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Química 2ed

19.1 Incidencia, preparación y propiedades de los metales de transición y sus compuestos

Química 2ed19.1 Incidencia, preparación y propiedades de los metales de transición y sus compuestos

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Índice
  1. Prefacio
  2. 1 Ideas esenciales
    1. Introducción
    2. 1.1 La química en su contexto
    3. 1.2 Fases y clasificación de la materia
    4. 1.3 Propiedades físicas y químicas
    5. 1.4 Mediciones
    6. 1.5 Incertidumbre, exactitud y precisión de las mediciones
    7. 1.6 Tratamiento matemático de los resultados de las mediciones
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  3. 2 Átomos, moléculas e iones
    1. Introducción
    2. 2.1 Las primeras ideas de la teoría atómica
    3. 2.2 Evolución de la teoría atómica
    4. 2.3 Estructura atómica y simbolismo
    5. 2.4 Fórmulas químicas
    6. 2.5 La tabla periódica
    7. 2.6 Compuestos iónicos y moleculares
    8. 2.7 Nomenclatura química
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  4. 3 Composición de sustancias y soluciones
    1. Introducción
    2. 3.1 La fórmula de masa y el concepto de mol
    3. 3.2 Determinación de fórmulas empíricas y moleculares
    4. 3.3 Molaridad
    5. 3.4 Otras unidades para las concentraciones de las soluciones
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  5. 4 Estequiometría de las reacciones químicas
    1. Introducción
    2. 4.1 Escritura y balance de ecuaciones químicas
    3. 4.2 Clasificación de las reacciones químicas
    4. 4.3 Estequiometría de la reacción
    5. 4.4 Rendimiento de la reacción
    6. 4.5 Análisis químico cuantitativo
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  6. 5 Termoquímica
    1. Introducción
    2. 5.1 Conceptos básicos de energía
    3. 5.2 Calorimetría
    4. 5.3 Entalpía
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  7. 6 Estructura electrónica y propiedades periódicas de los elementos
    1. Introducción
    2. 6.1 Energía electromagnética
    3. 6.2 El modelo de Bohr
    4. 6.3 Desarrollo de la teoría cuántica
    5. 6.4 Estructura electrónica de los átomos (configuraciones de electrones)
    6. 6.5 Variaciones periódicas de las propiedades de los elementos
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  8. 7 Enlace químico y geometría molecular
    1. Introducción
    2. 7.1 Enlace iónico
    3. 7.2 Enlace covalente
    4. 7.3 Símbolos y estructuras de Lewis
    5. 7.4 Cargas formales y resonancia
    6. 7.5 Fuerza de los enlaces iónicos y covalentes
    7. 7.6 Estructura molecular y polaridad
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  9. 8 Teorías avanzadas del enlace covalente
    1. Introducción
    2. 8.1 Teoría de enlace de valencia
    3. 8.2 Orbitales atómicos híbridos
    4. 8.3 Enlaces múltiples
    5. 8.4 Teoría de los orbitales moleculares
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  10. 9 Gases
    1. Introducción
    2. 9.1 Presión del gas
    3. 9.2 Relaciones entre presión, volumen, cantidad y temperatura: la ley de los gases ideales
    4. 9.3 Estequiometría de sustancias gaseosas, mezclas y reacciones
    5. 9.4 Efusión y difusión de los gases
    6. 9.5 La teoría cinético-molecular
    7. 9.6 Comportamiento no ideal de los gases
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  11. 10 Líquidos y sólidos
    1. Introducción
    2. 10.1 Fuerzas intermoleculares
    3. 10.2 Propiedades de los líquidos
    4. 10.3 Transiciones de fase
    5. 10.4 Diagramas de fase
    6. 10.5 El estado sólido de la materia
    7. 10.6 Estructuras de red en los sólidos cristalinos
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  12. 11 Soluciones y coloides
    1. Introducción
    2. 11.1 El proceso de disolución
    3. 11.2 Electrolitos
    4. 11.3 Solubilidad
    5. 11.4 Propiedades coligativas
    6. 11.5 Coloides
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  13. 12 Cinética
    1. Introducción
    2. 12.1 Tasas de reacciones químicas
    3. 12.2 Factores que afectan las tasas de reacción
    4. 12.3 Leyes de velocidad
    5. 12.4 Leyes de tasas integradas
    6. 12.5 Teoría de colisiones
    7. 12.6 Mecanismos de reacción
    8. 12.7 Catálisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  14. 13 Conceptos fundamentales del equilibrio
    1. Introducción
    2. 13.1 Equilibrio químico
    3. 13.2 Constantes de equilibrio
    4. 13.3 Equilibrios cambiantes: el principio de Le Châtelier
    5. 13.4 Cálculos de equilibrio
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  15. 14 Equilibrios ácido-base
    1. Introducción
    2. 14.1 Ácidos y Bases de Brønsted-Lowry
    3. 14.2 pH y pOH
    4. 14.3 Fuerza relativa de los ácidos y las bases
    5. 14.4 Hidrólisis de sales
    6. 14.5 Ácidos polipróticos
    7. 14.6 Tampones
    8. 14.7 Titulaciones ácido-base
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  16. 15 Equilibrios de otras clases de reacción
    1. Introducción
    2. 15.1 Precipitación y disolución
    3. 15.2 Ácidos y Bases de Lewis
    4. 15.3 Equilibrios acoplados
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  17. 16 Termodinámica
    1. Introducción
    2. 16.1 Espontaneidad
    3. 16.2 Entropía
    4. 16.3 La segunda y la tercera ley de la termodinámica
    5. 16.4 Energía libre
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  18. 17 Electroquímica
    1. Introducción
    2. 17.1 Repaso de química redox
    3. 17.2 Celdas galvánicas
    4. 17.3 Potenciales del electrodo y de la celda
    5. 17.4 Potencial, energía libre y equilibrio
    6. 17.5 Baterías y pilas de combustible
    7. 17.6 Corrosión
    8. 17.7 Electrólisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  19. 18 Metales representativos, metaloides y no metales
    1. Introducción
    2. 18.1 Periodicidad
    3. 18.2 Incidencia y preparación de los metales representativos
    4. 18.3 Estructura y propiedades generales de los metaloides
    5. 18.4 Estructura y propiedades generales de los no metales
    6. 18.5 Incidencia, preparación y compuestos de hidrógeno
    7. 18.6 Incidencia, preparación y propiedades de los carbonatos
    8. 18.7 Incidencia, preparación y propiedades del nitrógeno
    9. 18.8 Incidencia, preparación y propiedades del fósforo
    10. 18.9 Incidencia, preparación y compuestos del oxígeno
    11. 18.10 Incidencia, preparación y propiedades del azufre
    12. 18.11 Incidencia, preparación y propiedades de los halógenos
    13. 18.12 Incidencia, preparación y propiedades de los gases nobles
    14. Términos clave
    15. Resumen
    16. Ejercicios
  20. 19 Metales de transición y química de coordinación
    1. Introducción
    2. 19.1 Incidencia, preparación y propiedades de los metales de transición y sus compuestos
    3. 19.2 Química de coordinación de los metales de transición
    4. 19.3 Propiedades espectroscópicas y magnéticas de los compuestos de coordinación
    5. Términos clave
    6. Resumen
    7. Ejercicios
  21. 20 Química orgánica
    1. Introducción
    2. 20.1 Hidrocarburos
    3. 20.2 Alcoholes y éteres
    4. 20.3 Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres
    5. 20.4 Aminas y amidas
    6. Términos clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  22. 21 Química nuclear
    1. Introducción
    2. 21.1 Estructura y estabilidad nuclear
    3. 21.2 Ecuaciones nucleares
    4. 21.3 Decaimiento radiactivo
    5. 21.4 Transmutación y energía nuclear
    6. 21.5 Usos de los radioisótopos
    7. 21.6 Efectos biológicos de la radiación
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  23. A La tabla periódica
  24. B Matemáticas esenciales
  25. C Unidades y factores de conversión
  26. D Constantes físicas fundamentales
  27. E Propiedades del agua
  28. F Composición de los ácidos y las bases comerciales
  29. G Propiedades termodinámicas estándar de determinadas sustancias
  30. H Constantes de ionización de los ácidos débiles
  31. I Constantes de ionización de las bases débiles
  32. J Productos de solubilidad
  33. K Constantes de formación de iones complejos
  34. L Potenciales de electrodos estándar (media celda)
  35. M Semivida de varios isótopos radiactivos
  36. Clave de respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
    17. Capítulo 17
    18. Capítulo 18
    19. Capítulo 19
    20. Capítulo 20
    21. Capítulo 21
  37. Índice

Los metales de transición se definen como aquellos elementos que tienen (o forman fácilmente) orbitales d parcialmente llenos. Como se muestra en la Figura 19.2, los elementos del bloque d de los grupos 3 a 11 son elementos de transición. Los elementos del bloque f, también llamados metales de transición interna (los lantánidos y los actínidos), también cumplen este criterio porque el orbital d está parcialmente ocupado antes que los orbitales f. Los orbitales d se llenan con la familia del cobre (grupo 11); por esta razón, la siguiente familia (grupo 12) no son técnicamente elementos de transición. Sin embargo, los elementos del grupo 12 presentan algunas de las mismas propiedades químicas y suelen incluirse en los debates sobre los metales de transición. Algunos químicos tratan los elementos del grupo 12 como metales de transición.

Se muestra la tabla periódica de los elementos. Las 18 columnas están marcadas como "Grupo" y las 7 filas como "Periodo". Debajo de la tabla de la derecha hay un recuadro marcado como "Código de colores" con diferentes colores para los metales, metaloides y no metales, así como para los sólidos, líquidos y gases. A la izquierda de este cuadro hay una imagen ampliada del cuadro superior izquierdo de la tabla. El número 1 está en su esquina superior izquierda y lleva la marca "Número atómico”. La letra "H" está en el centro en rojo, lo que indica que es un gas. Está marcada como "Símbolo" Debajo de eso está el número 1,008 que está marcado como "Masa Atómica”. Debajo está la palabra hidrógeno, que está marcada como "nombre". El color de la casilla indica que es un no metal. Cada elemento se describirá en este orden: número atómico, nombre, símbolo, si es un metal, un metaloide o un no metal, si es un sólido, un líquido o un gas, y la masa atómica. Comenzando en la parte superior izquierda de la tabla, o periodo 1, grupo 1, hay una casilla que contiene "1, hidrógeno, H, no metal, gas, y 1,008”. Solo hay otra caja de elementos en el periodo 1, el grupo 18, que contiene "2, helio, H e, no metal, gas, y 4,003". El periodo 2, grupo 1 contiene "3, litio, L i, metal, sólido, y 6,94", el grupo 2 contiene "4, berilio, B e, metal, sólido, y 9,012". Los grupos 3 a 12 se saltan y el grupo 13 contiene "5, boro, B, metaloide, sólido, 10,81". El grupo 14 contiene "6, carbono, C, no metal, sólido, 12,01". El grupo 15 contiene "7, nitrógeno, N, no metal, gas, 14,01". El grupo 16 contiene "8, oxígeno, O, no metal, gas, 16,00". El grupo 17 contiene "9, flúor, F, no metal, gas, 19,00". El grupo 18 contiene "10; neón; N e; no metal; gas; y 20,18" El periodo 3, grupo 1 contiene "11, sodio, N a, metal, sólido, 22,99". El grupo 2 contiene "12, magnesio, M g, metal, sólido, y 24,31". Los grupos 3 a 12 se saltan de nuevo en el periodo 3 y el grupo 13 contiene "13, aluminio, A l, metal, sólido, y 26,98”. El grupo 14 contiene "14, silicio, S i, metaloide, sólido, y 28,09”. El grupo 15 contiene "15, fósforo, P, no metal, sólido, y 30,97”. El grupo 16 contiene "16, azufre, S, no metal, sólido, y 32,06”. El grupo 17 contiene "17, cloro, C l, no metal, gas, y 35,45”. El grupo 18 contiene "18, argón, A r, no metal, gas, y 39,95”. El periodo 4, grupo 1 contiene "19, potasio, K, metal, sólido, y 39,10”. El grupo 2 contiene "20, calcio, C a, metal, sólido, y 40,08”. El grupo 3 contiene "21, escandio, S c, metal, sólido, y 44,96”. El grupo 4 contiene "22, titanio, T i, metal, sólido, y 47,87”. El grupo 5 contiene "23, vanadio, V, metal, sólido, y 50,94”. El grupo 6 contiene "24, cromo, C r, metal, sólido, y 52,00”. El grupo 7 contiene "25, manganeso, M n, metal, sólido, y 54,94”. El grupo 8 contiene "26, hierro, F e, metal, sólido, y 55,85”. El grupo 9 contiene "27, cobalto, C o, metal, sólido, y 58,93”. El grupo 10 contiene "28, níquel, N i, metal, sólido, y 58,69”. El grupo 11 contiene "29, cobre, C u, metal, sólido, y 63,55”. El grupo 12 contiene "30, zinc, Z n, metal, sólido, y 65,38”. El grupo 13 contiene "31, galio, G a, metal, sólido, y 69,72”. El grupo 14 contiene "32, germanio, G e, metaloide, sólido, y 72,63”. El grupo 15 contiene "33, arsénico, A s, metaloide, sólido, y 74,92”. El grupo 16 contiene "34, selenio, S e, no metal, sólido, y 78,97”. El grupo 17 contiene "35, bromo, B r, no metal, líquido, y 79,90”. El grupo 18 contiene "36, criptón, K r, no metal, gas, y 83,80". El periodo 5, grupo 1 contiene "37, rubidio, R b, metal, sólido, y 85,47”. El grupo 2 contiene "38, estroncio, S r, metal, sólido, y 87,62”. El grupo 3 contiene "39, itrio, Y, metal, sólido, y 88,91”. El grupo 4 contiene "40, circonio, Z r, metal, sólido, y 91,22”. El grupo 5 contiene "41, niobio, N b, metal, sólido, y 92,91”. El grupo 6 contiene "42, molibdeno, M o, metal, sólido, y 95,95”. El grupo 7 contiene "43, tecnecio, T c, metal, sólido, y 97”. El grupo 8 contiene "44, rutenio, R u, metal, sólido, y 101,1”. El grupo 9 contiene "45, rodio, R h, metal, sólido, y 102,9”. El grupo 10 contiene "46, paladio, P d, metal, sólido, y 106,4”. El grupo 11 contiene "47, plata, A g, metal, sólido, y 107,9”. El grupo 12 contiene "48, cadmio, C d, metal, sólido, y 112,4”. El grupo 13 contiene "49, indio, I n, metal, sólido, y 114,8”. El grupo 14 contiene "50, estaño, S n, metal, sólido, y 118,7”. El grupo 15 contiene "51, antimonio, S b, metaloide, sólido, y 121,8”. El grupo 16 contiene "52, telurio, T e, metaloide, sólido, y 127,6”. El grupo 17 contiene "53, yodo, I, no metal, sólido, y 126,9”. El grupo 18 contiene "54, xenón, X e, no metal, gas, y 131,3”. El periodo 6, grupo 1 contiene "55, cesio, C s, metal, sólido, y 132,9”. El grupo 2 contiene "56, bario, B a, metal, sólido, y 137,3”. El grupo 3 rompe el patrón. El recuadro tiene una gran flecha que señala una fila de elementos debajo de la tabla con números atómicos que van del 57 al 71. En orden secuencial por número atómico, la primera casilla de esta fila contiene "57, lantano, L a, metal, sólido, y 138,9”. A su derecha, el siguiente es "58, cerio, C e, metal, sólido, y 140,1”. El siguiente es "59, praseodimio, P r, metal, sólido, y 140,9”. El siguiente es "60, neodimio, N d, metal, sólido, y 144,2”. El siguiente es "61, prometio, P m, metal, sólido, y 145”. El siguiente es "62, samario, S m, metal, sólido, y 150,4”. El siguiente es "63, europio, E u, metal, sólido, y 152,0”. El siguiente es "64, gadolinio, G d, metal, sólido, y 157,3”. El siguiente es "65, terbio, T b, metal, sólido, y 158,9”. El siguiente es "66, disprosio, D y, metal, sólido, y 162,5”. El siguiente es "67, holmio, H o, metal, sólido, y 164,9”. El siguiente es "68, erbio, E r, metal, sólido, y 167,3”. El siguiente es "69, tulio, T m, metal, sólido, y 168,9”. El siguiente es "70, iterbio, Y b, metal, sólido, y 173,1”. El último de esta fila especial es "71, lutecio, L u, metal, sólido, y 175,0”. Continuando en el periodo 6, el grupo 4 contiene "72, hafnio, H f, metal, sólido, y 178,5”. El grupo 5 contiene "73, tantalio, T a, metal, sólido, y 180,9”. El grupo 6 contiene "74, tungsteno, W, metal, sólido, y 183,8”. El grupo 7 contiene "75, renio, R e, metal, sólido, y 186,2”. El grupo 8 contiene "76, osmio, O s, metal, sólido, y 190,2”. El grupo 9 contiene "77, iridio, I r, metal, sólido, y 192,2”. El grupo 10 contiene "78, platino, P t, metal, sólido, y 195,1”. El grupo 11 contiene "79, oro, A u, metal, sólido, y 197,0”. El grupo 12 contiene "80, mercurio, H g, metal, líquido, y 200,6”. El grupo 13 contiene "81, talio, T l, metal, sólido, y 204,4”. El grupo 14 contiene "82, plomo, P b, metal, sólido, y 207,2”. El grupo 15 contiene "83, bismuto, B i, metal, sólido, y 209,0”. El grupo 16 contiene "84, polonio, P o, metal, sólido, y 209". El grupo 17 contiene "85;, ástato, A t, metaloide, sólido, y 210". El grupo 18 contiene "86, radón, R n, no metal, gas, y 222”. El periodo 7, grupo 1 contiene "87, francio, F r, metal, sólido, y 223”. El grupo 2 contiene "88, radio, R a, metal, sólido, y 226”. El grupo 3 rompe el patrón de forma muy similar a lo que ocurre en el periodo 6. Una gran flecha apunta desde la caja del periodo 7, grupo 3, a una fila especial que contiene los elementos con números atómicos que van del 89 al 103, justo debajo de la fila que contiene los números atómicos 57 al 71. En orden secuencial por número atómico, la primera casilla de esta fila contiene "89, actinio, A c, metal, sólido, y 227”. A su derecha, el siguiente es "90, torio, T h, metal, sólido, y 232,0”. El siguiente es "91, protactinio, P a, metal, sólido, y 231,0”. El siguiente es "92, uranio, U, metal, sólido, y 238,0”. El siguiente es "93, neptunio, N p, metal, sólido, y N p”. El siguiente es "94, plutonio, P u, metal, sólido, y 244”. El siguiente es "95, americio, A m, metal, sólido, y 243”. El siguiente es "96, curio, C m, metal, sólido, y 247”. El siguiente es "97, berkelio, B k, metal, sólido, y 247”. El siguiente es "98, californio, C f, metal, sólido, y 251”. El siguiente es "99, einstenio, E s, metal, sólido, y 252”. El siguiente es, "100, fermio, F m, metal, sólido, y 257". El siguiente es, "101, mendelevio, M d, metal, sólido, y 258". El siguiente es, "102, nobelio, N o, metal, sólido, y 259". El último de esta fila especial es ”103, lawrencio, L r, metal, sólido, y 262”. Continuando en el periodo 7, el grupo 4 contiene "104, rutherfordio, R f, metal, sólido, y 267”. El grupo 5 contiene "105, dubnio, D b, metal, sólido, y 270”. El grupo 6 contiene "106, seaborgio, S g, metal, sólido, y 271”. El grupo 7 contiene "107, bohrio, B h, metal, sólido, y 270”. El grupo 8 contiene "108, hasio, H s, metal, sólido, y 277”. El grupo 9 contiene "109, meitnerio, M t, no indicado, sólido, y 276”. El grupo 10 contiene "110, darmstatio, D s, no indicado, sólido, y 281”. El grupo 11 contiene "111, roentgenio, R g, no indicado, sólido; y 282”. El grupo 12 contiene "112, copernicio, C n, metal, líquido, y 285”. El grupo 13 contiene "113, nihonio, N h, no indicado, sólido, y 285”. El grupo 14 contiene "114, flerovio, F l, no indicado, sólido, y 289”. El grupo 15 contiene "115, moscovio, M c, no indicado, sólido, y 288”. El grupo 16 contiene "116, livermorio, L v, no indicado, sólido, y 293”. El grupo 17 contiene "117, teneso, T s, no indicado, sólido, y 294”. El grupo 18 contiene "118; ununoctio; U u o; no indicado; sólido; y 294".
Figura 19.2 Los metales de transición se encuentran en los grupos 3 al 11 de la tabla periódica. Los metales de transición interiores se encuentran en las dos filas situadas debajo del cuerpo de la tabla.

Los elementos del bloque d se dividen en la primera serie de transición (los elementos Sc al Cu), la segunda serie de transición (los elementos Y al Ag) y la tercera serie de transición (el elemento La y los elementos Hf al Au). El actinio, Ac, es el primer miembro de la cuarta serie de transición, que incluye también el Rf y el Rg.

Los elementos del bloque f son los elementos Ce al Lu, que constituyen la serie de lantánidos (o serie de los lantanoides), y los elementos Th al Lr, que constituyen la serie de los actínidos (o serie de los actinoides). Como el lantano se comporta de forma muy parecida a los elementos lantánidos, se considera un elemento lantánido, aunque su configuración de electrones lo convierte en el primer miembro de la tercera serie de transición. Del mismo modo, el comportamiento del actinio hace que forme parte de la serie de los actínidos, aunque su configuración de electrones lo convierte en el primer miembro de la cuarta serie de transición.

Ejemplo 19.1

Electrones de valencia en los metales de transición

Repase cómo escribir las configuraciones electrónicas, tratadas en el capítulo sobre estructura electrónica y propiedades periódicas de los elementos. Recordemos que para los metales de transición y de transición interna, es necesario eliminar los electrones s antes que los electrones d o f. A continuación, para cada ion, indique la configuración de electrones:

(a) cerio(III)

b) plomo(II)

(c) Ti2+

(d) Am3+

(e) Pd2+

Para los ejemplos que son metales de transición, determine a qué serie pertenecen.

Solución

En el caso de los iones, los electrones s de valencia se pierden antes que los electrones d o f.

(a) Ce3+[Xe]4f1; Ce3+ es un elemento de transición interno de la serie de los lantánidos.

(b) Pb2+[Xe]6s25d104f14; los electrones se pierden del orbital p. Es un elemento del grupo principal.
(c) titanio(II) [Ar]3d2; primera serie de transición

(d) americio (III) [Rn]5f6; actínido

(e) paladio(II) [Kr]4d8; segunda serie de transición

Compruebe lo aprendido

Dé un ejemplo de un ion de la primera serie de transición sin electrones d.

Respuesta:

V5+ es una posibilidad. Otros ejemplos son Sc3+, Ti4+, Cr6+ y Mn7+.

La química en la vida cotidiana

Usos de los lantánidos en dispositivos

Los lantánidos (elementos 57 al 71) son bastante abundantes en la corteza terrestre, a pesar de su caracterización histórica como elementos de tierras raras. El tulio, el lantanoide más raro de la naturaleza, es más común en la corteza terrestre que la plata (4,5 ×× 10-5 % frente al 0,79 ×× 10-5 % en masa). Hay 17 elementos de tierras raras, que consisten en los 15 lantanoides más el escandio y el itrio. Se denominan raros porque antiguamente eran difíciles de extraer económicamente, por lo que era raro tener una muestra pura; debido a las propiedades químicas similares, es difícil separar un lantánido de los demás. Sin embargo, los nuevos métodos de separación, como las resinas de intercambio iónico similares a las que se encuentran en los descalcificadores domésticos, hacen que la separación de estos elementos sea más fácil y económica. La mayoría de los minerales que contienen estos elementos tienen bajas concentraciones de todos los elementos de tierras raras mezclados.

Las aplicaciones comerciales de los lantánidos están creciendo rápidamente. Por ejemplo, el europio es importante en las pantallas planas de los monitores de computadora, los teléfonos móviles y los televisores. El neodimio es útil en los discos duros de las computadoras portátiles y en los procesos que convierten el crudo en gasolina (Figura 19.3). El holmio se encuentra en equipos dentales y médicos. Además, muchas tecnologías energéticas alternativas dependen en gran medida de los lantanoides. El neodimio y el disprosio son componentes clave de los motores de los vehículos híbridos y de los imanes utilizados en las turbinas eólicas.

Esta figura contiene dos imágenes. La figura a muestra un fondo con aproximadamente la mitad del fondo a la derecha superior cubierto por un cuarto de círculo azul oscuro. El resto del fondo es rojo. Encima de esta superficie hay 15 columnas verticales de puntos azul claro, que están espaciados uniformemente con espacios entre ellos aproximadamente iguales a la anchura de las columnas. En la figura b, se muestra el disco duro de una computadora. Consiste en un fino marco rectangular de plástico negro sobre el que se coloca un fino disco de aspecto metálico. Fuera de este disco, en el marco rectangular, se encuentra una forma gris curvada, rodeada de un círculo rojo. Esta forma curvada tiene una extensión fina y puntiaguda que llega hasta la superficie del disco metálico.
Figura 19.3 (a) El europio se utiliza en las pantallas de los televisores, los monitores de las computadoras y los teléfonos móviles. (b) Los imanes de neodimio se encuentran habitualmente en los discos duros de las computadoras (créditos b: modificación del trabajo de "KUERT Datenrettung"/Flickr).

Como la demanda de materiales de lantánidos ha aumentado más rápido que la oferta, los precios también han subido. En 2008, el disprosio costaba 110 dólares / kg; en 2014, el precio había aumentado a 470 dólares / kg. Aumentar el suministro de elementos lantanoides es uno de los retos más importantes a los que se enfrentan las industrias que dependen de las propiedades ópticas y magnéticas de estos materiales.

Los elementos de transición tienen muchas propiedades en común con otros metales. Casi todos son sólidos duros y de alta fusión que conducen bien el calor y la electricidad. Forman fácilmente aleaciones y pierden electrones para formar cationes estables. Además, los metales de transición forman una gran variedad de compuestos de coordinación estables, en los que el átomo o ion metálico central actúa como un ácido de Lewis y acepta uno o más pares de electrones. Muchas moléculas e iones diferentes pueden donar pares solitarios al centro metálico, sirviendo como bases de Lewis. En este capítulo, nos centraremos principalmente en el comportamiento químico de los elementos de la primera serie de transición.

Propiedades de los elementos de transición

Los metales de transición presentan una amplia gama de comportamientos químicos. Como se desprende de sus potenciales de reducción (vea el Apéndice H), algunos metales de transición son fuertes agentes reductores, mientras que otros tienen una reactividad muy baja. Por ejemplo, los lantánidos forman todos cationes acuosos estables 3+. La fuerza impulsora de estas oxidaciones es similar a la de los metales alcalinotérreos como el Be o el Mg, formando Be2+ y Mg2+. Por otro lado, materiales como el platino y el oro tienen potenciales de reducción mucho mayores. Su capacidad para resistir la oxidación los convierte en materiales útiles para la construcción de circuitos y joyas.

Los iones de los elementos más ligeros del bloque d, como el Cr3+, el Fe3+ y el Co2+, forman coloridos iones hidratados que son estables en el agua. Sin embargo, los iones del periodo inmediatamente inferior a estos (Mo3+, Ru3+ e Ir2+) son inestables y reaccionan fácilmente con el oxígeno del aire. La mayoría de los iones simples y estables en el agua formados por los elementos más pesados del bloque d son oxianiones como MoO42−MoO42− y ReO4.ReO4.

El rutenio, el osmio, el rodio, el iridio, el paladio y el platino son los metales del grupo del platino. Con dificultad, forman cationes simples que son estables en agua y, a diferencia de los elementos anteriores de la segunda y tercera serie de transición, no forman oxianiones estables.

Tanto los elementos del bloque d como los del bloque f reaccionan con los no metales para formar compuestos binarios; a menudo es necesario calentarlos. Estos elementos reaccionan con los halógenos para formar una variedad de haluros cuyo estado de oxidación va de 1+ a 6+. Al calentarse, el oxígeno reacciona con todos los elementos de transición excepto el paladio, el platino, la plata y el oro. Los óxidos de estos últimos metales pueden formarse con otros reactivos, pero se descomponen al calentarse. Los elementos del bloque f, los elementos del grupo 3 y los elementos de la primera serie de transición, excepto el cobre, reaccionan con soluciones acuosas de ácidos, formando gas hidrógeno y soluciones de las sales correspondientes.

Los metales de transición pueden formar compuestos con una amplia gama de estados de oxidación. Algunos de los estados de oxidación observados de los elementos de la primera serie de transición se muestran en la Figura 19.4. A medida que nos desplazamos de izquierda a derecha por la primera serie de transición, vemos que el número de estados de oxidación comunes aumenta al principio hasta alcanzar un máximo hacia la mitad de la tabla, y luego disminuye. Los valores de la tabla son valores típicos; hay otros valores conocidos, y es posible sintetizar nuevas adiciones. Por ejemplo, en 2014, los investigadores lograron sintetizar un nuevo estado de oxidación del iridio (9+).

Se muestra una tabla con 10 columnas y 8 filas. La primera fila es el encabezado, que muestra los símbolos de los elementos con los números atómicos como superíndices en la parte superior izquierda de los símbolos de los elementos. Los siguientes símbolos y números de elementos se muestran de esta manera: S c 21, T i 22, V 23, C r 24, M n 25, F e 26, C o 27, N i 28, C u 29 y Z n 30. La segunda fila muestra el valor 1 más debajo de C u. La tercera fila muestra el valor 2 más debajo de V, C r, M n, F e, C o, N i, C u y Z n. La cuarta fila muestra el valor 3 más debajo de S c, T i, V, C r, M n, F e, C o, N i y C u. La quinta fila muestra el valor 4 más debajo de T I, V, C r y M n. La sexta fila muestra el valor 5 más solo debajo de V. La séptima fila muestra el valor 6 más debajo de C r, M n y F e. La octava fila muestra el valor 7 más debajo de Mn.
Figura 19.4 Los metales de transición de la primera serie de transición pueden formar compuestos con diferentes estados de oxidación.

Para los elementos que van del escandio al manganeso (la primera mitad de la primera serie de transición), el estado de oxidación más alto corresponde a la pérdida de todos los electrones en los orbitales s y d de sus capas de valencia. El ion de titanio(IV), por ejemplo, se forma cuando el átomo de titanio pierde sus dos electrones 3d y dos 4s. Estos estados de oxidación más altos son las formas más estables del escandio, el titanio y el vanadio. Sin embargo, no es posible seguir eliminando todos los electrones de valencia de los metales a medida que se avanza en la serie. Se sabe que el hierro forma estados de oxidación de 2+ a 6+, siendo el hierro(II) y el hierro(III) los más comunes. La mayoría de los elementos de la primera serie de transición forman iones con una carga de 2+ o 3+ que son estables en el agua, aunque los de los primeros miembros de la serie pueden ser fácilmente oxidados por el aire.

Los elementos de la segunda y tercera serie de transición suelen ser más estables en estados de oxidación más altos que los elementos de la primera serie. En general, el radio atómico aumenta hacia abajo en un grupo, lo que hace que los iones de la segunda y tercera serie sean más grandes que los de la primera serie. Eliminar los electrones de los orbitales más alejados del núcleo es más fácil que eliminar los electrones cercanos al núcleo. Por ejemplo, el molibdeno y el wolframio, miembros del grupo 6, están limitados en su mayoría a un estado de oxidación de 6+ en solución acuosa. El cromo, el miembro más ligero del grupo, forma iones de Cr3+ estables en el agua y, en ausencia de aire, iones de Cr2+ menos estables. El sulfuro con el estado de oxidación más alto para el cromo es el Cr2S3, que contiene el ion de Cr3+. El molibdeno y el wolframio forman sulfuros en los que los metales presentan estados de oxidación 4+ y 6+.

Ejemplo 19.2

Actividad de los metales de transición

¿Cuál es el agente oxidante más fuerte en una solución acídica: el ion de dicromato, que contiene cromo(VI), el ion de permanganato, que contiene manganeso(VII), o el dióxido de titanio, que contiene titanio(IV)?

Solución

En primer lugar, tenemos que buscar las semirreacciones de reducción (en el Apéndice L) para cada óxido en el estado de oxidación especificado:
Cr2O72−+14H++6e2Cr3++7H2O+1,33 VCr2O72−+14H++6e2Cr3++7H2O+1,33 V
MnO4+8H++5eMn2++H2O+1,51 VMnO4+8H++5eMn2++H2O+1,51 V
TiO2+4H++2 eTi2++2H2O-0,50 VTiO2+4H++2 eTi2++2H2O-0,50 V

Un potencial de reducción mayor significa que es más fácil reducir el reactivo. El permanganato, con el mayor potencial de reducción, es el oxidante más fuerte en estas condiciones. El dicromato es el siguiente, seguido del dióxido de titanio como el agente oxidante más débil (el más difícil de reducir) de este conjunto.

Compruebe lo aprendido

Prediga qué reacción (si la hay) se producirá entre el HCl y el Co(s), y entre el HBr y el Pt(s). Deberá utilizar los potenciales de reducción estándar del Apéndice L.

Respuesta:

Co(s)+2HClH2+CoCl2(aq);Co(s)+2HClH2+CoCl2(aq); ninguna reacción porque el Pt(s) no será oxidado por el H+

Preparación de los elementos de transición

Las antiguas civilizaciones conocían el hierro, el cobre, la plata y el oro. Los periodos de la historia de la humanidad conocidos como la Edad del Bronce y la Edad del Hierro marcan los avances en los que las sociedades aprendieron a aislar ciertos metales y a utilizarlos para fabricar herramientas y bienes. Los minerales naturales de cobre, plata y oro pueden contener altas concentraciones de estos metales en forma elemental (Figura 19.5). El hierro, en cambio, se presenta en la tierra casi exclusivamente en formas oxidadas, como el óxido (Fe2O3). Los primeros utensilios de hierro conocidos se fabricaron con meteoritos de hierro. Los artefactos de hierro que se conservan y que datan de aproximadamente 4000 a 2500 a.C. son escasos, pero todos los ejemplos conocidos contienen aleaciones específicas de hierro y níquel que solo se dan en objetos extraterrestres, no en la Tierra. Tuvieron que pasar miles de años de avances tecnológicos para que las civilizaciones desarrollaran la fundición del hierro, la capacidad de extraer un elemento puro de sus minerales naturales y para que las herramientas de hierro se convirtieran en algo común.

Se proporcionan tres imágenes. En la a, se muestra un trozo liso de un metal de color cobre con una superficie irregular. En la b, se muestra un trozo de oro opaco de un metal. Este trozo tiene una superficie rugosa a la que parecen adherirse trozos más pequeños. En la c, se muestra un trozo de material sólido de color óxido con una superficie opaca.
Figura 19.5 Los metales de transición se encuentran en la naturaleza en diversas formas. Los ejemplos incluyen (a) una pepita de cobre, (b) un depósito de oro y (c) un mineral que contiene hierro oxidado (créditos: a: modificación del trabajo de http://images-of-elements.com/copper-2.jpg; c: modificación del trabajo de http://images-of-elements.com/iron-ore.jpg).

Por lo general, los elementos de transición se extraen de minerales que se encuentran en una variedad de menas. Sin embargo, la facilidad de su recuperación varía mucho, dependiendo de la concentración del elemento en la mena, la identidad de los otros elementos presentes y la dificultad de reducir el elemento al metal libre.

En general, no es difícil reducir los iones de los elementos del bloque d al elemento libre. El carbono es un agente reductor suficientemente fuerte en la mayoría de los casos. Sin embargo, al igual que los iones de los metales más activos del grupo principal, los iones de los elementos del bloque f deben ser aislados por electrólisis o por reducción con un metal activo como el calcio.

Vamos a hablar de los procesos utilizados para el aislamiento del hierro, el cobre y la plata porque estos tres procesos ilustran los principales medios de aislamiento de la mayoría de los metales del bloque d. En general, cada uno de estos procesos implica tres etapas principales: tratamiento preliminar, fundición y refinado.

  1. Tratamiento preliminar. En general, hay un tratamiento inicial de las menas para hacerlas aptas para la extracción de los metales. Esto suele implicar la trituración o molienda de la mena, la concentración de los componentes metálicos y, a veces, el tratamiento químico de estas sustancias para convertirlas en compuestos más fáciles de reducir al metal.
  2. Fundición. El siguiente paso es la extracción del metal en estado fundido, un proceso llamado fundición, que incluye la reducción del compuesto metálico al metal. Las impurezas pueden eliminarse añadiendo un compuesto que forme una escoria, una sustancia con un punto de fusión bajo que puede separarse fácilmente del metal fundido.
  3. Refinamiento. El último paso en la recuperación de un metal es refinarlo. Los metales de bajo punto de ebullición, como el zinc y el mercurio, pueden refinarse por destilación. Cuando se funden en una mesa inclinada, los metales de baja fusión, como el estaño, se alejan de las impurezas de mayor fusión. La electrólisis es otro método común para refinar metales.

Aislamiento del hierro

La aplicación temprana del hierro a la fabricación de herramientas y armas fue posible gracias a la amplia distribución de los minerales de hierro y a la facilidad con la que los compuestos de hierro de las menas podían ser reducidos por el carbono. Durante mucho tiempo, el carbón vegetal fue la forma de carbón utilizada en el proceso de reducción. La producción y el uso del hierro se extendieron mucho más hacia 1620, cuando se introdujo el coque como agente reductor. El coque es una forma de carbón que se forma al calentar el carbón en ausencia de aire para eliminar las impurezas.

El primer paso en la metalurgia del hierro suele ser la tostación de la mena (calentamiento del mineral en el aire) para eliminar el agua, descomponer los carbonatos en óxidos y convertir los sulfuros en óxidos. A continuación, los óxidos se reducen en un alto horno de 80 a 100 pies de altura y unos 25 pies de diámetro (Figura 19.6) en el que se introducen continuamente el mineral tostado, el coque y la piedra caliza (CaCO3 impuro) en la parte superior. El hierro fundido y la escoria se retiran por la parte inferior. La totalidad de las existencias en un horno puede pesar varios cientos de toneladas.

Se muestra un diagrama de un alto horno. El horno tiene una forma cilíndrica orientada verticalmente. Una tubería en la parte inferior izquierda de la figura está sombreada en amarillo y marcada como "Escoria". Se conecta a una cámara interior. Situada a un nivel justo por debajo de esta tubería, en el lado derecho de la figura, hay otra tubería que está sombreada en naranja. Se abre en la parte inferior derecha de la figura. La sustancia de color naranja en el fondo de la cámara que coincide con el contenido de la tubería a su derecha está marcada como "Hierro fundido". La tubería tiene una flecha que sale hacia la derecha señalando la etiqueta "Salida". Justo por encima de las regiones de escoria y hierro fundido hay tubos más estrechos en los lados izquierdo y derecho de la cámara que conducen ligeramente hacia arriba y hacia fuera de la cámara central a pequeñas formas ovaladas. Estas formas están marcadas como "Aire precalentado". La región justo por encima de los puntos de entrada de estos dos tubos o conductos en la cámara es una región blanca en la que aparecen suspendidos pequeños trozos de material de color óxido. Esta región se estrecha ligeramente hacia el fondo del horno. La región de arriba tiene un fondo naranja en el que están suspendidos pequeños trozos de color óxido. Esta región ocupa casi la mitad del interior del horno. Por encima de esta región hay una región sombreada en gris. En la parte superior del horno, los segmentos de líneas negras indican las aberturas dirigidas a través de las cuales parecen entrar en el horno pequeños trozos de material de color óxido desde la parte superior. Este material está marcado como "Mena tostada, coque, piedra caliza". Saliendo de la región interior sombreada en gris a la derecha hay una tubería. Una flecha apunta a la derecha saliendo de la tubería señalando la marcación "C O, C O subíndice 2, N subíndice 2" En la parte derecha de la figura, las alturas de los hornos están marcadas en orden de altura creciente entre los tubos de salida, seguidas de las temperaturas y las reacciones químicas asociadas. Justo encima de la tubería marcada como "Salida", no aparece ninguna ecuación química a la derecha de "5 p i e s, 1510 grados C". A la derecha de, "15 ft, 1.300 grados C", está la ecuación, "C más O subíndice 2 flecha que apunta a la derecha C O subíndice 2". A la derecha de, "25 p i e s, 1125 grados C", están las dos ecuaciones, "C a O más S i O subíndice 2 flecha que apunta a la derecha C a S i O subíndice 3" y "C más C O subíndice 2 flecha que apunta a la derecha 2 C O". A la derecha de, "35 p i e s, 945 grados C", están las dos ecuaciones, "C a C O subíndice 3 flecha que apunta a la derecha C a O más C O subíndice 2", y, "C más C O subíndice 2 flecha que apunta a la derecha 2 C O". A la derecha de, "45 p i e s, 865 grados C", está la ecuación, "C más C O subíndice 2 flecha que apunta a la derecha 2 C O". A la derecha de, "55 p i e s, 525 grados C", está la ecuación "F e O más C O flecha que apunta a la derecha F e más C O subíndice 2". A la derecha de, "65 p i e s, 410 grados C", está la ecuación, "F e subíndice 3 O subíndice 4 más C O flecha que apunta a la derecha 3 F e O más C O subíndice 2". A la derecha de "75 p i e s, 230 grados C", está la ecuación, "3 F e subíndice 2 O subíndice 3 más C O flecha que apunta a la derecha 2 F e subíndice 3 O subíndice 4 más C O subíndice 2".
Figura 19.6 Dentro de un alto horno, se producen diferentes reacciones en distintas zonas de temperatura. El monóxido de carbono se genera en las regiones inferiores más calientes y asciende para reducir los óxidos de hierro a hierro puro mediante una serie de reacciones que tienen lugar en las regiones superiores.

Cerca de la parte inferior de un horno hay boquillas a través de las cuales se introduce aire precalentado en el horno. En cuanto entra el aire, el coque de la región de las boquillas se oxida a dióxido de carbono con la liberación de una gran cantidad de calor. El dióxido de carbono caliente pasa hacia arriba a través de la capa superpuesta de coque caliente, donde se reduce a monóxido de carbono:

CO2(g)+C(s)2CO(g)CO2(g)+C(s)2CO(g)

El monóxido de carbono sirve como agente reductor en las regiones superiores del horno. Las reacciones individuales se indican en la Figura 19.6.

Los óxidos de hierro se reducen en la región superior del horno. En la región central, la piedra caliza (carbonato de calcio) se descompone y el óxido de calcio resultante se combina con la sílice y los silicatos del mineral para formar la escoria. La escoria es mayoritariamente silicato de calcio y contiene la mayoría de los componentes comercialmente poco importantes del mineral:

CaO(s)+SiO2(s)CaSiO3(l)CaO(s)+SiO2(s)CaSiO3(l)

Justo debajo de la mitad del horno, la temperatura es lo suficientemente alta como para fundir tanto el hierro como la escoria. Se acumulan en capas en el fondo del horno; la escoria menos densa flota sobre el hierro y lo protege de la oxidación. Varias veces al día, la escoria y el hierro fundido se retiran del horno. El hierro se traslada a las máquinas de fundición o a una planta siderúrgica (Figura 19.7).

Esta figura muestra una foto de hierro fundido. Un resplandor amarillo-naranja brillante aparece justo a la izquierda del centro de la figura. El humo parece elevarse hacia la parte superior del centro de la figura. Justo debajo y a la derecha, parecen caer chispas.
Figura 19.7 Se muestra el hierro fundido siendo fundido como acero (créditos: Clint Budd).

Gran parte del hierro producido se refina y se convierte en acero. El acero se fabrica a partir del hierro eliminando las impurezas y añadiendo sustancias como el manganeso, el cromo, el níquel, el tungsteno, el molibdeno y el vanadio para producir aleaciones con propiedades que hacen que el material sea adecuado para usos específicos. La mayoría de los aceros también contienen porcentajes pequeños pero definidos de carbono (0,04 % a 2,5 %). Sin embargo, en la fabricación del acero hay que eliminar gran parte del carbono que contiene el hierro; de lo contrario, el exceso de carbono haría que el hierro fuera frágil.

Aislamiento del cobre

Los minerales de cobre más importantes contienen sulfuros de cobre (como la covellita, CuS), aunque a veces se encuentran óxidos de cobre (como la tenorita, CuO) e hidroxicarbonatos de cobre [como la malaquita, Cu2(OH)2CO3]. En la producción de cobre metálico, el mineral sulfurado concentrado se tuesta para eliminar parte del azufre en forma de dióxido de azufre. La mezcla restante, compuesta por Cu2S, FeS, FeO, y SiO2, se mezcla con piedra caliza, que sirve de fundente (un material que ayuda a eliminar las impurezas), y se calienta. La escoria fundida se forma a medida que el hierro y la sílice se eliminan mediante reacciones ácido-base de Lewis:

CaCO3(s)+SiO2(s)CaSiO3(l)+CO2(g)CaCO3(s)+SiO2(s)CaSiO3(l)+CO2(g)
FeO(s)+SiO2(s)FeSiO3(l)FeO(s)+SiO2(s)FeSiO3(l)

En estas reacciones, el dióxido de silicio se comporta como un ácido de Lewis, que acepta un par de electrones de la base de Lewis (el ion de óxido).

La reducción del Cu2S que queda después de la fundición se realiza soplando aire a través del material fundido. El aire convierte parte del Cu2S en Cu2O. Tan pronto como se forma el óxido de cobre(I), este es reducido por el sulfuro de cobre(I) restante a cobre metálico:

2Cu2S(l)+3O2(g)2Cu2O(l)+2SO2(g)2Cu2S(l)+3O2(g)2Cu2O(l)+2SO2(g)
2Cu2O(l)+Cu2S(l)6Cu(l)+SO2(g)2Cu2O(l)+Cu2S(l)6Cu(l)+SO2(g)

El cobre obtenido así se denomina cobre ampollado por su aspecto característico, que se debe a las ampollas de aire que contiene (Figura 19.8). Este cobre impuro se funde en grandes placas, que se utilizan como ánodos en el refinado electrolítico del metal (que se describe en el capítulo sobre electroquímica).

Esta figura muestra una masa grande, opaca, negra y grumosa con pequeñas motas metálicas que se despliega sobre una base sólida rectangular transparente e incolora.
Figura 19.8 El cobre ampollado se obtiene durante la conversión de la mena que contiene cobre en cobre puro (créditos: "Tortie tude" / Wikimedia Commons).

Aislamiento de la plata

La plata se presenta a veces en grandes pepitas (Figura 19.9), pero con más frecuencia en vetas y depósitos relacionados. En una época, el bateo era un método eficaz para aislar las pepitas de plata y de oro. Debido a su baja reactividad, estos metales, y algunos otros, se presentan en depósitos en forma de pepitas. El descubrimiento del platino se debió a que los exploradores españoles en Centroamérica confundieron las pepitas de platino con la plata. Cuando el metal no está en forma de pepitas, suele ser útil emplear un proceso llamado hidrometalurgia para separar la plata de sus minerales. La hidrometalurgia consiste en separar un metal de una mezcla convirtiéndolo primero en iones solubles y luego extrayéndolo y reduciéndolo para precipitar el metal puro. En presencia de aire, los cánidos de metales alcalinos forman fácilmente el ion soluble de dicianoargentato(I), [Ag(CN)2 ],[Ag(CN)2 ], a partir de plata metálica o de compuestos que contienen plata, como el Ag2S y AgCl. Las ecuaciones representativas son:

4Ag(s)+8CN(aq)+O2(g)+2H2O(l)4[Ag(CN)2 ](aq)+4OH(aq)4Ag(s)+8CN(aq)+O2(g)+2H2O(l)4[Ag(CN)2 ](aq)+4OH(aq)
2Ag2S(s)+8CN(aq)+O2(g)+2H2O(l)4[Ag(CN)2](aq)+2S(s)+4OH(aq)2Ag2S(s)+8CN(aq)+O2(g)+2H2O(l)4[Ag(CN)2](aq)+2S(s)+4OH(aq)
AgCl(s)+2CN(aq)[Ag(CN)2 ](aq)+Cl(aq)AgCl(s)+2CN(aq)[Ag(CN)2 ](aq)+Cl(aq)
Esta figura contiene dos imágenes. La primera es un pequeño grupo de metal de color bronce con una superficie muy áspera e irregular. La segunda muestra una región en forma de capa de metal plateado incrustado en la roca.
Figura 19.9 La plata libre de origen natural puede encontrarse en forma de pepitas (a) o en vetas (b) (créditos: a: modificación del trabajo de "Teravolt"/Wikimedia Commons; b: modificación del trabajo de James St. John).

La plata se precipita a partir de la solución de cianuro mediante la adición de iones de zinc o de hierro(II), que sirven de agente reductor:

2[Ag(CN)2 ](aq)+Zn(s)2Ag(s)+[Zn(CN)4]2−(aq)2[Ag(CN)2 ](aq)+Zn(s)2Ag(s)+[Zn(CN)4]2−(aq)

Ejemplo 19.3

Refinamiento redox

Uno de los pasos para refinar la plata consiste en convertirla en iones de dicianoargenato(I):
4Ag(s)+8CN(aq)+O2(g)+2H2O(l)4[Ag(CN)2 ](aq)+4OH(aq)4Ag(s)+8CN(aq)+O2(g)+2H2O(l)4[Ag(CN)2 ](aq)+4OH(aq)

Explique por qué el oxígeno debe estar presente para llevar a cabo la reacción. ¿Por qué la reacción no se produce como:

4Ag(s)+8CN(aq)4[Ag(CN)2 ](aq)con dígito d?4Ag(s)+8CN(aq)4[Ag(CN)2 ](aq)con dígito d?

Solución

Las cargas, al igual que los átomos, deben equilibrarse en las reacciones. El átomo de plata se oxida del estado de oxidación 0 al estado 1+. Siempre que algo pierde electrones, algo debe también ganar electrones (reducirse) para equilibrar la ecuación. El oxígeno es un buen agente oxidante para estas reacciones porque puede ganar electrones para pasar del estado de oxidación 0 al estado 2.

Compruebe lo aprendido

Durante el refinado del hierro, el carbono debe estar presente en el alto horno. ¿Por qué es necesario el carbono para convertir el óxido de hierro en hierro?

Respuesta:

El carbono se convierte en CO, que es el agente reductor que acepta electrones para que el hierro(III) pueda reducirse a hierro(0).

Compuestos de metales de transición

El enlace en los compuestos simples de los elementos de transición va de iónico a covalente. En sus estados de oxidación inferiores, los elementos de transición forman compuestos iónicos; en sus estados de oxidación superiores, forman compuestos covalentes o iones poliatómicos. La variación de los estados de oxidación que presentan los elementos de transición confiere a estos compuestos una química de reducción-oxidación basada en los metales. A continuación se describe la química de varias clases de compuestos que contienen elementos de la serie de transición.

Haluros

Los haluros anhidros de cada uno de los elementos de transición pueden prepararse por reacción directa del metal con los halógenos. Por ejemplo:

2Fe(s)+3Cl2(g)2FeCl3(s).2Fe(s)+3Cl2(g)2FeCl3(s).

El calentamiento de un haluro metálico con un metal adicional puede utilizarse para formar un haluro del metal con un estado de oxidación más bajo:

Fe(s)+2FeCl3(s)3FeCl2(s).Fe(s)+2FeCl3(s)3FeCl2(s).

La estequiometría del haluro metálico que resulta de la reacción del metal con un halógeno está determinada por las cantidades relativas de metal y halógeno y por la fuerza del halógeno como agente oxidante. Por lo general, el flúor forma metales que contienen flúor en sus estados de oxidación más altos. Los demás halógenos no pueden formar compuestos análogos.

En general, la preparación de soluciones acuosas estables de los haluros de los metales de la primera serie de transición se realiza mediante la adición de un ácido hídrico a carbonatos, hidróxidos, óxidos u otros compuestos que contienen aniones básicos. Las reacciones de muestra son:

NiCO3(s)+2HF(aq)NiF2(aq)+H2O(l)+CO2(g)NiCO3(s)+2HF(aq)NiF2(aq)+H2O(l)+CO2(g)
Co(OH)2 (s)+2HBr(aq)CoBr2(aq)+2H2O(l)Co(OH)2 (s)+2HBr(aq)CoBr2(aq)+2H2O(l)

La mayoría de los metales de la primera serie de transición también se disuelven en ácidos, formando una solución de la sal y el hidrógeno gaseoso. Por ejemplo:

Cr(s)+2HCl(aq)CrCl2(aq)+H2(g)Cr(s)+2HCl(aq)CrCl2(aq)+H2(g)

La polaridad de los enlaces con los metales de transición varía no solo en función de las electronegatividades de los átomos implicados, sino también del estado de oxidación del metal de transición. Recuerde que la polaridad de los enlaces es un espectro continuo en el que los electrones se comparten uniformemente (enlaces covalentes) en un extremo y los electrones se transfieren completamente (enlaces iónicos) en el otro. Ningún enlace es 100 % iónico, y el grado de distribución uniforme de los electrones determina muchas propiedades del compuesto. Los haluros de metales de transición con números de oxidación bajos forman más enlaces iónicos. Por ejemplo, el cloruro de titanio(II) y el cloruro de titanio(III) (TiCl2 y TiCl3) tienen puntos de fusión elevados que son característicos de los compuestos iónicos, pero el cloruro de titanio(IV) (TiCl4) es un líquido volátil, consistente con la existencia de enlaces covalentes titanio-cloro. Todos los haluros de los elementos más pesados del bloque d tienen características covalentes significativas.

El comportamiento covalente de los metales de transición con estados de oxidación más altos se ejemplifica con la reacción de los tetrahaluros metálicos con el agua. Al igual que el tetracloruro de silicio covalente, tanto los tetrahaluros de titanio como los de vanadio reaccionan con el agua para dar soluciones que contienen los correspondientes ácidos hidrohalicos y los óxidos metálicos:

SiCl4(l)+2H2O(l)SiO2(s)+4HCl(aq)SiCl4(l)+2H2O(l)SiO2(s)+4HCl(aq)
TiCl4(l)+2H2O(l)TiO2(s)+4HCl(aq)TiCl4(l)+2H2O(l)TiO2(s)+4HCl(aq)

Óxidos

Al igual que con los haluros, la naturaleza del enlace en los óxidos de los elementos de transición viene determinada por el estado de oxidación del metal. Los óxidos con estados de oxidación bajos tienden a ser más iónicos, mientras que los que tienen estados de oxidación más altos son más covalentes. Estas variaciones en el enlace se deben a que las electronegatividades de los elementos no son valores fijos. La electronegatividad de un elemento aumenta con el incremento del estado de oxidación. Los metales de transición en estados de oxidación bajos tienen valores de electronegatividad más bajos que el oxígeno; por lo tanto, estos óxidos metálicos son iónicos. Los metales de transición en estados de oxidación muy altos tienen valores de electronegatividad cercanos a los del oxígeno, lo que hace que estos óxidos sean covalentes.

Los óxidos de la primera serie de transición pueden prepararse calentando los metales en aire. Estos óxidos son Sc2O3, TiO2, V2O5, Cr2O3, Mn3O4, Fe3O4, Co3O4, NiO, y CuO.

Alternativamente, estos óxidos y otros óxidos (con los metales en diferentes estados de oxidación) pueden producirse calentando los correspondientes hidróxidos, carbonatos u oxalatos en una atmósfera inerte. El óxido de hierro(II) puede prepararse calentando oxalato de hierro(II), y el óxido de cobalto(II) se produce calentando hidróxido de cobalto(II):

FeC2O4(s)FeO(s)+CO(g)+CO2(g)FeC2O4(s)FeO(s)+CO(g)+CO2(g)
Co(OH)2(s)CoO(s)+H2O(g)Co(OH)2(s)CoO(s)+H2O(g)

A excepción del CrO3 y el Mn2O7, los óxidos de metales de transición no son solubles en agua. Pueden reaccionar con ácidos y, en algunos casos, con bases. En general, los óxidos de los metales de transición con los estados de oxidación más bajos son básicos (y reaccionan con los ácidos), los intermedios son anfóteros y los estados de oxidación más altos son principalmente acídicos. Los óxidos metálicos básicos en un estado de oxidación bajo reaccionan con los ácidos acuosos para formar soluciones de sales y agua. Algunos ejemplos son la reacción del óxido de cobalto(II) que acepta protones del ácido nítrico y el óxido de escandio(III) que acepta protones del ácido clorhídrico:

CoO(s)+2HNO3(aq)Co(NO3)2 (aq)+H2O(l)CoO(s)+2HNO3(aq)Co(NO3)2 (aq)+H2O(l)
Sc2O3(s)+6HCl(aq)2ScCl3(aq)+3H2O(l)Sc2O3(s)+6HCl(aq)2ScCl3(aq)+3H2O(l)

Los óxidos de metales con estados de oxidación 4+ son anfóteros y la mayoría no son solubles ni en ácidos ni en bases. El óxido de vanadio(V), el óxido de cromo(VI) y el óxido de manganeso(VII) son acídicos. Reaccionan con soluciones de hidróxidos para formar sales de los oxianiones VO43−,VO43−, CrO42−,CrO42−, y MnO4.MnO4. Por ejemplo, la ecuación iónica completa para la reacción del óxido de cromo(VI) con una base fuerte está dada por:

CrO3(s)+2Na+(aq)+2OH(aq)2Na+(aq)+CrO42−(aq)+H2O(l)CrO3(s)+2Na+(aq)+2OH(aq)2Na+(aq)+CrO42−(aq)+H2O(l)

El óxido de cromo(VI) y el óxido de manganeso(VII) reaccionan con el agua para formar los ácidos H2CrO4 y HMnO4, respectivamente.

Hidróxidos

Cuando se añade un hidróxido soluble a una solución acuosa de una sal de un metal de transición de la primera serie de transición, se forma un precipitado gelatinoso. Por ejemplo, la adición de una solución de hidróxido de sodio a una solución de sulfato de cobalto produce un precipitado gelatinoso de color rosa o azul de hidróxido de cobalto(II). La ecuación iónica neta es:

Co2+(aq)+2OH(aq)Co(OH)2 (s).Co2+(aq)+2OH(aq)Co(OH)2 (s).

En este y muchos otros casos, estos precipitados son hidróxidos que contienen el ion del metal de transición, iones de hidróxido y agua coordinada al metal de transición. En otros casos, los precipitados son óxidos hidratados compuestos por el ion metálico, los iones de óxido y el agua de hidratación:

4Fe3+(aq)+6OH(aq)+nH2O(l)2Fe2O3.(n+3)H2O(s).4Fe3+(aq)+6OH(aq)+nH2O(l)2Fe2O3.(n+3)H2O(s).

Estas sustancias no contienen iones de hidróxido. Sin embargo, tanto los hidróxidos como los óxidos hidratados reaccionan con los ácidos para formar sales y agua. Al precipitar un metal de la solución, es necesario evitar un exceso de ion de hidróxido, ya que esto puede conducir a la formación del ion complejo, como se discute más adelante en este capítulo. Los hidróxidos metálicos precipitados pueden separarse para su posterior procesamiento o para la eliminación de residuos.

Carbonatos

Muchos de los elementos de la primera serie de transición forman carbonatos insolubles. Es posible preparar estos carbonatos mediante la adición de una sal de carbonato soluble a una solución de una sal de metal de transición. Por ejemplo, el carbonato de níquel puede prepararse a partir de soluciones de nitrato de níquel y carbonato de sodio según la siguiente ecuación iónica neta:

Ni2+(aq)+CO32−NiCO3(s).Ni2+(aq)+CO32−NiCO3(s).

Las reacciones de los carbonatos de metales de transición son similares a las de los carbonatos de metales activos. Reaccionan con los ácidos para formar sales metálicas, dióxido de carbono y agua. Al calentarse, se descomponen, formando los óxidos de metales de transición.

Otras sales

En muchos aspectos, el comportamiento químico de los elementos de la primera serie de transición es muy similar al de los metales del grupo principal. En particular, los mismos tipos de reacciones que se utilizan para preparar sales de los principales metales del grupo pueden utilizarse para preparar sales iónicas simples de estos elementos.

A partir de metales más activos que el hidrógeno se pueden preparar diversas sales por reacción con los ácidos correspondientes: El escandio metálico reacciona con el ácido bromhídrico para formar una solución de bromuro de escandio:

2Sc(s)+6HBr(aq)2ScBr3(aq)+3H2(g)2Sc(s)+6HBr(aq)2ScBr3(aq)+3H2(g)

Los compuestos comunes de los que acabamos de hablar también pueden utilizarse para preparar sales. Las reacciones implicadas incluyen las reacciones de óxidos, hidróxidos o carbonatos con ácidos. Por ejemplo:

Ni(OH)2 (s)+2H3O+(aq)+2ClO4(aq)Ni2+(aq)+2ClO4(aq)+4H2O(l)Ni(OH)2 (s)+2H3O+(aq)+2ClO4(aq)Ni2+(aq)+2ClO4(aq)+4H2O(l)

Las reacciones de sustitución en las que intervienen sales solubles pueden utilizarse para preparar sales insolubles. Por ejemplo:

Ba2+(aq)+2Cl(aq)+2K+(aq)+CrO42−(aq)BaCrO4(s)+2K+(aq)+2Cl(aq)Ba2+(aq)+2Cl(aq)+2K+(aq)+CrO42−(aq)BaCrO4(s)+2K+(aq)+2Cl(aq)

En nuestra discusión de los óxidos en esta sección, hemos visto que las reacciones de los óxidos covalentes de los elementos de transición con los hidróxidos forman sales que contienen oxianiones de los elementos de transición.

Cómo se interconectan las ciencias

Superconductores de alta temperatura

Un superconductor es una sustancia que conduce la electricidad sin resistencia. Esta falta de resistencia hace que no haya pérdidas de energía durante la transmisión de la electricidad. Esto supondría una importante reducción del costo de la electricidad.

La mayoría de los materiales superconductores comerciales utilizados actualmente, como el NbTi y el Nb3Sn, no se convierten en superconductores hasta que se enfrían por debajo de 23 K (-250 °C). Para ello es necesario utilizar helio líquido, que tiene una temperatura de ebullición de 4 K y es caro y difícil de manejar. El costo del helio líquido ha frenado la aplicación generalizada de los superconductores.

Uno de los descubrimientos científicos más emocionantes de la década de 1980 fue la caracterización de compuestos que presentan superconductividad a temperaturas superiores a 90 K. (En comparación con el helio líquido, 90 K es una temperatura elevada). Entre los materiales superconductores de alta temperatura son típicos los óxidos que contienen itrio (o uno de varios elementos de tierras raras), bario y cobre en una proporción de 1:2:3. La fórmula del compuesto iónico de itrio es YBa2Cu3O7.

Los nuevos materiales se vuelven superconductores a temperaturas cercanas a los 90 K (Figura 19.10), temperaturas que pueden alcanzarse enfriando con nitrógeno líquido (temperatura de ebullición de 77 K). Los materiales refrigerados con nitrógeno líquido no solo son más fáciles de manejar, sino que los costos de refrigeración son unas 1.000 veces menores que los del helio líquido.

Otros avances durante el mismo periodo incluyeron materiales que se convirtieron en superconductores a temperaturas aún más altas y con una gama más amplia de materiales. El equipo de DuPont, dirigido por Uma Chowdry y Arthur Sleight, identificó óxidos de bismuto-estroncio-cobre que se convertían en superconductores a temperaturas de hasta 110 K y, lo que es más importante, no contenían elementos de tierras raras. Los avances continuaron durante las décadas siguientes hasta que, en 2020, un equipo dirigido por Ranga Dias en la Universidad de Rochester anunció el desarrollo de un superconductor a temperatura ambiente, lo que abrió las puertas a amplias aplicaciones. Se necesita más investigación y desarrollo para aprovechar el potencial de estos materiales, pero las posibilidades son muy prometedoras.

Se muestra un gráfico. "Temperatura (K)" aparece en el eje horizontal, con marcaciones de eje presentes en 0, 100, 200 y 300. El eje vertical está marcado como "Resistencia". Este eje comienza en 0 y no hay marcas adicionales. El extremo superior de este eje termina con una punta de flecha que apunta hacia arriba, a diferencia del eje horizontal. Desde el origen, un segmento de línea roja se extiende hacia la derecha hasta un punto justo a la izquierda de 100 K. Desde este punto, el gráfico continúa con un segmento de línea roja vertical a unos cinco sextos del camino hacia la parte superior del gráfico. Desde la parte superior de este segmento de línea, otro segmento de línea roja se extiende hacia arriba y casi hasta la parte superior del gráfico a la derecha.
Figura 19.10 La resistencia del superconductor de alta temperatura YBa2Cu3O7 varía con la temperatura. Observe cómo la resistencia cae a cero por debajo de 92 K, cuando la sustancia se convierte en superconductora.

Aunque la naturaleza frágil y quebradiza de estos materiales dificulta actualmente sus aplicaciones comerciales, tienen un enorme potencial en el que los investigadores trabajan arduamente para mejorar sus procesos y ayudar a hacerlo realidad. Las líneas de transmisión superconductoras transportarían la corriente a lo largo de cientos de millas sin pérdida de potencia debido a la resistencia de los cables. Esto podría permitir que las estaciones generadoras se ubicaran en zonas alejadas de los centros de población y cerca de los recursos naturales necesarios para la producción de energía. El primer proyecto que demostró la viabilidad de la transmisión de energía con superconductores de alta temperatura se estableció en Nueva York en 2008.

Los investigadores también están trabajando en el uso de esta tecnología para desarrollar otras aplicaciones, como microchips más pequeños y potentes. Además, los superconductores de alta temperatura pueden utilizarse para generar campos magnéticos para aplicaciones como dispositivos médicos, trenes de levitación magnética y campos de contención para reactores de fusión nuclear (Figura 19.11).

Se muestra una foto de un tren de levitación blanco en sus vías. Al fondo aparece un edificio a la derecha.
Figura 19.11 (a) Este tren de levitación magnética (Magnetic Levitation, maglev) utiliza la tecnología de los superconductores para desplazarse por sus vías. (b) Se puede hacer levitar un imán utilizando un plato como este como superconductor (créditos: a: modificación del trabajo de Alex Needham; b: modificación del trabajo de Kevin Jarrett).
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