Boro, Aluminio y sus compuestos

63.06 QUIMICA II
Trabajos Prácticos de Laboratorio
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TRABAJO PRÁCTICO N° 9
Grupo III A
( Boro, Aluminio y sus compuestos)
I) INTRODUCCIÓN TEÓRICA
A.1) Propiedades generales de la columna
El grupo III A comprende los siguientes elementos: boro, aluminio, galio, indio y
talio. La configuración electrónica externa es ns2np1, presentando un número de oxidación
máximo de +3, aunque presentan número de oxidación +1 a medida que se desciende por
la columna.
TABLA 1 – CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS
Elemento
Boro
Aluminio
Galio
Indio
Talio
1
s
2
s p
3
s p d
4
s p d
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2 1
2 6 10
2 6 10 14
1
6
6
6
6
1
6 10
6 10
6 10
f
5
s p d
6
s p
2 6 10
2 1
2 ) Regularidades dentro del grupo
El boro presenta propiedades semimetálicas mientras que en el resto del grupo se
van intensificando las características metálicas. El átomo de boro es el de menor tamaño,
el que posee energía de ionización más elevada y estas razones determinan que no
existan compuestos con cationes B3+, entrando en cambio en combinación por
compartición de electrones.
Se analizarán las propiedades químicas del grupo del boro.
El alumno debe completar la siguiente tabla:
1
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TABLA II
Símbolo
PROPIEDADES PERIÓDICAS
Al
Ga
In
B
Tl
Nombre
Nro Atómico
Masa atómica Relativa
Configuración Electrónica
1ª Energía de Ionización
(Kcal./mol)
Electronegatividad
Radio Atómico (A)
E° (Volts) para X→X3++3e-
+1,66
+0,53
+0,34
-0,72
Punto de Fusión (ºC)
Punto de Ebullición (ºC)
B). Algunos compuestos
a) Hidruros
Tanto el boro como el aluminio, forman hidruros covalentes. El BH3 no ha podido
ser preparado, pero se conocen una serie de hidruros que llevan el nombre general de
boranos: B2H6 (diborano), B4H10, B5H9, B5H11, B6H10 y B10H14. Todos estos compuestos
poseen elevadas energías de combustión: en especial el B2H6 (gas), el pentaborano B5H9
(líq.) y el B10H14 (sólido) presentan interés como combustible de cohetes.
El aluminio forma un hidruro sólido polimerizado de fórmula (AlH3)n de estructura
poco conocida.
Se ha preparado un grupo de hidruros complejos de boro y aluminio de
propiedades reductoras útiles en la industria y en la investigación: Na [BH4],
tetrahidroborano de sodio, Li [AlH4], tetrahidroaluminato de litio.
2
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Estructuras del BH4 - y AlH4-
b) Halogenuros
El boro forma los cuatro haluros de la forma BX3, todos son moléculas gaseosas
covalentes, triangulares planas. Se hidrolizan dando ácido ortobórico:
BX3 + 3 H2O → H3BO3 + 3 HX
( X: Cl, Br o I)
BF3 + 3 H2O → H3BO3 + 3 H [BF4 ]
tetrafluoroborato de hidrógeno
El aluminio también forma los cuatro haluros, siendo el fluoruro el único iónico. El
cloruro, bromuro e ioduro se presentan en la fase gaseosa y en solventes no polares
como dímeros de la fórmula Al2X6.
La estructura es la siguiente:
c) Compuestos oxigenados
El óxido bórico, B2O3, se obtiene por la combustión del boro en oxigeno o por
deshidratación del ácido ortobórico, H3BO3. Este es un ácido muy débil( Ki= 6.10-10).
En el proceso de deshidratación se obtiene ácido metabórico, HBO2, y ácido
tetrabórico, H2B4O7 (pirobórico).
4 H3BO3
100 C°
4HBO2 + 4 H2O
3
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Φ
4HBO2
H2B4O7
Al rojo
H2B4O7 + H2O
2 B2O3+ H2O
Se conocen las correspondientes sales.
El óxido de aluminio, Al2O3 , se obtiene ya sea calentando el metal en presencia de
aire o por deshidratación de los óxidos hidratados. Es un óxido anfótero que se disuelve
en ácidos y en álcalis.
Al2O3 + 6 OH Al2O3 + 2 OH - + 3 H2O
2 Al3+ + 3 H2O
2 [Al (OH)4] - ion tetrahidroxoaluminato
Como es previsible, debido al anfoterismo de su óxido, el aluminio se disuelve en
ácidos y en bases con desprendimiento de hidrógeno. Las ecuaciones iónicas son:
2 Al + 6 H +
2 Al + 2 OH - + 6 H2O
2 Al3+ + 3 H2
2 [Al (OH)4] - + 3 H2
En solución acuosa, la mayor parte de las sales de aluminio son ácidas debido a la
hidrólisis del catión Al3+; en realidad este catión se encuentra hidratado con seis
moléculas de agua: [Al (H2O) 6]3+.
Cuando se disuelve cloruro de aluminio en agua, la solución se vuelve buena
conductora de la electricidad, a diferencia del cloruro anhidro fundido. La siguiente
ecuación explica el cambio en el comportamiento:
Al2Cl6 + 12 H2O
2 [Al (H2O) 6]3+ + 6 Cl –
Los cationes aluminio se hidrolizan de ahí que la solución acuosa sea ácida.
Al (H2O) 6]3+ + H2O
[Al (H2O) 5 (OH)]2+ + H3O +
Ión hidroxopentaacuoaluminio
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II) PARTE EXPERIMENTAL
♦ Boro
Procedimiento 1: Obtención de ácido bórico a partir de Bórax.
En un vaso de precipitado de 50 cm3 de capacidad poner 4 g de bórax (B4O7Na2.10
H2O), 10 cm3 de agua, 5 cm3 de H2SO4 concentrado. Trabajar con cuidado.
Calentar a baño María durante 5 minutos, enfriar en un baño de hielo y agua y filtrar.
a) Escribir la ecuación correspondiente a la obtención del ácido bórico.
b) ¿Qué tipo de ácido es el ácido bórico?. Buscar en tablas la constante de ionización.
Procedimiento 2: Acción del calor sobre el bórax y el ácido bórico
Calentar lentamente en un tubo de ensayos 1 g de bórax.
a) Describa lo observado y escriba la ecuación correspondiente. ¿Cuál es el producto
final del calentamiento?
Repetir la experiencia con ácido bórico.
b) Describa lo observado y escriba las ecuaciones correspondientes.¿Cuál es el
producto final?
Procedimiento 3: Color de la llama de los compuestos del boro
Poner aproximadamente 0,1 g de ácido bórico en un crisol. Humedecerlo con 5 gotas de
ácido sulfúrico concentrado y agregar luego 10-15 gotas de alcohol metílico. Calentar
lentamente sobre una tela metálica y encender los vapores que se desprenden.
a) Observaciones:
b)Escribir la ecuación de formación del borato de metilo.
c) Buscar los puntos de ebullición de los ésteres metil y etil bóricos.
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d) Lavar cuidadosamente el crisol y repetir la experiencia pero sin el agregado del ácido
bórico. Observar las diferencias.
Procedimiento 4: Preparación de perborato de sodio
El trabajo consiste en la preparación del perborato de sodio y la determinación del
contenido de oxígeno peróxidico (activo).
La mayoría de los llamados perboratos no son peroxisales verdaderas, sino
peroxihidratos, es decir compuestos de adición del agua oxigenada sobre boratos.
De acuerdo a lo antedicho se puede representar el perborato de sodio por la siguiente
fórmula:
NaBO2.H2O2.3H2O
Los boratos-peroxihidratos liberan el agua oxigenada en solución acuosa, por lo tanto
presentan las propiedades de esta última. De ahí su importancia en el comercio como
agentes blanqueantes para fibras textiles, y en la industria farmacéutica como
desinfectantes.
El perborato de sodio es una sal blanca, cristalina, contiene alrededor de 10-10,5% de
oxígeno activo que puede ser determinado analíticamente con una solución valorada de
permanganato de potasio.
Procedimiento 4:
1) Pesar 4,8 g de bórax y disolverlos en exactamente 50 cm3 de solución caliente de
NaOH (3,35 g en 100 cm3 de solución)
2) Enfriar a temperatura ambiente, agregar 56 cm3 de solución de H2O2 de 10 volúmenes
y enfriar en un baño de hielo y agua.
3) Cuando la solución alcanzó la temperatura del baño, agregarle uno trocitos de hielo (4
g) y agitar durante unos minutos.
4) Armar dispositivos de filtración al vació y separar los cristales obtenidos.
5) Lavar los cristales sobre el filtro con dos porciones de alcohol etílico enfriando.
(suspender la succión antes del lavado).
6) Pesar la masa de cristales obtenidos y calcular el rendimiento de la operación.
a) escribir las ecuaciones de las reacciones mediante las cuales se obtuvo el perboratoperoxihidrato.
calcular el rendimiento del procedimiento en base al peso de los cristales obtenidos secos
y el peso teórico en base a la estequiometría de las reacciones
b) El perborato de sodio es una sal blanca, cristalina, contiene alrededor de 10-10,5 % de
oxígeno activo que puede ser determinado analíticamente con una solución valorada
de
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η' =
peso cristales
*100
peso teórico
Procedimiento 5: Reacciones de reconocimiento
Preparar una solución de peroxiborato disolviendo aproximadamente 1 g del peroxiborato
obtenido en el procedimiento anterior en 20 cm3 de agua. Distribuir la solución en tres
tubos de ensayos.
Colocar en los tubos:
Tubo 1 : 5 gotas de H2SO4 diluído y agregar unas gotas de solución de KMnO4.
Ecuaciones y observaciones:
Tubo 2 : 5 gotas de H2SO4 diluído, 1 cm3 de solución de KI. Añadir luego gotas de
solución de almidón.
Ecuaciones y observaciones:
Tubo 3 : Papel indicador Universal.
Observaciones:
Repetir estos ensayos con 3 tubos en los que se agrega agua oxigenada de 20
volúmenes ( acidificar en lugar de la solución de peroxiborato).
Comparar los resultados.
Procedimiento 6: Titulación del perborato con solución de KMnO4 en medio ácido.
Pesar con una aproximación del 0,001 g, 0,1 g de peroxiborato de sodio y pasarlo
cuantitativamente a un erlenmeyer con ayuda de agua si es necesario.
Agregar 25 cm3 de agua destilada y 5 cm3 de H2SO4 diluido (1:5).
Titular con una solución de KMnO4 0,1N hasta la aparición del color rosado.
Verificar con los valores obtenidos en la titulación si el poder oxidante del compuesto
preparado es el que corresponde a la fórmula asignada.
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♦ Aluminio
Comprobación experimental de las propiedades anfóteras del aluminio.
Procedimiento 7: Reacción del aluminio metálico con los ácidos.
a) Coloque un trozo de papel de aluminio en un tubo de ensayos, cúbralo con agua y
añada unas gotas de HCl (concentrado). Caliente el tubo si es necesario para iniciar
la reacción.
Escriba las ecuaciones moleculares e iónicas en cada caso igualándolas por el método
del ión-electrón
b) A la solución obtenida de la reacción del Al con HCl agregue un trozo de papel
tornasol y neutralice con NaOH aprox 1M. Añada exceso de álcali.
Observaciones y ecuaciones:
Procedimiento 8:
Coloque un trozo de papel de aluminio en un tubo de ensayos y cubra el metal con una
solución 1M de NaOH. Caliente si es necesario para iniciar la reacción.
Observaciones y ecuaciones:
Procedimiento 9: Carácter anfótero.
a) Coloque en un tubo de ensayos 5 cm3 aproximadamente de una solución de cloruro
de aluminio. Añada 1 cm3 de agua amoniacal. Agite el tubo para facilitar la floculación
del precipitado.
Observaciones y ecuaciones:
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b) Deje sedimentar el precipitado y decante el sobrenadante. Transfiera la mitad del
precipitado a otro tubo. Vierta 1 cm3 de solución de NaOH al precipitado contenido en
uno de los dos tubos.
Observaciones y ecuaciones:
c) Al precipitado contenido en el otro tubo agregue 1 cm3 de HCl diluído.
Procedimiento 10:
Vierta 1 cm3 de solución de Na2CO3 en un tubo conteniendo 5 cm3 de solución de
Al2(SO4). Uno esperaría obtener un precipitado de Al2(CO3)3, sin embargo se forma un
precipitado de Al2(OH)3,
Expliquelo y dé la ecuación.
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