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TRABAJO PRÁCTICO N° 9

Grupo III A ( Boro, Aluminio y sus compuestos)

I) INTRODUCCIÓN TEÓRICA A.1) Propiedades generales de la columna

El grupo III A comprende los siguientes elementos: boro, aluminio, galio, indio y talio. La configuración electrónica externa es ns2np1, presentando un número de oxidación máximo de +3, aunque presentan número de oxidación +1 a medida que se desciende por la columna.

TABLA 1 – CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS

Elemento

1 s

2 s p

3 s p d

4 s p d f

5 s p d

6 s p

Boro Aluminio Galio Indio Talio

2 2 2 2 2

2 1 2 6 2 6 2 6 2 6

2 1 2 6 10 2 6 10 2 6 10

2 1 2 6 10 2 6 10 14

2 6 10

2 1

2 ) Regularidades dentro del grupo

El boro presenta propiedades semimetálicas mientras que en el resto del grupo se van intensificando las características metálicas. El átomo de boro es el de menor tamaño, el que posee energía de ionización más elevada y estas razones determinan que no existan compuestos con cationes B3+, entrando en cambio en combinación por compartición de electrones.

Se analizarán las propiedades químicas del grupo del boro. El alumno debe completar la siguiente tabla:

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TABLA II PROPIEDADES PERIÓDICAS Símbolo

B Al Ga In Tl

Nombre

Nro Atómico

Masa atómica Relativa

Configuración Electrónica

1ª Energía de Ionización (Kcal./mol)

Electronegatividad

Radio Atómico (A)

E° (Volts) para X→X3++3e- +1,66 +0,53 +0,34 -0,72

Punto de Fusión (ºC)

Punto de Ebullición (ºC)

B). Algunos compuestos a) Hidruros

Tanto el boro como el aluminio, forman hidruros covalentes. El BH3 no ha podido ser preparado, pero se conocen una serie de hidruros que llevan el nombre general de boranos: B2H6 (diborano), B4H10, B5H9, B5H11, B6H10 y B10H14. Todos estos compuestos poseen elevadas energías de combustión: en especial el B2H6 (gas), el pentaborano B5H9 (líq.) y el B10H14 (sólido) presentan interés como combustible de cohetes.

El aluminio forma un hidruro sólido polimerizado de fórmula (AlH3)n de estructura poco conocida.

Se ha preparado un grupo de hidruros complejos de boro y aluminio de propiedades reductoras útiles en la industria y en la investigación: Na [BH4], tetrahidroborano de sodio, Li [AlH4], tetrahidroaluminato de litio.

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100 C°

Estructuras del BH4 - y AlH4

-

b) Halogenuros

El boro forma los cuatro haluros de la forma BX3, todos son moléculas gaseosas covalentes, triangulares planas. Se hidrolizan dando ácido ortobórico: BX3 + 3 H2O → H3BO3 + 3 HX ( X: Cl, Br o I) BF3 + 3 H2O → H3BO3 + 3 H [BF4 ] tetrafluoroborato de hidrógeno

El aluminio también forma los cuatro haluros, siendo el fluoruro el único iónico. El cloruro, bromuro e ioduro se presentan en la fase gaseosa y en solventes no polares como dímeros de la fórmula Al2X6. La estructura es la siguiente:

c) Compuestos oxigenados

El óxido bórico, B2O3, se obtiene por la combustión del boro en oxigeno o por deshidratación del ácido ortobórico, H3BO3. Este es un ácido muy débil( Ki= 6.10-10).

En el proceso de deshidratación se obtiene ácido metabórico, HBO2, y ácido tetrabórico, H2B4O7 (pirobórico). 4 H3BO3 4HBO2 + 4 H2O

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4

Φ

Al rojo

4HBO2 H2B4O7 + H2O

H2B4O7 2 B2O3+ H2O Se conocen las correspondientes sales.

El óxido de aluminio, Al2O3 , se obtiene ya sea calentando el metal en presencia de aire o por deshidratación de los óxidos hidratados. Es un óxido anfótero que se disuelve en ácidos y en álcalis. Al2O3 + 6 OH - 2 Al3+ + 3 H2O Al2O3 + 2 OH - + 3 H2O 2 [Al (OH)4] - ion tetrahidroxoaluminato

Como es previsible, debido al anfoterismo de su óxido, el aluminio se disuelve en ácidos y en bases con desprendimiento de hidrógeno. Las ecuaciones iónicas son: 2 Al + 6 H + 2 Al3+ + 3 H2

2 Al + 2 OH - + 6 H2O 2 [Al (OH)4] - + 3 H2

En solución acuosa, la mayor parte de las sales de aluminio son ácidas debido a la hidrólisis del catión Al3+; en realidad este catión se encuentra hidratado con seis moléculas de agua: [Al (H2O) 6]3+.

Cuando se disuelve cloruro de aluminio en agua, la solución se vuelve buena conductora de la electricidad, a diferencia del cloruro anhidro fundido. La siguiente ecuación explica el cambio en el comportamiento: Al2Cl6 + 12 H2O 2 [Al (H2O) 6]3+ + 6 Cl –

Los cationes aluminio se hidrolizan de ahí que la solución acuosa sea ácida. Al (H2O) 6]3+ + H2O [Al (H2O) 5 (OH)]2+ + H3O + Ión hidroxopentaacuoaluminio

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II) PARTE EXPERIMENTAL ♦ Boro Procedimiento 1: Obtención de ácido bórico a partir de Bórax. En un vaso de precipitado de 50 cm3 de capacidad poner 4 g de bórax (B4O7Na2.10 H2O), 10 cm3 de agua, 5 cm3 de H2SO4 concentrado. Trabajar con cuidado. Calentar a baño María durante 5 minutos, enfriar en un baño de hielo y agua y filtrar. a) Escribir la ecuación correspondiente a la obtención del ácido bórico. b) ¿Qué tipo de ácido es el ácido bórico?. Buscar en tablas la constante de ionización. Procedimiento 2: Acción del calor sobre el bórax y el ácido bórico

Calentar lentamente en un tubo de ensayos 1 g de bórax. a) Describa lo observado y escriba la ecuación correspondiente. ¿Cuál es el producto

final del calentamiento? Repetir la experiencia con ácido bórico. b) Describa lo observado y escriba las ecuaciones correspondientes.¿Cuál es el

producto final? Procedimiento 3: Color de la llama de los compuestos del boro Poner aproximadamente 0,1 g de ácido bórico en un crisol. Humedecerlo con 5 gotas de ácido sulfúrico concentrado y agregar luego 10-15 gotas de alcohol metílico. Calentar lentamente sobre una tela metálica y encender los vapores que se desprenden. a) Observaciones: b)Escribir la ecuación de formación del borato de metilo. c) Buscar los puntos de ebullición de los ésteres metil y etil bóricos.

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d) Lavar cuidadosamente el crisol y repetir la experiencia pero sin el agregado del ácido bórico. Observar las diferencias.

Procedimiento 4: Preparación de perborato de sodio El trabajo consiste en la preparación del perborato de sodio y la determinación del contenido de oxígeno peróxidico (activo). La mayoría de los llamados perboratos no son peroxisales verdaderas, sino peroxihidratos, es decir compuestos de adición del agua oxigenada sobre boratos. De acuerdo a lo antedicho se puede representar el perborato de sodio por la siguiente fórmula:

NaBO2.H2O2.3H2O

Los boratos-peroxihidratos liberan el agua oxigenada en solución acuosa, por lo tanto presentan las propiedades de esta última. De ahí su importancia en el comercio como agentes blanqueantes para fibras textiles, y en la industria farmacéutica como desinfectantes. El perborato de sodio es una sal blanca, cristalina, contiene alrededor de 10-10,5% de oxígeno activo que puede ser determinado analíticamente con una solución valorada de permanganato de potasio. Procedimiento 4: 1) Pesar 4,8 g de bórax y disolverlos en exactamente 50 cm3 de solución caliente de NaOH (3,35 g en 100 cm3 de solución) 2) Enfriar a temperatura ambiente, agregar 56 cm3 de solución de H2O2 de 10 volúmenes y enfriar en un baño de hielo y agua. 3) Cuando la solución alcanzó la temperatura del baño, agregarle uno trocitos de hielo (4 g) y agitar durante unos minutos. 4) Armar dispositivos de filtración al vació y separar los cristales obtenidos. 5) Lavar los cristales sobre el filtro con dos porciones de alcohol etílico enfriando. (suspender la succión antes del lavado). 6) Pesar la masa de cristales obtenidos y calcular el rendimiento de la operación. a) escribir las ecuaciones de las reacciones mediante las cuales se obtuvo el perborato-

peroxihidrato. calcular el rendimiento del procedimiento en base al peso de los cristales obtenidos secos y el peso teórico en base a la estequiometría de las reacciones b) El perborato de sodio es una sal blanca, cristalina, contiene alrededor de 10-10,5 % de

oxígeno activo que puede ser determinado analíticamente con una solución valorada de

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100*'teóricopesocristalespeso

=η

Procedimiento 5: Reacciones de reconocimiento Preparar una solución de peroxiborato disolviendo aproximadamente 1 g del peroxiborato obtenido en el procedimiento anterior en 20 cm3 de agua. Distribuir la solución en tres tubos de ensayos. Colocar en los tubos: Tubo 1 : 5 gotas de H2SO4 diluído y agregar unas gotas de solución de KMnO4. Ecuaciones y observaciones: Tubo 2 : 5 gotas de H2SO4 diluído, 1 cm3 de solución de KI. Añadir luego gotas de solución de almidón. Ecuaciones y observaciones: Tubo 3 : Papel indicador Universal. Observaciones: Repetir estos ensayos con 3 tubos en los que se agrega agua oxigenada de 20 volúmenes ( acidificar en lugar de la solución de peroxiborato). Comparar los resultados. Procedimiento 6: Titulación del perborato con solución de KMnO4 en medio ácido. Pesar con una aproximación del 0,001 g, 0,1 g de peroxiborato de sodio y pasarlo cuantitativamente a un erlenmeyer con ayuda de agua si es necesario. Agregar 25 cm3 de agua destilada y 5 cm3 de H2SO4 diluido (1:5). Titular con una solución de KMnO4 0,1N hasta la aparición del color rosado. Verificar con los valores obtenidos en la titulación si el poder oxidante del compuesto preparado es el que corresponde a la fórmula asignada.

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♦ Aluminio Comprobación experimental de las propiedades anfóteras del aluminio. Procedimiento 7: Reacción del aluminio metálico con los ácidos. a) Coloque un trozo de papel de aluminio en un tubo de ensayos, cúbralo con agua y

añada unas gotas de HCl (concentrado). Caliente el tubo si es necesario para iniciar la reacción.

Escriba las ecuaciones moleculares e iónicas en cada caso igualándolas por el método del ión-electrón b) A la solución obtenida de la reacción del Al con HCl agregue un trozo de papel

tornasol y neutralice con NaOH aprox 1M. Añada exceso de álcali. Observaciones y ecuaciones: Procedimiento 8: Coloque un trozo de papel de aluminio en un tubo de ensayos y cubra el metal con una solución 1M de NaOH. Caliente si es necesario para iniciar la reacción. Observaciones y ecuaciones: Procedimiento 9: Carácter anfótero. a) Coloque en un tubo de ensayos 5 cm3 aproximadamente de una solución de cloruro

de aluminio. Añada 1 cm3 de agua amoniacal. Agite el tubo para facilitar la floculación del precipitado.

Observaciones y ecuaciones:

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b) Deje sedimentar el precipitado y decante el sobrenadante. Transfiera la mitad del precipitado a otro tubo. Vierta 1 cm3 de solución de NaOH al precipitado contenido en uno de los dos tubos.

Observaciones y ecuaciones: c) Al precipitado contenido en el otro tubo agregue 1 cm3 de HCl diluído. Procedimiento 10: Vierta 1 cm3 de solución de Na2CO3 en un tubo conteniendo 5 cm3 de solución de Al2(SO4). Uno esperaría obtener un precipitado de Al2(CO3)3, sin embargo se forma un precipitado de Al2(OH)3, Expliquelo y dé la ecuación.