Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura Universidad Nacional del Nordeste Avenida Libertad 5450- 3400. Corrientes TE: (03783)457996- Int. 105

QUÍMICA INORGÁNICA Unidad VIII: GRUPO DEL BORO Contenidos temáticos desarrollados por: Dra. GRACIELA MABEL MONTIEL Profesor Responsable

CARRERAS: Bioquímica- Licenciatura en Ciencias Químicas Profesorado en Ciencias Química y del Ambiente

BIBLIOGRAFIA GENERAL

•Atkins, P. ; Jones, L. (2006). “Principios de Química. Los caminos del descubrimiento”. Editorial Médica PANAMERICANA S. A. Argentina. •Atkins, P. ; Jones, L. (1998).”Química. Moléculas. Materia. Cambio”. Omega S.A.. Barcelona. España. •Brown, T.; LeMay, H.; Bursten, B. (1998) ”Química la Ciencia Central”. Prentice Hall Hispanoamericana S.A. México. •Geoff Rayner-Canham.(2000) Química Inorgánica Descriptiva. Prentice-Hall. •Gutierrez Ríos, E.( 2003). Química Inorgánica .Editorial Reverté S.A.

Petrucci, R. Harwood, W.(1999) Química General. Principios y Aplicaciones Modernas. Editorial Prentice Hall Iberia. •Whitten, K.W.; Gailey, K.D.; Davis, R.E.(1992) Química General. 3ra. Edición. México. Mc Graw-Hill Interamericana. •Shriver, D.F.; Atkins P.W.; Langford C.H. (1998) “Química Inorgánica” .Volumen I. Editorial Reverté S.A. •http://www.uv.es/~borrasj/docencia/apuntes/ •http://www.colegiolosrosales.com/sp/

LOS ELEMENTOS DEL GRUPO

 B: no metal o semimetal

 Al, Ga, In y Tl: metales  Los puntos de fusión varían notablemente, de modo irregular.

B: 2030 ºC | Ga: 29,6ºC  El Ga tiene un intervalo en estado líquido mayor conocido. Se utiliza en termómetros para altas temperaturas.

Estructuras cristalinas • B: adopta estructuras cristalinas complejas basadas en estructuras icosaédricas con fuertes enlaces covalentes entre los B.

• El resto adoptan empaquetamientos típicos de metales.

Reactividad B: es inerte y no es atacado por los ácidos ni por las bases Los demás elementos son bastante reactivos Los compuestos con carácter covalente son frecuentes en este grupo: B y Al Elevada carga y pequeño radio El B sólo forma compuestos binarios covalentes

La única forma de estabilizar compuestos iónicos es hidratar el catión metálico H del Al: -4665 kJ·mol-1, 3 I: +5137 kJ·mol-1

Estados de oxidación Configuración electrónica de la capa de valencia: ns2 np1

A medida que descendemos en el grupo el efecto del par inerte

Presencia en la naturaleza Boro: Poco abundante (3 ppm) boratos: kernita: Na2B4O7·4H2O; borax: Na2B4O7·10H2O Aluminio: Abundancia del 7%, silicatos: feldespato: K[AlSi3O8] ; caolínAl2(OH)4Si2O5. Bauxita: Al2O3·H2O, impurificado con diversas cantidades de Fe2O3 y SiO2. Abundancia de Ga: 15 ppm; In: 0,1 ppm; Tl: 0,3 ppm

BORO

Es el único elemento no metálico del grupo 13. El B es el único no metal o semimetal que tiene 3 e- en su capa de valencia No puede completar su octeto por formación de 3 enlaces covalentes. El B forma enlaces muy peculiares Muchas de sus reacciones químicas son de tipo ácido-base

Características del B Sólido de gran dureza (cercana al diamante) y alto punto de fusión (2180ºC). Color muy oscuro y brillo metálico. Es mal conductor de la electricidad

Usos como elemento

endurecer aceros producir fibras inorgánicas que endurecen a los plásticos, el grafito o el wolframio. Muy importante se utiliza como abrasivo moderador en reactores nucleares. Por su capacidad para absorber neutrones

Reactividad del B • Es un elemento bastante inerte químicamente. • Inatacable por HCl o HF • En caliente y finamente dividido es atacado por ácidos oxidantes (HNO3) • Con hidróxidos alcalinos forma boratos alcalinos: MH2BO3 • Tiene elevada afinidad por el oxígeno: a 700ºC arde con formación de B2O3 • En caliente reacciona con no metales. • Halógenos formando haluros: BX3 • Azufre formando sulfuros: B2S3 • Nitrógeno formando nitruros: (BN)x • Reacciona con algunos metales formando boruros metálicos: MBn

Métodos de obtención del B  La estabilidad del enlace B–O hace que sea costoso obtenerlo por reducción de compuestos oxigenados  Hay que utilizar reductores fuertes como el Na, Al o H2  Altas temperaturas  Se lo obtiene frecuentemente impurificado con restos de óxidos o boruros metálicos

 Por reducción por metales a alta temperatura se obtiene boro de 95-98% de pureza

 Reducción electrolítica de boratos fundidos o de KBF4 en KCl/KF fundido a 800º, se obtiene boro en polvo del 95%.  Reducción de compuestos volátiles

 Descomposición térmica de hidruros de boro o de haluros

Estructura del B elemental Forman redes extensas formadas por icosaedros (poliedros formados por 12 átomos de B con 20 caras).

los icosaedros se unen por enlaces covalentes entre dos átomos de B situados en los vértices o por enlaces tricéntricos

Complejidad estructural  tiene más orbitales de valencia que electrones

Alotropía en el B B amorfo (de aspecto vítreo y opaco)

no es conductor porque los electrones están localizados entre las unidades icosaédricas

Compuestos de Boro En muchos compuestos el B no se rodea de un octeto electrónico lo que hace que sean deficientes en electrones. La deficiencia electrónica de algunos compuestos de boro conduce a un tipo de enlace muy especial: 3c-2e Muchos de ellos, sobre todo los moleculares tipo BX3, son ácidos de Lewis fuertes.

El boro presenta una notable tendencia a la homocatenación: enlaces –B–B– extendidos

Compuestos del boro reconocidos: • BOROHIDRUROS y BORANOS • BORUROS METÁLICOS • HALUROS • ÓXIDOS Y OXOÁCIDOS • B-N: Borazinas

 4

Hidruros de B: Borohidruros  Los hidruros MH3 son inestables para a todos los elementos del Grupo 13. Sin embargo todos pueden formar las especies aniónicas: MH4¯ (tetrahidrometalato)  LiAlH4: también se utiliza para la síntesis de silanos.

 NaBH4: Sólido blanco

Hidruros de B: Boranos Diborano: B2H6

Obtención:

Propiedades del diborano:  Gas incoloro, tóxico y sumamente reactivo

Se inflama en el aire

Fuertemente higroscópico

A temperaturas >50ºC

Enlace en el diborano: 3c-2e (tres centros dos electrones) Estructura aceptada para el diborano: 4 H y 2 B situados en un plano: 8e hibridación sp3 para el B (coordinación local del B casi tetraédrica)

2H que actúan como puente entre 2B: 4e B–H–B: enlace 3 centros con 2 electrones

Otros boranos Tetraborano

Cuando se calienta el diborano a 100ºC se forma el decaborano B10H14

Sus estructuras están basadas en poliedros regulares donde los B definen caras triangulares (estructuras deltaédricas): Enlaces directos: B–B o B–H Enlaces tricéntricos: B–H–B, B–B–B

Clasificación:  Closoboranos: cuando todos los vértices de los poliedros están ocupados por átomos de B. [BnHn]2 Nidoboranos: boranos neutros de fórmula BnHn+4 Se derivan de los closo por eliminación del átomo de B de mayor índice de coordinación, dejando así una cara del poliedro abierta.  Aracnoboranos: también son neutros de fórmula BnHn+6 Derivan de los nido por eliminación de un átomo de B de la cara abierta.

Boruros metálicos: caso del boruro de magnesio MgB2: superconductor En 2001 se descubrió que el MgB2 es un material superconductor por debajo de 39K Propiedades como superconductor: Resistencia eléctrica cero Diamagnetismo perfecto: las lineas de campo magnético se ven repelidas por el material (efecto Meissner) Muchas aplicaciones tecnológicas

Propiedades químicas de los trihaluros Son ácidos de Lewis

Fortaleza como ácidos de Lewis

Compuestos oxigenados  El B puede formar compuestos con el oxígeno. Están entre los más importantes desde el punto de vista industrial.  Enlace B-O: en los compuestos oxigenados es predominante la hibridación sp2 quedando libre el orbital pz del B para un posible solapamiento con orbitales pz del O (llenos) formándose un enlace p- p que refuerza el enlace sencillo .  La entalpía de formación del B2O3 es muy alta, H= -1250 kJ·mol-1  La energía de disociación D(B–O) es elevada (536 kJ·mol-1)

• Óxidos • ¿Hidróxidos? • Boratos

Óxido de Boro: B2O3 • es un óxido ácido

• reacciona con el agua para dar ácido bórico, B(OH)3 o H3BO3

Ácido bórico: H3BO3

Usos principales El ácido bórico es un antiséptico suave También se utiliza para hacer menos inflamable el papel utilizado para empapelar paredes.

El uso mayoritario es para obtener óxido bórico Es un ácido monoprótico muy débil (pK1=9,2)

Es un ácido de Lewis porque acepta un par electrónico del ion OH¯

Estructura del ácido bórico Los cristales de ácido bórico son blancos y trasparentes, de aspecto escamoso. En sólido, las unidades B(OH)3 están unidas mediante puentes de hidrógeno en una estructura plana, en capas unidas entre sí por fuerzas de Van der Waals que explica la textura en escamas de este compuesto.

Esteres del ácido bórico Preparación del borato de etilo En las reacciones de esterificación el H2SO4 actúa como agente deshidratante.

Hidróxidos del grupo  B(OH)3 como acabamos de decir es en realidad un ácido (ácido bórico) aunque convenga escribirlo como está y no como H3BO3.  Al(OH)3, Ga(OH)3 y In(OH)3 son compuestos anfóteros. La adición de disolución básica a las sales de Al o Ga da lugar al precipitado blanco del hidróxido M(OH)3 que se disuelve para formar el ion M(OH)4¯  Tl(OH)3 no se ha podido aislar

Boratos Anión metatriborato

Anión metatetraborato

Boratos más comunes: BORAX: Na2B2O7·10H2O

PEROXOBORATO: Na2BO3

ALUMINIO

Propiedades del Aluminio  Es un metal de apariencia brillante  Es un metal blando (como el Cu y el Sn). Es por tanto fácilmente moldeable. Sin embargo, algunas de sus aleaciones son más resistentes que el acero.  El tercer elemento más común en el planeta (tras el O y Si) y el metal más abundante; constituye el 8% de la corteza. No existe en estado metálico en la naturaleza. Esta muy disperso en forma de arcillas (silicatos), debiendo ser extraído de las menas de bauxita.  Funde a temperaturas más elevadas (600ºC) que la mayoría de los demás metales.  Carece de función biológica esencial. Las plantas lo absorben (especialmente la planta del te) y se acumula fácilmente en las grasas.

 Muy buen conductor de la electricidad  Buen conductor del calor

Reactividad del Aluminio  El aluminio es un metal con potencial de reducción muy negativo (Eº=- 1.67V) y por tanto es de esperar que sea un elemento fácilmente oxidable.  El Al metálico no arde en presencia de O2, pero finamente dividido puede inflamarse bajo determinadas condiciones en una reacción muy exotérmica, formándose un polvo blanco de alúmina.

Es resistente a la corrosión no por su posición en la serie

electroquímica (muy reductor) sino por la rápida formación de una capa de óxido

coherente e inerte que lo pasiva.

Reactividad ácido base del Al Es anfótero

Química acuosa del Al En disolución acuosa, el catión Al3+ sufre reacciones de hidrólisis:

Los haluros de Al son ácidos de Lewis muy reactivos y aceptan fácilmente un par de electrones para formar un aducto.

Óxido de Aluminio Se le denomina alúmina cuando está en forma microcristalina (polvo) y corindón cuando esta en forma cristalina. El corindón es una piedra preciosa: zafiro blanco. Inclusiones de otros metales dan lugar a otras piedras preciosas (a) Rubí es alúmina con Cr(III) sustituyendo a algunos Al(III) (b) Zafiro es alúmina con pequeñas cantidades de Fe(III) y Ti(IV) (c) Topacio es alúmina con pequeñas cantidades de Fe(III)

Sulfato de Al: alumbres y espinelas  Los alumbres son sales dobles que responden a la fórmula general:

M(I) M(III) (SO4)2 12 H2O donde M(I) es un catión monopositivo ( ion sodio, ion potasio, ion amonio); y M(III) es un catión tripositivo ( ion aluminio, ion cromo(III) o ion hierro(III)).  La espinela corresponde al metalaluminato de magnesio anhidro Mg(AlO2)2.

Sulfato de Al y tratamiento de aguas Se utilizan cantidades enormes de Al2(SO4)3 en el tratamiento de aguas ya que permite precipitar finas partículas en suspensión que de otro modo serían muy difíciles de filtrar. El agente floculante es el Al(OH)3.

Tl: Efecto del par inerte  Conforme se baja en el grupo aumenta la dificulta para ionizar los electrones s y, por consiguiente, la valencia máxima del elemento disminuye en 2 respecto de la valencia máxima  En este elemento se estabiliza la e.o. +I.  El efecto del par inerte se incrementa en los grupos siguientes: 14, 15 y 16 Los compuestos de Tl  Son muy venenosos  El radio del Tl+ es muy semejante al del K+. Si se ingiere una sal de Tl+, interfiere en los roles biológicos del K+ al que sustituye.