30/6/2024 TEMA 11 Grupo 13 : Boro, Aluminio Galio, Indio y Talio Tema 10: Boro y Aluminio: Boro: alotropía. Hibridaciones. Compuestos oxigenados y oxácidos. Sales. Soluciones reguladoras. Compuestos hidrogenados y halogenados. Aluminio: compuestos oxigenados. Anfoterismo. Compuestos halogenados. Alumbres. Hidrólisis sales. Compuestos complejos Material de lectura: Rodgers,G.E. Química Inorgánica. Introducción a la Química de Coordinación, del estado sólido y descriptiva. Capítulo 14. Páginas: 415. 1° Ed. Madrid. McGraw Hill. 1995. Ubicación en tabla periódica estructura de la capa de valencia de estos B Laelementos es del tipo [GN] ns np , por lo que se consideran átomos deficientes de electrones. Al Son esperables los estados de oxidación formales 3-, 3+ y 1+. Sin embargo acuerdo a su mayor sólo para el boro es importante Ga electronegatividad, el estado de oxidación 3-. Por su mayor electronegatividad, sólo para el boro In es importante el estado de oxidación 3-. talio se caracteriza porque su estado de Tl Eloxidación +1 es importante. 2 1 Propiedades químicas Propiedad I1 (kJ/mol) I2 (kJ/mol) I3 (kJ/mol) SIn r(M3+) (Ǻ) r (M+) (Ǻ) B Al In Tl 578.6 558.2 589.1 1978.8 1820.2 1970.5 2962.3 2704.0 2877.4 5519.7 5082.4 5437.6 0.50 0.62 0.81 0.95 - 1.13 1.32 1.40 577.4 2426.5 1816.1 3658.7 2744.1 6885.7 5137.6 (0.20) - B Al Ga In Tl 2.0 Estados de oxidación +3 (covalente) Con O2 Carácter ácido básico B2O3 Ácido 1.5 +3 Al2O3 Anfótero 1.6 +1, +3 Ga2O3 Anfótero 1.7 +1, +2, +3 In2O3 Anfótero 1.8 +1, +3 Tl2 Básico Potenciales de ionización Ga 800.5 Electronegatividad • No disminuyen de la manera esperada • La explicación de este hecho está sin dudas relacionada con la existencia de capas d (en el Ga e In) y f (en el Tl) completas, antes de la capa de valencia. • Estas capas producen poco apantallamiento por lo que la carga nuclear efectiva es más alta, trayendo como consecuencia la elevación observada de los potenciales de ionización en las secuencias Al – Ga e In – Tl 1 30/6/2024 Potenciales de ionización • No disminuyen de la manera esperada • La explicación de este hecho está sin dudas relacionada con la existencia de capas d (en el Ga e In) y f (en el Tl) completas, antes de la capa de valencia. • Estas capas producen poco apantallamiento por lo que la carga nuclear efectiva es más alta, trayendo como consecuencia la elevación observada de los potenciales de ionización en las secuencias Al – Ga e In – Tl • BORO Debido a los elevados potenciales de ionización y bajo radio iónico, la posibilidad de formar cationes 3+ es muy escasa para el boro Boro • El boro es un elemento químico con el símbolo B y número atómico 5. • Configuración Electrónica: 1s2 2s2 2p1 • Es un metaloide que presenta propiedades intermedias entre los metales y los no metales, predomina el carácter no metálico • Estructura Cristalina: El boro puro cristaliza en varias formas alotrópicas. Las formas más comunes son el boro amorfo (un polvo marrón) y el boro cristalino (un material negro y brillante). Alotropía Boro • Se parece mucho al carbono y al silicio en su tendencia a la formación de enlaces covalentes consigo mismo y con otros átomos. • Difiere de estos dos elementos en que es un átomo deficiente de electrones. Mientras el carbono y silicio preferentemente forman largas cadenas, los enlaces del boro consigo mismos llevan a la formación de enrejados o clusters que hacen que la química del boro sea muy extensa y compleja. Alotropía Boro Cristalino Boro amorfo 2 30/6/2024 Boro: alótropos El alótropo boro αromboédrico Varias unidades tipo icosaedro conforman cristales romboédricos que no pueden aislarse pues su deficiencia electrónica les obliga a necesitar las unidades vecinas Boro: alótropos • El boro amorfo, a diferencia del boro cristalino, no tiene una estructura cristalina ordenada. • En los sólidos amorfos, los átomos no están dispuestos en un patrón repetitivo a largo plazo, como lo estarían en un cristal. Sin embargo, existen ciertas características generales de cómo se disponen los átomos en el boro amorfo Boro: alótropos El alótropo boro βromboédrico, Posee cristales romboédricos, igual que el boro-α,pero difiere en sus unidades estructurales (cubooctaedros) Otros datos Abundancia: Aunque no es abundante en la corteza terrestre, es esencial para la vida de las plantas y tiene numerosas aplicaciones industriales. Propiedades Físicas: El boro tiene una alta dureza, baja densidad y es un semiconductor a altas temperaturas. Comportamiento químico Comportamiento químico • Su reactividad química depende de su pureza, cristalinidad, subdivisión y temperatura. • A temperatura ambiente es marcadamente inerte y sólo es atacado por el flúor y superficialmente por el oxígeno. • A altas temperaturas reacciona directamente con la mayoría de los metales y no metales (entre las excepciones están los metales representativos de mayor tamaño, incluyendo a los de su grupo). . • No reacciona con ácidos no oxidantes ni con bases fundidas. [He]2s22p1: dispone de tres electrones para formar enlace covalente, lo cual explica su trivalencia, las propiedades ácidas como aceptor electrónico y en la formación de enlaces multicentrados. Esta característica es la responsable de un tipo de enlace prácticamente único, el enlace tricentrado, que se presenta en compuestos como los hidruros de boro. 3 30/6/2024 Comportamiento químico Comportamiento químico El comportamiento químico del boro está principalmente determinado por su pequeño tamaño( radio covalente 0,8 A) y sus altas energías de ionización • Su pequeño tamaño le permite incluirse en la red cristalina de muchas sustancias, formando muchos boruros metálicos del tipo de aleaciones intersticiales. Los electrones de la capa de valencia están poco apantallados y quedan fuertemente retenidos. Así, la suma de los tres primeros potenciales de ionización, 71,37 eV, nos indica la imposibilidad de formación de cationes B+++ Aleaciones • Mezcla de dos o más elementos químicos, de los cuales al menos uno es un metal, diseñadas para tener propiedades específicas que no se encuentran en los metales puros, combinando las características de los elementos individuales para mejorar su rendimiento en diversas aplicaciones. • Acero: hierro y carbono, pequeñas cantidades de otros elementos como cromo, níquel, y manganeso. • Latón: Cobre y zinc. • Bronce: Cobre y estaño. • Duraluminio: Aluminio con cobre, manganeso y magnesio. Aleaciones de Boro • Alta Capacidad de Absorción de Neutrones Se utilizan en aplicaciones nucleares para el control de neutrones y la protección contra la radiación. Ej: barras de control en reactores nucleares • Ligereza Adecuadas para aplicaciones aeroespaciales y otras que requieren materiales de alta resistencia y bajo peso. Capas alternas de átomos metálicos (círculos grandes) y boro (círculos pequeños) en MB2. Aleaciones de Boro • Alta Dureza y Resistencia al Desgaste – la presencia de boro forma compuestos intermetálicos duros. – Ej: El carburo de boro (B₄C), se utiliza en aplicaciones que requieren alta resistencia al desgaste, como en blindajes y abrasivos. • Resistencia a la Corrosión – Especialmente en ambientes agresivos. Esto las hace ideales para aplicaciones en condiciones químicamente agresivas. Aleaciones de Boro • Resistencia a Altas Temperaturas Aplicaciones que implican condiciones térmicas extremas. • Propiedades Mecánicas Resistencia a la tracción y la dureza, son generalmente superiores a las de los metales puros debido a la formación de compuestos intermetálicos fuertes. Ej: aleaciones de titanioboro se utilizan en la industria aeroespacial (ligereza y alta resistencia.) 4 30/6/2024 Comportamiento químico Con frecuencia y a través de la hibridación sp2 los enlaces se disponen coplanares y con ángulos de 120° También forma complejos con índice de coordinación máximo 4, como en los boratos y en iones como el BH4Una característica dominante de su química es su gran afinidad por el oxígeno, lo que lleva a la formación de un extenso grupo de boratos y oxo compuestos en general. Comportamiento químico Uno de los rasgos más salientes de la química de los compuestos del boro es el derivado de la gran entalpía de formación del B203 (279,8 Kcal/mol), que hace que, como en el silicio, sus reacciones con el oxígeno tiendan a dominar en su comportamiento químico. . 4. COMPUESTOS Con Hidrógeno Compuesto 4.1. Hidruros de boro: boranos BORANOS (hidruros) Su preparación se lleva a cabo, en general, por adición de ácido sobre boruro de magnesio, MgB2 Halógenos TRIHALUROS DE BORO planares lo que indica la hibridación sp2 por parte del boro. Oxígeno B2O3 A su vez reacciona con agua dando ácido bórico (*) Hidróxido BORATO Azufre SULFURO DE BORO Nitrógeno NITRURO DE BORO ( BN) BORAZINAS 2B + 6NaOH = 2 Na3BO3 + 3H2 Carbono CARBORANOS Metales BORUROS diversos (*)El ácido bórico fundido, disuelve muchos óxidos metálicos dando vidrios diversos, que son los boratos de los correspondientes metales. 4.1. Hidruros de boro: boranos Los hidruros de boro se denominan genéricamente “boranos”. H La principal característica es su complejidad estructural, que ha llevado a clasificarlos en cinco tipos diferentes pero que tienen en común la formación de enlaces tri - o multicentrados como consecuencia de la deficiencia electrónica del átomo de boro. 4.1. Hidruros de boro: boranos 1s1 H sp3 sp3 H B H sp3 H B H sp3 H Se han caracterizado aproximadamente 25 boranos neutros BnHm, y un número aún mayor de aniones BnHmx-. B 1s1 En su mayoría son gases o líquidos o sólidos muy volátiles , son muy reactivos y se descomponen a temperaturas menores de los 100ºC (la mayoría a T menores de 25 ºC). 1s1 De todos, el más simple es el diborano, cuya fórmula es B2H6 y cuya estructura se muestra en la Figura. H sp3 sp3 H B H sp3 H B H sp3 H En su mayoría son gases o líquidos o sólidos muy volátiles , son muy reactivos y se descomponen a temperaturas menores de los 100ºC (la mayoría a T menores de 25 ºC). 1s1 De todos, el más simple es el diborano, cuya fórmula es B2H6 y cuya estructura se muestra en la Figura. 5 30/6/2024 4.1. Hidruros de boro: boranos Se inflama espontánea y explosivamente al aire, es una reacción de combustión, sumamente exotérmica B2 H 6g 3O 2 B2O3s 3H 2O H 2165kJ / mol Aplicaciones de los Boranos • Combustibles para Cohetes: (en estudio) • Química de Coordinación: se usan en la síntesis de complejos de metales de transición y en la investigación de reacciones catalíticas. • Medicina: terapias de captura de neutrones para el tratamiento del cáncer utilizando compuestos de borano. • Precursores Químicos: precursores en la síntesis de otros compuestos de boro. 4.2. Óxidos e Hidróxidos de boro 4.2. Óxidos e Hidróxidos de boro • El boro tiene una gran afinidad por el oxígeno, por ello se encuentra en la naturaleza en forma de compuestos oxigenados casi exclusivamente El B2O3 es un óxido ácido y reacciona con el agua dando ácido bórico o ácido ortobórico : B(OH)3 (ó: H3BO3) • Los óxidos son fundamentalmente covalentes • El B2O3 es un sólido de alta temperatura de fusión (450ºC ) y de ebullición (2250ºC) 4.2. Óxidos e Hidróxidos de boro El ácido bórico es un ácido cuya constante de acidez es: Ka = 6.10-10 Es un ácido por el par de electrones del OH- (par de electrones sobre el oxígeno) . Como acepta un solo OH- el compuesto es monobásico (y no tribásico como se pensaría a partir de la fórmula H3BO3) En el sólido, las unidades sencillas de ácido bórico están unidas por enlace puente hidrógeno en una estructura plana y en capas, que explica la textura escamosa del compuesto El ácido bórico se usa como antiséptico suave para lavar ojos y boca 4.2. Óxidos e Hidróxidos de boro La acción ácida del mismo no implica la desprotonización de los grupos OH-, sino la asociación del oxhidrilo : BOH 3ac 2H 2O BOH 4ac H 3O Ka 109.3 IMPORTANTE: El H3BO3 es un ácido básico y el Al(OH)3 es un hidróxido 6 30/6/2024 Aplicaciones de Óxido de boro 4.2. Óxidos e Hidróxidos de boro Vidrios Borosilicatos Se utiliza en la producción de vidrios borosilicatos que tienen una alta resistencia térmica y química. Ejemplos incluyen Pyrex y otros utensilios de laboratorio y cocina. Otros Óxidos de Boro • Óxido de Diboro (B2O): Menos común y menos estable que el trióxido de boro. • Óxidos Parciales: Compuestos como B6O que tienen estructuras complejas y propiedades únicas como alta dureza y resistencia al desgaste. 4.2. Óxidos e Hidróxidos de boro Usos y aplicaciones Metaboratos y Poliboratos Tumores cancerosos. • Metaborato de Sodio (NaBO2): Usado en detergentes y productos de limpieza. • La capacidad del isótopo boro-10 (10B) para atrapar neutrones, emitiendo radiaciones tipo α ha sido utilizada para tratar tumores cerebrales en una técnica conocida como Terapia de Captura de Neutrones de Boro (BNCT). • Tetraborato de Sodio (Na2B4O7 ), (Borax): Utilizado en una amplia variedad de aplicaciones, desde la fabricación de vidrio hasta el uso en detergentes, retardantes de fuego y soldadura. Usos y aplicaciones Ácido bórico. • En forma de ácido bórico o borato, para el crecimiento de muchas plantas. Una deficiencia de boro se manifiesta en un crecimiento deforme, • Salud ósea. • El boro podría ser necesario en pequeñas cantidades para mantener la salud ósea. Hay estudios que señalan que la falta de boro estaría involucrada en la generación de artritis. • Funciones cerebrales, como la memoria y la coordinación ojo-mano. 4.3. Halogenuros de boro Los haluros de boro son compuestos formados por la combinación de boro con halógenos (flúor, cloro, bromo y yodo). Estos compuestos tienen una variedad de propiedades y aplicaciones debido a sus estructuras únicas y alta reactividad. 7 30/6/2024 4.3. Halogenuros de boro BF3, BCl3, BBr3, BI3, tienen estructura plana, hace suponer que tienen hibridación sp2. El orbital 2p, no hibridado, está vacío y puede aceptar un par de electrones de otra molécula para formar un compuesto por adición. Es una reacción tipo ácido-base de Lewis. Propiedades Químicas de los Haluros • Ácidos de Lewis: Capaces de aceptar pares de electrones. Esta propiedad los hace útiles como catalizadores en diversas reacciones químicas. • Reactividad con Agua: Reaccionan vigorosamente con el agua para formar ácido bórico y los respectivos ácidos halogénicos. : BF3+3H2O→B(OH) 3+3HF • Formación de Complejos Forman complejos estables con donantes de electrones, como éteres y aminas. Esto es útil en la química de coordinación y catálisis. 8
