LOS ELEMENTOS REPRESENTATIVOS
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Los Elementos Representativos LOS ELEMENTOS REPRESENTATIVOS Química Inorgánica - 2007 1 Ubicación en la Tabla Periódica H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Ce Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ce Th Pa U Np Pu AmCm Bk Cf Es Fm Md No Lr 2 Los elementos del segundo período H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr In Sn Sb Te Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn I Xe Fr Ra 3 Química Inorgánica - 2007 1 Los Elementos Representativos Metales, semimetales, no metales H Li Be He B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr In Sn Sb Te Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn I Xe Fr Ra 4 Los metales postransicionales H Li Be He B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr In Sn Sb Te Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn I Xe Fr Ra 5 Resumen de temas Propiedades de los átomos aislados Propiedades físicas y químicas de los elementos Propiedades de los compuestos Aspectos de estructura y enlace Relaciones isoelectrónicas 6 Química Inorgánica - 2007 2 Los Elementos Representativos Tendencias asociadas con propiedades de los átomos aislados 7 Tamaños atómicos Radios metálicos / pm 300 Be 157 112 Na Mg Al 191 160 143 K Ca Ga 235 197 153 Rb Sr In 250 215 167 Cs Ba Tl 272 224 171 G1 G2 G 13 Radio / pm Li 200 100 2 3 4 5 6 Período 8 Tamaños atómicos (II) Radios covalentes / pm N O F 77 70 66 64 Si P S Cl 117 110 104 99 Ge As Se Br 122 121 117 114 Sn Sb Te I 140 141 137 133 Pb Bi 146 151 Radio / pm 200 C G G G G 150 14 15 16 17 100 50 Química Inorgánica - 2007 2 3 4 Período 5 6 9 3 Los Elementos Representativos Primera energía de ionización G1 G2 G 13 G 14 G 15 G 16 G 17 G 18 520 900 801 1086 1402 1314 1681 2081 496 738 578 787 1012 1000 1251 1521 419 590 579 762 944 941 1148 1351 403 550 558 709 832 869 1008 1170 376 503 589 716 703 812 890 1037 Valores en kJ / mol 10 Energías de ionización (II) I1 / kJ mol-1 2500 2000 1500 1000 500 0 Li Be B C N O F Ne 11 Energías de ionización (III) I1 / kJ mol-1 900 G1 G2 G 13 G 14 G 17 1500 700 1000 500 300 500 2 3 4 5 6 Período Química Inorgánica - 2007 2 3 4 5 6 12 4 Los Elementos Representativos Variación de la carga nuclear efectiva sobre el electrón más externo Na Mg Al 2,51 3,31 4,07 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga 3,50 4,40 4,63 4,82 4,98 5,13 5,28 5,43 5,58 5,71 5,86 5,97 6,22 13 Variación de la carga nuclear efectiva sobre el electrón más externo 6,5 6 Z* 5,5 5 4,5 Período 3 Período 4 4 3,5 3 2,5 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Grupo Afinidades electrónicas G1 G2 G 13 G 14 G 15 G 16 G 17 G 18 -60 240 -27 -122 >0 -141 -328 29 -53 230 -43 -134 -72 -200 -349 35 -48 160 -29 -116 -78 -195 -325 39 -47 170 -29 -116 -103 -190 -295 41 -46 >0 -19 -35 41 -91 -183 -270 Valores en kJ / mol Química Inorgánica - 2007 15 5 Los Elementos Representativos Afinidades electrónicas (II) AE / kJ mol-1 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 Na Mg Al Si P S Cl Ar 16 Afinidades electrónicas (III) lAEl / kJ mol-1 400 300 G 16 G 17 200 100 2 3 4 5 6 Período 17 Electronegatividades de AllredRochow Z *⎞ ⎛ χ AR = ⎜ 3590 ⎝ G1 ⎟ + 0,744 r2 ⎠ G 2 G 13 G 14 G 15 G 16 G 17 G 18 0,97 1,47 2,01 2,50 3,07 3,50 4,10 4,84 1,01 1,23 1,47 1,74 2,06 2,44 2,83 3,20 0,91 1,04 1,82 2,02 2,20 2,48 2,74 2,94 0,89 0,97 1,49 1,72 1,82 2,01 2,21 2,40 0,86 0,97 1,44 1,55 1,67 1,76 1,96 2,06 18 Química Inorgánica - 2007 6 Los Elementos Representativos Variación en la electronegatividad de los elementos representativos H 1 Período 2 Li Mg B C N 2 χAR 3 O F 3 4 5 1 4 19 Tendencias asociadas con las propiedades físicas y químicas de los elementos 20 Abundancia en la corteza terrestre G1 G2 20 2 G 13 G 14 G 15 G 16 G 17 G 18 7 200 2,3E4 2,8E4 8,0E4 2,7E5 1,7E4 5,1E4 20 4,6E5 460 0.005 1010 300 190 3 17 1 2 0.05 4 2E-4 0.002 0.5 3E-5 70 450 0.2 2 0.2 2 380 0.5 10 0.004 Valores en ppm Química Inorgánica - 2007 21 7 Los Elementos Representativos Los elementos de los grupos 1 y 2: alcalinos y alcalino-térreos elemento estructura cristalina elemento estructura cristalina Litio cI Berilio ehc Sodio cI Magnesio ehc Potasio cI Calcio ecc Rubidio cI Estroncio ecc Cesio cI Bario cI cI Radio Francio cI ns2 ns1 22 Estado natural y obtención de los alcalinos y alcalino-térreos G1 G2 fuente obtención Depósitos salinos (Li además aluminosilicatos) Depósitos salinos y carbonatos, Be en berilo Electrólisis de los haluros fundidos 23 Los elementos del grupo 13 Boro: B12 Aluminio → ecc Galio → coordinación “1 + 6” Indio → ecc distorsionada Talio → ehc Configuración electrónica: ns2 np1 Química Inorgánica - 2007 24 8 Los Elementos Representativos Estado natural y obtención fuente B Al Ga Bórax Bauxita, aluminosilicatos Sulfuros (minerales de Al, Zn y Ge) obtención Reducción de B2O3 con Mg o Na Reducción electrolítica de Al2O3 Reducción electrolítica 25 Los elementos del grupo 14 Carbono Diamante z Grafito z Fulerenos z Silicio → diamante Germanio → diamante Estaño → α, diamante; β, tetragonal Plomo → ecc Configuración electrónica: ns2 np2 26 Estado natural y obtención fuente obtención C Carbón, petróleo, carbonatos Grafito, diamantes Si Sílice (arena y cuarzo), silicatos Reducción de SiO2 con C Sn Casiterita, SnO2 Pb Galena, PbS2 Reducción de los minerales con C 27 Química Inorgánica - 2007 9 Los Elementos Representativos Los elementos del grupo 15 Nitrógeno z N2 Fósforo z z z P4 P2 P∞ Arsénico z As4, capas Antimonio z Sb4, capas Bismuto z α, capas Configuración electrónica: ns2 np3 28 Estado natural y obtención fuente obtención N N2 de la atmósfera destilación fraccionada de aire P fosfatos reducción de fosfato de calcio con C 29 Los elementos del grupo 16 Oxígeno z z O2 O3 Azufre z z S8 S6, S7, S9-12, S18, S20 Selenio z Se8, Se∞ Teluro z Te∞ Polonio z α, β Configuración electrónica: ns2 np4 30 Química Inorgánica - 2007 10 Los Elementos Representativos Estado natural y obtención fuente obtención O O2 , silicatos, H2O destilación fraccionada de aire S sulfuros y sulfatos (CaSO4) H2S recuperado de gas natural o petróleo 31 Los elementos de los grupos 17 y 18 Helio Neón Argón Kriptón Xenón Radón Fluor Cloro Bromo Yodo Astato Moléculas diatómicas X2 Gases monoatómicos ns2np5 ns2np6 32 Estado natural y obtención fuente obtención F CaF2, Ca5(PO4)3F, Na3AlF6 Electrólisis de KF disuelto en HF Cl NaCl, Cl- (mar), KCl Electrólisis de NaCl (fundido o en solución acuosa) Br Br- (mar), depósitos salinos Oxidación de bromuro con Cl2(g) I NaIO3 , I- (mar) Reducción de iodato con SO2 Ar Atmósfera Química Inorgánica - 2007 destilación fraccionada de aire 33 11 Los Elementos Representativos Variación de puntos de fusión y entalpías de atomización Li Na K Rb Cs 181 98 64 39 29 ΔatH° / kJ mol-1 159 107 89 81 76 Tf / °C 34 Puntos de fusión de los elementos de los grupos 13, 14 y 15 B 2573 Cdiam 3550 N2 -210 Al 660 Si 1410 P4 44 Ga 30 Ge 937 As 615s In 157 Sn 232 Sb 631 Tl 303 Pb 328 Bi 271 Valores en °C 35 Puntos de fusión de los halógenos Elemento Tf / °C F2 -219 Cl2 -101 Br2 -7 I2 -114 36 Química Inorgánica - 2007 12 Los Elementos Representativos Comparación de propiedades de metales y no metales Estructuras compactas, alto número de coordinación Redes infinitas Buenos conductores de la electricidad Dúctiles, maleables Duros, brillantes Tendencia a formar cationes Agentes reductores Estructuras no compactas, baja conectividad Moléculas, laminas o redes Malos conductores de la electricidad Quebradizos Opacos, blandos Tendencia a formar aniones Agentes oxidantes (los más electronegativos) Nunca liberan H2 Pueden liberar H2 de soluciones ácidas Forman aleaciones con otros metales Forman sales iónicas con los metales Óxidos covalentes, ácidos Cloruros moleculares, hidrolizables Hidruros no reductores Los aniones son bases de Lewis Óxidos iónicos, básicos Cloruros iónicos, solubles en agua Hidruros reductores Los cationes son ácidos de Lewis 37 Clasificación en base a la conductividad eléctrica Metales: conductividades mayores a 3 x 10-4 ohm-1 cm-4 y que disminuyen al aumentar la temperatura Metaloides o semimetales: semiconductores, la conductividad aumenta con la temperatura No metales: aislantes 38 Metales, semimetales, no metales (II) H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr In Sn Sb Te Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn I Xe Fr Ra 39 Química Inorgánica - 2007 13 Los Elementos Representativos Estados de oxidación G1 G2 G13 G14 G15 G16 G17 G18 Li2O NaCl CaO B2O3 AlBr3 CO2 SiCl4 N2 O 5 P4O10 SF6 SeO3 Cl2O7 HBrO4 XeO4 Tl2O CO PbI2 N2 O 3 AsCl3 SO2 SF4 HClO3 BrF3 XeF6 InCl2 [Ga2Cl6]2 C3 O 2 Sn2H6 CH4 NO H3PO2 NH3 S2Br2 H2Se ClO2 XeF4 KrF2 - 40 El estado de oxidación +I en los metales alcalinos Na+(g) + Cl- (g) ΔH°2 Na(g) + Cl (g) ΔH°3 ΔH°1 Na(s) + ½ Cl2(g) ΔfH° NaCl(s) 41 Na(s) + ½ Cl2(g) ΔsubH°(Na) 107 ½ EE (Cl-Cl) 120 I1 (Na) 496 AE (Cl) -349 NaCl(s) 227 ΔH°1 147 ΔH°2 -U0 (NaCl) -757 ΔH°3 ΔfH°(NaCl) -383 Σ Valores en kJ Química Inorgánica - 2007 42 14 Los Elementos Representativos ¿El estado de oxidación +II? Na2+(g) + 2 Cl- (g) ΔH°2 Na(g) + 2 Cl (g) ΔH°3 ΔH°1 Na(s) + Cl2(g) ΔfH° NaCl2(s) 43 Energías de ionización sucesivas en el grupo 1 I1 I2 I1 + I2 Li 520 7298 7818 Na 496 4562 5058 K 419 3051 3470 Rb 403 2633 3036 Fr 376 2230 2606 Valores en kJ/mol Na(s) + Cl2(g) ΔsubH°(Na) 107 EE (Cl-Cl) 240 (I1 + I2) (Na) 5058 2 AE (Cl) -698 44 NaCl2(s) 347 ΔH°1 4360 ΔH°2 -U0 (NaCl2) ~ -3100 * ΔH°3 ΔfH°(NaCl2) ~ +1600 Σ 45 Química Inorgánica - 2007 15 Los Elementos Representativos El estado de oxidación +II en los alcalino-térreos Mg2+(g) + 2 Cl- (g) ΔH°2 Mg(g) + 2 Cl (g) ΔH°3 ΔH°1 Mg(s) + Cl2(g) ΔfH° MgCl2(s) 46 Energías de ionización sucesivas en el grupo 2 I1 I2 I1 + I2 Be 900 1757 2657 Mg 738 1451 2189 Ca 590 1145 1735 Sr 550 1064 1614 Ba 503 965 1468 Valores en kJ/mol Mg(s) + Cl2(g) ΔsubH°(Mg) 147 EE (Cl-Cl) 240 (I1 + I2) (Mg) 2189 2 AE (Cl) -698 47 MgCl2(s) 387 ΔH°1 1491 ΔH°2 -U0 (MgCl2) -2540 ΔH°3 ΔfH°(MgCl2) -662 Σ 48 Química Inorgánica - 2007 16 Los Elementos Representativos El estado +I en los alcalino-térreos: ¿inalcanzable o inestable? 2 MgCl(s) Mg(s) + MgCl2(s) ΔrH° = ΔfH°(MgCl2) – 2 ΔfH°(MgCl) ΔfH°(MgCl2) -662 kJ mol-1 ΔfH°(MgCl) -191 kJ mol-1 ΔrH° -280 kJ mol-1 49 Números de coordinación comunes para los elementos del bloque s Li 4, 6 Be 2, 4 Na 6 Mg 6 K 6 Ca 6 Rb 6 Sr 6 Cs 6, 8 Ba 6 Al descender en un grupo, se pueden obsevar números de coordinación mayores 50 Estados de oxidación en el grupo del boro….. BF3 AlF3 GaF3 InF3 TlF3 BCl3 AlCl3 GaCl3 InCl3 (TlCl3) BBr3 AlBr3 GaBr3 InBr3 (TlBr3) BI3 AlI3 GaI3 InI3 TlF (GaCl) InCl TlCl (GaBr) InBr TlBr (GaI) InI TlI 51 Química Inorgánica - 2007 17 Los Elementos Representativos ….. otros ejemplos B2O3 Al2O3 Ga2O3 In2O3 B2S3 Al2S3 Ga2S3 In2S3 Ga2O ¿In2O ? Ga2S Tl2O3 Tl2O Tl2S 52 B III Al III Ga (I), III In I, III Tl I, (III) Al descender en un grupo, el estado de oxidación (n – 2) se vuelve más estable Efecto del par inerte 53 B → B3+ z [He] 2s22p1 → [He] Tl → Tl3+ z [Xe] 6s26p1 → [Xe] Tl → Tl+ z [Xe] 6s26p1 → [Xe] 6s2 54 Química Inorgánica - 2007 18 Los Elementos Representativos Posibles explicaciones…… ¿Los electrones 6p están muy débilmente unidos al átomo de talio?.... ¿o los 6s están excepcionalmente atraídos por el núcleo de talio?.... energía de ionización / kJ mol-1 55 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 I1 I2 I3 I1 + I2 + I3 B Al Ga In Tl elemento …. si los compuestos fueran iónicos I1 / kJ mol-1 (I2 + I3) / kJ mol-1 (I2 + I3) – I1 / kJ mol-1 B 801 6087 5286 Al 578 4562 3984 Ga 579 4942 4363 In 558 4526 3968 Tl 589 4849 4260 56 Valores de ΔfH° calculados mediante un ciclo de BornHaber ΔfH° / kJ mol-1 estabilidad AlCl3 -696 + AlCl (-236) TlCl3 -168 TlCl -104 + 57 Química Inorgánica - 2007 19 Los Elementos Representativos Segundo intento: otra posible explicación Las energías de enlace disminuyen mucho al aumentar el número de enlaces, lo cual no favorecería a los estados de oxidación altos Entonces..... Tl(g) + ½ Cl2(g) ΔH° ½ EE (Cl-Cl) TlCl (g) -EE (Tl-Cl) Tl(g) + Cl(g) 58 energía de enlace (kJ/mol) 500 450 400 ACl3 350 ACl 300 250 200 B-Cl Al-Cl Ga-Cl In-Cl Tl-Cl tipo de enlace Valores de ΔH° calculados ΔH° / kJ mol-1 estabilidad TlCl3 -416 + TlCl -242 59 Último intento TlCl(s) + Cl2(g) ΔH° TlCl3(s) - ΔsubH° (TlCl3) Uo+ EE (Cl-Cl) TlCl3(g) Tl+(g) + Cl-(g) + 2 Cl(g) - 3 EE (Tl-Cl en TlCl3) - [ I1 + AE (Cl) ] Tl(g) + 3 Cl(g) 60 Química Inorgánica - 2007 20 Los Elementos Representativos Comparación de valores de ΔfH° de los cloruros de talio Ciclo de Born-Haber Energías de enlace Valores experimentales TlCl3 -168 -416 -315 TlCl -104 -242 -205 61 Los estados de oxidación poco usuales InCl2 In2Cl4 In+ [InCl4]– Compuestos de “valencia mixta” [Ga2Cl6]2– [Cl3Ga—GaCl3]2– Enlaces metal-metal 62 Estados de oxidación en el grupo del carbono C IV Si IV Ge (II), IV Sn II, IV Pb II, (IV) Se conocen los tetrahaluros de todos los elementos (excepto PbBr4 y PbI4) No existen los dihaluros de C ni Si Se conocen los óxidos CO, GeO, SnO y PbO, pero no el SiO 63 Química Inorgánica - 2007 21 Los Elementos Representativos Otros estados de oxidación H -IV H H H H H -III H H H H -II H Cl Cl H H 0 Cl H H +4/3 H O=C=C=C=O H Sn +III H Sn H H H 64 Estados de oxidación en el grupo del nitrógeno N -III, III, V P (-III),(I), III, V As III, V Sb III, V Bi III, (V) Haluros de N: sólo en el estado +III Haluros de los elementos restantes en estado de oxidación +V: todos los fluoruros, cloruros de P y As, bromuros de P 65 Otros estados de oxidación NO .. N . .. O .. N H NH3 H H O O H3PO2 P P H OH H HO OH HO 66 Química Inorgánica - 2007 22 Los Elementos Representativos Números de coordinación comunes en los grupos 13, 14 y 15 B 3, 4 C 2, 3, 4 N 3, 4 Al 3, 4, 6 Si 4, (6) P 3, 4, 5, 6 Ga 3, 6 Ge 4, 6 As 3, 4, (5), 6 In 3, 6 Sn 4, 6 Sb 3, 4, (5), 6 Tl 3, 6 Pb 4, 6 Bi 3, 6 67 Estados de oxidación en el grupo del oxígeno O -II, (-I) S -II, (II), IV, VI Se (-II), (II), IV, VI Te II, IV Po II, IV Existen hexafluoruros de S, Se y Te (tal vez también de Po), pero no hexaioduros El estado de oxidación +IV es estable para el S No se conocen hexa- o tetrahaluros de oxígeno El estado de oxidación mayor para el O es +II en OF2 El oxígeno es más estable en sus estados de oxidación negativos 68 Estados de oxidación de los halógenos F -I Cl -I, I, III, V, VII Br -I, I, III, V, VII I -I, I, III, V, VII At -I, I, III?, V El estado de oxidación más estable para todos los halógenos es el -I Este es además el único estado posible para el flúor Los restantes halógenos sólo pueden alcanzar estados de oxidación positivos en combinaciones con F y O 69 Química Inorgánica - 2007 23 Los Elementos Representativos Números de coordinación comunes en los grupos 16 y 17 O 1, 2, (3), (4) F 1, (2) S 2, 4, 6 Cl 1, 2, 3, 4 Se 2, 4, 6 Br 1, 2, 3, 5 Te 6 I 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Po At 70 Estados de oxidación y números de coordinación de los gases nobles Ne Ar Kr II 2 Xe II, IV, VI, VIII 2, 3, 4, 6 Rn II 2 En la mayoría de los compuestos del Xe, se encuentran enlaces Xe-F o Xe-O 71 Potenciales de reducción estándar: metales alcalinos E° (M2+/M) / V E° (M+/M) / V Li -3,02 Be -1,70 Na -2,71 Mg -2,37 K -2,92 Ca -2,87 Rb -2,99 Sr -2,89 Cs -3,02 Ba -2,90 72 Química Inorgánica - 2007 24 Los Elementos Representativos Distintas contribuciones a la entalpía de reducción M(g) ΔionH° M+(g) + e– ΔhidH° ΔatH° M(s) -ΔredH° M+(ac) Li Na K Rb Cs ΔatH° 159 107 89 81 76 ΔionH° 520 496 419 403 376 ΔhidH° -520 -406 -322 -301 -277 -ΔredH° 159 197 186 183 175 73 Ciclo termodinámico completo M(g) + H+(g) M+(g) + H(g) ΔionH° (M) – ΔionH° (H) ΔatH° (M) – ΔhidH° (H+) M(s) + H+(ac) E°=− – ΔH° ΔG ° nF =− ΔhidH° (M) – ½ EE (H-H) M+(ac) + ½ H2(g) ΔH ° −T ΔS ° nF 74 Química Inorgánica - 2007 25
