Capítulo 14 - Patrones periódicos en los grupos principales de elementos:

1. 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

2. ¿Dónde pertenece el hidrógeno? Fig. 14.1

3. 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.

4. 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.

5. Tendencias en las propiedades atómicas, físicas y químicas de los elementos del periodo 2 Tabla 14.1 (pág. 556)

6. Tabla 14.1 Continuación (pág. 557)

7. 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)

8. Energías de red de los cloruros de los grupos 1A(1) y 2A(2) red Fig. 14.2

9. Efecto de la densidad de carga del Li+ sobre una nube electrónica cercana Fig. 14.3

10. 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)

11. 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)

12. 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)

13. 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)

14. 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.

15. 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

16. Tres relaciones diagonales en la tabla periódica Fig. 14.5

17. 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

18. 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

19. 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)

20. 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

21. Fig. 14.7

22. Estructura dimérica del cloruro de aluminio gaseoso Fig. 14.8

23. 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)

24. 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)

25. 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)

26. 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. . .

27. 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).

28. C-C : Etano (C2H6), Benzeno (C6H6), Grafito, Diamante. B-N : Amino-borano (BNH6), Borazina (B3N3H6), Nitruro de boro, Borazón. Fig. 14.9

29. Los dos tipos de enlace covalente en el diborano Enlace puente Enlaces normales Enlaces normales Enlace puente Fig. 14.10

30. El icosaedro de boro y un borano grande Unidad B12 Fig. 14.11

31. (pág. 571)

32. Diagrama de fase del carbono Diamante Líquido Presión (atm) Grafito Temperatura (°C) Fig. 14.12

33. 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

34. 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)

35. 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)

36. 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.

37. 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.

38. El estado de oxidación comparado con el comportamiento metálico Cloruro de plomo(II) Cloruro de estaño(II) Cloruro de estaño(IV) Fig. 14.14

39. Tres de los varios millones de compuestos de carbono orgánicos conocidos Acrilonitrilo Lisina Fig. 14.15

40. El impacto del enlace p, d- en la estructura de la trisililamina Fig. 14.16

41. 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

42. 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

43. Galería. Minerales de silicato: cadena de silicatos Porción del cordón unidad (pág. 578)

44. Galería. Minerales de silicato: Hojas de silicatos (p. 568)

45. Galería. Armazones de silicatos: Cuarzo (pág. 579)

46. Galería: Polímeros de silicona Unidad de cadena repetida Unidad de cadena terminal (pág. 579)

47. Dos alótropos del fósforo Enlaces tensos en P4 Fósforo rojo Fósforo blanco (P4) Fig. 14.19

48. Hidrazina, otro hidruro del nitrógeno (pág. 583)

49. 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)

50. 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)