Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
Es conocido que, cuando se alean metales, la aleación resultante suele tener propiedades diferentes de las de los metales aislados, y no necesariamente intermedias. Un ejemplo es la aleación de Na y K, que es líquida a pesar de que estos metales son sólidos a temperatura ambiente. Esto se puede comprobar mediante un experimento muy simple.
El experimento
Se corta un trocito de sodio (un cubo de unos 3-4 mm, de masa menor que 0,1 g) y cuatro de potasio del mismo tamaño aproximadamente. Se depositan en el fondo de un tubo de ensayo cubriéndolos con un disolvente orgánico que impida el contacto con el aire, como el queroseno o el hexano.
Con pinzas y espátula se deben cortar, triturar y mezclar ambos metales. Al poco tiempo se notará que la mezcla se va reblandeciendo. El disolvente ayudará a retirar las películas de óxido e hidróxido que puedan haberse formado sobre ellos y facilitará la aleación.
Finalmente, se extrae la aleación líquida (que tendrá el aspecto del mercurio) con pipeta o jeringa y se vierte en otro recipiente. Debe cubrirse también con el disolvente orgánico porque la aleación es incluso más reactiva con el agua que los metales puros.
Esto se podrá apreciar si se proyectaran con una jeringa microgotas de la aleación sobre agua.
Explicación
La aleación de Na y K, conocida comúnmente como “NaK”, se usa principalmente como refrigerante en reactores nucleares, teniendo las ventajas de permanecer líquida en un amplio intervalo de temperaturas y una baja tendencia a absorber neutrones.
El punto de fusión de un metal está relacionado con el radio del catión, su carga y el número de electrones deslocalizados. Dado que el radio iónico es más grande en el potasio, no es sorprendente que tenga un punto de fusión (64 oC) más bajo que el del sodio (98 oC). Cabría esperar, pues, que el punto de fusión de la aleación fuera intermedio, dependiendo de la proporción de ambos metales. Sin embargo, la aleación es líquida a temperatura ambiente.
Para todas las mezclas de sodio y potasio la entalpía del proceso de mezcla es positiva (endotérmica). Es decir, la entalpía del producto (la aleación) es mayor que la de los metales sin alear. Como la entalpía de un proceso es igual a la diferencia entre las entalpías de los enlaces rotos menos la de los enlaces formados, esto significa que la entalpía de los enlaces de los metales puros es mayor que la de los enlaces en la aleación. Es decir, hace falta más energía para romper los enlaces en los metales puros que en la aleación. Por lo tanto, se deduce que las fuerzas entre los iones ha de ser menores en la aleación que en los metales puros.
La entalpía de formación de la aleación depende principalmente de las estructuras cristalinas y de las diferencias de electronegatividad, los estados de oxidación y los radios iónicos de los componentes. Tanto el sodio como el potasio adoptan el mismo tipo de estructura cristalina, cúbica centrada en las caras. Como tienen el mismo estado de oxidación y sus electronegatividades son similares, la diferencia en el radio iónico es la principal responsable de las propiedades de la aleación. En general, en las mezclas se rellenan peor los huecos que en cualquier sustancia pura (es decir, la “eficacia del relleno” es peor en aquellas), y eso sucede en esta mezcla.
Las aleaciones NaK que contienen entre el 40 % y el 90 % de potasio son líquidas a temperatura ambiente. Como se puede ver en el diagrama de fases de la izquierda, la mezcla eutéctica, es decir, la que tiene punto de fusión más bajo, contiene un 77 % de potasio y un 23 % de sodio. Una muestra con esta composición es líquida desde los –12,6 oC (y se mantiene líquida hasta los 785 oC).
Por otro lado, para ciertas proporciones de Na y K se forma el compuesto intermetálico Na2K.
La reacción con agua
El último efecto mencionado al describir el experimento se puede explicar por esta reacción:
NaK + H2O ⟶ NaK(OH)2 + H2
Es la misma reacción de los alcalinos Na y K por separado con H2O. Es muy exotérmica, por lo que el hidrógeno producido se inflamará.
Seguridad
El sodio y el potasio deben conservarse dentro de líquidos que no permitan el acceso del oxígeno o el agua al metal (en aceite mineral, queroseno, hexano…) porque son muy reactivos con el aire y la humedad. La aleación tiene también esa propiedad, y esa es la razón de que se haya de obtener bajo el líquido protector y posteriormente mantenerse dentro de él.
Referencias
- D. Fleming. Properties of alloys: finding the NaK. Education in Chemistry, 2016. https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/properties-of-alloys-finding-the-nak/2000056.article.
- NaK. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/NaK.
- Thoisoi2 – Chemical Experiments! Sodium + Potassium = Strange Liquid Metal! YouTube, 2016. https://www.youtube.com/watch?v=10GwSbOOBqg.
Imagen de cabecera: D. Fleming en Education in Chemistry.
Este experimento pertenece al libro:
Denís Paredes Roibás, José M.ª Gavira Vallejo: 125 experimentos de química insólita para la Enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/125eqi/ .
