UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS BIOQUÍMICA CLÍNICA CARPETA DE DEBERES - QUÍMICA INORGÁNICA INORGÁNICA II Integrantes/grupo: Benavides, Maite Hoyos, David Moreno, Gabriela Rodríguez, Adriana E STRUTU STRUTURA RA D E Al (BH 4 ) ) 3 El borohidruro de aluminio, también conocido como tetrahidroborato de aluminio es el compuesto químico con la fórmula Al (BH 4)3. Contiene puentes de hidruro dobles como los presentes en el diborano, esto se puede observar en la estructura dispuesta en la imagen. A diferencia de la mayoría de los otros metales-borohidruros, que son estructuras iónicas el borohidruro de aluminio es un compuesto covalente. Es un líquido pirofórico volátil que se utiliza como combustible de cohete, y como agente reductor en los laboratorios. (Chemtube3d, 2016) E STRUTU STRUTURA RA D E Zr (BH 4 ) ) 3 El borohidruro de zirconio, también conocido como tetrahidroborato de zirconio es el compuesto químico con la fórmula Zr (BH 4 )3 cuya estructura dispuesta en la imagen permite visualizar que están presentes puentes de hidruro triples, este compuesto se sintetiza mediante una reacción de metátesis entre LiBH4 y ZrCl4 usando un molino de bolas de alta energía.(Chemtube3d, energía.(Chemtube3d, 2016) CARACTE CARACTE RÍ STI STI CAS Y USO USOSS DEL THF El THF o tetrahidrofurano es un líquido incoloro con un olor similar al de la acetona. En la actualidad existen varios métodos de producción industrial del THF, uno de ellos se basa en la deshidratación deshidratación de 1,4-butanodiol utilizando catalizadores ácidos. Otro método desarrollado por DuPont consiste en la oxidación de n-butano a anhídrido maleico y posteriormente una reducción catalítica de este compuesto para obtener el THF. Otras posibles rutas de síntesis menos utilizadas son la hidrogenación de furano o la conversión de algunos azúcares.(Chemsystem, azúcares.(Chemsystem, 2009) 1
Algunas de sus propiedades fisico-químicas principales son:
Punto de ebullición: 66ºC Densidad (del líquido): 0,89 g/ml (20ºC) Solubilidad en agua: miscible Temperatura y presión críticas: 267 ºC y 50,2 bar
Otras características son: punto de inflamación es de -14,5ºC y su temperatura de autoignición es de 321ºC siendo por lo tanto un compuesto altamente inflamable y que además es capaz de formar mezclas explosivas con aire. Además, su vapor es más denso que el aire por lo que puede acumularse en sitios cerrados aumentando la peligrosidad. En cuanto a su toxicidad, presenta una toxicidad moderada. Es irritante de piel y ojos y provoca dolores de cabeza, náuseas y hasta pérdida del conocimiento por inhalación e ingestión. Presenta una ecotoxicidad baja para organismos acuáticos debido a que es biodegradable y no bioacumulable.(Gillespie & Beltrán, 2000)
Molécula de THF El THF es un disolvente aprótico moderadamente polar que se usa industrialmente para la producción de PVC así como para barnices y en la industria farmacéutica. A nivel de laboratorio también se usa como disolvente para una amplia gama de compuestos, así como para la síntesis de reactivos de Grignard y reacciones de hidroboración. También es común su uso como eluyente en cromatografía de fase reversa. Este compuesto en presencia de ácidos fuertes polimeriza formando un polímero lineal, el politetrahidrofurano. Este polímero es útil en la formación de fibras elásticas y para resinas de poliuretano. Así mismo, este polímero se usa como material de partida para la producción de polímeros termoplásticos.(Gillespie & Beltrán, 2000) PROCE SO DE HALL -HÉ ROULT Hasta 1884, el aluminio era considerado un metal semiprecioso. El costo de producción era de unos veinte dólares por kilogramo, utilizándose exclusivamente en joyería y trabajos ornamentales. Pero en 1886, a partir del desarrollo del proceso Hall Héroult, que permite obtener aluminio purísimo mediante un método electrolítico, comenzaron a desarrollarse las aplicaciones tecnológicas de este metal. En nuestro país, una de las industrias metalúrgicas más importantes es la que se dedica a la producción electrolítica del aluminio. El proceso metalúrgico utilizado obtiene el metal a partir de la bauxita, mineral que contiene óxido de aluminio (Al 2O3) como materia prima y óxido de hierro (Fe2O3) como principal impureza. Se separan los óxidos mediante disolución alcalina del aluminio, volviéndose a obtener el óxido de aluminio puro. Este se somete a un proceso electrolítico mezclado con criolita (Na 3AlF6), para bajar el elevado punto de fusión del óxido. Se obtiene así aluminio de una pureza superior al 99% (López, 2011). 2
COMPOSI CI ÓN DEL RUBÍ , ZAF I RO, CORI ÓN Y E SMERI L RUBÍ Este mineral de color rojizo, está formada por cristales de óxido de aluminio Al 2O3, que contiene una pequeña concentración, de alrededor de 0.05%, de impurezas de óxido de cromo Cr 2O3 responsable del color que tiene el rubí. Pertenece, junto al zafiro, a la familia del corindón. Llamándose rubí a los corindones rojos y zafiro a todos los demás colores, incluido el rosado. Siendo la composición química de los zafiros: una mezcla de óxidos de aluminio, hierro, vanadio y titanio. El rubí es una variedad del corindón (óxido de aluminio Al 2O3) con una pequeña fracción de los iones Al+3 remplazados por iones Cr +3. Encontrándose cada ion Cr +3, al igual que el Al+3, coordinado a seis iones O -2 adoptando una geometría octaédrica, ya que ésta es la más estable si nos fijamos en la teoría del campo cristalino, con una energía de estabilización del campo cristalino: EECC = - 1.2 ∆0. El color rojo del min eral se debe: el ion Cr+3 tiene una configuración electrónica [Ar] 3d3, por tanto, la absorción de radiación electromagnética hace que los electrones se desplacen desde los orbitales t2g a los eg (transiciones d-d). Absorbiendo este ion la luz en la parte del espectro amarilla-verde del espectro y transmitiendo en la rojiza (el color complementario del amarilloverde).(Sanchez, 2010) ZAFIRO El zafiro, al igual que el rubí, es una variedad del corindón (óxido de aluminio Al 2O3) con una pequeña fracción de los iones Al +3 remplazados por iones vanadio (dando color púrpura al mineral), titanio (dando color azul) y hierro (dando color amarillo-verde al mineral). Donde el ion hierro puede encontrarse como Fe +2 o Fe+3, mientras el titanio se encuentra generalmente como Ti +4. Debiéndose el color a las transiciones d-d para el caso del vanadio e hierro, y a las bandas de transferencia de carga en el titanio. El Zafiro se presenta, por lo general, en forma de cristales prismáticos pseudohexagonales (en forma de tonel) con las caras laterales truncadas y generalmente deformadas. También se presenta en forma de cristales bipiramidados de contorno hexagonal, o simplemente, formando masas informes(Grandanatural, 2011). CORINDÓN El corindón (Al2O3) contiene el 52.9% de aluminio, pequeñas cantidades de cromo le dan coloraciones rojas, mientras que hierro y titanio le dan coloración azul Infusible e insoluble tiene un sistema cristalino/estructura trigonal, hexagonal; formado por cristales prismáticos hexagonales.Se origina por la unión de dos minerales: rubí y zafiro con una dureza de 9; textura en bandas, dura y lisa cuya densidad es de 3.98 a 4.10 g/cm; su color es muy variado desde el rojo oscuro del rubí, hasta el azul del zafiro.(Gómez, 2003) ESMERIL El esmeril es un mineral muy duro usado para hacer polvo abrasivo. Está compuesto mayormente del mineral corindón (óxido de aluminio), mezclado con otras variedades como espinelas, hercinita y magnetita y también rutilo (titania). Es común dar a estas piedras forma de disco para ser montadas en máquinas rotatorias, la mayoría de las veces eléctricas y que se clasifican según su potencia, voltaje, amperaje, tipo de conexión:
3
estrella, triángulo. Sus dos funciones principales son: desbastar y pulir.(Sande Abrasives, 2014) PROCE SOS Y USOS DEL VI DRI O BOROSI LI CATO El vidrio de borosilicato tiene algunos nombres comerciales, como DURAN, Kimax o el más popular Pyrex (por los recipientes de cocina), y data de finales del siglo XIX. Mientras que el vidrio tradicional (vidrios de cal sodada o, simplemente, de silicato sódico) se elabora esencialmente utilizando sílice (SiO2) y carbonatos u óxidos de sodio y calcio, al vidrio borosilicatado se le suele añadir en torno a un 10% de un óxido ácido, el óxido bórico (B2O3), sólido blanco o incoloro, obtenido por calentamiento del bórax (tetraborato de sodio, Na2B4O7·10H2O), según la reacción:
Este óxido bórico actúa como formador de red y como fundente y, a veces, todos los compuestos de sodio y calcio del vidrio común son sustituidos por el mismo. La composición más habitual del Pyrex es: Sílice (SiO2): 80,6% Alúmina (Al2O3): 2,2% Óxido bórico (B2O3): 12,6% Óxido sódico (Na2O): 4,2% En el borosilicato, las unidades tetraédricas [SiO4] y unidades triangulares [BO3], forman redes que le confieren sus propiedades, como su menor punto de fusión, su amplio intervalo plástico y su menor coeficiente de dilatación. (Quimitube, 2013) Gracias a estas propiedades, se usan los vidrios borosilicatos en muchos productos de vidrio como los vidrios para el laboratorio, farmacéuticos, utensilios de cocina, sistemas de energía solar, tubos fluorescentes y tapas de lámparas y sistemas de iluminación para los automóviles. Otros usos incluyen productos donde se requiere un pegado vidrio metal en las lámparas de descarga de vapor metálico para el alumbrado público (vapor de sodio), lámparas de filamentos de tungsteno y válvulas para radio. Vidrios neutros para jarras térmicas, ampollos y viales de medicamentos dependen de la resistencia y durabilidad química y acuosa. Los envases de productos cosméticos necesitan resistencia química y claridad óptica. Se usan las microesferas sólidas en los sistemas reflectores para las pistas mientras se usan frecuentemente las microesferas huecas para fabricar partes automotivas con su baja densidad, alta resistencia a la compresión, y buenas propiedades calóricas y aislamiento acústico. Se puede utilizar también los boratos en la fabricación de cristales ópticos, vidrio artístico, lentes, prismas, vidrios de protección de espacios, espejos telescópicos, vidrio opalino y productos de comunicaciones ópticos.(Etimine, 2015)
El bórax tiene muchos usos domésticos, por ejemplo; como ablandador del agua: Llamamos agua "dura" si contiene una gran cantidad de calcio, magnesio y otros minerales. El agua subterránea adquiere estos metales disolviéndolos del suelo circundante. El agua dura reduce la capacidad de jabón para hacer espuma, ya sea en la ducha, fregadero, lavavajillas o la lavadora, y reacciona con el jabón para formar una espuma pegajosa. Puede combatir agua dura de varias maneras, incluyendo el filtrado por destilación u osmosis inversa, la adición de un suavizante químico envasados tales como bórax en polvo o de sosa comercial. Es así que un ablandador de agua elimina el problema (minerales en el agua). Agua ablandadores operan en un principio simple: iones calcio y magnesio en los lugares del interruptor de agua con iones más deseables, por lo general 4
de sodio. El intercambio elimina tanto de los problemas de agua dura porque el sodio no precipita en tuberías o reaccionar mal con jabón. La sustitución de iones se lleva a cabo dentro de un tanque lleno de pequeñas perlas de poliestireno, también conocido como resina o zeolita. Las perlas cargadas negativamente se unen a los iones de sodio cargados positivamente. A medida que el agua fluye más allá de las perlas, los iones de sodio intercambiar lugares con los iones calcio y magnesio, que llevan una carga positiva más fuerte. El bórax es conocido por evitar que la cal (todas las formas físicas en las que puede aparecer el óxido de calcio), Interactue con el jabón, lo cual ayuda a generar la espuma. Se utiliza como un refuerzo del detergente para lavar la ropa ordinaria (Ravelo, 2012).
El galio se utiliza en termómetros de alta temperatura, pirómetros. Un pirómetro, dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados celsius. El rango de temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados celsius hasta +4000 grados celsius. Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones. Para medir la temperatura de un metal incandescente, se observa éste a través del pirómetro, y se gira un anillo para ajustar la temperatura de un filamento incandescente proyectado en el campo de visión. Cuando el color del filamento es idéntico al del metal, se puede leer la temperatura en una escala según el ajuste del color del filamento (Press, 2016).
Explicar la hidrólisis de diborano mediante fórmulas desarrolladas El B2H6 es un ácido de Lewis y el mecanismo de esta reacción de hidrólisis implica la coordinación de H 2O que actúa como una base de Lewis. El hidrogeno molecular se forma entonces como resultado de la combinación del átomo de H parcialmente cargado de manera positiva unida al O con el átomo de H parcialmente negativo unido al B. los productos formados del hidrólisis es el ácido bórico e H2 (Press, 2016).
EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS a) Escriba una ecuación para la reacción entre LiBH 4 y el propeno con una estequiometria 1:1 en éter como disolvente y otra ecuación, pero ahora con cloruro de amonio en THF con la misma estequiometria. Reacción de alcoximercurización-desmercurización del propeno LiBH
(Wade, 2011)
5
b) Dados NaBH4 un hidrocarburo de su elección, agentes auxiliares y disolventes apropiados, plantee fórmulas, reacciones y condiciones para la síntesis de: a. B(C2H5)3 Por reacción del trifluoruro de boro con compuestos de Grignard alifáticos o aromáticos BF + C HMgCl → B(C H ) + 3MgFCl
(Wolfgang, 1987)
c) Dé una ecuación química balanceada para la oxidación de pentaborano (9) en aire: 2B H() + 12O() → 5B O + 9H O()
d) Describa las probables desventajas, distintas del costo, para el uso del pentaborano como combustible para un motor de combustión interna.
Al ser no renovable, sus reservas disminuirán y su precio se encarecerá. Es contaminante y contribuye al efecto invernadero y lluvia ácida. Su manipulación es peligrosa. Son termodinámicamente inestables.
Ejercicios complementarios N° 2 Escriba y justifique balanceados para reacciones viables entre: a) Reacción entre BCl 3 y etanol BCl + 3 C H OH ⟶ B (C HO) + 3 HCl
b) Reacción entre BCl 3 y piridina dbus
BCl + 2C H N
Cl B(C H N)
Esta es una reacción de síntesis, en donde el tricloruro de boro va a formar un complejo junto con la piridina.
c) Reacción entre BBr 3 y F3BN (CH3)3 BBr + F BN(CH ) → B(CH ) + F BNBr
Esta es una reacción de doble desplazamiento, en donde el boro del compuesto de tribromuro de boro va a reaccionar con el metano del complejo
Arregle las siguientes especies en orden creciente de acidez de Lewis: BF 3, BCl3, AlCl3. AlCl3 > BCl3 > BF3 6
Reacción entre BF 3N (CH3)3 + BCl3 F B − N (CH ) + BCl ⟶ Cl B − N (CH ) + BF
Reacción entre BH 3CO + BBr3 BH CO + BBr ⟶ no hay reacción
No existe reacción debido a que BH 3 es más débil que BBr 3 y el CO es una base débil
¿Cuántos electrones están presentes en el esqueleto del B 5H9? Cinco unidades BH contribuyen 5x2=10 electrones, y los cuatro átomos de H adicionales contribuyen con otros ocho (n+4), totalizando 18 electrones. Los nueve pares resultantes se distribuyen así; en cinco se establecen los enlaces B-H terminales adicionales, cuatro para los cuatro puentes B-H-B.
Estructuras cristalinas
Corindón (Al2O3)
O2-: empaquetamiento hcp → 6 iones/celdilla Al3+: 2/3 h.o. (ELECTRONEUTRALIDAD) I.C. (Al3+): 6; I.C.(O2-): 6 Cerámicas que adoptan este tipo estructural: Cr 2O3, α-Fe2O 3,
(Flint, 2008)
7
Rubí: El rubí es una variedad del corindón (óxido de aluminio Al 2O3) con una pequeña fracción de los iones Al +3 remplazados por iones Cr +3. Encontrándose cada ion Cr +3, al igual que el Al+3, coordinado a seis iones O 2 adoptando una geometría octaédrica, ya que ésta es la más estable si nos fijamos en la teoría del campo cristalino, con una energía de estabilización del campo cristalino: EECC = - 1.2 ∆0 (Dana, 2010)
Esmeralda: Cr +3 reemplaza Al+3, en sitios octaédricos verde del berilo, un mineral ciclosilicato de berilio y aluminio de fórmula química Be3Al2(SiO3)6, que contiene además pequeñas cantidades de cromo y, en algunos casos, vanadio, que le proporcionan su característico color verde (Vasquez, 2003).
8
Zafiro: La mayor cantidad del zafiro es la alúmina o corindón, como los rubíes, pero unos pares de iones Al +3, son reemplazados por un ion Fe +2 y Ti +4. Cuando la luz ataca al zafiro, la energía es absorbida y un electrón se mueve del Fe +2 al Ti+4, esto es llamado una transición de intervalencia, esta es la responsable también el color azul de la aguamarina, en la cual lo iones adyacentes del Al +3 en el berilo son reemplazados por iones de tipo Fe +2 y Fe+3 (Muedra, 2009).
Bibliografía Chemsystem. (2009). Obtenido de Chemsystem: http://web.archive.org/web/20110715025548/http://www.chemsystems.com/rep orts/search/docs/abstracts/0607_4_abs.pdf Chemtube3d . (23 de 10 de 2016). Obtenido de Chemtube3d: http://www.chemtube3d.com/gallery/structurepages/ZrBH44.html Dana, E. y. (2010). Tratado de Mineralogía. México: Continental S.A. Etimine. (2015). Usos de Boro en los Fibra de Vidrio y Vidrios. Recuperado el 22 de Octubre de 2016, de http://www.etimineusa.com/es/applications-usos-de-boroen-los-fibra-de-vidrio-y-vidrios-vspecializados Flint, B. (2008). Principios de Cristalografía. Moscú: Editorial PAZ. Gillespie, R. J., & Beltrán, A. (2000). Química, Volumen 2. Rverte. Gómez, G. (2003). Corindón. Recuperado el 22 de Octubre de 2016, de http://basica.primariatic.sep.gob.mx/descargas/colecciones/proyectos/red_escola r/publi_rocas/corindon.htm Grandanatural. (2011). Corión var. Zafiro. Recuperado el 22 de Octubre de 2016, de http://www.granadanatural.com/ficha_minerales.php?cod=211
9
López, M. (2011). Universidad de Palermo. Recuperado el 22 de Octubre de 2016, de La electrólisis, un proceso básico para la vida moderna: http://www.palermo.edu/ingenieria/downloads/CyT7/7CyT%2011.pdf Muedra, V. (2009). Manual de Cristalografía. Madrid: S.J. Payno, M., & Marquínez, J. (2013). Universidad de Cantabria. Recuperado el 22 de Octubre de 2016, de Metalurgia y Siderurgia: http://ocw.unican.es/ensenanzastecnicas/metalurgia-y-siderurgia/materiales/Bloque%203.1%20aluminio.pdf Press, T. (2016). Recuperado el 19 de Noviembre de 2016, de https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=5587252 Quimitube. (2013). Por qué el vidrio de laboratorio no explota el el horno? Recuperado el 22 de Octubre de 2016, de http://www.quimitube.com/por-que-el-vidrio-delaboratorio-no-explota-en-el-horno-borosilicato Ravelo, B. (25 de Junio de 2012). Adsorcion de boro del agua. Recuperado el 19 de Noviembre de 2016, de http://upcommons.upc.edu/handle/2099.1/16358 Sanchez, L. (2010). Química de los minerales. Recuperado el 22 de Octubre de 2016, de El Rubí: http://qumic-mineral-inorg.blogspot.com/2010/05/el-rubi.html Sande Abrasives. (2014). Piedras de esmeril. Recuperado el 22 de Octubre de 2016, de http://grindingmaterial.es/3-grinding-wheel.html Vasquez, H. (2003). Mineralogía General. Lima: Universidad de Lima. Wade, L. (2011). Quimica Orgánica. México: Pearson. Wolfgang, W. (1987). Manual de química orgánica. Barcelona: Reverte.
10
