Capítulo XXV

LA FAMILIA DEL MAGNESIO

=========================================================================== SÍMBOLO PESO ATÓMICO DENSIDAD PUNTO DE FUSIÓN PUNTO DE EBULLICIÓN ÓXIDO — Magnesio Mg 24.36 1.75 750 °C 920 °C MgO Zinc Zn 65.4 7.00 420 °C 950 °C ZnO Cadmio Cd 112.4 8.67 320 °C 778 °C CdO ===========================================================================

La familia. En la familia del magnesio se incluyen los cuatro elementos: magnesio, zinc, cadmio y mercurio. Entre los tres primeros de estos metales existe una estrecha semejanza familiar, similar a la que se ha observado entre los miembros de las dos familias anteriores. El mercurio, en algunos aspectos, se parece más al cobre y será estudiado en relación con ese metal.

1. Propiedades. Cuando se calientan a alta temperatura en el aire, cada uno de estos metales se combina con oxígeno para formar un óxido de fórmula general MO, donde M representa el metal. El magnesio descompone lentamente el agua en ebullición, mientras que el zinc y el cadmio tienen muy poca acción sobre ella.

2. Compuestos. Los miembros de este grupo son divalentes en casi todos sus compuestos, por lo que las fórmulas de sus sales se asemejan a las de los metales alcalinotérreos. Al igual que los metales alcalinotérreos, sus carbonatos y fosfatos son insolubles en agua. Sin embargo, sus sulfatos son fácilmente solubles. A diferencia de los metales alcalinos y alcalinotérreos, sus hidróxidos son casi insolubles en agua. La mayoría de sus compuestos se disocian de tal manera que producen un ion metálico simple, incoloro.

MAGNESIO

Ocurrencia. El magnesio es un elemento muy abundante en la naturaleza, situándose un poco por debajo del calcio en este aspecto. Al igual que el calcio, es un constituyente de muchas rocas y también se encuentra en forma de sales solubles.

Preparación. El magnesio metálico, como la mayoría de los metales cuyos óxidos son difíciles de reducir con carbono, se preparaba antiguamente calentando el cloruro anhidro con sodio:

MgCl{2} + 2Na = 2NaCl + Mg.

Actualmente se obtiene por electrólisis, pero en lugar de usar como electrolito el cloruro anhidro fundido, que es difícil de obtener, se utiliza el mineral natural carnalita. Este se funde en un recipiente de hierro que también sirve como cátodo en la electrólisis. Una varilla de carbono sumergida en la sal fundida sirve como ánodo. El aparato es muy similar al empleado en la preparación del sodio.

Propiedades. El magnesio es un metal plateado-blanco, bastante resistente y de baja densidad. El aire no actúa rápidamente sobre él, pero se forma una fina capa de óxido en su superficie, opacando su brillo. Los ácidos comunes lo disuelven formando las sales correspondientes. Puede encenderse fácilmente y, al arder, libera mucho calor y produce una luz blanca brillante. Esta luz es muy rica en los rayos que afectan las placas fotográficas, y el metal en forma de polvo fino se utiliza ampliamente en la producción de luces de destello y para luces blancas en exhibiciones pirotécnicas.

Óxido de magnesio (magnesia) (MgO). El óxido de magnesio, a veces llamado magnesia o magnesia calcinada, se parece en muchos aspectos a la cal. Se forma mucho más fácilmente que la cal y puede obtenerse de la misma manera, es decir, calcinando el carbonato. Es un polvo blanco, muy suave y ligero, que no se altera por el calor, incluso a temperaturas muy elevadas. Por esta razón, se usa en la fabricación de crisoles, para revestir hornos y para otros fines donde se requiere una sustancia refractaria. Se combina con agua para formar hidróxido de magnesio, pero mucho más lentamente y con la producción de mucho menos calor que en el caso del óxido de calcio.

Hidróxido de magnesio (Mg(OH){2}). El hidróxido formado de esta manera es muy poco soluble en agua, pero lo suficiente como para dar al agua una reacción alcalina. Por lo tanto, el hidróxido de magnesio es una base bastante fuerte. Es una sustancia amorfa y blanca. Ni la magnesia ni las sales de magnesio tienen un efecto muy marcado sobre el organismo; por esta razón, la magnesia es un antídoto muy adecuado para el envenenamiento por ácidos fuertes, ya que cualquier exceso introducido en el organismo no tendrá un efecto perjudicial.

Cemento de magnesio. Una pasta de hidróxido de magnesio y agua absorbe lentamente dióxido de carbono del aire y se vuelve muy dura. La dureza del producto aumenta por la presencia de una cantidad considerable de cloruro de magnesio en la pasta. El hidróxido, con o sin el cloruro, se utiliza en la preparación de cementos para ciertos fines.

Carbonato de magnesio (MgCO{3}). El carbonato de magnesio es un mineral muy abundante. Se encuentra en varios lugares como magnesita, que suele ser amorfa, pero a veces forma cristales puros que se asemejan a la calcita. Más comúnmente se encuentra asociado con el carbonato de calcio. El mineral dolomita tiene la composición CaCO{3}.MgCO{3}. La caliza que contiene menores cantidades de carbonato de magnesio se conoce como caliza dolomítica. La dolomita es una de las rocas más comunes, formando incluso masas montañosas enteras. Es más dura y menos atacada por los ácidos que la caliza. Es valiosa como piedra de construcción y como balasto para vías y cimientos. Al igual que el carbonato de calcio, el carbonato de magnesio es insoluble en agua, aunque se disuelve fácilmente en ácidos.

Carbonato básico de magnesio. Deberíamos esperar que el carbonato de magnesio se precipitara cuando se mezclan una sal soluble de magnesio y un carbonato soluble:

Na{2}CO{3} + MgCl{2} = MgCO{3} + 2NaCl.

En lugar de esto, se libera algo de dióxido de carbono y el producto resultante es un carbonato básico. El carbonato básico de magnesio más común tiene la fórmula 4MgCO{3}.Mg(OH){2}, y a veces se llama magnesia alba. Este compuesto se forma por la hidrólisis parcial del carbonato normal que se precipita al principio:

5MgCO{3} + 2H{2}O = 4MgCO{3}.Mg(OH){2} + H{2}CO{3}.

Cloruro de magnesio (MgCl{2}.6H{2}O). El cloruro de magnesio se encuentra en muchas aguas naturales y en muchos depósitos de sal (véase sales de Stassfurt). Se obtiene como subproducto en la fabricación de cloruro de potasio a partir de carnalita. Como no tiene un uso muy importante, grandes cantidades se desperdician anualmente. Cuando se calienta para eliminar el agua de cristalización, el cloruro se descompone como se muestra en la ecuación

MgCl{2}.6H{2}O = MgO + 2HCl + 5H{2}O.

Debido a la abundancia de cloruro de magnesio, esta reacción se utiliza en cierta medida para la preparación tanto de óxido de magnesio como de ácido clorhídrico.

Incrustaciones en calderas. Cuando el agua que contiene ciertas sales disueltas se evapora en calderas de vapor, se deposita en la caldera un material duro e insoluble llamado incrustación. La formación de esta incrustación puede deberse a varias causas distintas.

1. Al depósito de sulfato de calcio. Esta sal, aunque poco soluble en agua fría, es casi completamente insoluble en agua sobrecalentada. Por consiguiente, se precipita cuando el agua que la contiene se calienta en una caldera.

2. A la descomposición de carbonatos ácidos. Como hemos visto, los carbonatos ácidos de calcio y magnesio se descomponen al calentarse, formando carbonatos normales insolubles:

Ca(HCO{3}){2} = CaCO{3} + H{2}O + CO{2}.

3. A la hidrólisis de sales de magnesio. El cloruro de magnesio, y en cierta medida el sulfato de magnesio, sufren hidrólisis cuando están sobrecalentados en solución, y el hidróxido de magnesio, al ser poco soluble, se precipita:

MgCl{2} + 2H{2}O Mg(OH){2} + 2HCl.

Esta incrustación se adhiere firmemente a la caldera en capas compactas y, al ser un mal conductor del calor, ocasiona un gran desperdicio de combustible. Es muy difícil de eliminar, debido a su dureza y resistencia a los reactivos. Las incrustaciones gruesas a veces se agrietan, y el agua al entrar en contacto con el hierro sobrecalentado puede provocar una explosión. Además, los ácidos liberados en la hidrólisis de las sales de magnesio atacan los tubos de hierro y los corroen rápidamente. Estas causas se combinan para hacer que la formación de incrustaciones sea un problema serio en los casos en que se utiliza agua dura en calderas de vapor. Por lo tanto, el agua que contiene tales sales debe ser ablandada antes de usarse en calderas.

Sulfato de magnesio (sal de Epsom) (MgSO{4}.7H{2}O). Al igual que el cloruro, el sulfato de magnesio se encuentra con bastante frecuencia en manantiales y en depósitos de sal. Se ha encontrado un gran depósito de la sal casi pura en Wyoming. Su nombre se le dio debido a su abundante presencia en las aguas de los manantiales de Epsom en Inglaterra.

El sulfato de magnesio tiene muchos usos en la industria. Se utiliza en pequeña medida en la preparación de sulfatos de sodio y potasio, como recubrimiento para telas de algodón, en la industria de tintes, en el curtido y en la fabricación de pinturas y jabones para lavandería. En cierta medida se utiliza en medicina.

Silicatos de magnesio. Se conocen muchos silicatos que contienen magnesio y algunos de ellos son sustancias importantes. La serpentina, el asbesto, el talco y la espuma de mar son ejemplos de tales sustancias.

ZINC

Ocurrencia. El zinc nunca se encuentra libre en la naturaleza. Sus compuestos se han hallado en muchos países diferentes, pero no es un constituyente de las rocas y minerales comunes, y su presencia es más bien local y limitada a depósitos o yacimientos definidos. Se encuentra principalmente en los siguientes minerales:

Esfalerita (blenda de zinc) ZnS. Zincita ZnO. Smithsonita ZnCO{3}. Willemita Zn{2}SiO{4}. Franklinita ZnO.Fe{2}O{3}.

Una cuarta parte de la producción mundial de zinc proviene de los Estados Unidos, siendo Misuri el mayor productor.

~Metalurgia.~ Los minerales empleados en la obtención de zinc son principalmente el sulfuro, el óxido y el carbonato. Primero se tuestan al aire, proceso mediante el cual se transforman en óxido:

ZnCO{3} = ZnO + CO{2}, ZnS + 3O = ZnO + SO{2}.

Luego, el óxido se mezcla con polvo de carbón y la mezcla se calienta en crisoles o retortas de barro; en muchos casos se utiliza gas natural como combustible. De este modo, el óxido se reduce al estado metálico y el zinc, al ser volátil a la alta temperatura alcanzada, se destila y se recoge en recipientes adecuados. Al principio, el zinc se acumula en forma de polvo fino, llamado polvo de zinc o flores de zinc, recordando la formación en condiciones similares de flores de azufre. Más tarde, cuando todo el aparato se ha calentado, el zinc se condensa en estado líquido en el receptor, de donde se extrae en moldes. El zinc comercial suele contener varias impurezas, especialmente carbono, arsénico y hierro.

~Propiedades físicas.~ El zinc puro es un metal bastante pesado, de color blanco azulado y alto brillo. Funde a unos 420 grados y, si se calienta mucho más allá de esta temperatura en el aire, se inflama y arde con una llama azulada muy brillante. Hierve a unos 950 grados y, por lo tanto, puede purificarse por destilación.

Muchas de las propiedades físicas del zinc se ven muy influenciadas por la temperatura y el tratamiento previo del metal. Cuando se funde y se vierte en lingotes desde el estado líquido, se vuelve bastante duro, quebradizo y altamente cristalino a temperaturas ordinarias. A 150 grados es maleable y puede laminarse en hojas delgadas; a temperaturas más altas vuelve a ser muy quebradizo. Una vez laminado en hojas, conserva su suavidad y maleabilidad a temperaturas normales. Cuando se funde y se vierte en agua, forma escamas delgadas y quebradizas, y en este estado se llama zinc granulado o musgoso.

~Propiedades químicas.~ El zinc se empaña superficialmente por la acción del aire húmedo, pero fuera de esto no se ve afectado. No descompone ni siquiera el agua hirviendo. Cuando el metal es completamente puro, los ácidos sulfúrico y clorhídrico apenas lo atacan; sin embargo, si contiene pequeñas cantidades de otros metales como magnesio o arsénico, o si simplemente está en contacto con platino metálico, se produce una reacción enérgica y se libera hidrógeno. Por esta razón, cuando se utiliza zinc puro en la preparación de hidrógeno, a menudo se agregan unas gotas de cloruro de platino a la solución para facilitar la acción química. El ácido nítrico disuelve el metal fácilmente, formando nitrato de zinc y varios productos de reducción del ácido nítrico. Los álcalis fuertes actúan sobre el zinc y liberan hidrógeno:

Zn + 2KOH = Zn(OK){2} + 2H.

El producto de esta reacción, zincato de potasio, es una sal del hidróxido de zinc, que así muestra tener propiedades ácidas, aunque usualmente actúa como base.

~Usos del zinc.~ El metal tiene muchos usos conocidos. Laminado en hojas, se utiliza como revestimiento para recipientes destinados a contener agua. Como una fina capa sobre la superficie del hierro (hierro galvanizado) protege al hierro de la oxidación. El hierro suele galvanizarse sumergiéndolo en un baño de zinc fundido, pero también se emplean métodos eléctricos. Las placas de zinc se usan en muchas formas de baterías eléctricas. En el laboratorio, el zinc se utiliza en la preparación de hidrógeno y, en forma de polvo de zinc, como agente reductor.

Uno de los mayores usos del zinc es en la fabricación de aleaciones. El latón, una aleación de zinc y cobre, es la más importante de ellas; la plata alemana, compuesta de cobre, zinc y níquel, tiene muchos usos; varios bronces, metales para monedas y metales antifricción también contienen zinc. Su capacidad para alearse con la plata se aplica en la separación de la plata del plomo (ver plata).

~Compuestos del zinc.~ En general, los compuestos del zinc son similares en fórmula y apariencia a los del magnesio, pero en otras propiedades suelen diferir notablemente. Varios de ellos tienen valor comercial.

~Óxido de zinc~ (blanco de zinc) (ZnO). El óxido de zinc se encuentra en la naturaleza en forma impura, coloreado de rojo por compuestos de manganeso y hierro. Puede prepararse igual que el óxido de magnesio, pero más frecuentemente se obtiene quemando el metal.

El óxido de zinc es un polvo blanco puro que se vuelve amarillo al calentarse y recupera su color blanco al enfriarse. Se utiliza mucho como pigmento blanco en pinturas, bajo el nombre de blanco de zinc, y tiene la ventaja sobre el blanco de plomo de que no cambia de color por los compuestos de azufre, mientras que el plomo se ennegrece. También se usa en la fabricación de productos de caucho.

~Obtención comercial del óxido de zinc.~ Comercialmente, a menudo se produce a partir de la franklinita de la siguiente manera. La franklinita se mezcla con carbón y se calienta a alta temperatura en un horno, proceso mediante el cual el zinc se libera y se convierte en vapor. Al salir el vapor del horno por un conducto, se encuentra con una corriente de aire y se inflama, formando óxido de zinc. El óxido continúa y se filtra del aire a través de bolsas de lona, que dejan pasar el aire pero retienen el óxido. Así se obtiene quemando el metal, aunque el metal no se aísla realmente en el proceso.

~Sales solubles.~ Las sales solubles de zinc pueden prepararse disolviendo el metal o el óxido en el ácido apropiado. Todas son algo venenosas. El sulfato y el cloruro son las más conocidas.

~Sulfato de zinc~ (vitriolo blanco) (ZnSO{4}.7H{2}O). Esta sal se cristaliza fácilmente a partir de soluciones concentradas en cristales transparentes e incoloros. Se prepara comercialmente por tostación cuidadosa del sulfuro:

ZnS + 4O = ZnSO{4}.

~Cloruro de zinc~ (ZnCl{2}.H{2}O). Cuando una solución de cloruro de zinc se evapora lentamente, cristaliza una sal de composición ZnCl{2}.H{2}O. Si se elimina completamente el agua por calentamiento y el residuo se destila, se obtiene el cloruro anhidro, que puede fundirse en barras o romperse en trozos. En esta destilación, al igual que al calentar cloruro de magnesio, parte del cloruro se descompone:

ZnCl{2}.H{2}O = ZnO + 2HCl.

El cloruro anhidro tiene gran afinidad por el agua y se utiliza como agente deshidratante. También es un germicida, y la madera que va a estar expuesta a condiciones que favorecen la descomposición, como por ejemplo los durmientes de ferrocarril, a menudo se empapa en soluciones de esta sal.

~Compuestos insolubles.~ Los compuestos insolubles del zinc pueden prepararse por precipitación. Los más importantes son el sulfuro, el carbonato y el hidróxido.

~Sulfuro de zinc~ (ZnS). Esta sustancia se encuentra como el mineral esfalerita, y es uno de los minerales de zinc más valiosos. Existen grandes depósitos en el suroeste de Misuri. El mineral natural se encuentra en grandes cristales o masas, que se asemejan a la resina en color y brillo. Cuando se prepara por precipitación, el sulfuro es blanco.

CADMIO

~El elemento.~ Este elemento se encuentra en pequeñas cantidades en algunos minerales de zinc. Durante la metalurgia del zinc, los compuestos de cadmio sufren cambios químicos muy similares a los de los compuestos de zinc, y el cadmio se destila junto con el zinc. Al ser más volátil, pasa con las primeras fracciones del zinc y se obtiene de las primeras porciones del destilado mediante métodos especiales de purificación. El elemento se parece mucho al zinc en la mayoría de los aspectos. Algunas de sus aleaciones se caracterizan por tener puntos de fusión bajos.

~Compuestos de cadmio.~ Entre los compuestos de cadmio pueden mencionarse el cloruro (CdCl{2}.2H{2}O), el sulfato (3CdSO{4}.8H{2}O) y el nitrato (Cd(NO{3}){2}.4H{2}O). Son sólidos blancos solubles en agua. El sulfuro (CdS) es una sustancia de color amarillo brillante, insoluble en agua y en ácidos diluidos. Es valioso como pigmento en pinturas finas.

EJERCICIOS

1. ¿Qué propiedades tienen en común los metales de la familia del magnesio con los metales alcalinos; con los metales alcalinotérreos?

2. Compara la acción de los metales del grupo del magnesio sobre el agua con la de los otros metales estudiados.

3. ¿Qué metales ya estudiados se obtienen por electrólisis?

4. Escribe las ecuaciones que representan las reacciones entre el magnesio y el ácido clorhídrico; entre el magnesio y el ácido sulfúrico diluido.

5. ¿Qué propiedad del magnesio se aprovechó en el aislamiento del argón?

6. Con el ácido fosfórico, el magnesio forma sales similares a las del calcio. Escribe los nombres y fórmulas de las sales de magnesio correspondientes.

7. ¿Cómo podrías distinguir entre cloruro de magnesio y sulfato de magnesio? ¿entre las sales de Glauber y las sales de Epsom?

8. ¿Qué peso de carnalita es necesario para obtener 500 g de magnesio?

9. Explica por qué las pinturas hechas con óxido de zinc no se colorean con ácido sulfhídrico.

10. ¿Qué hidróxido estudiado, aparte del hidróxido de zinc, tiene propiedades tanto ácidas como básicas?

11. Escribe ecuaciones que muestren cómo pueden obtenerse los siguientes compuestos de zinc a partir de zinc metálico: el óxido, cloruro, nitrato, carbonato, sulfato, sulfuro, hidróxido.