Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y AgrimensuraUniversidad Nacional del Nordeste

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QUÍMICA INORGÁNICAUnidad VIII: GRUPO DEL BORO

Contenidos temáticos desarrollados por:

Dra. GRACIELA MABEL MONTIEL

Profesor Responsable

CARRERAS: Bioquímica- Licenciatura en Ciencias QuímicasProfesorado en Ciencias Química y del Ambiente

BIBLIOGRAFIA GENERAL•Atkins, P. ; Jones, L. (2006). “Principios de Química. Los caminos del descubrimiento”. Editorial Médica PANAMERICANA S. A. Argentina.•Atkins, P. ; Jones, L. (1998).”Química. Moléculas. Materia. Cambio”. Omega S.A.. Barcelona. España.•Brown, T.; LeMay, H.; Bursten, B. (1998) ”Química la Ciencia Central”. Prentice Hall Hispanoamericana S.A. México.•Geoff Rayner-Canham.(2000) Química Inorgánica Descriptiva. Prentice-Hall.•Gutierrez Ríos, E.( 2003). Química Inorgánica .Editorial Reverté S.A.Petrucci, R. Harwood, W.(1999) Química General. Principios y Aplicaciones Modernas. Editorial Prentice Hall Iberia. •Whitten, K.W.; Gailey, K.D.; Davis, R.E.(1992) Química General. 3ra. Edición. México. Mc Graw-Hill Interamericana.•Shriver, D.F.; Atkins P.W.; Langford C.H. (1998) “Química Inorgánica” .Volumen I. Editorial Reverté S.A. •http://www.uv.es/~borrasj/docencia/apuntes/•http://www.colegiolosrosales.com/sp/

LOS ELEMENTOS DEL GRUPO

B: no metal o semimetal

Al, Ga, In y Tl: metales

Los puntos de fusión varían notablemente, de modo

irregular.

B: 2030 ºC | Ga: 29,6ºC

El Ga tiene un intervalo en estado líquido mayor

conocido. Se utiliza en termómetros para altas

temperaturas.

Estructuras cristalinas

• B: adopta estructuras cristalinas

complejas basadas en estructuras

icosaédricas con fuertes enlaces

covalentes entre los B.

• El resto adoptan empaquetamientos

típicos de metales.

Reactividad

B: es inerte y no es atacado por los ácidos ni por las bases

Los demás elementos son bastante reactivos

Los compuestos con carácter covalente son frecuentes en este grupo: B y Al

Elevada carga y pequeño radio

El B sólo forma compuestos binarios covalentes

La única forma de estabilizar compuestos iónicos es hidratar el catión metálico

H del Al: -4665 kJ·mol-1,

3 I: +5137 kJ·mol-1

Estados de oxidación

Configuración electrónica de la

capa de valencia:

ns2 np1

A medida que descendemos en el

grupo el efecto del par inerte

Presencia en la naturaleza

Boro:

Poco abundante (3 ppm)

boratos:

kernita: Na2B4O7·4H2O; borax: Na2B4O7·10H2O

Aluminio:

Abundancia del 7%, silicatos:

feldespato: K[AlSi3O8] ; caolínAl2(OH)4Si2O5.

Bauxita: Al2O3·H2O, impurificado con diversas cantidades de Fe2O3 y SiO2.

Abundancia de

Ga: 15 ppm; In: 0,1 ppm; Tl: 0,3 ppm

BORO

Es el único elemento no metálico del grupo 13. El B es el único no metal o semimetal que tiene 3 e- en su capa de valencia

No puede completar su octeto por formación de 3 enlaces covalentes.

El B forma enlaces muy peculiares

Muchas de sus reacciones químicas son de tipo ácido-base

Características del B

Sólido de gran dureza (cercana al diamante) y alto punto de fusión (2180ºC).

Color muy oscuro y brillo metálico.

Es mal conductor de la electricidad

Usos como elementoendurecer aceros

producir fibras inorgánicas que endurecen a los plásticos, el grafito o el wolframio. Muy importante

se utiliza como abrasivo

moderador en reactores nucleares. Por su capacidad para absorber neutrones

Reactividad del B• Es un elemento bastante inerte químicamente.

• Inatacable por HCl o HF

• En caliente y finamente dividido es atacado por ácidos oxidantes (HNO3)

• Con hidróxidos alcalinos forma boratos alcalinos: MH2BO3

• Tiene elevada afinidad por el oxígeno: a 700ºC arde con formación de B2O3

• En caliente reacciona con no metales.

• Halógenos formando haluros: BX3

• Azufre formando sulfuros: B2S3

• Nitrógeno formando nitruros: (BN)x

• Reacciona con algunos metales formando boruros metálicos: MBn

Métodos de obtención del B

La estabilidad del enlace B–O hace que sea costoso obtenerlo por reducción de compuestos oxigenados

Hay que utilizar reductores fuertes como el Na, Al o H2

Altas temperaturas

Se lo obtiene frecuentemente impurificado con restos de óxidos o boruros metálicos

Por reducción por metales a alta temperatura se

obtiene boro de 95-98% de pureza

Reducción electrolítica de boratos fundidos o de

KBF4 en KCl/KF fundido a 800º, se obtiene boro en

polvo del 95%.

Reducción de compuestos volátiles

Descomposición térmica de hidruros de boro o

de haluros

Estructura del B elemental

Forman redes extensas formadas por icosaedros (poliedros formados por 12 átomos de B con 20 caras).

los icosaedros se unen por enlaces covalentes entre dos átomos de B situados en los vértices o por

enlaces tricéntricos

Complejidad estructural

tiene más orbitales de valencia que electrones

Alotropía en el B

B amorfo (de aspecto vítreo y opaco)

no es conductor porque los electrones están

localizados entre las unidades icosaédricas

Compuestos de Boro

En muchos compuestos el B no se rodea de

un octeto electrónico lo que hace que sean

deficientes en electrones.

La deficiencia electrónica de algunos

compuestos de boro conduce a un tipo de

enlace muy especial: 3c-2e

Muchos de ellos, sobre todo los moleculares

tipo BX3, son ácidos de Lewis fuertes.

El boro presenta una notable tendencia a la

homocatenación: enlaces –B–B– extendidos

Compuestos del boro

reconocidos:

• BOROHIDRUROS y BORANOS

• BORUROS METÁLICOS

• HALUROS

• ÓXIDOS Y OXOÁCIDOS

• B-N: Borazinas

Hidruros de B: Borohidruros

Los hidruros MH3 son inestables para a

todos los elementos del Grupo 13. Sin

embargo todos pueden formar las

especies aniónicas: MH4¯

(tetrahidrometalato)

LiAlH4: también se utiliza para la síntesis

de silanos.

NaBH4: Sólido blanco

4

Hidruros de B: Boranos

Diborano: B2H6

Obtención:

Propiedades del diborano:

Gas incoloro, tóxico y sumamente reactivo

Se inflama en el aire

Fuertemente higroscópico

A temperaturas >50ºC

Enlace en el diborano:

3c-2e (tres centros dos electrones)

Estructura aceptada para el diborano:

4 H y 2 B situados en un plano: 8e

hibridación sp3 para el B (coordinación

local del B casi tetraédrica)

2H que actúan como puente entre 2B: 4e

B–H–B: enlace 3 centros con 2 electrones

Otros boranos

Tetraborano

Cuando se calienta el diborano a 100ºC se

forma el decaborano B10H14

Sus estructuras están basadas en poliedros regulares donde los B definen caras triangulares (estructuras deltaédricas):

Enlaces directos: B–B o B–H

Enlaces tricéntricos: B–H–B, B–B–B

Clasificación:

Closoboranos: cuando todos los vértices de los poliedros están ocupados por átomos de B.

[BnHn]2-

Nidoboranos: boranos neutros de fórmula BnHn+4

Se derivan de los closo por eliminación del átomo de B de mayor índice de coordinación, dejando así una cara del poliedro abierta.

Aracnoboranos: también son neutros de fórmula

BnHn+6

Derivan de los nido por eliminación de un átomo de B de la cara abierta.

Boruros metálicos: caso del boruro de magnesio

MgB2: superconductor

En 2001 se descubrió que el MgB2 es un material superconductor por debajo de 39K

Propiedades como superconductor:

Resistencia eléctrica cero

Diamagnetismo perfecto: las lineas de campo magnético se ven repelidas por el material (efecto Meissner)

Muchas aplicaciones tecnológicas

Propiedades químicas de los trihaluros

Son ácidos de Lewis

Fortaleza como ácidos de Lewis

Compuestos oxigenados

El B puede formar compuestos con el oxígeno. Están entre los más importantes desde el punto de vista industrial.

Enlace B-O: en los compuestos oxigenados es predominante la hibridación sp2

quedando libre el orbital pz del B para un posible solapamiento con orbitales pz del O (llenos) formándose un enlace p- p que refuerza el enlace sencillo .

La entalpía de formación del B2O3 es muy alta, H= -1250 kJ·mol-1

La energía de disociación D(B–O) es elevada (536 kJ·mol-1)

• Óxidos

• ¿Hidróxidos?

• Boratos

Óxido de Boro: B2O3

• es un óxido ácido

• reacciona con el agua para dar ácido bórico,

B(OH)3 o H3BO3

Ácido bórico: H3BO3

Usos principales

El ácido bórico es un antiséptico suave

También se utiliza para hacer menos

inflamable el papel utilizado para

empapelar paredes.

El uso mayoritario es para obtener óxido

bórico

Es un ácido monoprótico muy débil

(pK1=9,2)

Es un ácido de Lewis porque acepta un par

electrónico del ion OH¯

Estructura del ácido bórico

Los cristales de ácido bórico son blancos y trasparentes, de aspecto escamoso.

En sólido, las unidades B(OH)3 están unidas mediante puentes de hidrógeno en una estructura plana, en capas unidas entre sí por fuerzas de Van der Waals que explica la textura en escamas de este compuesto.

Esteres del ácido bórico

Preparación del borato de etilo

En las reacciones de esterificación

el H2SO4 actúa como agente

deshidratante.

Hidróxidos del grupo

B(OH)3 como acabamos de decir es en realidad un

ácido (ácido bórico) aunque convenga escribirlo

como está y no como H3BO3.

Al(OH)3, Ga(OH)3 y In(OH)3 son compuestos

anfóteros.

La adición de disolución básica a las sales de Al o Ga

da lugar al precipitado blanco del hidróxido

M(OH)3 que se disuelve para formar el ion M(OH)4¯

Tl(OH)3 no se ha podido aislar

Boratos

Anión metatriborato Anión metatetraborato

Boratos más comunes:

BORAX: Na2B2O7·10H2O

PEROXOBORATO: Na2BO3

ALUMINIO

Propiedades del Aluminio

Es un metal de apariencia brillante

Es un metal blando (como el Cu y el Sn). Es por tanto fácilmente moldeable. Sin embargo, algunas de sus aleaciones son más resistentes que el acero.

El tercer elemento más común en el planeta (tras el O y Si) y el metal más abundante; constituye el 8% de la corteza. No existe en estado metálico en la naturaleza. Esta muy disperso en forma de arcillas (silicatos), debiendo ser extraído de las menas de bauxita.

Funde a temperaturas más elevadas (600ºC) que la mayoría de los demás metales.

Carece de función biológica esencial.

Las plantas lo absorben (especialmente la planta del te) y se acumula fácilmente en las grasas.

Muy buen conductor de la electricidad

Buen conductor del calor

Reactividad del AluminioEl aluminio es un metal con potencial de reducción

muy negativo (Eº=- 1.67V) y por tanto es de esperar que sea un elemento fácilmente oxidable.

El Al metálico no arde en presencia de O2, pero finamente dividido puede inflamarse bajo determinadas condiciones en una reacción muy exotérmica, formándose un polvo blanco de alúmina.

Es resistente a la corrosión

no por su posición en la serie

electroquímica (muy reductor)

sino por la rápida formación

de una capa de óxido

coherente e inerte que lo pasiva.

Reactividad ácido base del Al

Es anfótero

Química acuosa del Al

En disolución acuosa, el catión

Al3+ sufre reacciones de hidrólisis:

Los haluros de Al son ácidos de Lewis muy

reactivos y aceptan fácilmente un par de

electrones para formar un aducto.

Óxido de Aluminio

Se le denomina alúmina cuando está en forma microcristalina (polvo) y corindón cuando esta en forma cristalina.

El corindón es una piedra preciosa: zafiro blanco.

Inclusiones de otros metales dan lugar a otras piedras preciosas

(a) Rubí es alúmina con Cr(III) sustituyendo a algunos Al(III)

(b) Zafiro es alúmina con pequeñas cantidades de Fe(III) y Ti(IV)

(c) Topacio es alúmina con pequeñas cantidades de Fe(III)

Sulfato de Al: alumbres y espinelas Los alumbres son sales dobles que responden a la

fórmula general:

M(I) M(III) (SO4)2 12 H2O

donde M(I) es un catión monopositivo ( ion sodio, ion

potasio, ion amonio); y M(III) es un catión tripositivo (

ion aluminio, ion cromo(III) o ion hierro(III)).

La espinela corresponde al metalaluminato de

magnesio anhidro Mg(AlO2)2.

Sulfato de Al y tratamiento de aguas

Se utilizan cantidades enormes de Al2(SO4)3

en el tratamiento de aguas ya que permite

precipitar finas partículas en suspensión que

de otro modo serían muy difíciles de filtrar.

El agente floculante es el Al(OH)3.

Tl: Efecto del par inerte

Conforme se baja en el grupo aumenta la dificulta para ionizar los electrones s y, por consiguiente, la valencia máxima del elemento disminuye en 2 respecto de la valencia máxima

En este elemento se estabiliza la e.o. +I.

El efecto del par inerte se incrementa en los grupos siguientes: 14, 15 y 16

Los compuestos de Tl

Son muy venenosos

El radio del Tl+ es muy semejante al del K+. Si se ingiere una sal de Tl+, interfiere en los roles biológicos del K+ al que sustituye.