PRÁCTICA 9: HALÓGENOS Práctica 9 HALÓGENOS: REACTIVIDAD Y PROPIEDADES INTRODUCCIÓN Los halógenos (del griego hals, 'sal' y genes, 'origen' que origina sal) constituyen el grupo 17 de la tabla periódica. Es el único grupo del sistema periódico que contiene elementos en los tres estados de la materia en condiciones de presión y temperatura estándar. Gaseoso (flúor, cloro), líquido (bromo) y sólido (yodo, astato). Poseen una electronegatividad elevada (χ ≥ 2,5, en la escala de Pauling) siendo el flúor el elemento más electronegativo del sistema periódico. En estado elemental son oxidantes poderosos (en particular F2, Cl2 y Br2). Cabe destacar que el flúor es capaz de llevar a la mayor parte de los elementos al mayor estado de oxidación que presentan. De manera esquemática la elevada reactividad se asocia a su configuración electrónica (ns2 np5) y su marcada tendencia a formar iones mononegativos X- (haluros). Los diagramas de estados de oxidación (Latimer y Frost) contienen resumida toda la información correspondiente a los diferentes pares redox que puede presentar un determinado elemento y por lo tanto permiten realizar predicciones acerca de la estabilidad y reactividad de cada una de las especies. En el caso de los halógenos, que presentan una gran variedad de estados de oxidación, este tipo de diagramas son particularmente útiles. 1 PRÁCTICA 9: HALÓGENOS 2 PRÁCTICA 9: HALÓGENOS Un aspecto interesante y llamativo de los halógenos es su diferente color. Así el flúor es incoloro, el cloro es un gas de color verde amarillento, el bromo es un líquido rojo y el yodo es un sólido violeta oscuro (que sublima fácilmente dando vapores de color violeta). La coloración en fase gaseosa se puede interpretar a partir del diagrama de OM de las moléculas X2 de acuerdo con una transición desde el nivel πg* (ocupado) hasta el nivel σu* (vacío). La interpretación del color en disolución es más compleja. Experimentalmente se comprueba que el color de los halógenos depende marcadamente de las propiedades dadoras del disolvente. Así pues, disolventes con poca capacidad dadora dan lugar a disoluciones con un color muy similar al del gas, ya que no se altera apreciablemente la energía de los orbitales moleculares. En disolventes con una cierta capacidad dadora, el LUMO σu* del halógeno actúa como aceptor de electrones, produciéndose un debilitamiento del enlace X-X y alterándose a la vez la energía de las transiciones electrónicas. La transición πg* → σu* generalmente tiene lugar en la zona visible del espectro (entre 400 y 550 nm aproximadamente, dependiendo del disolvente). Por otra parte, en la región en (200-300 nm) aparece una banda mucho más intensa asociada a la transferencia de carga. Diagrama de energía de orbitales moleculares para las moléculas X2 (X = F, Cl, Br y I) con configuración electrónica 2s22p5. (Fuente: Inorganic Chemistry. Housecroft and Sharpe (second edition) Fig.1. 21. Capítulo 1, página 34) OBJETIVOS 1.- Estudio espectroscópico de la coloración del yodo en distintos disolventes. 2.- Reacciones redox de algunos compuestos de los halógenos. 3 PRÁCTICA 9: HALÓGENOS CUESTIONES PREVIAS 1. Indicad justificadamente cuales de las siguientes especies se dismutarán espontáneamente en medio básico: dicloro, clorito, bromato, hipoyodito. Escribid en su caso las correspondientes ecuaciones químicas 2. De forma deliberada se ha omitido el estudiar la reactividad del F2 en esta práctica. Dad razones para ello. 3. Calculad el potencial de reducción del par BrO3-(ac)/Br-(ac) en medio ácido. 4. El yodo sólido es poco soluble en agua (0,029 g en 100 mL de agua a 20°C). No obstante, su solubilidad en dicho disolvente aumenta considerablemente en presencia de iones yoduro. Dad una explicación satisfactoria a dicho fenómeno. 5. Describir brevemente el test del almidón para detectar la presencia de yodo. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Material Reactivos Espectrofotómetro y cubetas UV-visible Yodo(s) Erlenmeyer 100 mL Etanol, hexano, tolueno, CCl4 Vasos de 100, 150 y 250 mL KBrO3 (s) Equipo para generar cloro H2SO4 1M Tubos de ensayo KI(s) y disol. 0,1 M Cuentagotas Disolución de Cr (III) Almidón HCl concentrado NaOH (s) Acetona KMnO4 (s) 4.1. Obtención de los espectros UV-visible del yodo en varios disolventes a) Tomad con un cuentagotas una porción de cada una de las disoluciones ya preparadas de iodo en H2O, etanol, hexano, tetracloruro de carbono y tolueno, e introducidlas en la cubeta de UVvisible. 4 PRÁCTICA 9: HALÓGENOS b) Registrad el espectro UV-visible de cada una ellas en el intervalo 400 -700 nm (Es necesario compensar el disolvente. c) Determinad los valores de λmax para las distintas bandas del espectro. d) Clasificad los disolventes en función de sus propiedades dadoras. 4.2. Ensayos para ilustrar el poder oxidante del ión bromato. 4.2.1. Preparación de disoluciones. • Disolved 0,1 g de almidón en 10 mL de agua hirviendo. • Disolved 1 g de KBrO3 en una mezcla de 100 mL compuesta de 94 mL de agua desionizada y 6 mL de H2SO4 1 M. • Disolved 0,1 g de KI en 10 mL de agua desionizada. 4.2.2. En un vaso de 150 mL se introducen 25 mL de agua destilada, 2 mL de la disolución de almidón preparada anteriormente y 1 mL de disolución de H2SO4 1M, dos gotas de la disolución de bromato y 1 mL de la disolución de KI. Observad los cambios producidos. Utilizando los diagramas de estados de oxidación indicad todas las reacciones que pueden tener lugar y cuáles deben ser los productos finales de la reacción. 4.2.3. Añadid a la disolución anterior el resto de la disolución de bromato. Observad los cambios producidos transcurridos aproximadamente 10 minutos. Utilizando los diagramas de estados de oxidación indicad todas las reacciones que pueden tener lugar y cuáles deben ser los productos finales de la reacción. Gestión de residuos: Introducir las disoluciones anteriores una vez finalizado el ensayo, en el frasco etiquetado como “Residuos de halógenos”. 5 PRÁCTICA 9: HALÓGENOS 4.3. Ensayos para ilustrar el poder oxidante del cloro elemental. (Atención: esta experiencia se realizará en vitrina y bajo la supervisión del profesor). Utilizad el montaje preinstalado en la vitrina para generar una corriente cloro. Una vez generada Realizad las siguientes experiencias: 4.3.1. Pasad la corriente cloro a través un tubo de ensayo que contenga 2 mL de una disolución de IK 0,1 M. Gestión de residuos: Introducir los restos una vez finalizado el ensayo en el frasco etiquetado como “Residuos IODO”. 4.3.2. Pasar cloro a través de 1 mL de una disolución 0,1 M de una sal de Cr (III), a la que hemos añadido una lenteja de sosa y calentar posteriormente. Gestión de residuos: Introducir los restos una vez finalizado el ensayo en el frasco etiquetado como “Residuos Cr (VI)”. 4.3.2. Pasar cloro a través de un tubo seco que contiene 0,05 g de yodo sólido. Gestión de residuos: Introducir los restos una vez finalizado el ensayo en el frasco etiquetado como “Residuos ICl”. CUESTIONES ADICIONALES Escribid y ajustad todas las reacciones que tienen lugar en los experimentos realizados de modo que se justifiquen los resultados obtenidos. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL C.E. Ophardt, J. Chem. Educ.1987, 64, 807-808. 6