tema 6 - elementos no metálicos del grupo 13 (b)

7/24/2019 Tema 6 - Elementos No Metlicos Del Grupo 13 (B)

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ELEMENTOSNOMETLICOSDELGRUPO13(B)

TEMA

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Tema 6. Elementos del grupo 13 (B)

13 14 15 16 17

He

B C N O F Ne

Si P S Cl Ar

As Se Br Kr

Te I Xe

At Rn

INTRODUCCINEn este Tema se pretende conocer algunas propiedades del B y su singularidad. El Bes el nico no metal del grupo 13, considerado en algunos textos. De hecho seencuentra en la lnea divisoria entre metales y no metales dentro del bloque p. Se harespecial hincapi en el tipo de enlaces que forma con otros tomos de B o con otroselementos de la Tabla Peridica.


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Objetivos

Conocer los elementos del grupo 13.

Localizar en la tabla peridica los elementos del grupo.

Aprender y relacionar las propiedades de estos elementos en funcin de

su localizacin en el sistema peridico. Conocer el tipo de enlace que forma el B consigo mismo para formar lasdistintas formas alotrpicas o con otros elementos.

Aprender los mtodos de obtencin y las aplicaciones industriales delos elementos objeto de estudio.

Palabras clave

Alotropa enlace covalente

CONTENIDOS

6.1. Consideraciones generales sobre los elementos del grupo del boro6.2. Formas alotrpicas del boro. Propiedades.6.3. Reactividad qumica del Boro6.4. Boro en la naturaleza. Mtodos de obtencin y aplicaciones.


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6.1. Consideraciones generales sobre los elementos del grupo del boro.

Los elementos del grupo 13 de la tabla peridica son boro, aluminio, galio, indio y talio.Se encuentran en gran variedad de rocas de la corteza terrestre, en mares y ocanosy en la atmsfera en muy distintas proporciones; de todos ellos el ms abundante y elms importante desde un punto de vista comercial y de sus aplicaciones es elaluminio.Como en el resto de los grupos de la serie p, las propiedades del primer elemento degrupo, el boro (B) en este caso, difieren considerablemente de las del resto de loselementos, siguiendo el principio de la singularidad. El boro es el nico no metal de loselementos del grupo, mientras que los restantes elementos tienen propiedadesprincipalmente metlicas. Se trata de un metaloide situado en la lnea divisoria nometal-metal.La configuracin electrnica de los elementos de este grupo es, de forma general,ns2np1; as pues, tienen 3 een su capa de valencia por lo que el mximo estado deoxidacin de estos elementos es +3. Sin embargo los elementos ms pesados delgrupo pueden tener estado de oxidacin +1, estado de oxidacin ms frecuente en el

Tl(I) debido al efecto del par inerte.

Tabla 6.1.Propiedades de los elementos del grupo 13.

Propiedades B Al Ga In TlPunto de fusin (C) 2300 660 30 157 304Punto de ebullicin (C) 3930 2470 2400 2000 1460Radio covalente (pm) 80 125 125 150 155Primera E ionizacin (kJ mol

-1) 799 577 577 556 590

Electronegatividad de Pauling 2,0 1,5 1,6 1,7 1,8Afinidad electrnica (kJ mol

-1) 26,7 42,5 28,9 28,9 --

Como se puede observar en la Tabla 6.1 el boro presenta unas propiedades fsicasmuy diferentes al resto de los elementos de su grupo:

a) El B es el elemento del grupo 13 con mayor punto de fusin y ebullicin.

b) Aumenta el carcter metlico conforme se desciende en el grupo desde elboro al galio. El elemento siguiente al boro es el aluminio, con propiedadesfundamentalmente metlicas, aunque por su carcter anftero a veces seclasifica como un metaloide.

c) El carcter de los enlaces que forman los elementos del grupo 13 van

desde los enlaces covalentes, propios de los elementos no metlicos comoes el caso del B, a los inicos caractersticos de los elementos metlicos.Esta tendencia se racionaliza en trminos de su radio atmico y susenergas de ionizacin; se puede observar una clara disminucin de lasenergas de ionizacin a medida que se desciende en el grupo por lo queAl, Ga, In y Tl tienen mayor tendencia a formar cationes.

d) El B es el elemento del grupo 13 con mayor electronegatividad. Sinembargo, la electronegatividad a medida que se desciende en el grupoaumenta ligeramente; as pues el Ga es ms electronegativo que el Al. Estaanomala en la tendencia general se conoce como efecto de alternanciayse debe a un aumento de la carga nuclear efectiva que sufren los

electrones 4pdebido a la presencia de electrones 3dcon menor capacidad


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de apantallamiento. Dicho efecto se hace notar tambin en el Ge, elementodel grupo 14, siendo este ms electronegativo que el silicio.

e) Las propiedades del B elemental son muy parecidas a las de otros nometales como son el silicio y en menor proporcin del germanio; secomporta como un semiconductor, como la mayora de los elementossituados en la diagonal que separa claramente los elementos no metlicosy metlicos en el bloque p.

f) Los elementos del grupo 13 son deficientes en electrones y por lo tanto secomportan como cidos de Lewis. La formacin de tres enlaces covalentesse efecta con un mximo de cinco electrones en su capa de valencia; estadeficiencia electrnica tiene gran repercusin en la estructura y reactividadde los compuestos de dichos elementos.

6.2. Formas alotrpicas del boro. Propiedades.

El B impuro fue obtenido por Davy, Gay-Lussac y Thenard en 1808. Casi un siglodespus, en 1909, Weintraub lo obtuvo en estado puro. El nombre de este elemento,boro, borx + carbono, fue propuesto por Davy ya que se aisl a partir del brax conapariencia parecida al carbn.

El B y sus derivados ocupan un lugar nico en la Qumica Inorgnica. La complejidadde sus estructuras junto con la naturaleza de los enlaces que las forman hizonecesario la revisin y la extensin de las teoras del enlace covalente. El B, por suconfiguracin, dispone de menos electrones que orbitales atmicos disponibles para elenlace. Los elementos con estas caractersticas normalmente forman enlace metlico;sin embargo, su pequeo tamao y sus elevados potenciales de ionizacin hacen queel enlace B-B sea covalente.

A temperatura ambiente el B es un slido duro de puntos de fusin y ebullicinelevados.

Es uno de los elementos con mayor nmero de formas alotrpicas constituidas porestructuras muy complejas. La caracterstica comn en casi todas ellas es laexistencia de un icosaedro regular constituido por tomos de B, B12, que existetambin en algunos de sus compuestos (Figura 6.1A); el B utiliza orbitales hbridos enlos enlaces deslocalizados que forman los icosaedros.

Las distintas formas alotrpicas difieren entre s en la distinta disposicin de losicosaedros en la red cristalina. La unin entre los icosaedros se realiza por,

i) enlace covalente B-B (Figura 6.1B) y,

ii) enlace de tres centros entre tres tomos de B situados en los vrtices de tresicosaedros diferentes (Figura 6.1C). Este enlace de tres centros est ocupadopor dos electrones y se forma por combinacin lineal de tres orbitales atmicos,uno de cada B, dando lugar a tres orbitales deslocalizados de los que uno deellos es un orbital enlazante.


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A) B) C)

Figura 6.1. A) Elemento estructural del B elemental: icosaedro regular. B) Unin entre dosicosaedros en el B elemental. C) Enlace de tres centros entre tomos de B.

Los tomos de B en los icosaedros estn enlazados mediante orbitalesdeslocalizados. Cada tomo se B est unido a cinco B de manera que las aristas del

poliedro tienen un significado geomtrico o estructural pero no son un enlaceverdadero. Cada tomo de B dispone de cuatro orbitales estables, o cuatro orbitaleshbridos, para la formacin de enlaces; sin embargo dispone de solo tres electrones.Adems, como se puede observar en la Figura 6.1 el B tiene un nmero decoordinacin 6 o superior, por lo que el nmero de coordinacin es superior al nmerode orbitales atmicos, caracterstica de los elementos metlicos. Los tomos de B encada icosaedro estn unidos mediante enlaces deslocalizados en todo el poliedro(Figura 6.2).

Figura 6.2. enlaces deslocalizados referidos a las caras

Entre las formas alotrpicas de B mejor conocidas estn:

- tetragonalLos icosaedros B12estn dispuestos en los vrtices de tetraedros en los que untomo de B ocupa el centro del tetraedro. Adems existen enlaces B-B entrelos B de los B12contiguos a los B de los vrtices unidos a B tetradrico (Figura6.3).

Figura 6.3. Boro tetragonal


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Est forma alotrpica del B es de color rojo claro y se obtiene por reduccin delos correspondientes haluros con H2sobre Tn o W.

- rombodricaEst formada por lminas paralelas de icosaedros unidas entre s por enlacesB-B para formar una red infinita covalente. La unin de las unidades B12 encada lmina se realiza a travs de enlaces de tres centros. Est formaalotrpica del B es de color rojo claro y se obtiene por descomposicin de BI 3(Figura 6.4).

Figura 6.4. Boro rombodrico

- rombodricaEs una de las formas alotrpicas del B que presenta mayor complejidad debidoal gran nmero de tomos de B en la celdilla unidad. Se puede considerar, demanera sencilla, como una aglomeracin de unidades B12en la que cada unode los icosaedros est rodeado de 12 unidades B12 (Figura 6.5). Se obtiene porcristalizacin de B fundido en atmsfera de He.

A B C)

B12

B60 C60D)

B84

Figura 6.5.Construccin del B -rombodrico. A) Unidad estructural B12; B) Enlaces B-Bde los tomos de B en B12; C) Unin de los tomos de B mediante la combinacin de

hexgonos y pentgonos; D) Unidad estructural de B84 en la variedad de B rombodrico.


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6.3. Reactividad qumica del Boro

Como ya se ha comentado, el B es el primer elemento del grupo 13, por lo tanto, el demenor radio atmico. Esta caracterstica hace que presente unas propiedadesqumicas muy diferentes a las de los dems elementos de su mismo grupo.En general, desde el punto de vista qumico, el B es inerte. No reacciona con cido del

tipo HCl o HF pero si con cidos oxidantes concentrados como por ejemplo HNO3, eneste caso conduciendo a la formacin de B2O3 en presencia de aire a altastemperaturas, 700 C. El B presenta gran afinidad por el oxgeno de manera que lareaccin transcurre con gran desprendimiento de calor, se trata pues de una reaccinmuy exotrmica.

Reacciona por accin del calor a altas temperaturas, con los halgenos, azufre ynitrgeno conduciendo a los correspondientes cloruros, sulfuros o nitruros,compuestos de naturaleza covalente, tal y como se representa en las siguientes

ecuaciones.

La razn por la que el B no forma especies inicas, B3+ radica en sus energas deionizacin y tamao. Es prcticamente imposible la formacin del catin ya que tieneunas energas de ionizacin muy altas; adems, se tratara de un catin pequeo con

gran poder polarizante lo que facilita la polarizacin de aniones. De esta forma sefacilita solapamiento de orbitales y la formacin de enlaces por comparticin deelectrones.

En general, la facilidad de reaccin depende en gran parte del grado de divisin del By del desorden cristalino.Adems el B reacciona tambin con NH3conduciendo al correspondiente nitruro y conla mayora de los metales, a excepcin de los metales alcalinos, dando lugar acompuestos no estequiomtricos.

Por otra parte, el B reacciona en medio bsico, KOH, conduciendo al correspondienteborato.

El B, en general, presenta ciertas analogas con el Si:

- forman xidos cidos, B2O3 y SiO2 mientras que el Al forma una xido conpropiedades anfteras.

- forman estructuras de xidos polimricos.- sus hidruros son inflamables y gaseosos.


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6.4. Boro en la naturaleza. Mtodos de obtencin y aplicaciones.

El B es un elemento escaso en la naturaleza; se encuentra en la corteza terrestre enuna proporcin de 3 g / Ton. El B no existe en estado nativo en la naturaleza; seencuentra formando parte de algunos silicatos como por ejemplo la Turmalinaen lasque el B est coordinado tetradricamente al oxgeno al igual que el Si. La erosin deestos minerales hace que el B se acumule en el mar en forma de boratos. As pues, elB se encuentra combinado con el oxgeno en forma de brax, Na2BO5(OH)8H2O.

Mtodos de obtencin

A continuacin se comentan brevemente los cuatro mtodos principales de obtencinde B a partir de sus compuestos,

i) Reduccin de B2O3con metales a altas temperaturas,

B2O3 + 3Mg 2B + 3MgO

El empleo de otros metales electropositivos, entre ellos Li, Na, K, Be, Ca, Al oFe, conduce a B amorfo contaminado con boruros metlicos.

ii) Reduccin electroltica de boratos o tetrafluoroboratos fusionados, KCl/KBF4, aaltas temperaturas, 800 C (electrodos metlicos o grafito),

iii) Reduccin de compuestos voltiles de boro con H2 (arco elctrico, tubo calienteo filamentos de W, Ta, C), y

Br3B + 3/2H2 B + 3HBr

iv) Descomposicin trmica de hidruros y haluros de boro,

Todos los mtodos anteriormente mencionados conducen a B con una purezaaproximadamente del 95%. Slo en el caso de la reduccin de compuestos voltilesde boro con H2, empleando un filamento de Ta metlico, se obtiene B alta pureza porlo que este mtodo es el ms efectivo de todos ellos para la preparacin de belemental.

Aplicaciones

El compuesto de boro que tiene mayor repercusin econmica es el brax que seemplea en grandes cantidades en la fabricacin de fibra de vidrio aislante y perborato

de sodio.

Entre sus aplicaciones ms importantes, domsticas o industriales destacan:

- Vidrios resistentes al calor (Pyrex), lana y fibra de vidrio.- Detergentes, jabones, limpiadores y cosmticos.- Esmalte de porcelana.- Herbicidas y fertilizantes sintticos.- El boro amorfo se usa en fuegos artificiales por su color verde.- El cido brico se emplea en la industria textil.- Muchos compuestos organoborados se emplean en sntesis orgnica y en la

fabricacin de cristales de borosilicato.

- Algunos compuestos se emplean como conservantes de la madera, siendo degran inters su uso por su baja toxicidad.


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- Los hidruros de boro se oxidan con facilidad liberando gran cantidad deenerga. Por esta razn, se ha estudiado su uso como combustible de cohetes.

- El B ayuda a la regulacin del calcio y magnesio en el organismo.- Otras aplicaciones son: metalurgia, control de la corrosin, catlisis etc

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