- Metais alcalinos reagem com oxigênio para formar óxidos, peróxidos e superóxidos, dependendo do metal. Considere os produtos destas reações e justifique a formação dos compostos.
Passo 1
O enunciado pede que eu considere quais compostos se formam quando metais alcalinos reagem com oxigênio e que eu justifique por que cada metal dá um produto diferente (óxido, peróxido ou superóxido).\n
Informações relevantes dadas ou implícitas:\n
Informações relevantes dadas ou implícitas:\n
- Os reagentes são os metais alcalinos:
.\n - O outro reagente é o oxigênio molecular,
.\n - Os produtos possíveis são: óxidos (íon
), peróxidos (íon ) e superóxidos (íon ).\n - É preciso justificar por que cada metal tende a formar um desses íons quando oxida o metal (ou seja, por que um metal dá preferencialmente óxido, peróxido ou superóxido).
Passo 2
Conceito básico: os metais alcalinos doam elétrons com facilidade. Cada átomo de metal normalmente doa exatamente um elétron formando
(onde
é o metal). Já o oxigênio molecular pode aceitar diferentes números de elétrons, formando espécies com diferentes graus de redução. As reduções relevantes de
são:\n
Comentário didático: cada equação mostra quantos elétrons são necessários para transformar
na espécie desejada. Por exemplo, para formar um óxido (íons
) a molécula
precisa receber 4 elétrons ao todo; para formar um peróxido
precisa de 2 elétrons; para formar superóxido
precisa de 1 elétron.
Passo 3
Faça a ligação elétron-estoquiométrica entre metais (cada metal doa 1 elétron) e
(que pede 4, 2 ou 1 elétron(s)). Isso dá as estequiometrias gerais das reações:\n
- Para formar óxido (redução de
por 4 e^-): 4 metais doam 4 e^- e geram dois íons , dando a reação geral\n \n - Para formar peróxido (redução por 2 e^-): 2 metais doam 2 e^- e formam o peróxido\n
\n - Para formar superóxido (redução por 1 e^-): 1 metal doa 1 e^- e forma o superóxido\n
\n
Essas fórmulas mostram que, do ponto de vista estritamente elétron-estoquiométrico, qualquer metal alcalino poderia em princípio dar qualquer um dos três produtos — o que decide qual formado é a energia total (termodinâmica) da reação na fase sólida.
Passo 4
Explicando energeticamente (qual a ideia simples que usamos na prova): a formação efetiva de um composto iônico depende de duas coisas que competem:\n
- Quanto “custa” reduzir
(na prática: a afinidade eletrônica da espécie e energia associada a adicionar 1, 2 ou 4 elétrons). Em geral, quanto mais elétrons se adicionam, mais “custoso” fica em termos de energia isolada da molécula gasosa.\n - Quanto “compensa” em energia quando os íons formados se juntam para formar o sólido iônico: isto é a energia de rede (lattice energy). A energia de rede é maior quando os íons têm cargas maiores e quando os raios iônicos são pequenos (energia de rede escala qualitativamente como
).\n
Conclusão prática e intuitiva: para um óxido, o âniontem carga grande (−2) e pequeno raio efetivo — isso dá energias de rede muito altas com cátions pequenos, o que pode compensar o custo de reduzir a . Para um superóxido o ânion é maior e tem carga menor (média −1 por molécula ), então precisa-se de uma energia de rede menor para estabilizá-lo — isso é favorável quando o cátion é grande e não polariza muito o ânion.
Passo 5
Aplicando o raciocínio ao grupo dos metais alcalinos (raio iônico cresce descendo o grupo):\n
-
é muito pequeno e tem alta densidade de carga. Ele dá uma energia de rede muito grande quando emparelhado com , o que compensa bem o custo de reduzir completamente até . Por isso o produto preferido é o óxido.\n -
é maior que — a energia de rede com já é menor, então o óxido fica menos favorecido; o peróxido (que exige menos elétrons) é uma boa opção energética para , por isso tende a formar peróxido.\n -
são cátions grandes com baixa densidade de carga; eles estabilizam melhor o ânion superóxido (íon grande e relativamente difuso) via energia de rede suficiente para compensar apenas a adição de 1 elétron à . Portanto esses metais formam preferencialmente superóxidos. Observação prática: potássio ( ) às vezes dá também peróxidos ou misturas dependendo das condições, mas o superóxido é o produto típico ao queimar em excesso de .
Passo 6
Mostro reações balanceadas típicas por metal (essas são as equações que você pode escrever na prova):\n
- Lítio — forma óxido:\n
- Sódio — forma peróxido:\n
- Potássio — forma superóxido (produto mais comum quando queima em
puro):\n
- Rubídio — forma superóxido:\n
- Césio — forma superóxido:\n
Passo 7
Um pouco de física/experimental para reforçar a justificativa (útil na prova para explicar “por que”):\n
- Tamanho do cátion
quanto maior o cátion, melhor ele estabiliza ânions grandes e difusos (como ).\n - Polarização: cátions pequenos (como
) polarizam (atraem) a nuvem eletrônica do ânion, favorecendo caráter covalente e estabilizando íons pequenos e muito carregados ( ).\n - Propriedades observáveis:
(superóxido) é paramagnético (tem elétron desemparelhado), (peróxido) é diamagnético; essas propriedades experimentais confirmam a natureza dos ânions formados.\n - Condições de reação importam: excesso de oxigênio, temperatura e velocidade de aquecimento podem favorecer um produto sobre outro (por exemplo,
pode dar uma mistura), mas a tendência principal segue o critério de tamanho/energia explicado acima.
Passo 8
Regra prática para decorar e usar na prova (mnemonicamente):\n
- Pequeno cátion (Li) → óxido (
);\n - Cátion médio (Na) → peróxido (
);\n - Cátion grande (K, Rb, Cs) → superóxido (
).\n
Repita isso mentalmente quando ver exercícios: olhe o tamanho do cátion e decida qual ânion o retém por energia de rede suficiente.