Química Inorgánica I. Los elementos del bloque p. Sigfrido Escalante Tovar nov-2009

Transcripción

1 Los elementos del bloque p Química Inorgánica I Sigfrido Escalante Tovar nov-2009

2 El grupo 13, el del Boro Facultad de Química H Li 11 Na 4 Be 12 Mg K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 37 Rb 55 Cs 87 Fr 38 Sr 39 Y 40 Zr 56 Ba Hf 88 Ra Rf 41 Nb 73 Ta 105 Db 42 Mo 74 W 106 Sg 43 Tc 75 Re 107 Bh 44 Ru 76 Os 108 Hs 45 Rh 77 Ir 109 Mt 46 Pd 78 Pt 110 Ds 47 Ag 79 Au 111 Uuu 48 Cd 80 Hg 112 Uuu 5 B 13 Al 49 In 81 Tl 6 C 14 Si 50 Sn 82 Pb 7 N 15 P 51 Sb 83 Bi 8 O 16 S 52 Te 84 Po 9 F 17 Cl 53 I 85 At 2 He 10 Ne 18 Ar 54 Xe 86 Rn Uuu Uuu Uuu Uuu Uuu Uuu 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr

3 Grupo 13: propiedades relevantes Todos sus elementos son metálicos excepto el boro. Facultad de Química Boro es diferente a los demás, para empezar, el catión B 3+ no es estable en agua mientras que Al 3+ sí lo es. Talio manifiesta el llamado efecto del par inerte. Sabes qué es? De nuevo aquí, la reactividad y propiedades del boro, cabeza del grupo, son diferentes a las del resto del grupo.

4 Boro: propiedades relevantes El boro ocupa un lugar especial dentro de la química covalente porque solamente tiene 3 electrones de valencia y no alcanza a completar el octeto en sus compuestos. Algunos de sus compuestos tienen importantes aplicaciones tanto tradicionales como novedosas. Sabes que es el Pyrex?

5 El boro y sus hidruros, los boranos 8BF 3 + 6NaH 6NaBF 4 + B 2 H 6 El diborano es el hidruro más simple ya que el borano BH 3 es inestable y presenta una constante de dimerización de BH 3 (g) B 2 H 6 (g) H H B B H H diborano H H A los boranos se les menciona frecuentemente como compuestos deficientes en electrones En el diborano hay solamente 12 electrones para formar los 8 enlaces. Existen por lo tanto 4 enlaces de 2 centros y dos electrones y 2 enlaces, los centrales que se llaman enlaces de 3 centros y 2 electrones (banana bonds).

6 El boro y sus hidruros, los boranos 8BF 3 + 6NaH 6NaBF 4 + B 2 H 6 El diborano es el hidruro más simple ya que el borano BH 3 es inestable y presenta una constante de dimerización de BH 3 (g) B 2 H 6 (g) H H B B H H diborano H H A los boranos se les menciona frecuentemente como compuestos deficientes en electrones En el diborano hay solamente 12 electrones para formar los 8 enlaces. Existen por lo tanto 4 enlaces de 2 centros y dos electrones y 2 enlaces, los centrales que se llaman enlaces de 3 centros y 2 electrones (banana bonds). Qué le pasa al diborano con el oxígeno y qué le pasa con el agua?

7 Algo sobre el aluminio Producto preferente en su reacción con oxígeno Bauxita, el óxido: Al 2 O 3 nh 2 O Presenta propiedades reductoras: El hidruro doble de litio y aluminio: LiAlH 4 es un agente reductor muy empleado en síntesis orgánica. Se le asocia a trastornos mentales como el mal de Alzheimer Dosis máxima recomendada en UK en la dieta: 6 µg/día Qué le pasa al Al(s) en medios muy ácidos o muy alcalinos? Qué son las zeolitas y para que sirven?

8 Grupo 14 Facultad de Química Una característica general y notable de este grupo es la gradualidad de las propiedades de sus elementos que a lo largo de éste van cambiando progresivamente de carácter, desde los débilmente electronegativos hasta los débilmente electropositivos. Todos muestran una valencia de 4 pero, con el incremento progresivo en el carácter metálico, ocurre una reducción de dos en su valencia. El grupo 13 presenta un comportamiento similar pues los elementos inferiores manifiestan preferentemente una valencia de 1 en lugar de 3 como la que presentan los elementos superiores del grupo. Todos los elementos del grupo forman los tetrahalogenuros MX 4 excepto el plomo que solamente forma el PbF 4 y el PbCl 4 como especies estables a temperatura ambiente. La estabilidad de los halogenuros posee una variación a lo largo del grupo que indica que ésta es menor hacia los tetrahalogenuros de los elementos pesados.

9 Los elementos con estados de oxidación, al menos formalmente hablando, altos tienden a formar enlaces covalentes ya que polarizan demasiado los enlaces. Tal es el caso de C 4+, S 6+, etc.

10 Grupo 14: carbono C(diamante) C(grafito) H f = -2.9 kjmol -1 Carbono, carburos, CO 2, CH 4, efecto invernadero. Clorofluorocarbono CFCl 3 aunque inerte en condiciones normales en la alta atmósfera libera cloro que destruye al ozono. Cl + O 3 O 2 + ClO ClO Cl + O Cl + O 3 O 2 + ClO ClO + O Cl + O 2 con lo cual se propaga su efecto. Quién fabricaba los clorofluorocarbonos en 1974 y cuándo y cómo se dejaron de producir masivamente? Perfluorocarbonos. (sangre artificial) SiO 2, vidrios, silicatos y zeolitas. Estaño y plomo, tetraetilo de plomo y salud. Aspectos biológicos.

11 El ciclo del carbono Qué suceso, relacionado con el dióxido de carbono, ocurrió la noche del 21 de agosto de 1986 en la ribera del lago Nyos en Camerún?

12 Grupo 14: tendencias Facultad de Química GeCl 2 + Cl 2 GeCl 4 SnCl 2 + Cl 2 SnCl 4 PbCl 2 + Cl 2 PbCl 4 (reacción incontrolablemente rápida) (reacción lenta) (ocurre bajo condiciones drásticas)

13 Grupo 14: tendencias Facultad de Química temperatura de Hidruro descomposición ( C) CH SiH GeH SnH PbH 4 0

14 El efecto del par inerte Facultad de Química Energía de ionización C Si Ge Sn Pb I 1 : M(g) M + (g) + e I 2 : M + (g) M 2+ (g) + e I 3 : M 2+ (g) M 3+ (g) + e I 4 : M 3+ (g) M 4+ (g) + e I 3 + I Como puede verse de la suma de las terceras (I 3 ) y cuartas (I 4 ) energías de ionización del plomo, éste cede sus electrones 6s aún con más facilidad que el germanio, el silicio o el carbono. No obstante, estos elementos no manifiestan el efecto de par inerte.

15 Efectos relativistas Provocan contracciones del core y, por ende, alteran las distancias de enlace. m m 0 = 1 v 2 / c 2 m o = masa en reposo v= velocidad c= velocidad de la luz La velocidad v de un electrón 1s en un átomo con carga nuclear +Ze está dada por: v 1s = Z a c a = (cte. de estructura fina, adimensional) Por ejemplo: para un átomo como 82 Pb: v 1s = (82) c = c a 0 2 0h = ε 2 πze m a o = radio atómico m= masa ε 0 = permitividad en el vacío h= cte. de Planck

16 Efectos relativistas La contracción del enlace es particularmente significativa en los enlaces de átomos pesados como Au y Pt donde llega a ser del orden de 0.2 Å. Aún en compuestos de Cu llega a ser de Å, es decir, superior a la incertidumbre de las distancias experimentales. Por ejemplo, la distancia de enlace M-H en AuH es menor que en AgH (1.52 vs 1.62 Å). Se ha propuesto que otras importantes propiedades de los elementos pesados como la conductividad eléctrica, el estado líquido del mercurio y el efecto del par inerte encuentran una componente importante en los efectos relativistas.

17 Efectos relativistas Los orbitales de valencia en átomos polielectrónicos también se verán afectados ya que al contraerse el core el apantallamiento aumenta. Esto provoca una contracción de los penetrantes orbitales s y p que reduce la distancia de enlace, y una expansión de los no penetrantes orbitales d y f aunque este efecto no es tan dramático como el anterior.

18 Alótropos de carbono Grafito buen conductor eléctrico Diamante No conduce la electricidad pero es mejor conductor térmico que cobre

19 Fulereno C 60 otro miembro de la familia de alótropos del carbono. Es de baja densidad, aislante eléctrico, sublima con el calor. Su química es objeto de estudio intensivo en el presente.

20 Grafenos Facultad de Química Nanoestructuras relacionadas al grafito con interesantes propiedades electrónicas ópticas y electroópticas.

21 CH 4 con simetría T d Facultad de Química En 1874 van t Hoff y Le Bel propusieron que la geometría del átomo de carbono enlazado a 4 átomos debía ser tetraédrica. La química orgánica se ha desarrollado con base en esto. Sin embargo, esa no es toda la historia.

22 CH 4 con simetría D 4h No parece muy estable pero

23 C 2-5, estructuras plausibles

24 Gráficas moleculares Más información en: Bader, R.F.W. Atoms in Molecules, A Quantum Theory Oxford University Press Oxford, Puntos críticos de la densidad electrónica. Gabriel Merino*,Miguel A. Méndez-Rojas, Hiram I. Beltrán, Clemence Corminboeuf, Thomas Heine, and Alberto Vela*, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126,

25 El grupo 15 Facultad de Química Es un grupo que se resiste a la clasificación fácil. Por lo tanto no es posible relacionar TODAS sus propiedades para distinguir cuáles de sus elementos son metálicos y cuales no lo son.

26 Grupo 15 Peculiaridades del nitrógeno. Nitrógeno tiene una tendencia manifiesta hacia la formación de fuertes enlaces triples pero débiles enlaces sencillos. elemento E(A A) kj/mol E(A A) kj/mol diferencia N C P Amoniaco: NH 3 (ac) + H 2 O(l) NH 4+ (ac) + OH - (ac) Proceso Haber-Bosch: N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) reacción favorecida energéticamente pero no cinética ni entrópicamente. Óxidos de nitrógeno: NO, N 2 O, N 2 O 3, NO 2, N 2 O 4, N 2 O 5. Sabes cómo es que algunos de ellos aparecen en la atmósfera?

27 Grupo 15 Facultad de Química Es un grupo que se resiste a la clasificación fácil. Por lo tanto no es tan fácil relacionar TODAS sus propiedades para distinguir cuáles son metálicos y cuales no lo son. Alótropos de fósforo: Blanco (muy reactivo y tóxico), Rojo (estable e inocuo) P P P P P P P P P P P P P P P P Fosfinas. H P H H vs H N H H Aspectos biológicos. Toxicidad de P, As, sólo son venenos?

28 El grupo 16 Calcógenos

29 VER SECCIÓN 4.5 DEL WOOLFSBERG (PAGS ) De qué se trata?

30 Grupo 16 Facultad de Química Dentro de este grupo, el oxígeno y el azufre son los que muestran el comportamiento más diverso y sobresaliente. El oxígeno por su pequeño tamaño y su ausencia de orbitales d, cumple con la regla del octeto. Por esto, oxígeno sólo forma el OF 2 mientras que azufre puede formar SF 2,SF 4 y SF 6 entre otros. Al contrario del grupo 14, en los calcógenos la tendencia a formar cadenas aumenta hacia abajo en el grupo. Enlace Eσ (kj/mol) Eπ (kj/mol) O O S S Se Se Dioxígeno. Aunque el oxígeno es uno de los elementos más abundantes en La Tierra, el O 2 en la atmósfera apareció por causas biológicas más que geológicas. Sabes cómo fue? Ozono, Peróxido de Hidrógeno, Agua. Qué sabes de estas especies oxigenadas y de las llamadas especies reactivas de oxígeno? S S S O S S O S S O 2 S S 8

31 Grupo 16 Facultad de Química A diferencia del oxígeno, el azufre presenta muchas formas alotrópicas. La química del azufre es extremadamente amplia y diversa. Muchos de sus halogenuros son de gran importancia como el SF 6. Qué tiene de bueno y de malo este compuesto? Otros, no menos importantes son: H 2 S: ácido sulfhídrico H 2 SO 4 : ácido sulfúrico. Sabes cuánto y cómo se produce y en qué se usa? SO 2 y SO 3 : Aspectos biológicos. Sabes qué es lo que produce los rizos en el cabello de los que no son lacios? Qué importancia tiene el selenio en los sistemas biológicos?

32 Grupo 17, los halógenos H Li 11 Na 4 Be 12 Mg K 37 Rb 55 Cs 87 Fr Ca 38 Sr Sc 39 Y Ti 40 Zr 56 Ba Hf 88 Ra Rf V 41 Nb 73 Ta 105 Db Cr 42 Mo 74 W 106 Sg Mn 43 Tc 75 Re 107 Bh Fe 44 Ru 76 Os 108 Hs Co 45 Rh 77 Ir 109 Mt Ni 46 Pd 78 Pt 110 Ds Cu 47 Ag 79 Au 111 Uuu Zn 48 Cd 80 Hg 112 Uuu 5 B 13 Al Ga 49 In 81 Tl 6 C 14 Si Ge 50 Sn 82 Pb 7 N 15 P As 51 Sb 83 Bi 8 O 16 S Se 52 Te 84 Po 9 F 17 Cl Br 53 I 85 At 2 He 10 Ne 18 Ar Kr 54 Xe 86 Rn Uuu Uuu Uuu Uuu Uuu Uuu 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr

33 Los halógenos Inertes o reactivos? Oxidantes o reductores? Escasos o abundantes? Venenos o nutrientes? Para qué se usan? etc.

34 Grupo 18, los gases nobles Debido a su baja o nula reactividad, todos se encuentran en forma de gases monoatómicos. Son incoloros e inodoros. Hasta hoy, sólo se han aislado compuestos de Xe, Kr y Rn. Son poco abundantes en la atmósfera y, exceptuando al argón, todos poseen abundancias menores a % en volumen. A pesar de su escasez, se produce un millón de toneladas anuales de argón por medio de destilación fraccionada del aire. Forman clatratos. Sabes qué es un clatrato? Un clatrato es un compuesto químico?

35 Grupo 18, los gases nobles A pesar de todo se han logrado obtener algunos compuestos, principalmente del xenón. Xe(g) + F 2 (g) XeF 2 (s) Xe(g) + 2F 2 (g) XeF 4 (s) Xe(g) + 3F 2 (g) XeF 6 (s) Los 3 son sólidos blancos estables. F Xe F F F Xe F F F F F Xe F F F Por qué son estables estos compuestos? Hay alguna relevancia biológica de estos elementos?

36 Para saber más: Leer y estudiar en el Reyner-Canham. Sería importante que sepan para cada grupo representativo de la tabla periódica lo siguiente: - Qué productos se dan con el hidrógeno? - Qué les pasa a sus elementos en agua? - Qué productos se dan con el oxígeno? - Qué productos se dan con el halógenos?