Elementos DEL Grupo DEL BORO PDF

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ELEMENTOS DEL GRUPO DEL BORO. principales compuestos químicos. Uned...

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ELEMENTOS DEL GRUPO DEL BORO En el grupo 13 se encuentran: el boro (B), el aluminio (Al), el galio (Ga), el indio (In) y el talio (Tl). El elemento más importante de este grupo es el aluminio que es el metal más abundante en la corteza terrestre. Hace poco se descubrió el ununtrio (Uut) de masa 113, obtenido por bombardeo del Americio 248 con iones de calcio, pero que no ha sido todavía aislad El carácter metálico de los elementos aumenta al ir bajando en la columna. Así el boro, es no metal, teniendo el resto de los elementos del grupo diferentes grados de carácter metálico, en orden creciente, del aluminio al talio. Pero este carácter es mucho menor que el de los metales alcalinos y alcalino térreos del mismo período, debido a que sus energías de ionización tienen valores mucho más altos y por ello su reactividad es también menor 1. PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS ELEMENTOS DEL GRUPO DEL BORO

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La configuración electrónica externa de estos elementos en el estado fundamental es ns2np1 El estado de oxidación más común es +3, aunque también se pueden encontrar números de oxidación +1 al descender en el grupo, siendo este último predominante en el talio. Sin embargo, el boro tiene una energía de ionización tan alta que no forma cationes. En este grupo, el boro presenta un comportamiento diferente, más parecido al del silicio que al de los otros elementos de su grupo (relación diagonal). Presenta propiedades semiconductoras, por lo que a veces es considerado un semimetal, pero sus compuestos son predominantemente covalentes. El aluminio presenta propiedades metálicas y aunque sus compuestos también son de carácter covalente presentan un

moderado carácter iónico debido a dichas propiedades. El galio, el indio y el talio son más electropositivos y sus compuestos son más iónicos. El talio presenta como estado de oxidación más estable el +1, en lugar de +3, su potencial normal de reducción tiene signo positivo +0.72 V, mientras que el potencial de reducción para el Tl+1 –0.34 V.

BORO    

El boro es el primer elemento del grupo 13 y presenta unas características diferentes a las de los otros integrantes de este grupo. Es un sólido negro, brillante y muy duro Presenta carácter semiconductor y se utiliza para la fabricación de vidrios de borosilicato, como el PYREX©. Además del boro amorfo, existen diferentes formas alotrópicas siendo el boro negro βrombroédrico la forma alotrópica termodinámicamente más estable.

ALUMINIO    

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El aluminio es el primer compuesto con carácter metálico del grupo 13 Es el metal más abundante en la corteza terrestre y el tercer elemento más abundante después del oxígeno y el silicio. Es un metal blando, de color grisáceo Con conductividad eléctrica y térmica alta, resistente a la corrosión debido a la formación de una fina capa de óxido de aluminio Al2O3, que solo se disuelve en soluciones alcalinas, permitiendo así la corrosión. Es dúctil y maleable Normalmente se utiliza en aleación con otros metales como el cobre, magnesio, silicio o manganeso. No se encuentra en su forma metálica sino en forma de aluminosilicatos. Cuando estos minerales se disuelven en la naturaleza, según las condiciones químicas ambientales, es posible precipitar el aluminio en forma de arcillas minerales, hidróxidos de aluminio o una mezcla de ambos. En esas condiciones se forman las bauxitas que sirven de materia prima fundamental en la producción del aluminio.

GALIO  

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El galio es un metal blando gris azulado y color plateado brillante en estado cristalino. Se presenta en estado sólido a temperatura ambiente pero tiene un punto de fusión bajo (29,6 °C) poR lo cual se convierte en líquido cuando se calienta ligeramente (lo mismo que ocurre con el cesio, el rubidio y el mercurio) Por ello se usa para la fabricación de termómetros. Es estable al aire y al agua pero reacciona y se disuelve en medio ácido y básico.

INDIO 

El indio es un metal plateado blanquecino, blando, maleable y que se funde fácilmente, muy parecido químicamente al galio y al aluminio pero en sus propiedades se asemeja más al cinc, de hecho, se extrae de las menas de cinc.

TALIO    

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El talio es un metal blanco azulado, blando, grisáceo y maleable. Se encuentra en forma libre en pequeñas cantidades y es muy parecido en sus propiedades al estaño. Es bastante reactivo y se oxida fácilmente al aire. El talio se deslustra rápidamente en contacto con el aire húmedo y reacciona con vapor de agua formando hidróxido de talio (TlOH). Se disuelve rápidamente es los ácidos nítrico, sulfúrico y clorhídrico y es muy tóxico. Al ingerirse obstruye el metabolismo y no hay antídoto. El envenenamiento por talio provoca tras tornos nerviosos, gastrointestinales y la pérdida rápida de pelo, provocando en ocasiones la muerte.

2. REACCIONES Y COMPUESTOS EL BORO Y SUS COMPUESTOS El boro tiene mucha afinidad por el oxígeno y por ello en la naturaleza se encuentra en forma de ácido bórico (H3BO3) o bórax (Na2B4O7). El boro tiene un carácter principalmente de no metal, y tiene menos de 4 electrones de valencia, por lo que muchos de sus compuestos son deficientes en electrones y se comportan como ácidos de Lewis fuertes. HIDRUROS El boro forma compuestos con el hidrógeno o boranos que tienen mucho interés debido a su estructura electrónica. El borano más sencillo es el BH3 y es altamente reactivo. Sólo se aísla por descomposición térmica del diborano B2H6.

La configuración electrónica del boro es 1s2 2s2 p1 y por ello, en el diborano hay 12 electrones de valencia. Cada átomo de boro tiene 3 electrones de valencia que unidos a los seis de los átomos de hidrógeno hacen un total de doce. El diborano no puede representarse como BH3–BH3. Si suponemos que el boro tiene una hibridación sp3, los enlaces B–H externos del diborano son enlaces covalentes normales de tipo σ , mientras que los enlaces B–H–B son enlaces de tres centros, enlaces tricéntricos o enlaces banana, en los que tres átomos se encuentran unidos compartiendo dos electrones. Estos enlaces son deficientes en electrones, lo cual se traduce en las propiedades de los boranos. Los dos átomos de boro y los cuatro átomos de hidrógeno terminales son coplanares mientras que los dos átomos de hidrogeno restantes se encuentran formando un puente por encima y debajo del plano B–B, con un ángulo de 97°. Los enlaces HBH externos son de 120°. Los boranos superiores, como el pentaborano B 5H9 y el hexaborano B6H10, también poseen este tipo de enlace tricéntrico. Los boranos no se obtienen por reacción directa con el hidrógeno, sino que se preparan por reacción con halogenuros o alcóxidos de boro con hidruro de litio y aluminio (LiAlH4). La síntesis industrial implica la reducción del BF3: 2BF3 + NaH → B2H6 + 6NaF El diborano es muy reactivo y tiene un gran número de aplicaciones. Por ejemplo, se utiliza como agente reductor en química orgánica, complementando la reactividad del hidruro de litio y aluminio. Por otra parte, los boranos se combinan fácilmente con el oxígeno, debido a la gran energía del enlace del B–O, por lo que su combustión es una reacción muy exotérmica. De ahí que se utilice como combustible para cohetes espaciales. HALUROS El boro forma compuestos de estructura trigonal plana con los halógenos, del tipo BX 3 (X = F, Cl, Br, I). Todos estos compuestos son ácidos fuertes de Lewis puesto que tienen su octeto incompleto, les falta un par de electrones. ÓXIDOS, ÁCIDO BÓRICO Y BORATOS El boro reacciona con oxígeno para formar el óxido de boro B2O3, que también puede obtenerse por descomposición térmica del ácido bórico

2H2BO3 → B2O3 + 3H2O El ácido bórico y los boratos son los compuestos más sencillos pero a su vez los más importantes del boro. El ácido bórico es un sólido cristalino incoloro muy estable, soluble en agua. Presenta una estructura trigonal tipo BX3 alrededor del boro. En estado sólido, las moléculas de ácido bórico se agrupan mediante enlaces de hidrógeno entre los átomos de oxígeno de dos moléculas de ácido bórico. El ácido bórico es un ácido de Brönsted débil y debido a su carácter deficiente en electrones es capaz de arrancar un grupo hidroxilo al agua para producir H3O+ H3BO3 + 2H2O ↔ B(OH)4 - + H3O+ El ácido bórico al ser calentado a 100 °C pierde una molécula de agua para formar ácido metabórico (HBO2) que a su vez pierde más agua para dar el ácido tetrabórico (H2B4O7). H3BO3 → HBO2 + H2O

4HBO2 → H2B4O7 + H2O

Los boratos son compuestos que contienen oxoaniones de boro con estado de oxidación +3. En general, el boro se encuentra en la naturaleza en forma de boratos metálicos y también mezclado con silicatos formando borosilicatos, como las turmalinas. Los boratos se hidratan fácilmente por lo que estos minerales tienen en su estructura iones hidroxilo (OH-) y se llaman hidroxiboratos. El bórax (Na2B4O7), que es la fuente más habitual de compuestos de boro, se hidroliza para producir ácido bórico B4O7-2 + 7H2O → 4H3BO3 + 2OHEL ALUMINIO Y SUS COMPUESTOS HIDRUROS Los compuestos del aluminio tienen carácter predominantemente covalente, el número de oxidación es +3 en todos ellos. El hidruro de aluminio (AlH3) es un sólido incoloro insoluble que se encuentra en forma monómera (aislado a baja temperatura) o en forma de dímeros que son idénticos estructuralmente al diborano, así como en forma polimérica con los monómeros unidos mediante enlaces Al-H-Al. Un ejemplo de estructura polimérica es el α-alano. Se obtiene por reacción del tricloruro de aluminio con hidruro de litio y aluminio, mediante la siguiente reacción: AlCl3 + 3LiAlH4 4AlH3 + 3LiCl HALUROS El aluminio reacciona con los halógenos para dar haluros binarios de aluminio con el cloro, bromo y yodo. Los haluros de Cl, Br y I son dímeros (Al2X6) que descomponen para formar monómeros a altas temperaturas. El trifluoruro de aluminio (AlF3) es un polímero de coordinación con un punto de fusión alto. De todo ellos, hay que destacar el tricloruro de aluminio (AlCl 3) que se obtiene por reacción del óxido de aluminio o alúmina con fosgeno. Al2O3 + 3COCl2 → Al2Cl6 + 3CO2 El tricloruro de aluminio es un ácido de Lewis muy utilizado en química orgánica, como catalizador en reacciones de alquilación y acilación de anillos aromáticos (reacción de Friedel-Crafts) ÓXIDOS, HIDRÓXIDOS Y SULFATOS El compuesto más importante es el óxido de aluminio o alúmina (Al 2O3), que como se ha mencionado antes se obtiene por deshidratación de la bauxita (Al 2O3 2H2O).

Tiene muchas aplicaciones en la industria cerámica y se utiliza como agente para columnas cromatográficas para separar compuestos orgánicos. Es un sólido blanco, poroso y refractario (no funde por debajo de 2.000 °C). En la naturaleza se encuentra como corindón, sustancia muy dura (9 en la escala de Mohs). Cuando el óxido de aluminio tiene impurezas de cromo da lugar a los rubíes y cuando estas impurezas son de hierro, cobalto o titanio forma zafiros. El esmeril es un corindón que contiene impurezas de magnetita o hematita (mineral de óxido de hierro), es de color negro y un excelente abrasivo. El aluminio metal reacciona con el oxígeno para producir óxido de aluminio, siendo esta una reacción muy exotérmica. El aluminio en polvo reacciona violentamente a temperaturas elevadas y reduce los óxidos de muchos metales para producir el metal puro. Este proceso se conoce con el nombre de aluminotermia o reacción de la termita, en la que los óxidos de metales como el hierro, manganeso, molibdeno, wolframio o cromo, reaccionan con el aluminio puro para dar el metal correspondiente y el óxido de aluminio Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + Fe

ΔH = -852 kJ

Esta reacción es muy exotérmica y se alcanzan temperaturas de ~3.000 °C por lo que, en este caso, el hierro sale en estado líquido y este proceso se usa en ocasiones para soldar piezas metálicas grandes. El hidróxido de aluminio Al(OH)3 se forma por hidrólisis del óxido de aluminio y es un sólido gelatinoso que se utiliza como agente floculador. Si se elimina el agua de este hidróxido mediante calentamiento, se obtiene alúmina activada. El hidróxido de aluminio es anfotéro, es decir, reacciona con ácidos y bases. Al(OH)3 + OH- → Al(OH)4 Al(OH)3 + 3H+ → Al+3 + 3H2O El carácter anfotéro del hidróxido de aluminio es debido al radio iónico y la carga iónica del aluminio que le confieren un carácter parcial de no metal. Otras sales importantes del aluminio son: - el sulfato de aluminio octadecahidratado, Al 2(SO4)3·18H2O, que se obtiene del óxido de aluminio y ácido sulfúrico y los alumbres de fórmula general, AlM(SO 4)3·12H2O, donde M puede ser cualquier metal monovalente. El sulfato de aluminio aparece en la naturaleza como el mineral kalinita que es soluble en agua y se encuentra en zonas volcánica

COMPUESTOS DE GALIO, INDIO Y TALIO Estos metales dan hidruros cuya estabilidad es menor que la del diborano o el alano. En el caso del galio, es el digalano (Ga 2H6), idéntico estructuralmente al diborano, es muy volátil y descompone a temperatura ambiente para dar galio e hidrógeno. Del talio y del indio sólo se conocen hidruros metálicos como el InLiH4 y el TlLiH4. Ambos descomponen a 0°C mientras que los de aluminio y galio son estables hasta 100 °C y 50 °C respectivamente. El galio y el indio forman también compuestos del tipo MX 3 muy parecidos estructuralmente a los compuestos de aluminio que son ácidos de Lewis, mientras que el talio forma haluros del tipo TlX. Respecto a los óxidos e hidróxidos del galio y el indio decir que son muy parecidos a los del aluminio, solo que su carácter es más básico ya que este aumenta a medida que se desciende en el grupo. Los de talio presentan estado de oxidación +1. 3. PREPARACIÓN Y USOS El boro no se encuentra como elemento libre en la naturaleza. Su abundancia natural en la corteza terrestre es muy pequeña (10 ppm) y sus fuentes naturales más comunes son:Ç - el ácido ortobórico o bórico (H3BO3) de las aguas termales de origen volcánico - el boráx (Na 2B407·10H2O), - la colemanita, mineral de óxido de calcio y de boro - la uxelita, mineral de oxido de calcio, sodio y boro, que presenta propiedades de fibra óptica. El boro se obtiene en la actualidad mediante las tres reacciones expuestas a continuación:

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Por reacción del óxido de boro con un metal reductor, como el magnesio B2O3 + 3Mg 2B + 3MgO

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Por reducción del BCl3 con hidrógeno o con zinc a altas temperaturas

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2BCl3 + 3H2 → 2B + 6HCl 2BCl3 + 3Zn → 2B + 3ZnCl2 Por reducción electrolítica de compuestos de boro que contienen óxido de boro, óxido de magnesio y fluoruro de magnesio. 2MgO → 2Mg + O2

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B2O3 + 3Mg → 2B + 3MgO

Por descomposición térmica de hidruros y halogenuros de boro B2H6 → 2B + 3H2 El boro tiene muchas aplicaciones: - En la industria del vidrio de borosilicato, también para fabricar fibras de vidrio, usadas como aislantes. - También se utiliza como dopante en la fabricación de semiconductores. - Se usa también en pirotecnia (proporciona color verde) y el diborano es un excelente combustible para cohetes, pero uso es limitado debido a su alto coste. - El ácido bórico es un fungicida, desinfectante e insecticida - El bórax se usa para la fabricación de adhesivos y como mordiente en la industria de los tintes y pigmentos

Uno de los métodos de obtención del hidróxido de aluminio a partir de la bauxita es el proceso Bayer. La bauxita (Al2O3 2H2O) está contaminada con dióxido de silicio, hierro y titanio. Primero se trata con una disolución de hidróxido sódico, para producir aluminato de sodio y silicato de sodio. A continuación, se pasa una corriente de CO2, permaneciendo el silicato de sodio en disolución mientras que el aluminio precipita en forma de hidróxido de aluminio. Este se calienta para producir el óxido de aluminio o alúmina que será sometido a electrólisis mediante el proceso Hall-Héroult. SiO2 + 2OH- → SiO3-2 + H2O

Al2O3 + 2OH- → 2AlO2- + H2O

2AlO2- + H+ → Al(OH)3 → Al2O3 En el proceso industrial Hall-Héroult, la alúmina, Al 2O3 se disuelve en un baño de paredes de criolita Na 3AlF6 (p.f. 1.012 °C). La mezcla fundida se somete después a electrólisis. El aluminio en forma líquida se deposita en el cátodo y el oxigeno de la alúmina reacciona con el carbono del cátodo produciendo CO2

El aluminio tiene muchísimas aplicaciones - en la industria automovilística, en la aeronaútica, en la fabricación de trenes y barcos, en forma de tuberías, placas, soldaduras y recubrimientos en construcción al ser este un material ligero y resistente a la corrosión. - El material que normalmente se utiliza es el Duraluminio, una aleación de Al 96%, Cu 3,5% y Mg 0,5%. - En la industria alimenticia, el aluminio se utiliza en embalajes, latas, papel de aluminio, briks, etc. - El aluminio de alta pureza se usa en aparatos electrónicos, CPUs, LEDs, y en la fabricación de transistores. - El aluminio en polvo se usa en pinturas, pirotecnia y en ciertos combustibles.

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El cloruro de aluminio se utiliza en pinturas, antitranspirantes y en la producción de caucho sintético. El hidróxido de aluminio se usa como antiácido, en la fabricación de vidrio y cerámica, en la purificación del agua y como impermeabilizante de tejidos. El óxido de aluminio se encuentra en forma mineral en el corindón (zafiros y rubíes). Los rubíes y zafiros sintéticos se usan en la fabricación de láseres para obtener luz coherente, así como materiales refractarios para las lámparas de alta presión de sodio. El sulfato de aluminio se usa en la fabricación del papel, en ignífugos, como aditivo en la industria alimenticia y en el curtido de pieles.

El galio no existe libre en la naturaleza, y no hay minerales que contengan una cantidad considerable de galio. Normalmente, el galio se extrae como subproducto de la extracción del aluminio y el zinc. También se extrae del carbón. La fuente mineral más rica en galio es el mineral germanita que es un sulfuro de cobre, arsénico, germanio y zinc con aproximadamente un 0,1%-0,8% de galio. Aplicaciones del galio: - También se usa en la fabricación de circuitos integrados, como dopante en semiconductores, - en aleaciones de bajo punto de fusión y para termómetros de alta temperatura. - Las sales de galio, tales como el citrato y el nitrato de galio se usan como agentes de contraste en métodos de resonancia por imagen en medicina. - Por último, el arseniuro de galio y el fosfuro de galio se usan en la fabricación de LEDs. El indio tampoco existe libre en la naturaleza, es un metal raro y se encuentra normalmente asociado al zinc en minerales como la esferalita. Se obtiene por diferentes métodos:  Lixiviación con ácido de subproductos de la minería de minerales de zinc o aluminio.  Precipitación de fosfatos de indio con ácido, que se convierte en el óxido de indio por tratamiento con hidróxido sódico, que por electrólisis produce indio metal.  En los procesos metalúrgicos del zinc, el indio puede ser separado por destilación.  Se usa en aleaciones, como dopante en semiconductores, en transistores de germanio, LEDs y células fotovoltaicas. El talio se obtiene del tratamiento de las menas de sulfuro de zinc y de plomo usadas para la producción del ácido sulfúrico. El talio se aísla de los humos de combustión de estas menas en forma de óxido de talio (I) (Tl 2O) o de sulfato de talio (Tl2SO4) que están mezclados con otros compuestos volátiles. El talio se usa casi exclusivamente en la industria de los componentes electrónicos, en la industria farmacéutica y en la fabricación de vidrio. El talio es tóxico y se ha usado para eliminar plagas animales, como los roedores y los insectos....