GRUPO 13. Figura 1. Ubicación de los elementos del grupo 13 en la tabla periódica.

Transcripción

1 Química Inorgánica Grupo 13 1 GRUPO 13 Los elementos del grupo 13 pertenecen al bloque p (figura 1). El boro es un no metal y aluminio, galio, indio y talio son considerados metales, por lo cual el grupo presenta una considerable diversidad de propiedades y tendencias distintivas. La deficiencia electrónica y la acidez de Lewis de sus compuestos neutros son características de los elementos del grupo. Figura 1. Ubicación de los elementos del grupo 13 en la tabla periódica. Elemento símbolo configuración electrónica boro B [He] 2s 2 2p 1 aluminio Al [Ne] 3s 2 3p 1 galio Ga [Ar] 3d 10 4s 2 4p 1 indio In [Kr] 4d 10 5s 2 5p 1 talio Tl [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 1 Abundancia y obtención No se encuentran libres en la naturaleza y su abundancia es variada (figura 2). El Al es el tercer elemento en la corteza terrestre (figura 1, bloque s), está presente en minerales abundantes como la bauxita (Al 2 O 3.xH 2 O)). El Ga, si bien es un metal más abundante que el Pb, es caro por ser difícil de separar por la similitud en los radios y en las propiedades ácido-base con los iones Al 3+ y Fe 3+ con los cuales se encuentra mezclado en los minerales que lo contienen. Figura 2. Logaritmo de la abundancia de los elementos del grupo 13 en la corteza terrestre. Unidades de abundancia: ppb.

2 Química Inorgánica Grupo 13 2 Tabla 1. Presencia y extracción de metales del grupo 13. elemento origen método de obtención B Na 2 B 4 O 5 (OH) 4.8 H 2 O (bórax) Na 2 B 4 O 5 (OH) 4.2 H 2 O (kernita) conversión a B(OH) 3 conversión a B 2 O 3 reducción con Mg Al Al 2 O 3.nH 2 O (bauxita) electrólisis en criolita reciclado Ga In Tl trazas en diferentes menas subproducto El elemento más empleado del grupo es el Al que se puede obtener por electrólisis de la alúmina (óxido). Ver la página de ALUAR ( En el proceso Bayer se lleva a cabo la purificación de bauxita (45 % Al más impurezas de Fe 2 O 3, SiO 2, TiO 2 ): lavado y pulverizado de bauxita tratamiento con NaOH (ac) en caliente y a alta P formación de Al(OH) 3 (ac) y precipitado de Fe 2 O 3 y otros residuos (barro rojo) sembrado con Al 2 O 3 para precipitar Al(OH) 3 calcinación a 1000 C: 2 Al(OH) 3 (s) Al 2 O 3 (s) + 3 H 2 O (g) Mediante el proceso Hall se lleva a cabo la electrólisis de Al 2 O 3 (PF 2345 K) en un baño fundido de criolita, Na 3 [AlF 6 ] (figura 3) a 1220 K. El O 2 reacciona con los ánodos de carbono para formar CO (g). Ánodo Cátodo 2 O 2 O 2 (g) + 4 e Al e Al(l) 2 Al 2 O 3 4 Al(l) + 3 O 2 (g) Figura 3. Proceso Hall para la obtención de aluminio. Propiedades El estado de oxidación más común es +3, en el diagrama de Frost de la figura 4 para los metales del grupo 13 se observa claramente que para el Tl se favorece el estado +1. En general, los metales más pesados del bloque p favorecen los estados de oxidación menores (figura 5). Esto suele explicarse por el efecto del par inerte, que no tiene una explicación sencilla, pero puede atribuirse a las bajas entalpías de enlace M-X para los elementos más pesados y al hecho de que se

3 Química Inorgánica Grupo 13 3 requiere menos energía para oxidar un elemento a un estado de oxidación menor que a un estado de oxidación mayor. Figura 4. Diagrama de Frost para los metales del grupo 13 en medio ácido. Figura 5. Efecto del par inerte en el bloque p. B es un no-metal grisáceo, que existe en varias formas alotrópicas duras y refractarias, que contienen unidades icosaédricas (B 12 ) (figura 6). Figura 6. Representación de los icosaedros B 12 y de la red infinita del B α-romboédrico. el punto de fusión del B es muy alto (2300 C) Ga tiene un punto de fusión de 30 C y de ebullición de 2400 C, es usado en termómetros de alta temperatura (pirómetros). Al, In, Ga y Tl son metales plateados, blandos y más densos que los metales del grupo 2 Tl es muy tóxico

4 Química Inorgánica Grupo 13 4 Al posee una estructura metálica pero sus compuestos manifiestan propiedades entre iónicas y covalentes al descender en el grupo aumenta el carácter metálico Al es un metal altamente reactivo que se oxida al aire, formando una capa de óxido que lo protege B es inerte en CNPT, reacciona a altas T reaccionan con oxígeno, para Al la reacción exotérmica reacción con agua: 4 X (s) + 3 O 2 (g) 2 M 2 O 3 (s) 2 Tl (s) + 2 H 2 O (l) 2 TlOH (ac) + H 2 (g) Al desplaza a metales, reacción exotérmica (termita), soldadura aluminotérmica ignición con Mg Al (s) + Fe 2 O 3 (s) Al 2 O 3 (s) + 2 Fe (s) Carácter anfótero del Al - Al + bases fuertes: ion aluminato [Al(OH) 4 ] - 2Al + 2NaOH + 6H 2 O 2NaAl(OH) 4 + 3H 2 - Al + ácidos (minerales diluídos): Carácter ácido del Al 3+ - sales de Al: ácidas por hidrólisis 2 Al + 6 HCl 2 AlCl H 2 [Al(H 2 O) 6 ] 3+ [Al(H 2 O) 5 OH] 2+ + H + K a = 1 x en presencia de bases fuertes - en presencia de bases débiles Compuestos Al OH Al(OH) 3 +OH [Al(OH) 4 ] Al OH Al(OH) 3 hidruros - B: boranos, de fórmula B n H n+4, B n H n+6 (figura 7), presentan enlaces puente del tipo 3c,2e (tres centros, 2 electrones). Son compuestos incoloros, diamagnéticos, inflamables, en ocasiones explosivos reaccionan espontáneamente al aire: B 2 H 6 (g) + 3 O 2 (g) 2 B(OH) 3 (s) se hidrolizan en agua: B 2 H 6 (g) + 6 H 2 O (l) 2 B(OH) 3 (ac) + 6 H 2 (g)

5 Química Inorgánica Grupo 13 5 Figura 6. Estructura del diborano, B 2 H 6. B: violeta, H: gris. Los boranos superiores tienen estructuras diversas (figura 7). Figura 7. Correlaciones estructurales entre boranos. hidruros de Al y Ga: son los más estables, LiAlH 4, LiGaH 4 son usados en síntesis como agentes reductores y fuente de hidruros. óxidos: - B: forma B 2 O 3 por calentamiento del B(OH) 3 B(OH) 3 (s) B 2 O 3 (s) + 3 H 2 O (g) es un sólido vítreo, covalente que forma poliboratos y vidrios de borosilicato, óxido ácido: forma el ácido ortobórico (figura 8), ácido de Lewis monobásico débil (pk a = 9,2) 3 B(OH) 3 (ac)+2h 2 O(l) [B(OH) 4 ] (ac) +H 3 O + (ac) polimeriza por condensación: 3 B(OH) 3 (ac) [B 3 O 3 (OH) 4 ] (ac) + H + (ac) +2 H 2 O(l) Figura 8. Estructura de capa de la red en estado sólido del ácido ortobórico, B(OH) 3.

6 Química Inorgánica Grupo 13 6 los aniones borato tienen estructuras complejas (figura 9). Figura 9. Estructura de aniones borato. - el Al y el Ga forman tienen formas α, β y γ de sus óxidos α-al 2 O 3 : mineral corindón, es un sólido duro, de estructura hcp, refractario γ-al 2 O 3 : es usado en cromatografía, como catalizador y soporte de catalizadores, es anfótero: Al 2 O 3 (s)+3h 2 O+6H 3 O + (ac) 2[Al(H 2 O) 6 ] 3+ (ac) Al 2 O 3 (s)+3h 2 O+2OH (ac) 2[Al(HO) 4 ] (ac) el hidróxido Al(OH) 3, que por deshidratación produce γ-alúmina, es anfótero: Al(OH) 3 (s) + 3H 3 O + (ac) [Al(H 2 O) 6 ] 3+ (ac) Al(OH) 3 (s) + OH (ac) [Al(OH) 4 ] (ac) - el In forma el In 2 O 3 (ITO): dopado con un 10 % de SnO 2 es un semiconductor transparente (usado en pantallas táctiles, paneles solares, ) - el Tl forma un óxido Tl 2 O (estado de oxidación +1) y un peróxido Tl 2 O 2. sales de oxoácidos: las sales más importantes son los alumbres (sales dobles del tipo MAl(SO 4 ) 2.12H 2 O, donde M es un catión univalente como Na + o K + ), usadas en la industria del papel para coagular las fibras de celulosa. haluros: forman trihaluros covalentes, ácidos de Lewis - B: BX 3 y B 2 X 4 (figura 10), monoméricos en condiciones normales, y B 2 X 4 por descomposición térmica dan BX 3 y compuestos tipo cluster B n X n (figura 10): Figura 10: Estructura del B 2 Cl 4 y de clusters tipo B n X n (X= Cl, Br, I).

7 Química Inorgánica Grupo AlCl 3 usado como catalizador de Friedel-Crafts- - Tl: son más estables los haluros TlX: 2 Tl (s) + X 2 (g, l, s) 2 TlX (s) nitruros: se sintetizan fácilmente: 2 X (s) + N 2 (g) 2 XN (s), X = B, Al BN: isoelectrónico con el C con estructuras (figura 11) análogas al grafito y diamante, es muy duro (figura 12), se puede sinterizar por la reacción: Figura 11. Estructura del nitruro de boro: hexagonal en capas en CSPT y cúbica. Figura 12. Correlación entre dureza y densidad de energía reticular (energía reticular dividida por el volumen molar de la sustancia). El punto para el C representa al diamante. sulfuros: Ga, In y Tl forman sulfuros con estructuras variadas, algunos usados en dispositivos electrónicos como semiconductores o fotoconductores. con elementos del grupo 15: Al, Ga e In forman con P, As, y Sb compuestos binarios semiconductores (tipo III/V), el más usado en electrónica es el GaAs. compuestos de coordinación: forman complejos con ligandos oxalato, acetato, ligandos nitrogenados, estructura octaédrica (figura 13). Figura 13. Estructura del ión [Al(ox) 3 ] 3-.

8 Química Inorgánica Grupo 13 8 compuestos organometálicos: algunos compuestos del Al (figura 14) son usado como catalizadores industriales, por ejemplo en la producción industrial de polímeros Figura 14. Estructura del Al 2 (CH 3 ) 6.