Resumen De La Química De Los Metales De Transición
Enviado por • 6 de Mayo de 2014 • Ensayos • 1.973 Palabras (8 Páginas) • 299 Visitas
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.
2
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.
4
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)
5
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.
...