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Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y AgrimensuraUniversidad Nacional del Nordeste
Avenida Libertad 5450- 3400. CorrientesTE: (03783)457996- Int. 105
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
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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/
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LOS ELEMENTOS DEL GRUPO
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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.
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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.
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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
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Estados de oxidación
Configuración electrónica de la
capa de valencia:
ns2 np1
A medida que descendemos en el
grupo el efecto del par inerte
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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
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BORO
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Compuestos del boro
reconocidos:
• BOROHIDRUROS y BORANOS
• BORUROS METÁLICOS
• HALUROS
• ÓXIDOS Y OXOÁCIDOS
• B-N: Borazinas
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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
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Hidruros de B: Boranos
Diborano: B2H6
Obtención:
Propiedades del diborano:
Gas incoloro, tóxico y sumamente reactivo
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Se inflama en el aire
Fuertemente higroscópico
A temperaturas >50ºC
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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
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Otros boranos
Tetraborano
Cuando se calienta el diborano a 100ºC se
forma el decaborano B10H14
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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
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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.
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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
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Propiedades químicas de los trihaluros
Son ácidos de Lewis
Fortaleza como ácidos de Lewis
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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)
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• Óxidos
• ¿Hidróxidos?
• Boratos
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Óxido de Boro: B2O3
• es un óxido ácido
• reacciona con el agua para dar ácido bórico,
B(OH)3 o H3BO3
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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)
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Es un ácido de Lewis porque acepta un par
electrónico del ion OH¯
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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.
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Esteres del ácido bórico
Preparación del borato de etilo
En las reacciones de esterificación
el H2SO4 actúa como agente
deshidratante.
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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
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Boratos
Anión metatriborato Anión metatetraborato
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Boratos más comunes:
BORAX: Na2B2O7·10H2O
PEROXOBORATO: Na2BO3
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ALUMINIO
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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.
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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.
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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.
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Reactividad ácido base del Al
Es anfótero
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Química acuosa del Al
En disolución acuosa, el catión
Al3+ sufre reacciones de hidrólisis:
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Los haluros de Al son ácidos de Lewis muy
reactivos y aceptan fácilmente un par de
electrones para formar un aducto.
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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)
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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.
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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.
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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.