Por que apenas os metais alcalinos formam sais sólidos estáveis de hidrogenocarbonato?

Passo 1

O enunciado pergunta por que apenas metais alcalinos (e em especial N a^{+}, K^{+}, R b^{+}, C s^{+}) formam sais sólidos estáveis de hidrogenocarbonato, enquanto cátions de carga maior ou com densidade de carga mais alta (por exemplo M g^{2}⁺, C a^{2}⁺) não o fazem. O conteúdo envolvido inclui: equilíbrio ácido–base do íon \mathrm{HCO_3^-}, energeticamente sua tendência à desprotonação ou decomposição; densidade de carga e efeito polarizante dos cátions; e balanço entre energias de rede (entalpia reticular) e de hidratação.

Passo 2

O íon hidrogenocarbonato é um ânion anfiprótico, que pode tanto aceitar quanto doar próton. Em fase seca, ele tende a disproporcionar segundo: 2\,\mathrm{HCO_3^- \longrightarrow CO_3^{2-} + H_2CO_3} e o \mathrm{H_2CO_3} se decompõe em \mathrm{CO_2} e \mathrm{H_2O}. Essa reação é favorecida sempre que a formação de carbonato(s) sólido(s) e liberação de \mathrm{CO_2(g)} e \mathrm{H_2O(l)} for termodinamicamente mais estável do que manter o hidrogenocarbonato no retículo cristalino.

Passo 3

Cátions de alta densidade de carga (por exemplo \mathrm{Mg^{2+}}, \mathrm{Ca^{2+}}) possuem forte poder de polarização sobre o ligante \mathrm{HCO_3^-}. Esse efeito polarizante desloca densidade eletrônica no grupo -\mathrm{O–H}, facilitando a perda do próton e acelerando a formação de \mathrm{CO_3^{2-}}. Como o carbonato de cálcio ou magnésio sólido é muito estável, a reação de decomposição do hidrogenocarbonato é espontânea: \mathrm{Ca(HCO_3)_2 (s) \;\longrightarrow\; CaCO_3 (s) + CO_2 (g) + H_2O (l)}.

Passo 4

Em contraste, cátions monovalentes grandes ( K^{+}, R b^{+}, C s^{+}) têm baixa densidade de carga e fraco poder polarizante. Consequentemente, não induzem tão facilmente a desprotonação de \mathrm{HCO_3^-}. Além disso, o balanço entre energia de rede do cristal \mathrm{MHCO_3} e a energia de hidratação de M^{+} e \mathrm{HCO_3^-} favorece a existência do hidrogenocarbonato estável em forma sólida, sem que haja decomposição espontânea.

Resposta

Apenas os metais alcalinos formam hidrogenocarbonatos sólidos estáveis porque seus cátions monovalentes grandes têm carga e poder de polarização suficientemente baixos para não forçar a desprotonação de \mathrm{HCO_3^-}. Metais com maior densidade de carga (M g^{2}⁺, C a^{2}⁺ etc.) polarizam demais o ânion, promovendo a formação de carbonato sólido e liberação de \mathrm{CO_2} e \mathrm{H_2O}, de modo que não existe um hidrogenocarbonato estável em fase sólida para esses cátions.

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