaCl + H2O • Précipite la plupart des métaux de leurs sels sous forme d’hydroxydes : CuSO4 + 2 NaOH  Cu(OH)2↓ + Na2SO4 • Réagit avec les oxydes acides pour donner des sels de sodium et de l’eau : SO2 + 2NaOH  Na2SO3 + H2O • Réagit avec les halogènes pour donner des sels de sodium et de l’eau : 2 NaOH + Cl2  NaCl + NaClO + H20 (NaClO : eau de javel). Chimie inorganique descriptive SMC S4 Chapitre II : les alcalins A. Ouassas • La soude caustique intervient dans la fabrication : du savon, des colorants, du papier, des produits de nettoyage, de l’eau de Javel, du textile.  Na2SO4 : • Source naturelle en général Na2SO4 ,10H2O (sel de Glauber), sinon : H2 SO4(aq,cc)+ 2NaCl(s)Na2SO4(s)+2HCl(g) • Réaction totale car formation d’un produit volatil. • Sert à donner HCl au laboratoire. • Utilisé dans les détergents, dans le traitement du papier, comme matériau pour chauffage solaire.  NaHCO3 : bicarbonate de sodium, ou de soude ou levure chimique qui lève les pâtes de pain ou de gâteaux suite à la réaction (CO2 libéré fait lever la pâte) : NaHCO3(aq)+H3O +(aq)Na+(aq)+2H2(g)+CO2(g) Utilisé également dans la préparation de sels et de boissons effervescents.  Na2CO3 anhydre : C’est une source d’oxydes de sodium utilisés en industrie du verre (= Oxyde formateur : SiO2 , B2O3 ,… et un modificateur fondant : Na2O, MgO,….ou/et un modificateur stabilisant ou/et colorant : CaO, Fe2O3,...)  NaCN : cyanure de sodium, utilisé en hydrométallurgie dans l’extraction de l’or et de l’argent des minerais : 4Au(s) + 8CN -(aq) + O2(g) + 2H2O(l)  4[Au(CN)2]-(aq) + 4OH -(aq) [Au(CN)2]-(aq) + Zn(s)  [Zn(CN)4]2-(aq) + 2Au(s) 3 - LE POTASSIUM K :  Les sources minérales de K sont : • La sylvinite KCl. • La carnallite KCl.MgCl2 .6H2O. Chimie inorganique descriptive SMC S4 Chapitre II : les alcalins A. Ouassas  Les composés de K sont plus chers que ceux de Na. • KNO3 peu hygroscopique, libère O2 : oxydant employé dans les allumettes, les explosifs et la conservation de la viande. 2KNO3(s)2KNO2(s)+O2(g) • K2HPO4 : hydrogénophosphate de potassium, agent pour solutions tampons. Les composés des métaux alcalins sont en général des solides ioniques à PF élevés et de couleur blanche sauf si l’anion est coloré : • K2CrO4 (jaune) et K2Cr2O7 (orange) : oxydants puissants utilisés dans les allumettes, les feux d’artifice et la teinture textile. • KMnO4 (violet sombre): utilisé comme désinfectant et comme oxydant au laboratoire. Tableau 3 : Propriétés des composés du groupe 1 Composé Formule Commentaires Oxydes M2O Formés par la décomposition des carbonates ; bases fortes ; réagissent avec l’eau pour donner les uploads/Industriel/ alcalins.pdf