29 Grupo 13 30 05 05

Grupo 13

Química General e InorgánicaClase 29

30 de mayo de 2005Dr. Pablo Evelson

Metales

Metaloides

No Metales

Tabla periódica modernaTabla periódica moderna

Grupo 13

B

Al

Ga

In

Tl

No metal

Metal

Metal

Metal

Metal

No se encuentra libre en la naturaleza

Grupo 13

El metal más abundante en la corteza terrestre (7,5%)

Es importante desde el punto de vista de su toxicidad

Metal blanco plateado

Metal blanco

Boro Aluminio Galio

Indio Talio

Grupo 13

11,871460304204,4TlTalio81

7,292050157114,8InIndio49

5,9120703069,7GaGalio31

2,70235066026,9AlAluminio13

2,473700203010,8BBoro5

Densidad (g/mL)

Punto de ebullición

(°C)

Punto de fusión (°C)

Peso Molecular

SímboloNombreZ

Propiedades físicas

•El estado de oxidación más importante del grupo es 3+.

•Ninguno de los elementos muestra la más mínima tendencia a formar aniones simples.

•Ga, In, Tl pueden existir en el estado de oxidación +1 por pérdida de 2 electrones (efecto par inerte).

Para el Ga y el In, el estado de oxidación +1 es menos importante y estable que el estado de oxidación +3.

Para el Tl, los compuestos del Tl+ se parecen a los compuestos de los metales del grupo 1.

Configuración electrónica: ns2 np1

Efecto del par inerte (I)

•Cuando consideremos los iones que pueden formar los elementos del bloque p es necesario tener en cuenta la diferencia de energía de ionización entre los

e- s y los e- p de la capa de valencia.

•Los e- p se pierden primero y a medida que

descendemos en el grupo el par de e- s se comportan como un par inerte.Ejemplo:

El Tl forma Tl+ y Tl3+

Efecto del par inerte (II)

Un electrón s puede ser localizado muy cerca del núcleo y puede penetrar los niveles internos.

Efecto del par inerte (III)

Un electrón p penetra mucho menos porque los orbitales p poseen un nodo que pasan por el

núcleo.

Efecto del par inerte (IV)

El boro se obtiene a partir del bórax.El bórax es la sal hidratada del ácido

tetrabórico: Na2B4O7.10 H2O.

Boro

Hidruros

Compuestos iónicos

Estructura polimérica

Unidades moleculares discretas

Diborano (B2H6)

Hidruros del boro

Diborano (B2H6)

Hidruros del boro (II)

B B

HEnlace de tres centros

Ácido Bórico (H3BO3)

B(OH)3 + H2O B(OH)4- + H+

Ka = 4 x 10-10

Se utiliza en solución acuosa como antiséptico débil.

•Su principal mena es la bauxita (Al2O3 . H2O).

•Es el tercero de los elementos en cuanto a su abundancia (7,5%) y se encuentra repartido en forma de miles de aluminiosilicatos y óxidos.

•A partir de la bauxita se obtiene óxido de aluminio anhidro.

Aluminio

Al2O3 disuelto en criolita (Na3AlF6)

fundida

Aluminio fundido

+-

Ánodos de grafito

Cátodo de grafito

Proceso Hall (1886)

Proceso Hall (II)

Ánodo (oxidación): 3 [ 2 O2- O2(g) + 4 e- ]

Cátodo (reducción): 4 [ Al3+ + 3 e- Al(l) ]

El oxígeno reacciona con los ánodos de carbono para formar CO, que se libera como gas.

Proceso global: 2 Al2O3 4 Al(l) + 3 O2(g)

Proceso Hall (II)

4000 kg de bauxita (~ 50% de Al2O3)4000 kg de bauxita (~ 50% de Al2O3)

1900 kg de Al2O31900 kg de Al2O3

Celda electrolíticaCelda electrolítica

1000 kg de Al1000 kg de Al

70 kg de criolita450 kg de ánodos de C

70 kg de criolita450 kg de ánodos de C

56 x 109 J de energía(4,5 V, 105 A)

56 x 109 J de energía(4,5 V, 105 A)

Carácter anfótero del aluminio

•Reacción con base fuerte:

2 Al° + 6 HCl 2 AlCl3 + 3 H2

•Reacción con ácidos:

Al° + NaOH + 3 H2O NaAl(OH)4 + 3/2 H2

Óxido de aluminio (alúmina)

Existen diferentes tipos de alúmina:•Alúmina (corindón): muy duro y resistente.•Alúmina : menos densa y más reactiva. Se utiliza en cromatografía.

•Reacción con bases:

Al2O3(s) + 6 H3O+(ac) + 3 H2O(l) 2 Al(H2O)63+(ac)

•Reacción con ácidos:

Al2O3(s) + 2 OH-(ac) + 3 H2O(l) 2 Al[H2O]4-(ac)

Corindón (alúmina )

Rubí (Cr3+) Zafiro (Fe3+ y Ti4+) Topacio (Fe3+)

Formas impuras de alúmina

•Una película de este óxido queda adherida a la superficie del metal.

Este proceso se denomina pasivación.

4 Al(s) + 3 O2(g) 2 Al2O3(s)

•El aluminio reacciona rápidamente con el oxígeno del aire:

Formación del óxido de aluminio

Carácter ácido del catión Al3+

Al(H2O)63+ + H2O Al(H2O)5(OH)2+ + H+

Ka = 1 x 10-5

Carácter ácido del catión Al3+

Al3+ + 3 OH- Al(OH)3 + OH- Al(OH)4-

•En presencia de una base fuerte:

Al3+ + 3 OH- Al(OH)3 •En presencia de una base débil:

Al3+ + H2O Al(OH)2+ + H+

Al(OH)2+ + H2O Al(OH)2+ + H+

Al(OH)2+ + H2O Al(OH)3 + H+

Carácter anfótero del hidróxido de aluminio

•Reacción con bases:

Al(OH)3(s) + 3 H+(ac) Al3+(ac) + 3 H2O(l)

•Reacción con ácidos:

Al(OH)3(s) + OH-(ac) Al(OH)4-(ac)

El hidróxido de aluminio (imagen) se utiliza como

antiácido estomacal.

Formación del sulfato de aluminio

El sulfato de aluminio se conoce con el nombre de alumbre.

•El óxido de aluminio puede reaccionar con el ácido sulfúrico para formar sulfato de aluminio:

Al2O3(s) + 3 H2SO4(ac) Al2(SO4)3(ac) + 3 H2O(l)

•El alumbre se utiliza en la industria del papel para coagular las fibras de celulosa.

Estructura de la celulosa

Galio, indio, talio

Galio Indio

Talio

Reactivo Reacción con el elemento (E) del grupo 13

Oxígeno 4 E (s) + 3 O2 (g) — 2 E2O3 (s)

Nitrógeno 2 E (s) + N2 (g) — 2 EN (s), E = B, Al

Halógeno (X2) 2 B (s) + 3 X2 (g, l, s) —2 BX3 (g)

2 E (s) + 3 X2 (g, l, s) — E2X6 (s) E = Al, Ga, In

2 Tl (s) + X2 (g, l, s) —2 TlX (s)

Agua 2 Tl (s) + 2 H2O (l) — 2 TlOH (ac) + H2 (g)

Ácido 2 E (s) + 6 H3O+ (ac) — E3+ (ac) + 6 H2O (l) + 3 H2 (g),

E = Al, Ga, Tl

Base 2 E (s) + 6 H2O (l) + 2 OH- (ac) — E(OH)42- (ac) + 3 H2(g),

E = Al, Ga

Propiedades químicas

Preguntas tipo

Preguntas 70 y 71

Pregunta 70: a) Describa con ecuaciones químicas balanceadas las propiedades anfóteras del aluminio elemento y del óxido de aluminio. Describa el uso del óxido de aluminio (alúmina ) en el laboratorio y del hidróxido de aluminio como antiácido estomacal (use los valores de pH de las suspensiones de hidróxido de aluminio, pH = 8,0, y del contenido gástrico, pH 1,4-1,6). b) Describa las relaciones diagonales entre elementos de la tabla periódica e indique alguno de esos pares de elementos.

Pregunta 70: a) ¿Que son las alúminas y ? Las variedad de alúmina o corindón impuras son piedras preciosas. Asocie los nombres de las piedras (1. rubí; 2. zafiro; 3. topacio) con las correspondientes impurezas (a) Fe3+; (b) Cr3+; (c) Fe3+ y Ti4+).b) Describa las propiedades y usos del aluminio metálico. Describa el proceso Hall de obtención electrolítica de aluminio metálico desarrollado en 1886 (utilizado por Aluar en Puerto Madryn y por numerosas compañías en el mundo).

• Atkins P.W, Jones L. Química . 3ra edición. Ed Omega. 1999.

Capítulo 19.• Chang R. Química. Ed. MacGraw Hill.1998. Capítulo 20 y 21.

Consultas: pevelson@ffyb.uba.ar (Pablo Evelson)

Bibliografía