- Isótopos y formas moleculares de N, O y F.
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N O F
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N
O
F
- Isótopos y formas moleculares de N, O y F.
- Propiedades magnéticas del oxígeno ordinario.
- Propiedades físicas de N, O y F.
- Disociación de las moléculas.
- Iones moleculares. Tipo de enlace en compuestos
- Reacciones químicas con otros elementos.
- Estado natural. Obtención y aplicaciones.
H
Li
Na
K
BaCs
Rb Sr
Ca Sc
Y
RfAc
La
Ti
Hf
Zr
V
Nb
SgDb
Ta
Cr
W
Mo
Mn
Tc
HsBh
Re
Fe
Os
Ru
Co
Rh
UunMt
Ir
Ni
Pt
Pd
Be
Cu
Ag
UubUuu
Au
Zn
Hg
Cd
Ga
UuqUut
In
Pb
Sn
P
As
Sb
UuhUup
Bi Po
Te
Cl
Br
I
UuoUus
At Rn
Xe
PaTh
Ce Pr
NpU
Nd Pm
AmPu
Sm Eu
BkCm
Gd Tb
EsCf
Dy Ho
Fr Ra
Al C
ON LiF
Tl
He
MdFm
Er Tm
LrNo
Yb Lu
C
Ge
O
S
Se
He
Ne
Ar
Kr
H
Be
Mg
B C
Si
1
2
3
4
5
6
7
Si
Ge
ISÓTOPOS DEL N, O Y F
N 7 isótopos, 2 de ellos son estables: 15N (0.37 %) y 14N (99 %)
O 8 isótopos, 3 son estables: 16O (99%), 17O (0.04%) y 18O (0.2%)
F No se conocen prácticamente isótopos sólo 19F
Abundancia
La masa atómica no se duplica o triplica de uno a otro
y solo difieren en una o dos unidades
Propiedades no muy diferentes
FORMAS MOLECULARES ESTUDIO DEL ENLACE
Molécula Orden de Distancia de enlace r cov(Å) Energía de d e
enlace de enlace (Å) formación (kJmol-1)
N2 3 1.10 0.75 - 944.7 0 0 diamagnético
O2 2 1.21 0.73 - 496.0 0 > 0 paramagnético
F2 1 1.42 0.72 - 158.0 0 0 diamagnético
En condiciones normales, al igual que el H,
F, O y N se encuentran en forma molecular
Moléculas diatómicas homonucleares apolares
Enlace covalente
F2 1s22s22p5
y
+
-
z
x
y
z
x
Orbital atómico 2px
+ -
Orbital atómico 2py
y
z
x
-
+
Orbital atómico 2pz
Orden de energías de OM:
1s< *1s<2s<*2s <2pz< 2px=2py<*2px=*2pzy<*2pz
Para B2, C2 y N2
E orbital2pz > E orbitales 2px y 2py
(2pz geometría semejante a 1s, *1s, 2sy *2s)
Sus electrones se concentran en una pequeña región Mayor repulsión
Para O2 y F2
E orbital2pz< E orbitales 2px y 2py
oe = 1/2(nº de electrones en los OM enlazantes - nº de electrones en los OM antienlazantes)
Los OM se comienzan a llenar siempre en orden de menor a mayor energía
Estabilidad de una molécula:Orden de enlace mide la fuerza del enlace
ESTUDIO DEL ENLACE: Teoría de orbitales moleculares
oe = 6-4/2 =1
F2F F
*2s
2s
2Px, 2Py
2pz
*2pz
2pz 2py 2px 2pX 2py 2pZ
*2Px, *2Py
E
F-FLos electrones desaparecen de los OA cuando se colocan en los OM
1g
1u
2g
1u
1g
2u
2p2p
2s2s
O2O O
*2s
2s
2pz
*2pz
2pz 2py 2px 2pX 2py 2pZ
E
O=O
*2Px, *2Py
2Px, 2Py
oe = 6-2/2 = 2
N2N N
*2s
2s
*2pz
2pz 2py 2px 2pX 2py 2pZ
E
2pz
N N
2Px, 2Py
*2Px, *2Py
oe = 6-0/2 = 3
Li2 Be2B2 C2 N2 O2 F2
EN
ER
GÍA
1g
1u
2g
1u
1g
2u
Variación de las energías de los orbitales en moléculas diatómicas homonucleares de elementos del segundo periodo
1g< 1u< 2g< 1u< 1g< 2u
PROPIEDADES MAGNÉTICAS DEL OXÍGENO ORDINARIO
E2p
2p 2p
2p*
2p
2p*
OO
Paramagnético. Momento magnético correspondiente a dos electrones desapareados de acuerdo con lo previsto por la teoría de orbitales moleculares
Oxigeno triplete
Por su baja TC y su alta PC son gases difíciles de licuar, e incluso, de solidificar en el caso del F
PROPIEDADES FISICAS DE LAS MOLÉCULAS DE N, O y F
F2 O2 N2
F-F O=O NN
p.f. (ºC) -219.6 -218.7 -209.8
p.e. (ºC) -187.5 - 182.9 -195.8
Tcrítica(K) 144.1 154.35 126
Pcrítica (atm) 51.46 47.9 33.5
p.f. y p.e. muy bajos (uniones por fuerzas de van der Waals)
ESPECIES moleculares /no hay una variación regular porque no son del mismo grupo
DISOCIACIÓN DE LAS MOLÉCULAS
Mayor disociación a menor energía de enlace
F2 (g) 2F (g) Hd = + 158.2 kJmol-1 Proceso endotérmico
O2 (g) 2O (g) Hd = + 496 kJmol-1 Proceso extremadamente
endotérmico
N2 (g) 2N(g) Hd = + 944.7 kJmol-1 Proceso mucho más endotérmico
K = 10 120 Valor muy elevado
Entalpía de disociación Medida de la energía de enlace
Comparativamente baja con el restode los elementos de su grupo
ALTA REACTIVIDAD
Moléculas muy estables
Métodos para conseguir la disociación
Disociación térmica Requiere de temperaturas elevadas
T (ºC) % en volumen O2 disociado
2000 3.6 x 10-2
3000 5.95 4000 61.0
Son necesarias temperaturas altas para que la disociación rebase el 50%
T (K) % moles disociados
I2 (Hfº I2= - 151.0 kJmol-1) N2
(Hfº F2= - 158.2 kJmol-1)
500 1.0 x 10-4
1000 2.9 1500 52 2000 95 5.0 x 10-5
3000 0.075 4000 2.93 5000 26.2
(solo cuarta parte)
F2 Como la energía del enlace se puede correlacionar con = 700 nm:
O2= 190 nm situada en la zona UV
Radiación electromagnética
Reacciones hay que llevarlas a cabo en ausencia de la luz puesto que son explosivas
La disociación del oxígeno tiene lugar en la alta atmósfera
Descargas eléctricas
Descargas eléctricas en corriente de O2 a presión 1mm HgO2
Descargas eléctricas en el seno de N2 a muy baja (< 1mmHg) producen luminosidad amarilla que persiste durante algún tiempoFenómeno dependiente de la presión, de la temperatura y de la naturaleza de los gases presentes en el tubo
N2
E (F2) = h = 158.2 kJmol-1
N + N + N2 = 2N2* Fenómeno que puede
durar más de 6 horas.Al final la luminosidad
amarilla va decreciendoActúan de catalizadores en su desactivación : Pt, Ag y Fe
Moléculas ricas en energía con el triple enlace debilitado)
Nitrógeno activo.
Es muy reactivo
Pero una vez disociada la molécula y formados los átomos en estado gaseoso ¿Cuáles son lo iones?
Elemento Afinidad electrónica 1º Energía de ionización Electronegatividad
(kJmol-1 ) (kJmol-1)
F -328 1680 4
O - 142 1314 3.5
N > 0 1402 3
IONES MOLECULARES
Iones positivos
Único que existe
O2+
X2 X2+ + 1 e-
EI(N) = +14 eV
EI(O) = +13 eV
EI(F) = +17 eV
Procesos endotérmicos. Iones no estables desde el
punto de vista termodinámico
O (g) O+(g) + e- EI = 1314 kJmol-1 >>>>
1 eV ~ 100 kJ mol-1
Iones no estables
O2(g) O2+(g) + e- (* antienlazante)
En 1962 PtVIF6 + O2 O2PtF6
Electrolisis
Cátodo (reducción) O2
O2+[PtVF6]
-
Hexafluoroplatinato de dioxígeno
oe = 6-1/2 = 2.5
E2p
2p 2p
2p*
2p
2p*
O+O
Mayor energía de enlace en relación al O2
Iones positivos
O2+
Elemento Afinidad electrónica 1º Energía de ionización Electronegatividad(kJmol-1 ) (kJmol-1)
F -328 1680 4
O - 142 1314 3.5
N > 0 1402 3
X (g) + 1 e- X- (g)
Termodinámicamente establesAE(N) > 0
AE(O) = - 1.42 eV
AE(F) = - 3.3 eV
Pero el único detectable es el F-
porque es el único que tiene configuración de gas noble
Iones negativos
O(g) + e- O -(g) AE = -121.75 kJmol-1
O-(g) + e- O2-(g) AE = +816.29 kJmol-1
O(g) + 2e- O2-(g) AE = +694.54 kJmol-1
El ion O- aisladamente considerado es más estable que O2-
Sin embargo, son más estables los compuestos de este último.
La energía reticular existente en la red de los óxidos es mayory esto compensa la energía necesaria para la formación del óxido.
Hºf del compuesto con O2- (en valor negativo) >>> Hºf del compuesto con O-
Proceso fuertemente endotérmico
O2- (OXIDOS) y N3 - (NITRUROS) Configuración de gas noble
ION ÓXIDO O2-
N y O
En forma F- Cristales y disoluciones de fluoruros metálicos (alcalinos y alcalinotérreos) Enlace Iónico
F
O2(g) + e- O2- (g) AE = - 83 eV
O2(g) + 2e- O22-(g) AE = 460 eV Proceso muy endotérmico
IONES SUBPERÓXIDO O2- Y PERÓXIDO O2
2-
Proceso exotérmico
Especie Distancia O-O (Å) nº de es- orb.* oe Estabilidad
O2+ 1.12 1 2.5 Más estable
O2 1.21 2 2
O2- 1.33 3 1.5
O22- 1.49 4 1 Menos estable(+)
F-, O2- y N3-
Pueden formar compuestos iónicos pero ¿cuál es el porcentaje de carácter iónico?
Cationes son polarizantesy aniones son polarizables
+ -100% de enlace iónico
Cargas puntuales indeformables
La capacidad de polarización del catiónF(estado de oxidación formal (n+) y de su tamaño (r ))
La polarizabilidad del anión F (estado de oxidación formal (n-) y de su tamaño (r )
IONES Y TIPO DE ENLACE EN COMPUESTOS
Se incrementa al aumentar su relación carga/radio, q/rCarácter polarizante de un catión
Polarizabilidad del anión Se incrementa al aumentar el radio y la carga
La covalencia en el enlace se incrementa al aumentar
el poder polarizante del catión
y
la polarizabilidad del anión
q r (Å) q/r
N3- 3 1.46 2.05 más covalente
O2- 2 1.4 1.42
F- 1 1.3 0.76 más iónico
Para un mismo catión ¿Cuál es la estabilidad termodinámica de nitruros, óxidos y fluoruros?
1/2X2 (g) + n M (s) → MnX(s)Hºf
Más estable el compuesto iónico
X (g)
1/2Hd
X-(g)
AE
nHv
nM (g)
nEI
nM +(g)
Uo
+
nHs
Entalpía de formación de un mol de compuesto a partir de sus elementos
en condiciones normales
Hºf < 0
Hºf = ½Hd + AE + nEI+ nHs/v + Uo>0
Valores diferentes para N3-, O2- y F-
Hd(F2) = + 158.2 kJmol-1
Hd(O2) = + 496 kJmol-1
Hd(N2 )= + 944.7 kJmol-1
AE (F2 ) = -328 kJmol-1
AE (O2 ) = -142 kJmol-1
AE (N2 ) > 0
Hºf (Fluoruro de metal) = ½(158.2) + (-328) + nEI + nHs + Uo
Hºf (Óxido de metal) = ½(496) +(-142) + nEI + nHs + Uo
Hºf (Nitruro de metal) = ½(944.7) + valor positivo + nEI + nHs + Uo
¿Qué compuestos van a ser los más estables?
¿Qué iones van a ser los más reactivos?N3-, O2- y F-
Nitruro, óxido, fluoruro
ESTADO NATURALFLÚORPor su gran actividad química no se debe encontrar libre.
Yacimientos minerales Abundancia del flúor en la superficie terrestre
700 g/Ton
Fluorita: CaF2
Criolita: AlF3 3NaF
Junto con Cl en el apatito: Ca5(PO4)3(Cl, F, OH)
Hidrosfera (89% en peso)océanos y aguas continentales
combinado con el hidrógeno
Aire (23% en peso)
Elemento más abundante en la corteza terrestre
Litosfera (47% en peso)constituyente de rocas calizas y silíceas
OXÍGENO
NITRÓGENO
Elemento % en volumen % en peso N2 780.90 755.10O2 209.5 231.50
He 5.2 0.72Ne 18 12.5Ar 9.3 12.8Kr 1 2.9Xe 0.08 0.36
Aunque esta siendo sustraído constantemente del aire procesos biológicos e inorgánicos
Fijación industrial de nitrógeno por microorganismos en los
nódulos de raíces de leguminosas
Descargas eléctricas y reacciones fotoquímicas ocurridas en la atmósfera, con producción de
óxidos de nitrógeno que arrastrados por el agua de la lluvia se convierten en nitratos
Composición de la atmosfera además de CO2, NOx, vapor de agua y metano
OBTENCIÓN
Al encontrarse como F-, procesos de obtención consistentes en la descarga de dichos iones
1/2 F2 + e F-
No existe sustancia más oxidante
Empleo del método electrolítico
Sería necesario buscar una sustancia más oxidante que el halógeno
Eº = +2.85 V
Se alcanza antes el potencial de descarga del oxígeno,
se va a desprender O2 hasta que se agote el H2O
Ánodo: 1/2F2 + e- F- Eo = +2.85 V
Cátodo: H2O 1/2O2 + 2H+ + 2e - Eo = -0.815 V
Ánodo de una cuba electrolítica (oxidación anódica)
HFliq // solo proporcionará F2 elemental en medio ácido Eº = 2.85 V
Ánodo : F- 1/2 F2 + e- Eº = -2.85 V
Cátodo: H+ + 1e- 1/2 H2 Eº = 0.00 V
FLÚOR
1. Por destilación del aire.
2. Por electrólisis del agua.
3. Por descomposición de compuestos oxigenados, actualmenteen desuso, incluso a nivel de laboratorio se utiliza el comercialadquirido en balas de hierro a presión.
Destilación del aire por diferencia en el punto de ebullición
La fracción más volátil: He, Ne, N2
La menos volátil: Xe, Kr y O2
La intermedia: N2, Ar y O2
OXÍGENO
NITRÓGENO
APLICACIONES
Preparación de derivados orgánicos resultantes del desplazamiento de hidrógeno por flúor en compuestos alifáticos y aromáticos.
Conducción de gas y construcción de reactores nucleares.
Disolventes, lubricantes y aisladores no tóxicos y muy resistentes al ataque químico.
Síntesis del amoniaco
FLÚOR
NITRÓGENO
OXÍGENO
En la industria metalúrgica: soldadura, corte de metales, procesos de metalurgia extractiva, refino, etc.
Síntesis de productos industriales tales como SO3 para obtención de H2SO4 o NO por oxidación del NH3
para la obtención de HNO3 y nitratos.
Oxígeno líquido en sistemas de propulsión de cohetes espaciales y en usos médicos.
Para conseguir aire artificial en equipos de buceo y navegación.
