Caracter metalic și nemetalic

Caracterul metalic descrie tendința atomilor de a ceda electroni și de a forma cationi; caracterul nemetalic descrie tendința de a accepta electroni sau de a participa la legături covalente. Într-o perioadă, de la stânga la dreapta, caracterul metalic scade, iar cel nemetalic crește, pentru că sarcina nucleară crește și atomii rețin mai puternic electronii exteriori. Într-o grupă, caracterul metalic crește de sus în jos: potasiul cedează electronul exterior mai ușor decât litiul. La halogeni, caracterul nemetalic și puterea oxidantă scad de la fluor spre iod. Metalele alcaline reacționează cu apa formând hidroxizi și hidrogen; halogenii mai reactivi deplasează halogenii mai puțin reactivi din săruri.

Tendințele periodice se verifică prin reacții, nu doar prin poziția în tabel.

Cauza tendințelor. Un atom cedează cu atât mai ușor electronii exteriori cu cât aceștia sunt mai departe de nucleu și mai slab atrași. În josul unei grupe cresc numărul straturilor și raza atomică, deci caracterul metalic crește (sodiul are raza $186$ pm, potasiul $227$ pm). În lungul unei perioade crește sarcina nucleară în același strat, raza scade, iar atomul reține tot mai puternic electronii și tinde să accepte încă unii pentru a-și completa stratul exterior: caracterul nemetalic crește. Din acest motiv, cele mai metalice elemente sunt în colțul din stânga jos al tabelului (cesiul și franciul), iar cel mai nemetalic este fluorul, în dreapta sus.

Proprietățile fizice urmează aceeași împărțire. Metalele au luciu, conduc curentul electric și căldura și se pot trage în foi și fire. Nemetalele sunt, în stare solidă, casante și rău conducătoare, cu excepția grafitului. Siliciul, din grupa 14, are proprietăți intermediare și este semiconductor.

Exemplu 1, metalele alcaline cu apa. Reactivitatea crește de la litiu la potasiu: litiul reacționează liniștit, sodiul se topește și aleargă pe suprafața apei, iar potasiul se aprinde, cu flacără violetă. Pentru toate metalele alcaline reacția are aceeași formă; pentru potasiu ecuația este: $2K+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2KOH+{\mathrm{H}}_2\uparrow$. Pentru $7,8$ g potasiu, cu $M(\mathrm{K})=39$ g/mol:

1. $n(\mathrm{K})=7,8/39=0,2$ mol.
2. Din ecuație, $n(\mathrm{KOH})=0,2$ mol și $n({\mathrm{H}}_2)=0,1$ mol.
3. $m(\mathrm{KOH})=0,2\cdot 56=11,2$ g.
4. $V({\mathrm{H}}_2)=0,1\cdot 22,4=2,24$ L, în condiții normale.

Exemplu 2, halogenii se deplasează unul pe altul. Clorul este deasupra bromului în grupa 17 și are putere oxidantă mai mare. În soluție de bromură de potasiu, clorul acceptă electroni de la ionii bromură, iar soluția devine brun-portocalie din cauza bromului: $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2KBr\to 2KCl+\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2$. Pentru $1,12$ L de clor, în condiții normale:

1. $n(\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2)=1,12/22,4=0,05$ mol.
2. Se formează $0,05$ mol $\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2$ și se consumă $0,1$ mol $\mathrm{KBr}$.
3. Cu $M(\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2)=160$ g/mol, $m(\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2)=0,05\cdot 160=8$ g.

Reacția inversă, bromul cu clorura de potasiu, nu are loc. Fluorul este cel mai puternic oxidant, dar în soluție apoasă reacționează cu apa, $2{\mathrm{F}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 4HF+{\mathrm{O}}_2$, deci nu se folosește la deplasări în soluție. Ordinea puterii oxidante este ${\mathrm{F}}_2>\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2>\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2>{\mathrm{I}}_2$, iar a puterii reducătoare a ionilor este ${\mathrm{I}}^{-}>\mathrm{B}{\mathrm{r}}^{-}>\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$. Aceeași ordine apare la reacția cu hidrogenul: fluorul reacționează exploziv chiar în întuneric, clorul exploziv în lumină, bromul prin încălzire, iar iodul parțial și reversibil.

Exemplu 3, perioada 3. Sodiul reacționează energic cu apa rece și formează hidroxid de sodiu, o bază tare. Magneziul reacționează încet cu apa rece, iar cu apa fierbinte formează hidroxid de magneziu și hidrogen: $\mathrm{Mg}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Mg}(\mathrm{OH}{)}_2+{\mathrm{H}}_2$. Aluminiul nu reacționează cu apa în condiții obișnuite, deoarece este acoperit de o peliculă subțire de oxid $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$. Toate trei ard în oxigen și formează oxizi: $4Na+{\mathrm{O}}_2\to 2N{\mathrm{a}}_2\mathrm{O}$, $2Mg+{\mathrm{O}}_2\to 2MgO$, $4Al+3{\mathrm{O}}_2\to 2A{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$. Caracterul oxizilor urmează aceeași tendință: $\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{O}$ și $\mathrm{MgO}$ sunt oxizi bazici, $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$ este amfoter, iar $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$ este oxid acid.

Caracterul metalic se justifică prin reacții, nu doar prin poziția în tabel. La examen se cere ordinea de reactivitate, motivată prin tendința de a ceda sau de a accepta electroni, și ecuația reacției care o dovedește.

Exemplu în stilul complementului grupat. Se dau patru afirmații:

1. sodiul reacționează cu apa rece mai energic decât magneziul;
2. aluminiul este acoperit de o peliculă de $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$ care îl protejează de apă;
3. clorul deplasează bromul din soluția unei bromuri;
4. bromul deplasează clorul din soluția unei cloruri.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Rezolvare: sodiul are caracter metalic mai puternic decât magneziul, deci 1 este adevărată; aluminiul este protejat de pelicula de oxid, deci 2 este adevărată; clorul este oxidant mai puternic decât bromul, deci 3 este adevărată; bromul este oxidant mai slab decât clorul și nu îl deplasează din cloruri, deci 4 este falsă. Sunt adevărate 1, 2 și 3. Răspuns: A.

Exemplu numeric. Prin $2,24$ L de clor (c.n.) trecuți printr-o soluție care conține iodură de potasiu în exces se formează iod:

1. $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2KI\to 2KCl+{\mathrm{I}}_2$; $n(\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2)=2,24/22,4=0,1$ mol.
2. Se formează $0,1$ mol ${\mathrm{I}}_2$ și se consumă $0,2$ mol $\mathrm{KI}$.
3. Cu $M({\mathrm{I}}_2)=254$ g/mol, $m({\mathrm{I}}_2)=25,4$ g; cu $M(\mathrm{KI})=166$ g/mol, se consumă $33,2$ g $\mathrm{KI}$.

În această reacție clorul este oxidantul (primește electroni), iar ionul iodură este reducătorul. Iodul format colorează în albastru-închis soluția de amidon.

Greșeli frecvente

• Greșit: Bromul deplasează clorul din $\mathrm{KCl}$ deoarece este mai greu.
  Corect: clorul este halogenul mai reactiv și deplasează bromul din bromuri.
• Greșit: Caracterul metalic crește de la sodiu spre clor în perioada 3.
  Corect: scade; caracterul nemetalic crește.
• Greșit: Un metal este cu atât mai reactiv cu cât are mai mulți electroni de valență.
  Corect: reactivitatea depinde de ușurința cu care se cedează electronii; sodiul, cu un electron de valență, este mai reactiv decât aluminiul, cu trei.
• Greșit: Aluminiul nu reacționează cu apa pentru că este un nemetal.
  Corect: aluminiul este metal; pelicula de $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$ de la suprafață îl protejează.

Înainte și după