Apontamentos de Química Inorgânica: grupo 13 (família do boro) · ISPTEC
Apontamentos de Química Inorgânica, do curso de Engenharia Química no Instituto Superior Politécnico de Tecnologias e Ciências (ISPTEC), . Docente: Prof. Júlio Kuende.
Diapositivos de Química Inorgânica sobre os elementos do grupo 13 (família do boro): propriedades gerais, configuração electrónica, estados de oxidação, obtenção, compostos e aplicações.
Primeiras linhas de Apontamentos de Química Inorgânica: grupo 13 (família do boro) · ISPTEC
INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO DE TECNOLOGIAS E CIÊNCIAS QUÍMICA INORGÂNICA Grupo 13 – Família Do Boro Professor: Júlio Kuende GRUPO13- FAMÍLIA DO BORO PROPRIEDADES GERAIS ➢Ogrupo13 é o primeirogrupodobloco“p”. ➢Os elementosdessegrupotêmumaconfiguração eletrônicadotipons²np¹. ➢ONoxmáximoesperadoé +3 Descendo no grupo, há uma tendência crescente de se formaremcompostosmonovalentes. O B é um não metal e sempre forma…
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- Tipo
- Apontamentos
- Cadeira
- Química Inorgânica
- Curso
- Engenharia Química
- Universidade
- Instituto Superior Politécnico de Tecnologias e Ciências
- Docente
- Prof. Júlio Kuende
- Ficheiro
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Descendo no grupo, há uma tendência crescente dese formaremcompostosmonovalentes.O B é um não metal e sempre forma ligaçõescovalentes.Al,Ga, In eTlsão metais.Ocorrenogrupooefeitodo par inerte.
Estados de Oxidação e Tipos de Ligação➢A carga elevada (+3) e o tamanho reduzidofavorecea ligaçãocovalente.➢A soma das três EI é muito alta o que tambémfavorecea covalência.➢Os valores das eletronegatividades são maioresque os grupos 1 e 2 logo quando os elementos dogrupo 13 reagem com outros elementos asdiferenças de eletronegatividades não deverão sermuitograndes.
➢O B é consideravelmente menor, logo a EI doboro é tão elevada que o B sempre forma ligaçõescovalentes.➢ Muitos compostos simples trivalentes dos demaiselementossão covalentesquandoanidros.
O Nox +1 – O EFEITO DO PARINERTE➢ Descendonafamíliaaumentaa tendênciade seformaremcompostosmonovalentes.➢ Compostosdetálio(I)são maisestáveisdo quecompostosdetálio(III).➢A monovalência pode ser explicada se oselétrons “s” permanecerem emparelhados, nãoparticipandodasligações.➢Éochamado“efeitodoparinerte.”
➢Aenergia das ligações MX diminui de cima para3baixodentrodogrupo.ONox+3–CovalenteouIônico?Os elementos desse grupo apresentam 3 electrõesnonívelmaisexterno.Com exceção do Tl, eles normalmente utilizam os3 electrões para formar três ligações conduzindo aoNox+3.
➢ O Boro possui uma EI elevada e sempreforma ligações covalentes.➢ Muitos compostos simples dos demaiselementos, tais como AlCl, GaCl, GaBr,333são covalentes quando anidros, entretantoAl, Ga,➢ In e Tl formam compostos iônicosquando em solução.
OAparenteNox+2➢ O composto GaCl que aparentemente é2divalente de fato contém Ga(I) e Ga (III).Ga[GaCl ]4➢ PONTOS DE FUSÃO, EBULIÇÃO EESTRUTURAS CRISTALINAS.➢ Não há uma variação regular dos PF.
PONTOS DE FUSÃO E EBULIÇÃO DOSELEMENTOS DA FAMÍLIA DO BOROELEMENTO PONTO DE FUSÃO PONTO DE(ºC) EBULIÇÃO (ºC)B 2180 3650Al 660 2467Ga 30 2403In 157 2080Tl 303 1457
PONTOS DE FUSÃO, EBULIÇÃO EESTRUTURAS CRISTALINAS.➢ Rigorosamente não se pode comparar osvalores porque o B e o Ga apresentamestruturas cristalinas incomuns.➢ O B possui várias formas alotrópicas.➢ Quatro formas alotrópicas possuem unidadesicosaédricaseosátomosdeB ocupamos12vérticesdoicosaédro.
GRUPO 13 – FAMÍLIA DO BOROICOSAEDRO B12 (20 FACES)
➢As diferenças das formas alotrópicas decorremda maneira pela qual os icosaedros estão ligadosentresí.➢ O Ga tem também uma estruturaincomum que mais se assemelha amoléculas diatômicas discretas do que auma estrutura metálica.Isto explica o baixíssimo ponto de fusão doGa (30ºC). Além disso o Ga se expandequando solidifica ou seja o Ga sólido émenos denso que o Ga líquido.
➢Essa propriedade somente é observada no Ga, GeeBi.➢ Al, In e Tl apresentam estruturas metálicas deempacotamentodenso.➢O baixo PF do Ga reflete a sua estrutura inusitadaquecontémunidades Ga2.➢O P.E. do Boro é extraordinariamente elevadodevidoasua estruturacristalinaincomum.
GRUPO 13 FAMÍLIA DO BOROPontos de Fusão e EbuliçãoO P.E. do Boro é extraordinariamente elevadodevido a sua estrutura cristalina incomum. Entretanto, como esperado, os valores dos PEdiminuem de cima para baixo dentro dogrupo.
ELEMENTO RAIO RAIO IÔNICO RAIO IÔNICOMONOVALENTEMETÁLICOTRIVALENTE(Ǻ)(Ǻ)(Ǻ)B (0,88) (0,27) -Al 1,43 0,53 -Ga (1,22) 0,62 1,20In 1,67 0,88 1,40Tl 1,70 0,88 1,50
➢Osraiosmetálicosnãosãocomparáveis:a)inicialmenteporqueoboronãoéummetal.b) além disso o Gálio possui uma estruturacristalina pouco comum e diferente dos demaiselementosmetálicosdogrupo.TAMANHO DOS ÁTOMOS E ÍONSQuanto aos raios iônicos dos iões trivalentes elesaumentam de cima para baixo na família, emboranão com a regularidade observada nos grupos 1 e2.
POTENCIAIS PADRÃO DE ELETRODO➢Os potenciais padrão de eletrodo são valoresmenos negativos do Al para o Ga e deste para oIn.O ε° épositivoparaotálio.
ELEMENTO M3+ / M M1+ / M(VOLT) (VOLT)B -O,87 -Al -1,66 +0,55Ga -O,56 -0,79In -0,34 -0,18Tl +1,26 -0,34
POTENCIAIS PADRÃO DEELETRODO➢O potencial padrão de eletrodo torna-se menosnegativo descendo no grupo ou seja a reacção+M³ → M torna-se progressivamente maisfavorável.➢Raciocínioanálogopodeserfeitoparaopar+M/M
ENERGIAS DE IONIZAÇÃOELEMENTOS 1ª EI (kJ/mol) 2ª EI (kJ/mol) 3ª EI (kJ/mol)B 801 2427 3659Al 577 1816 2744Ga 579 1979 2962In 558 1820 2704Tl 589 1971 2877
ENERGIADEIONIZAÇÃO➢As energias de ionização aumentam da formaesperada( 1ªEI< 2ªEI < 3ªEI). A soma das trêsprimeiras energias de ionização, para todos osintegrantesdogrupo,émuitoelevada.➢O Boro não apresenta nenhuma tendência aformariões.➢Os outros elementos normalmente formamligaçõescovalentes,excetoemsolução.
➢ Os valores das energias de ionização nãodecrescemregularmentedentrodogrupo.➢A diminuição do B para o Al está associada coma variação esperada e é coerente com o aumentodotamanhodescendonogrupo.
OCORRÊNCIA E OBTENÇÃOELEMENTO OCORRÊNCIA OBTENÇÃOBORO BÓRAX REDUÇÃO PELO MgALUMÍNIO BAUXITA ELETRÓLISEGÁLIO TRAÇOS NA BAUXITA SUPRODUTO DOREFINO DOALUMÍNIOÍNDIO TRAÇOS EM SUBPRODUTO DOMINÉRIOS REFINO DE(ZnS E PbS) SULFETOSTÁLIO ÍDEM AO ÌNDIO ÍDEM AO ÍNDIO
O boro e o alumínio são encontrados na naturezaprimariamentecomoóxidose oxoaniões.
OBTENÇÃO DO BOROB O (s) + 3Mg → 2B(s) + 3MgO(s)23
OBTENÇÃO DOALUMÍNIOO alumínio é o metal mais abundante e oterceiro elemento mais abundante da crostaterrestre.
OBTENÇÃO DOGÁLIO, ÍNDIO E TÁLIO
GRUPO 13 FAMÍLIA DO BOROOCORRÊNCIA E OBTENÇÃOOBTENÇÃO DO ALUMÍNIOEletrólise do óxido fundido (1000°C)Al2O3 → Cátodo Al fundido + oxo complexosÂnodo →oxigênio e flúor gasosos + oxo-complexos de alumínio
PROPRIEDADES QUÍMICASREAGENTE REACÇÃO COM O ELEMENTO DO GRUPO 13OXIGÊNIO 4M(s) + 3O (g) → 2M O (s)223NITROGÊNIO 2M(s) + N (g) → MN(s) M=B, Al2HALOGÊNIO 2B(s) + 3X (g,l.s) → 2BX (g) X=halogênio2 3HALOGÊNIO 2M(s) + 3X (g,l.s) → M X (g) M=Al, Ga, In2 2 6X=halogênioHALOGÊNIO 2Tl(s) + X (g,l.s) → 2TlX(S) X=halogênio2ÁGUA 2Tl(s) + 2H O(l) → 2TlOH(aq) + H (g)223+ÁCIDO2M(s)+6HO+(aq)→ 2M(aq) + H (g) + 6H2O(l)3 2M=Al, Ga, Tl-BASE2M(s)+6HO(l)+2OH (aq) → 2M(OH) (aq) + 3H (g)2 4 2M = Al, Ga
GRUPO 13 – FAMÍLIA DO BORO• COMPOSTOSCOMPOSTOS DE BORO E HIDROGÊNIO:BORANOS• O BH reage comelemesmopara formar3diborano, B H.26• O diborano pode ser preparadopela reacção doLiHcom BF36LiH + 8BF3 → 6LiBF4 + B2H6
COMPOSTOS DE BORO E HIDROGÊNIODIBORANO - B2H6comoooCCC
GRUPO 13 – FAMÍLIA DO BORO• Odiborano é muitoreactivo:B H (g) + 3O (g) B O (s) + 3H O(g)262232H =-2030 kJ.• Algunsboranossão reactivos(B H) enquanto59outrossão estáveisaoarà temperaturaambiente(B H).1014
COMPOSTOSDEBOROENITROGÊNIOO composto mais simples do boro e nitrogênio é oBN, é facilmente sintetizado aquecendo-se o óxidodeborocom comoamóniaco.B O + 2NH → 2BN + 3H O23(s)3(g)(s)2(g)
COMPOSTOS DE BORO E OXIGÊNIO➢ÓXIDOS, OXOÁCIDOS E BORATOS➢ÓXIDOS➢TRIÓXIDO DE BORO➢O B O É UM ÓXIDO NÃO METÁLICO COM23PROPRIEDADESÁCIDAS
ÓXIDOS➢O B O reage com óxidos básicos formando sais23denominadosMetaboratos.CoO + B O → Co(BO)2322Contudo é possível forçar o B O actuar como23óxido básico reagindo com um óxidofortemente ácido.B O + P O → 2BPO23254FOSFATO DE BORO
ALUMÍNIO➢O minério de alumínio mais importante é abauxita. A bauxita é o óxido de alumíniohidratadoimpuro.(Al O.xH O)232➢Dentre as impurezas da bauxita destacamos oóxidodeferro(III)e odióxidodesilício.➢Oalumínioétermodinamicamentemuitoreactivo.
ALUMÍNIOAreactividadedoalumíniopodeseranalisadaàluzdoseu potencialpadrãoderedução3+(𝜀° Al /Al = -1,66V) e pela variação da energialivreparareacçõescomo:2Al + 3/2O → Al O(s)2(g)23(s)--1∆G =-1582 kJ.molO Al é um forte agente reductor.
ALUMINOTERMIAO óxido de alumínio é tão estável que o alumíniometálico irá reduzir quase qualquer óxido metálicoao estado elementar, através do processodenominadoaluminotermia.2Al + Cr O → Al O + 2Cr2323--1∆H =-536 kJ.mol
ANFOTERISMO DO ALUMÍNIO2Al + 6HCl → 2AlCl + 3H(s)(aq)3(aq)2(g)Al + NaOH + 3H O →Na[Al(OH) ] 1,5H2(s)(aq)24(aq)(g)O Al O3 é um óxido anfótero.2Os óxidos Ga O e In O também são óxidos2323anfóteros
O CLORETO DE ALUMÍNIO➢O cloreto de alumínio se cristaliza em soluçõesaquosascomoumhidrato.[Al(H O) ]Cl263➢O cloreto de alumínio hidratado é um sal iônico3+típico,contendoocátionhidratado Al➢Por outro lado o cloreto de alumínio anidro,consiste em uma rede tridimensional covalente,na qual os átomos de cloro formam pontes entreátomosadjacentesdealumínio.
GÁLIO, ÍNDIO E TÁLIO➢O Ga, In e Tl não são tão metálicos comoseria de esperar; isto é consequência dasérie de metais de transição que osprecedem na tabela periódica.➢Como o subnível (n-1)d está preenchido, acarga nuclear elevada resultante e otamanho pequeno dos átomos desseselementos tornam os elétrons maisfortemente presos que em outros casos.
GÁLIO, ÍNDIO E TÁLIOO Tl é o único elemento do grupo que ilustra oefeito do par inerte. Os compostos talosos, emsolução aquosa, são muito mais estáveis que oscompostostálicos.
APLICAÇÕESO BN HEXAGONAL É USADO COMOLUBRIFICANTE EISOLANTE.O BN CÚBICO É UTILIZADO COMOABRASIVO ONDE O DIAMANTE NÃO PODESERUSADO.OS VIDROS DE BOROSSILICATOS (COMOPYREX) SÃO OBTIDOS APARTIR DAFUSÃODOBORATODESÓDIOCOMASÍLICA
APLICAÇÕESOS VIDROS DE BOROSSILICATOS SÃOAMPLAMENTE UTILIZADOS EMUTENSÍLIOS DE COZINHA ELABORATÓRIO.O ALUMÍNIO ALÉM DE SER UTILIZADOEM DIVERSAS LIGAS, É EMPREGADOCOMO MATERIAL ESTRUTURAL, SENDOUSADO NA FABRICAÇAO DEUTENSÍLIOS DOMÉSTICOS EEMBALAGENSPARAALIMENTOS.
APLICAÇÕESALGUNSUSOSDOALUMÍNIO:➢Transmissão elétrica: Ainda que a condutibilidadeelétrica do alumínio seja 60% menor que ado cobre, o seu uso em redes de transmissãoelétricas é compensado pelo seu menor custo edensidade, permitindo maior distância entre astorresdetransmissão.➢Como recipientes criogênicos até -200 °C e, nosentidooposto,paraa fabricaçãodecaldeiras.
APLICAÇÕESALGUNSUSOSDOALUMÍNIO:➢Meios de Transporte: Como elementosestruturais em aviões, barcos, automóveis,bicicletas,tanques,blindagenseoutros.➢Embalagens: Papel de alumínio, latas,embalagensTetraPake outras.➢Construção civil: Janelas, portas, divisórias,gradeseoutros.➢Bens de uso: Utensílios de cozinha, ferramentaseoutros.
APLICAÇÕESALGUNSUSOSDOSALÚMENS:➢São comumente usados em purificação de água,curtimento de couro, têxteis a prova de fogo,e produção de pão. Tem aplicação em fotografiacomo endurecedor da gelatina e emulsões. Temtambém usos em cosméticos como desodorante enotratamentopós-barba.➢O alúmen encontra aplicação comoum mordente, na preparação de lacas para aderirao papel artesanal e na clarificação de líquidosturvos(comoagente floculante).
APLICAÇÕESO GÁLIO É EMPREGADO NAFABRICAÇÃO DE TERMÔMETROSESPECIAIS E TUBOS DE QUARTZO.ESSES MATERIAIS PODEM SERUSADOS EM ALTAS TEMPERATURAS(≥1200 ºC)
APLICAÇÕESO ÍNDIO É EMPREGADO NA FABRICAÇÃODE ROLAMENTOS PARA MOTORES DEAVIÃO (COMBINADO COM O CHUMBO), NACONFECÇÃO DE LÂMPADAS DE MERCÚRIOJUNTO COM O VAPOR DE MERCÚRIO E NOSREACTORES ATÔMICOS PARA MEDIR OFLUXODENEUTRÕES.
APLICAÇÕESO GÁLIO FOI UTILIZADO COMO IMPUREZANA FABRICAÇÃO DE SEMICONDUTORES ECOMO COMPONENTEDELIGAS.O ARSENETO DE GÁLIO É EMPREGADO EMLASERSSÓLIDOS.
APLICAÇÕESO ÍNDIO TEM SIDO UTILIZADO NACONSTRUÇÃODEMANCAIS.O TÁLIO É USADO NA FABRICAÇÃO DEFOTOCÉLULAS, DETECTORES DEINFRAVERMELHO E NA MANUFATURA DEVIDROSESPECIAIS.