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Capítulo 14 - Patrones periódicos en los grupos principales de elementos: Enlace, estructura y reactividad. 14.1 Hidrógeno, el átomo más sencillo 14.2 Tendencias a través de la tabla periódica: los elementos del periodo 2 14.3 Grupo 1A(1): Los metales alcalinos

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Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Capítulo 14 - Patrones periódicos en

los grupos principales de elementos:

Enlace, estructura y reactividad

14.1 Hidrógeno, el átomo más sencillo

14.2 Tendencias a través de la tabla periódica: los elementos del

periodo 2

14.3 Grupo 1A(1): Los metales alcalinos

14.4 Grupo 2A(2): Los metales alcalinotérreos

14.5 Grupo 3A(13): La familia del boro

14.6 Grupo 4A(14): La familia del carbono

14.7 Grupo 5A(15): La familia del nitrógeno

14.8 Grupo 6A(16): La familia del oxígeno

14.9 Grupo 7A(17): Los halógenos

14.10 Grupo 8A(18): Los gases nobles


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

¿Dónde pertenece el hidrógeno?

Fig. 14.1


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Tendencias en los elementos

del periodo 2 (1)

  • Los electrones llenan los orbitales ns y los tres orbitales np conforme

  • al principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund.

  • Por lo regular, el tamaño atómico disminuye, mientras que la primera

  • energía de ionización y la electronegatividad aumentan, como resultado

  • de la creciente carga nuclear y electrones añadidos en el mismo nivel de

  • energía.

  • • El carácter metálico disminuye cuando los elementos cambian de metales

  • a metaloides a no metales.

  • La reactividad general es más alta en los extremos izquierdo y derecho del

  • periodo, excepto para los gases nobles inertes.

  • El enlace entre los átomos de un elemento cambia de metálico a covalente

  • en redes a moléculas individuales a átomos separados.

  • Las propiedades físicas reflejan estos hechos, cambiando drásticamente en

  • el límite de la red/molécula, se observa entre el carbono (sólido) y el

  • nitrógeno (gas) en el periodo 2.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Tendencias en los elementos

del periodo 2 (2)

  • El enlace entre cada elemento y un no metal activo cambia de

  • iónica a polar covalente a covalente. El enlace entre cada elemento

  • y un metal activo cambia de metálico a polar covalente e iónico.

  • El comportamiento ácido-base de los óxidos comunes en agua

  • cambia de básico a anfotérico a ácido a medida que el enlace entre

  • el elemento y el O se vuelve más covalente.

  • La fuerza reductora disminuye a través de los metales, y la fuerza

  • oxidante aumenta a través de los no metales. En el Periodo 2, los

  • números de oxidación (NO) comunes son igual al número grupo A

  • para Li y Be y el número de grupo A menos ocho para O y F. El

  • boron tiene varios NO, el Ne no tiene, y C y N muestran todos los

  • NO posibles para su grupo.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Tendencias en las propiedades atómicas, físicas

y químicas de los elementos del periodo 2

Tabla 14.1

(pág. 556)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Tabla 14.1 Continuación

(pág. 557)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Tabla 14.1 Continuación

Electronegatividad

Primera energía

de ionización

(kJ/mol)

Radio atómico (pm)

1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A

(1) (2) (13) (14) (15) (16) (17) (18)

1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A

(1) (2) (13) (14) (15) (16) (17) (18)

1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A

(1) (2) (13) (14) (15) (16) (17) (18)

(pág. 557)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Energías de red de los cloruros de los grupos

1A(1) y 2A(2)

red

Fig. 14.2


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Efecto de la densidad de carga del Li+ sobre una nube electrónica cercana

Fig. 14.3


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Propiedades basadas en la configuration electrónica ns1

1. Bajo calor de atomización ( Hátomo)

(Energía necesaria para convertir el sólido en átomos gaseosos individuales)

M(s) M(g) Hátomo ( L i > Na > K > Rb > Cs )

2. EI baja y densidad de carga alta

hay una gran disminución de tamaño cuando se pierde el electrón exterior

El vol de Li+ es < 13% del de Li – así los iones M+ son pequeños con

una gran densidad de carga.

3. Alta energía de red

los cationes pequeños pueden acercarse más a los aniones grandes,

liberando grandes cantidades de energía cuando cristalizan

Tendencia – a medida que los cationes se hacen más grandes, la energía

de red se hace más pequeña (menos negativa)

4. Energía dehidratación E+(g) + H2O(l) E+(ac)

– HHidr ( Li+ > Na+ > K+ > Rb+ > Cs+ )

Los iones más pequeños atraen las moléculas de agua lo bastante fuerte

para formar grandesiones hidratados: El Li+(ac) es más grande que Cs+(ac)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de los metales

alcalinos (1)

1. Los metales alcalinos reducen el H del H2O del estado de ox. +1 a cero.

2. Los metales alcalinos reducen el oxígeno, pero el producto depende del

metal. El Li forma el óxido, Li2O; el Na forma el óxido, el peróxido Na2O2;

K, Rb y Cs forman el óxido, el peróxido y el superóxido MO2:

En unidades de urgencias respiratorias, el KO2 reacciona con H2O y el CO2

del aire exhalado para liberar gas O2.

2 M(s) + 2 H2O(l) 2 M+(ac) + H2 (g)

4 Li(s) + O2 (g) 2 Li2O(s)

2 Na(s) + O2 (g) Na2O2 (s)

K(s) + O2 (g) KO2 (s)

4 KO2 (s) + 2 CO2 (g) 2 K2CO3 (s) + 3 O2 (g)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de los metales alcalinos (2)

3. Los metales alcalinos reducen el hidrógeno para formar hidruros iónicos

(tipo sales):

El NaH es una base industrial y agente reductor que se utiliza para preparar

otros agentes reductores, como NaBH4.

4.Los metales alcalinos reducen halógenos para formar haluros iónicos:

5. El cloruro de sodio es el haluro de alquilo más importante.

a) en el proceso Downs para la producción de sodio metálico, por

electrólisis de NaCl fundido:

2 M(s) + H2 (g) 2 MH(s)

2 M(s) + X2(–) 2 MX(s) ( X = F, Cl, Br, I)

electricidad

2 NaCl(L) 2 Na(L) + Cl2 (g)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de los metales

alcalinos (3)

5. Continuación.

b) En el proceso clor-álcali, el NaCl(ac) se electroliza para formar algunas

sustancias químicas industriales importantes :

c) En su reacción con ácido sulfúrico, el NaCl forma dos productos

principales:

El sulfato de sodio es importante en la industria del papel; el HCl es

primordial en la producción de acero, plásticos, textiles y alimentos.

6. El hidróxido de sodio se usa en la producción de soluciones blanqueadoras:

7. En un proceso de intercambio iónico, el agua se “ablanda” cuando el Na+

es desplazado por los iones (M2 +) del “agua dura”:

electricidad

2 NaCl(ac) + 2 H2O(l) 2 NaOH(ac) + H2 (g) + Cl2 (g)

2 NaCl(s) + H2SO4 (ac) Na2SO4 (ac) + 2 HCl(g)

2 NaOH(ac) + Cl2 (g) NaClO(ac) + NaCl(ac) + H2O(l)

Mg2+(ac) + Na2(resina)(s) Mg(resina)(s) + 2 Na+(ac)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de los metales

alcalinos (4)

1. El cloruro de litio y bromuro de litio, LiCl y LiBr. Como el ion Li+

es muy pequeño, las sales de Li tienen alta afinidad por el H2O y

producen calor de solución positivo. Así, se utilizan como

deshumidificadores y en unidades de aire acondicionado.

2. El carbonato de litio, Li2CO3. Se utiliza para hacer esmaltes de porcelana

y vidrios duros y como medicamento en el tratamiento de desórdenes

maniaco-depresivos.

3. El cloruro de sodio, NaCl. Millones de toneladas se usan en la producción

industrial de Na, NaOH, Na2CO3/NaHCO3, Na2SO4, HCl, y se purifica

para usarse como sal de mesa.

4. El carbonato de sodio y bicarbonato de sodio, Na2CO3 y NaHCO3. El

carbonato se usa como base industrial y para fabricar vidrio. El carbonato

ácido, que libera CO2 a bajas temperaturas (50o a 100o C), se emplea en

los polvos para hornear y en los extintores de fuego.

5. El hidróxido de sodio, NaOH, es la base industrial más importante; se usa

para fabricar blanqueadores, fosfatos de sodio y alcoholes.

6. El nitrato de potasio, KNO3, poderoso agente oxidante usado en armas de

fuego y fuegos artificiales.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Superación de la deficiencia electrónica en el cloruro de berilio

A. A temperaturas altas, el BeCl2 se encuentra como molécula gaseosa con sólo cuatro electrones alrededor de Be.

B. En el estado sólido, el BeCl2 se encuentra en cadenas largas con cada Cl puenteando dos átomos de Be, lo que da a cada Be un octeto.

Fig. 14.4


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Tres relaciones diagonales en la tabla periódica

Fig. 14.5


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

A partir del grupo 2A(2), se mira hacia atrás

el grupo 1A(1) y hacia adelante el 3A(13)

Periodo

Grupo

Fig. 14.6


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de los metales

alcalinotérreos (1)

1. Los metales reducen el O2 para formar óxidos:

El bario también forma el peróxido BaO(s).

2. Los metales de peso atómico superior reducen el agua para formar

gas hidrógeno:

Be y Mg forman una cubierta de óxido adherente que permite sólo

una leve reacción.

3. Los metales reducen los halógenos para formar haluros iónicos:

4. La mayoría de los metales reducen el hidrógeno para formar hidruros

iónicos.

2 M(s) + O2 (g) 2 MO(s)

M(s) + 2 H2O(l) M(OH)2 (ac) + H2 (g)

M = Ca, Sr y Ba

M(s) + X2(-) MX2 (s) X = F, Cl, Br, I

M(s) + H2 (g) MH2 (s) todos menos el Be


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de los metales

alcalinotérreos (2)

5. La mayoría de los metales reducen el nitrógeno para formar nitruros iónicos:

6. Los óxidos son básicos, excepto el BeO anfotérico:

7. Todos los carbonatos experimentan descomposición térmica hacia el óxido:

MCO3 (s) MO(s) + CO2 (g)

Esta reacción se usa para producir CaO (cal) en grandes cantidades de la

piedra caliza que se encuentra en la naturaleza, y fue la reacción que se

utilizó para fabricar el dióxido de carbono para apagar el fuego grafítico en

el reactor de Chernobil.

3 M(s) + N2 (g) M3N2 (s)

todos excepto el Be

MO(s) + H2O(l) M(OH)2 (ac)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de los metales

alcalinotérreos

1. El berilio, Be3Al2Si6O18. Se encuentra como gema con una variedad de

colores. Es químicamente idéntico a la esmeralda, excepto por las trazas

de Cr+3 que dan a la esmeralda el color verde. El Berilio es la fuente

industrial de Be metálico.

2. El óxido de magnesio, MgO. A causa de su alto punto de fusión (2852oC),

se usa como material refractario para los hornos de ladrillo y aislante de

cables.

3. Los haluros de alquilmagnesio, RMgX (R = grupo hidrocarburo;

X = halógeno). Estos compuestos, denominados reactivos de Grignard, se

usan para sintetizar muchos compuestos orgánicos. El organoestaño es un

fungicida agrícola fabricado por el tratamiento de RMgX con SnCl4.

4. El carbonato de calcio, CaCO3. Se encuentra en enormes depósitos naturales

de piedra caliza, mármol, gis y coral. Se usa como material de construcción,

para fabricar cal, y en alta pureza, como abrasivo de la pasta dental y como

antiácido.

3 RMgCl + SnCl4 3MgCl2 + R3SnCl


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Fig. 14.7


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Estructura dimérica del cloruro de aluminio gaseoso

Fig. 14.8


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de los elementosdel grupo del boro (1)

1. Los elementos reaccionan lentamente, si acaso, con agua:

2. Cuando se calientan fuertemente en O2 puro, todos los miembros forman

óxidos:

La acidez del óxido disminuye al bajar en el grupo:

B2O3 (débilmente ácido) > Al2O3 > Ga2O3 > In2O3 > Tl2O (fuertemente básico)

para Tl, el óxido +1 es más básico que el óxido +3.

2 Ga(s) + 6 H2O(caliente) 2 Ga3+(ac) + 6 OH–(ac) + 3 H2 (g)

2 Tl(s) + 2 H2O(vapor) 2Tl+(ac) + 2 OH–(ac) + H2 (g)

4 M(s) + 3 O2 (g) 2 M2O3 (s) M = B, Al, Ga, In

4 Tl(s) + O2 (g) 2 Tl2O(s)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de los elementos del grupo del boro (2)

3. Todos los miembros se reducen a halógenos (X2) :

LosBX3 son moléculas covalentes volátiles. Los trihaluros de Al, Ga e

In son (mayormente) sólidos iónicos, pero se encuientran como dímeros

covalentes en fase gaseosa; en esta forma, el átomo 3A alcanza a llenar

un nivel exterior.

4. El tratamiento ácido de of Al2O3 es importante en la purificación del agua:

2 Al2O3 (s) + 3 H2SO4 (l) Al2(SO4)3 (s) + 4 H2O(l)

En agua, el Al2(SO4)3 y el CaO forman un coloide que ayuda a la

separación de partículas suspendidas.

2 M(s) + 3X2 (–) 2 MX3 (–) (M = B, Al, Ga, In)

2 Tl(s) + X2 (–) 2 TlX(s)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de los elementos del grupo del boro (3)

  • La reacción total en la producción de metal aluminio es un proceso

  • redox:

  • Este proceso electroquímico se realiza en presencia de criolita

  • (Na3AlF6), que disminuye el punto de fusión de la mezcla de

  • reactantes y toma parte en el cambio.

  • Una reacción de desplazamiento produce arseniuro de galio, GaAs:

2 Al2O3 (s) + 3 C(s) 4 Al(s) + 3 CO2 (g)

(CH3)3Ga(g) + AsH3 (g) 3 CH4 (g) + GaAs(s)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de los elementos

del grupo del boro (1)

  • El óxido de boro, B2O3, se usa en la producción de vidrio de borosilicato.

  • El bórax, Na2[B4O5(OH)4] 8H2O. Fuente mineral principal de compuestos

  • de boro y B2O3. Se usa como material aislante a prueba de fuego y como

  • polvo para lavar (20-Mule Team Borax).

  • 3. El ácido bórico, H3BO3 [o B(OH)3]. Se usa como desinfectante externo,

  • para lavados oculares y como insecticida.

  • El diborano, B2H6. Poderoso reductor, con posible uso como combustible

  • de cohetes. Se utiliza para sintetizar boranos superiores, compuestos que

  • permiten nuevas teorías del enlace químico.

  • El sulfato de aluminio (alumbre), Al2(SO4)3 18H2O. Se utiliza en la

  • purificación de agua, curtido de cueros y como antitranspirante.

.

.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de los elementos

del grupo del boro (2)

6. El óxido de aluminio, Al2O3. El compuesto principal en fuentes

naturales (bauxita) de Al metálico. Se usa como abrasivo en lijas,

enarenado y herramientas de corte y pastas dentales. Cristales

grandes con impurezas del ion del metal a menudo con la calidad de

una gema. Soporte inerte para cromatografía. En su forma fibrosa,

se teje en telas resistentes al calor; también se utiliza para reforzar

cerámicas y metales.

7. Tl2Ba2Ca2Cu3O10. Se convierte en un superconductor a altas

temperaturas a 125 K, que alcanza fácilmente con nitrógeno líquido

(77K).


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

C-C : Etano (C2H6), Benzeno (C6H6), Grafito, Diamante.

B-N : Amino-borano (BNH6), Borazina (B3N3H6), Nitruro de boro, Borazón.

Fig. 14.9


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Los dos tipos de enlace covalente

en el diborano

Enlace puente

Enlaces normales

Enlaces normales

Enlace puente

Fig. 14.10


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

El icosaedro de boro

y un borano grande

Unidad B12

Fig. 14.11


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

(pág. 571)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Diagrama de fase del carbono

Diamante

Líquido

Presión (atm)

Grafito

Temperatura (°C)

Fig. 14.12


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de la familia

del carbón (1)

1. Los halógenos oxidan a los elementos:

Los haluros +2 son más estables para el estaño y el plomo, SnX2 y

PbX2.

2. Los elementos son oxidados por O2:

El Pb forma el óxido +2, PbO. Los óxidos se convierten en más

básicos al bajar en el grupo. La reacción de CO2 y agua genera la

débil acidez de las aguas naturales sin contaminar:

M(s) + 2 X2(–) MX4(–) (M = C, Si, Ge)

M(s) + O2(g) MO2(–) (M = C, Si, Ge, Sn)

CO2(g) + H2O(l) [H2CO3(ac)] H+(ac) + HCO3–(ac)

ácido carbónico


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de la familia

del carbón (2)

3. El aire y el vapor pasan a través de coque caliente que produce

mezclas de combustible gaseoso (produce gas y agua gaseosa):

4. Los hidrocarburos reaccionan con O2 para formar CO2 y H2O. La

reacción para el metano se adapta para producir calor o electricidad:

El gas se utiliza para preparar otros compuestos orgánicos y como

combustible en las fundiciones.

C(s) + aire(g) + H2O(g) CO(g) + CO2(g) + N2(g) + H2(g)

(sin balancear)

CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de la familia

del carbón (3)

6. Los freones (clorofluorocarbonos) se forman al fluorar el tetracloruro de carbono:

La produción de triclorofluorometano (Freón-11), el principal refrigerante en el mundo, está siendo eliminada por sus efectos severos sobre el ambiente, la destrucción de ozono en la estratósfera.

7. El sílice se reduce para formar silicio elemental:

Este silicio crudo se hace ultrapuro a través de la refinación de zona para la fabricación de chips de computadoras.

CCl4(l) + HF(g) CFCl3 (g) + HCl(g)

SiO2(s) + 2 C(s) Si(s) + 2 CO(g)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de la familia

del carbón (1)

  • El monóxido de carbono, CO. Se usa como combustible gaseoso, como

  • precursor de compuestos orgánicos de un carbono, y como reactivo en

  • la purificación de níquel. Se forma por la combustión interna de máquinas

  • y se libera como contaminante tóxico del aire.

  • El dióxido de carbono, CO2. Componente atmosférico usado por las plantas

  • fotosintéticas para elaborar carbohidratos y O2. El producto de oxidación

  • final de todos los combustibles con base en C; su aumento en la atmósfera

  • ha contribuido al calentamiento global. Se usa en la industria como gas

  • refrigerante, el gas blanco en los extintores de fuego, y gase efervescente

  • en las bebidas. Se combina con NH3 para formar urea para fertilizantes y

  • para la fabricación de plásticos.

  • El metano, CH4. Se usa como combustible y en la producción de muchos

  • compuestos orgánicos. Componente principal del gas natural. Formado por

  • la descomposición anaeróbica de plantas (gas de pantano) y por microbios

  • de las termitas y ciertos mamíferos. Puede contribuir al calentamiento global.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de la familia

del carbón (2)

4. El dióxido de silicio, SiO2. Se encuentra en muchas formas amorfas (vidrio)

y cristalinas, y el cuarzo es el más común. Se utiliza para fabricar vidrio y

como material de soporte inerte en cromatografía..

5. El carburo de silicio, SiC. Conocido como carborundo, abrasivo importante

y una cerámica altamente refractaria, para usos a altas temperaturas. Puede

doparse para formar semiconductores de alta temperatura.

6. Compuestos de organoestaño, R4Sn. Se usa para estabilizar el plástico PVC

(cloruro de polivinilo) y para curar las gomas de silicona. Como biocida

para insectos, hongos y maleza en agricultura.

7. El tetraetilo de plomo (C2H5)4Pb. En alguna ocasión utilizado como aditivo

para mejorar la eficiencia del combustible, pero se eliminó a causa de su

inactivación de los convertidores catalíticos automotrices. Es la fuente

principal de plomo como contaminante tóxico del aire.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

El estado de oxidación comparado con el comportamiento metálico

Cloruro de plomo(II)

Cloruro de estaño(II)

Cloruro de estaño(IV)

Fig. 14.14


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Tres de los varios millones de compuestos de carbono orgánicos conocidos

Acrilonitrilo

Lisina

Fig. 14.15


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

El impacto del enlace p, d- en la estructura de la trisililamina

Fig. 14.16


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Estructuras de los aniones silicato en algunos minerales

Ion silicato en el zircón

Ion silicato en la hemimorfita

Ion silicato en el beril

Fig. 14.17


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

A partir del grupo 4A(14), se mira hacia atrás

al grupo 3A(13) y hacia adelante al 5A(15)

Periodo

Grupo

Fig. 14.18


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Galería. Minerales de silicato:

cadena de silicatos

Porción del cordón

unidad

(pág. 578)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Galería. Minerales de silicato: Hojas de silicatos

(p. 568)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Galería. Armazones de silicatos: Cuarzo

(pág. 579)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Galería: Polímeros de silicona

Unidad de cadena repetida

Unidad de cadena terminal

(pág. 579)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Dos alótropos del fósforo

Enlaces tensos en P4

Fósforo rojo

Fósforo blanco (P4)

Fig. 14.19


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Hidrazina,

otro hidruro

del nitrógeno

(pág. 583)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de la familia del nitrógeno (1)

1. El nitrógeno se “fija” industrialmente en el proceso Haber:

Otras reacciones convierten el NH3 a NO, NO2, y HNO3. Algunos otros

grupos de hidruros se forman a partir de la reacción en agua (o H3O+) de

un fosfuro metálico, arseniuro y otros:

2. Los haluros se forman por la combinación directa de los elementos:

3. Los oxiácidos se forman del haluro en una reacción con agua que es común

para muchos haluros no metálicos:

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)

Ca3P2 (s) + 6 H2O(l) 2 PH3 (g) + 3 Ca(OH)2 (ac)

2 M(s) + 3X2 (–) 2 MX3 (–) (M = todos excepto N)

MX3 (–) + X2 (–) MX5 (–) (M = todos excepto N y Bi)

MX3 (-) + 3 H2O(l) H3MO3 (ac) + 3 HX(ac)

( M = todos excepto N)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de la familia del nitrógeno (2)

3. continuación:

Note que el número de oxidación del elemento no cambia.

4. Los iones fosfato se deshidratan para formar polifosfatos:

5. Cuando el P4 reacciona en solución básica, el estado de oxidación

disminuye y aumenta:

Reacciones semejantes son comunes de muchos no metales, como el S8 y X2.

MX5 (–) + 4 H2O(l) H3MO4 (ac) + 5 HX(ac)

M = todos excepto N y Bi)

3 NaH2PO4 (s) Na3P3O9 (s) + 3 H2O(g)

P4 (s) + 3 OH–(ac) + 3 H2O(l) PH3 (g) + 3 H2PO2–(ac)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

(pág. 586)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de la familia

del nitrógeno (1)

1. El amoniaco, NH3. Primera sustancia que se forma cuando se utiliza N2

atmosférico para preparar compuestos que contienen N. Una producción de

multimillones de toneladas anuales para su uso en fertilizantes, explosivos,

rayón y polímeros como el nailon, resinas urea-formaldehído y acrílicos.

2. La hidrazina, N2H4. El otro hidruro del nitrógeno. Se usa en cohetes como

propelente, y en la fabricación del medicamento antituberculina.

3. El óxido nítrico (NO), dióxido de nitrógeno (NO2) y ácido nitrico (HNO3).

Los óxidos son intermediarios en la producción de HNO3. El ácido se usa

en la fabricación de fertilizantes, la producción de nailon, el grabado de

metales y la industria de los explosivos.

4. Los aminoácidos, H3N+–CH(R)–COO– (R = uno de los 20 diferentes grupos

orgánicos). Se encuentran en cada organismo, libres y unidos como

proteínas. Son esenciales para el crecimiento y función de todas las células.

Los aminoácidos se utilizan como complementos alimenticios.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de la familia

del nitrógeno (2)

5. El tricloruro de fósforo, PCl3. Se usa para formar múltiples compuestos

orgánicos de fósforo, incluyendo aceites y aditivos de combustibles,

plastificantes, pirorretardantes e insecticidas. También se emplea en la

preparación de PCl5, POCl3, y otros compuestos importantes que

contienen P.

6. El decaóxido de tetrafósforo (P4O10) y el ácido fosfórico (H3PO4).

Muchos usos, y tal vez las sustancias químicas de P más importantes.

7. El trifosfato de sodio, Na5P3O10. Como agente suavizante del agua

(Calgon); se combina con los iones y Ca2+ del agua dura, evitando que

reaccionen con los aniones del jabón, mejorando así la acción limpiadora.

De uso restringido en Estados Unidos porque contamina los lagos y ríos

al causar un crecimiento excesivo de las algas.

8. El trifosfato de adenosina (ATP) y otros biofosfatos. El ATP actúa en la

transferencia de energía química en la célula; necesario para todos los

procesos biológicos que requieren energía. Los grupos fosfato se

encuentran en azúcares, grasas, proteínas y ácidos nucleicos.

9. Subsalicilato de bismuto, BiO(C7H5O3). El material en Pepto-Bismol.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Formación del esmog fotoquímico

Hidrocarburos

Concentración (ppm)

Medio

día

Hora del día

Fig. 14.20


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Ácido nitroso

Ácido nítrico

Las estructuras de los ácidos nítrico y nitroso y sus oxianiones

Ion nitrato

Ion nitrito

Fig. 14.21


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Óxidos importantes del fósforo

Fig. 14.22


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

La ionización y neutralización del ácido fosfórico paso a paso

H3PO4 (ac) + H2O(l) H2PO4- (ac) + H3O+(ac)

H2PO4-(ac) + H2O(l) HPO4-2(ac) + H3O+(ac)

HPO4-2(ac) + H2O(l) PO4-3(ac) + H3O+(ac)

H3PO4 (ac) + 3 H2O(l) PO4-3(ac) + 3 H3O+(ac)

H3PO4 (ac) + NaOH(ac) NaH2PO4 (ac) + H2O(l)

NaH2PO4 (ac) + NaOH(ac) Na2HPO4 (ac) + H2O(l)

Na2HPO4 (ac) + NaOH(ac) Na3PO4 (ac) + H2O(l)

H3PO4 (ac) + 3 NaOH(ac) Na3PO4 (ac) + 3 H2O(l)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Ion difosfato y polifosfatos

Cadena de polifosfatos

Fig. 14.23


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de la familia del oxígeno (1)

1. Los haluros se forman por combinación directa:

2. Los demás elementos del grupo se oxidan con O2:

El SO2 se puede oxidar más, y el producto se utiliza en el paso

final de la fabricación de H2SO4.

M(s) + X2 (g) diversos haluros

(M = S, Se, Te ; X = F, Cl)

M(s) + O2 (g) MO2 (–) (M = S, Se, Te, Po)

2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g)

SO3 (g) + H2O(l) H2SO4 (ac)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de la familia

del oxígeno (2)

3. El azufre se recupera cuando se oxida el sulfuro de hidrógeno:

Se utiliza esta reacción para obtener azufre cuando no se dispone

de depósitos naturales.

4. El ion tiosulfato se forma cuando un sulfito alcalino reacciona con

azufre, como en la preparación fotográfica “hipo”:

8 H2S(g) + 4 O2 (g) S8 (s) + 8 H2O(g)

S8 (s) + 8 Na2SO3 (ac) 8 Na2S2O3 (ac)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de la familia

del oxígeno (1)

1. El agua, H2O. El compuesto más importante en la tierra.

2. Peróxido de hidrógeno, H2O2. Se usa como agente oxidante, desinfectante,

blanqueador, y en la producción de compuestos peroxi para polimerización.

3. Sulfuro de hidrógeno, H2S. Gas tóxico de olor repugnante; se forma durante

la descomposición anaeróbica de materia vegetal y animal, en volcanes y

en corrientes termales en la profundidad del mar. Se usa como fuente de

azufre en la fabricación de papel. Las trazas atmosféricas hacen que la plata

se deslustre por la formación de Ag2S negro.

4. Dióxido de azufre, SO2. Gas incoloro, sofocante, que se produce en los

volcanes, o cuando se quema algún compuesto que contiene S (carbón,

petróleo, minerales metálicos de azufre, entre otros). Más de 90% del SO2

que se produce se usa para preparar ácido sulfúrico. También se utiliza

como fumigante y conservador de frutas, jarabes y el vino. Como agente,

reductor elimina el exceso de Cl2 de las aguas residuales de las industrias,

remueve el O2 de los tanques de petróleo, y prepara ClO2 para blanquear

papel. Principal contaminante de la atmósfera en la lluvia ácida.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de la familia

del oxígeno (2)

5. Trióxido de azufre (SO3) y ácido sulfúrico (H2SO4). El SO3 , formado a

partir de SO2 sobre catalizadores de V2O5, luego se convierte en ácido

sulfúrico. Es el ácido fuerte más barato y se utiliza tanto en la idustria que

su nivel de producción es un indicador de la fortaleza económica de una

nación. Agente deshidratante fuerte que elimina agua de cualquier fuente

orgánica

6. Hexafluoruro de azufre, SF6. Gas extremadamente inerte que se utiliza

como aislante eléctrico. También se usa como rastreador atmosférico del

movimiento del aire sobre áreas extremadamente grandes.

O – S – Se – Te – Po


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

La molécula ciclo S8

Modelo de esfera y barras

Modelo de espacio lleno

Fig. 14.24


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Diferencias estructurales entre SF4 y SF6

Tetrafluoruro de azufre (SF4)

Hexafluoruro de azufre (SF6)

Fig. 14.25


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Deshidratación de carbohidratos

por ácido sulfúrico

Fig. 14.26


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Tabla periódica de los elementos

H

He

Elementos que son poliatómicos

en su estado natural

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

Ac

Rf

Du

Sg

Bo

Ha

Me

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Octatómicos ( 8 átomos

por molécula)

Diatómicos

Tetratómicos ( 4 átomos

por molécula)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

A partir del grupo 6A(16), se mira hacia atrás

el grupo 5A(15) y hacia adelante el 7A(17)

Periodo

Grupo

Fig. 14.28


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Energías de enlace y longitudes

de enlace de los halógenos

Fig. 14.29


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

La habilidad oxidante relativa de

los halógenos: F2 > Cl2 > Br2 > I2

Fig. 14.30


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de los halógenos (1)

1. Los halógenos (X2) oxidan muchos metales y no metales. La

reacción con hidrógeno, aunque no se usa comercialmente para

la producción de HX (excepto para el HCl de alta pureza), es

característica de estos agentes oxidantes fuertes.

2. Los halógenos se desproporcionan en agua:

En bases acuosas, la reacción es completa para formar hipohalitos

y, a mayores temperaturas, halatos; por ejemplo:

X2 (–) + H2 (g) 2 HX(g)

X2 (–) + H2O(l)X =Cl, Br, I HX(ac) + HXO (ac)

3 Cl2 (g) + 6 OH–(ac) ClO3–(ac) + 5 Cl–(ac) + 3 H2O(l)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Reacciones importantes de los halógenos (2)

3. El flúor molecular, F2, se produce electrolíticamente a temperatura

moderada:

Un uso importante del F2 es en la preparación de UF6 para

combustible nuclear.

4. El vidrio (sílice amorfo) se graba con HF:

2HF (como KHF2, una solución de KF en HF) H2 (g) + F2 (g)

SiO2 (s) + 6 HF(g) H2SiF6 (ac) + 2 H2O(l)

F – Cl – Br – I – At


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de los halógenos (1)

1. El flúor espato (fluorita), CaF2. Mineral ampliamente distribuido que se

utiliza como fundente en la fabricación de acero y en la producción de HF.

2. Fluoruro de hidrógeno, HF. Gas incoloro, extremadamente tóxico, se usa

para fabricar F2, compuestos orgánicos de flúor, y polímeros. También se

emplea en la fabricación de aluminio y en el grabado de vidrio.

3. Cloruro de hidrógeno, HCl. Gas extremadamente soluble en agua que

forma el ácido clorhídrico, se encuentra en forma natural en los jugos

gástricos de los mamíferos (el humano produce 1.5 L de HCl 0.1 M diario)

y en gases volcánicos (de la reacción de H2O sobre sal marina). Se obtiene

por la reacción de NaCl y H2SO4, y como producto secundario en la

fabricación de plásticos (PVC). Se usa en el “baño ácido” del acero (para

eliminar los óxidos adheridos) y la producción de jarabes, rayón y plástico.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Compuestos importantes de los halógenos- II

4. El hipoclorito de sodio, NaClO, y el hipoclorito de calcio, Ca(ClO)2.

Agentes oxidantes usados para blanquear la pulpa de madera y textiles,

para desinfectar albercas, alimentos, aguas residuales (también se usó para

desinfectar el Apolo 11 a su regreso de la luna). El blanqueador casero es

5.25% en masa de NaClO en agua.

5. El perclorato de amonio, NH4ClO4. Agente oxidante fuerte que se utiliza en

el programa del transbordador espacial.

6. Yoduro de potasio, KI. El yoduro soluble más común. Aditivo de la sal de

mesa para prevenir enfermedades de la tiroides (bocio). Se usa en análisis

clínicos porque es fácil de oxidar a I2, que da una coloración en el punto

final de una reacción.

7. Bifenilos policlorados, PCB. Mezcla de compuestos orgánicos clorados que

se utilizan como líquidos aislantes no inflamables en transformadores

eléctricos. Su producción se descontinuó por su persistencia en el ambiente,

donde se concentraba en peces, aves y mamíferos, y causaban disturbios

reproductivos y posiblemente cáncer.


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Comportamiento anormal del fluoruro de hidrógeno

P.e. de

X20C

H F

20

HF

H F

H F

0

-20

F H

F H

-40

HI

F H

-60

HCl

( H-F ) 6

HBr

-80

0 50 100 150

Masa molecular


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Formas moleculares de los tipos principales de compuestos interhalógeno

Fig. 14.31


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Fig. 14.32


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

(pág. 603)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

Óxidos, oxiácidos y oxianiones de los halógenos

Producción de dióxido de cloro:

2 NaClO3 (s) + SO2 (g) + H2SO4 (ac) 2 ClO2 (g) + 2 NaHSO4 (ac)

Preparación de heptaóxido de dicloro por condensación de ácido

perclórico:

O3Cl OH + HO ClO3 H2O(l) + O3Cl O ClO3 (l)

Descomposición de cloratos para obtener oxígeno:

2 KClO3 (s) 2 KCl(s) + 3 O2 (g)

Perclorato de amonio y Al utilizados en los detonadores del transbordador

espacial:

10 Al(s) + 6 NH4ClO4 (s) 4 Al2O3 (s) + 12 H2O(g) + 3 N2 (g) + 2 AlCl3 (g)


Cap tulo 14 patrones peri dicos en los grupos principales de elementos

A partir del grupo 8A(18), se mira hacia atrás a los halógenos, grupo 7A(17), y hacia adelante a los metales alcalinos, grupo 1A(1)

Periodo

Grupo

Fig. 14.34


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