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Resumen De La Química De Los Metales De Transición


Enviado por   •  6 de Mayo de 2014  •  Ensayos  •  1.973 Palabras (8 Páginas)  •  299 Visitas

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RESUMEN DE LA QUÍMICA DE LOS METALES DE TRANSICIÓN

Todos los metales de transición son duros (excepto los del grupo 11) y tienen muy altos

puntos de fusión. En efecto, 10 de los metales tienen puntos de fusión por encima de los 2000

ºC y 3 por encima de los 3000 ºC (tántalo, wolframio y renio). Todos los metales de transición

tienen muy altas densidades y la tendencia en esta propiedad es mostrada en la Figura 20.1.

Las densidades crecen desde los elementos de Periodo 4 a los elementos del Periodo 6, siendo

los mayores valores los del osmio e iridio (23 g/cm3

). Químicamente los metales por si mismo

son comparativamente no reactivos. Solo unos pocos metales , tales como el hierro, son

electropositivos y bastante reactivos con ácidos.

Tendencias del Grupo

Para los elementos de los grupos principales existen claras tendencias dentro de cada grupo.

Para los metales de transición, los elementos de los Periodos 5 y 6 muetsran muy fuerte

similitud en su química dentro de un grupo. Esta similitud es un resultado del llenado de los

orbitales 4f en los elementos que quedan entre estas dos filas. Los electrones en estos orbitales

están poco apantallados por los otros elelctrones de los orbitales 6s y 5d. Con la mayor carga

nuclear efectiva, los radios atomicos, covalentes e iónicos de los elelmentos de transición del

Period 6 son reducidos a casi los valores encontrados en el Periodo 5. Esto es conocido como

la contracción lantánida. Este efecto es ilustrado en la Tabla 20.1, donde el radio iónico de los

metales de los Grupos 2 y 5 son comparados. Los radios de los metales del Grupo 2 crecen al

descender en el grupo, mientras que los iones niobio y tántalo tienen idéntico radio. Es la

similitud en el raadio y por tanto (la densidad de carga) lo que determina el gran parecido

entre los miembros de un grupo de los Periodos 5 y 6.

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Existen algunas similitudes superficiales en la química de los elememtos de los periodos 5 y 6

con los elementos del Periodo 4. Por ejemplo, cromo, molibdeno y wolframio forman oxidos

con un númeor de oxidación de +6. Sin embargo, el oxido de cromo(VI), CrO3, es altamente

oxidante, mientras que el oxido de molibdeno (VI), MoO3 y el oxido de wolframio(VI), WO3,

son los oxidos normales de estos metales.

Las limitaciones de tales comparaciones son también ilustradas por los cloruros inferiores del

cromo y wolframio. Cromo forma un compuesto, CrCl2 (entre otros), mientras que el

wolframio forma un aparentemente análogo compuesto, WCl2. El primero comtienen iones

Cr(II) pero el ultimo tiene la composición [W6Cl8]

4+.4Cl-

, con los cationes poliatómicos

conteniendo un cluster de iones wolframio en los vértices de un octaedro y los iones cloruro

en los centros de las caras. La entalpía de formación del teórico W2+.2Cl-

puede ser calculada

como +430 KJ/mol (muy diferente delvalor de –397 KJ/mol para el cloruro de cromo(II)),

proporcionado una razon termodinámica para su no existencia. La diferencia de entalpia es

mayormente debida a la mucho mayor enenrgia de atomización del wolframio (837 KJ/mol)

relativa a la del cromo (397 KJ/mol). Esta alta energía de atomización refleja el fuerte enlace

metal-metal en el Periodo 5 y 6 de los metales de transición. Como un resultado de esto, como

WCl2, muchos compuestos de estos elementos contienen grupos de iones metálicos y son

llamados compuestos cluster.

Los números de oxidación de los metales de transicón son mayores para la proimera mitad de

cada fila que para los ultimos miembros. Los elementos de los Periodos 5 y 6 tienen

comúnmente numeros de oxidación que son ananlogos a los miembros del periodo 4, como se

muestra en la tabla 20.2. Como en los elemtos de los grupos principales, el mayor numero de

oxidación de un metal de transición es encontrado en un óxido. El numero de oxidación +8

del osmio aparece en el oxido de osmio(VIII), OsO4. Como en los metales de los grupos

principales, los metales de transición exhiben varios posibles numeros de oxidación; por

ejemplo, existen varios compuestos de manganeso en loos que el manganeso tiene numeos de

oxidación desde +7 a –1.

Un consistente factor encontrado en cada grupo de metal de transicón es el crecimiento en el

parámetro de desdoblamiento de campo cristalino ∆, desde el perio 4 al Periodo 6. Por

ejemplo en la serie [Co(NH3)6]

3+, [Rh(NH3)6]

3+e [Ir(NH3)6]

3+, el ∆oct tiene los valores de

23000, 34000 y 41000 cm-1, respectivamente. A causa del mayor parámetro de

desdoblamiento cristalino para los metales de los periodos 5 y 6, casi todos los compuestos de

estos elementos son de bajo espin.

Estabilidad comparativa de los estados de oxidación de los metales de transición del

periodo 4

Los metales de transición del Periodo 4 son los mas comunes y de mayor interes industrial.

Además, el diagram de sus propiedades son los mas faciles de comprender. La Figura 20.2 3

sumariza el diagrama de Frost de estos elementos. Titanio metal (estado de oxidación 0) es

fuertemente reductor pero el elemento se hace menos reductor a medidad que se progresa a lo

largo de la fila. Cuando investigamos el cobre, el metal en si mismo es el más estable estado

de oxidación termodinámicamente. Asi que cruzamos la fila, el mayor estado de oxidación se

vueleve el menos favorecido y para el cromo, se hace el mas oxidante. El más estable

termodinámicamente numero de oxidación es el +3 para titanio, vanadio y cromo, mientras

que el dos es favorecido para los otros elemetos. Para el hierro, las estabilidades de los

estados de oxidación +3 y +2 son muy similares. El cobre es unico teniendo un numero de

oxidación estables de +1, pero como se ve del a Figura 20.2, es propicio a la desproporción a

los estaos +2 y 0.

GRUPO 4 : TITANIO, ZIRCONIO Y HAFNIO

El elemento mas usado de este grupo es el titanio. Es el noveno mas abundante elemento en la

corteza terrestre, mientras que zirconio y hafnio de los Periodos 5 y 6 son metales raros.

El titanio duro con color blanci plateado es el menos denso (4.5 g/cm3

) de los metales de

transición. Esta combinación de lata dureza y baja densidad hace de el el metal preferido para

submarinos nucleares, donde el coste es menos importante que el resultado. El metal tiene

mundana aplicación en la alta realización de esqueleto de bicicletas.

El metal puro es difícil de obtener de los mas comunes compuestos de titanio. La Reducción

del oxido de titanio(IV), TiO2, con carbono produce el carburo del metal mas que el metal. La

unica ruta práctica (el proceso Kroll) implica la inicial conversión del oxido de titanio (IV) a

cloruro de titanio(IV) calentando el oxido con carbono y dicloro.

TiO2(s) + 2C(s) + 2Cl2(g)  TiCl4(g) + 2 CO(g)

El cloruro de titanio(IV) es condensado a 137 ºC.

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Se puede utilizar un diagrama de Ellingham para cloruros en orden a examinar las posibles

rutas de formación para este compuesto (Figura 20.3). El carbono es indeseable para la

reducción del cloruro de titanio(IV), poruqe la pendiente de la línea en el diagrama de

Ellingham es opuesta a la requerida, en otras palabras la linea de la energía libre para la

formación del tetracloruro de carbono no cruza a ninguna linea del metal. El hidrógeno es

tambien insatisfactorio, porque solo reduce al cloruro de titanio (IV) por encima de 1700 ºC.

La alternativa es hallar un metal cuya linea metal-metal cloruro que por debajo de la del

cloruro titanio-titanio(IV). La elección del metal reactivo está parcialmente basda en el coste

y parcialmente en el caso de la separación del titanio metal de los otros cloruros del metal y

del exceso del metal reactante. El magnesio es usualmente preferido y a aproximadamente

850 ºC, desplaza al titanio.

TiCl4(g) + 2 Mg(l)  Ti(s) + 2 MgCl2(l)

La masa esponjosa de titanio metal es porosa y el magnesio cloruro y el exceso de magnesio

metal puede ser disuelta solo usando acido diluido. El titanio metal granulado es entonces

fabricado si otra forma es requerida.

Oxido de titanio(IV)

Aunque la producción del titanio metal es vital para la industria de la defensa, las enormes

cantiades de titanio producidas cada año son destinadas para otros inocuos procesos, como

pigmentos. De los 5 millones de toneladas de titanio producidas cada año, Canada

proporciona cerca de un tercio y Australia proporciona la cuarta parte. Aunque el metal es a

menudo encontrado como el dióxido (mineral llamado rutilo) es demasiado impuro para ser

utilizado directamente.

El proceso de purificación implica la conversión del rutilo a cloruro, como en la síntesis del

metal

TiO2(s) + 2C(s) +2 Cl2(g) + calor  TiCl4(g) + 2CO(g)

El cloruro es entonces hecho reaccionar con dioxigeno cerca de 1200 ºC para dar oxido puro

de titanio(IV)

TiCl4(g) + O2(g) + calor  TiO2(s) + 2 Cl2(g)

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El cloro gas es reciclado.

Antes de usar el oxido de titanio(IV) en pinturas, el pigmento comun era el “blanco de

plomo” Pb3(CO3)2(OH)2. A parte de su toxicidad se decoloreaba en la atmosfera de la ciudad

industrial para dar el negro de sulfuro de plomo. El oxido de titanio(IV) que es estable a la

decoloración en aire polucionado ha reeemplazado al blanco de plomo. El oxido de

titanio(IV) no solo tiene la mas baja toxicidad sino tambien el mayor indice refractario de

cualquier blanco o incolora sustancia inorgánica, aun mayor que el diamante. Como resultado

de esta alta habilidad para el escatring de luz el cubre y oculta previas capas de pinturas mas

efectivamente. Ademas de ser usado en pintura blanca es tambien añadido a las pinturas

coloreadas para hacer colores mas palidos y enmascara mejor los colores previos.

Zirconio: Aunque es un metal raro, el zirconio es usado para hacer contenedores para el fuel

nuclear poruqe tiene baja seccion de captura de neutrones, lo que hace que no absorba los

neutrones que propagan los procesos de fisión. Desafortunadamente el hafnio tiene una mayor

seccion de captura; de esta manera es crucial para remover las impurezas de hafnio del

químicamente similar zirconio. Para producir zirconio metálico la mena baddeliyita (oxido de

zirconio(IV), ZrO2, es procesado por un metodo similar al del titanio.

ZrO2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) + calor  ZrCl4(g) + 2 CO(g)

En este estadio el 2% de impureza de hafnio(IV) cloruro, HfCl4, puede ser separado del

cloruro de zirconio(IV), ZrCl4, por sublimación fraccionada. El compuesto de hafnio sublima

a 319 ºC, y el compuesto de zirconio a 331 ºC (la proximidad en las temperaturas de

sublimación muestra la gran similitud entre los elementos. Entonces el cloruro de

zirconio(IV) puro es reducido con magnesio metálico

ZrCl4(g) 2 Mg(l) + calor  Zr(s) + 2 MgCl2(l)

En la forma cristalina de la baddeleyita del oxido de zircio (IV), cada zircion(IV) es rodeado

por siete iones oxido (Figura 20.4a). Por encima de 2300 ºC el compuesto se reordena a un

octa coordinado fluorita estructura (Figura 20.4b), zirconio cúbico, que es un excelente

sustituto del diamante en joyería. Aunque el indice de refracción y la dureza del zirconio

cúbico son menores que las del diamante, su punto de fusión de 2700 ºC lo hace mas

térmicamente estable que el diamante. Por un patentado proceso, el oxido de zirconio (IV)

puede producir una forma fibrosa. Estas sedosas fibras tienen casi uniformes dimensiones: 3

mm de diámetro y 2 a 5 cm de longitud. Ellas pueden ser tejidas a un material que es estable

hasta los 1600 ºC, haciendo paño de zirconio muy util para propósitos de alta temperatura.

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