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Química Inorgánica Grupo 15 1 GRUPO 15 Las propiedades de los elementos del grupo 15, llamados pnictógneos, son variadas y difíciles de racionalizar, especialmente debido al amplio rango de estados de oxidación que presentan. La tendencia a incrementar el carácter metálico al descender en el grupo no es tan clara, dado que las conductividades eléctricas decrecen del As al Bi. Elemento símbolo configuración electrónica nitrógeno N [He] 2s2 2p3 fósforo P [Ne] 3s2 3p3 arsénico As [Ar] 3d10 4s2 4p3 antimonio Sb [Kr] 4d10 5s2 5p3 bismuto Bi [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3 El N tiene dos isótopos estables (figura 1), un 0,36 % del nitrógeno natural es 15N, usado como marcador isotópico. Figura 1. Algunos isótopos de N. Abundancia y obtención El nitrógeno existe en la atmósfera (figura 2), se obtiene por destilación de aire líquido o en pequeña escala empleando membranas permeables al oxígeno (figura 3). Figura 2. Composición porcentual (% V) de la atmósfera terreste. Figura 3. Esquema de un separador de membrana para nitrógeno y oxígeno. El fósforo no existe libre en la naturaleza, pero es abundante en la corteza terrestre (figura 4), principalmente en la forma de fosfatos como fluoroapatita (Ca5(PO4)3F). La hidroxiapatita [Ca3(PO4)2]4).[Ca(OH)2] es el mineral constituyente de los huesos de los animales y humanos. Los otros elementos se encuentran en menas sulfuradas. Química Inorgánica Grupo 15 2 Figura 4. Logaritmo de la abundancia relativa en ppb de los elementos del grupo 15 en la corteza terrestre. El P se obtiene por calentamiento a 1500 ºC del fosfato de calcio (roca fosfórica calcinada) con carbón y sílice (arena) en horno de arco eléctrico: 2 Ca3(PO4)2 (s) +10 C (s) + 6 SiO2 (s) → 6 CaSiO3 (l) + 10CO (g) + P4 (g) El compuesto industrial más importante del nitrógeno es el amoníaco, se obtienen 1x1011 kg/año mediante el proceso Haber (figura 5), una cantidad similar se produce por fijación de nitrógeno por nitrogenasa (enzima con Mo) producida por bacterias de nódulos de raíces de leguminosas. Figura 5. Proceso Haber para la obtención de amoníaco. El amoníaco se convierte en ácido nítrico mediante el proceso Ostwald, obteniéndose 1 x 1010 kg/año: Propiedades Al descender en el grupo hay un cambio gradual desde el carácter no metálico al metálico: - N: gas incoloro, no metal. - P: sólido blanco o rojo, no metal - As: sólido gris, metaloide - Sb: sólido blanco o azul, metaloide - Bi: sólido blanco, rosado, metaloide Química Inorgánica Grupo 15 3 El nitrógeno es un gas incoloro e inodoro, de acuerdo a la TOM el orden de enlace es 3 (1 enlace σ y 2 enlaces π), alta energía de unión, baja polarizabilidad, molécula muy estable y poco reactiva. Los otros elementos son sólidos que existen en diversas formas alotrópicas: ✔ P: existe en al menos 12 variedades alotrópicas y 5 variedades cristalinas: - fósforo blanco: sólido con apariencia cerosa formada por moléculas tetraédricas de P4 (figura 6 a), es muy reactivo y arde al aire. Es la fase de referencia para cálculos, a pesar de no ser el más estable, por estar mejor caracterizado. - fósforo rojo: sólido amorfo que no arde al aire. - fósforo negro: es la forma termodinámicamente estable, presenta varias estructuras polimorfas, una de ellas consta de capas plegadas como las de la figura 6 b compuestas de átomos de P piramidales tricoordinados. Figura 6. Estructura del fósforo blanco (a) y del fósforo negro (b). - fósforo violeta (fósforo de Hittorf): con una estructura que se muestra en la figura 7. Figura 7. Estructura del fósforo violeta. ✔ As: se encuentra en las formas sólidas amarilla, inestable formado por moléculas As4 y gris, (As metálico) la forma más estable. ✔ As, Sb y Bi: forma metálica, la estructura consta de capas hexagonales plegadas en las que cada átomo tiene tres átomos vecinos, similar a la figura 6 b. ✔ presentan una amplia varidad de estados de oxidación: Figura 8. Diagrama de Frost para los elementos del grupo 15 en medio ácido. Química Inorgánica Grupo 15 4 ✔ el N forma compuestos con estados de oxidación entre -3 y +5 (Tabla 1), un diagrama de Latimer brinda información sobre la termodinámica de las posibles reacciones, utilidad es limitada por no considerar la cinética de las reacciones. Tabla 1. Compuestos de nitrógeno con distintos números de oxidación. ✔ forman compuestos con números de oxidación +3 y +5 (Tabla 2). Tabla 2. Compuestos de nitrógeno y fósforo con el mismo número de oxidación. ✔ la reactividad aumenta con el número atómico en el grupo, el N es muy poco reactivo a temperatura ambiente sólo reacciona con Li Compuestos ✔ nitruros: compuestos binarios de N con casi todos los elementos: - salinos: Li3N - intersticiales: MN, M2N o M4N - covalentes: BN, (CN)2 ✔ hidruros: forman compuestos tóxicos de fórmula EH3: amoníaco, fosfina, arsina (arsano), estibina (estibano) y bismutano - NH3: gas incoloro de olor picante, disolvente no acuoso útil para disolver aminas, alcoholes, cianuros, metales del grupo 1, muy soluble en agua, base débil (pKb= 4,75) Química Inorgánica Grupo 15 5 NH3 (ac) + H2O (l) NH4 + (ac) + HO- (ac) se fija sobre los ácidos formando sales de amonio iónicas: NH3 (g) + H + (ac) + Cl– (ac) → NH4 + (ac) + Cl– (ac) las sales de amonio son cristalizables, se descomponen por calentamiento, son solubles en agua y las soluciones de los ácidos fuertes son ácidas (NH4Cl) NH4 + (ac) + H2O (l) H3O + (ac) + NH3 (ac) reacciona con iones formando complejos, ejemplo: con Cu2+, complejo de color azul oscuro: Cu2+ (ac) + 4 NH3 (ac) → [Cu(NH3)4] 2+ (ac) - hidrazina: N2H4 (H2N-NH2, figura 9) líquido incoloro de aspecto aceitoso, Pf: 1,5°C; Pe: 103° C, tóxica, corrosiva, explosiva, derivados organometálicos usados como reactivo químico y como combustible de cohetes (naves Apolo) Figura 9. Estructura de la hidrazina. ✔ óxidos: el N forma óxidos presentes en la atmósfera, biosfera, la industria y laboratorios, con los estados de oxidación: +1: N2O (óxido nitroso) gas incoloro diamagnético, no muy reactivo y neutro, usado como gas propulsor en cremas batidas y como analgésico suave (gas de la risa). +2: NO (óxido nítrico) gas incoloro paramagnético (radical), es reactivo, un fuerte ligando, un contaminante problemático en las ciudades y actúa como neurotransmisor. +3: N2O3 (trióxido de dinitrógeno) es una molécula plana, es un sólido azul que funde por encima de 100 ºC dando un líquido azul que se disocia para generar NO y NO2 en fase gaseosa. Es un óxido ácido (anhídrido del ácido nitroso). +4: NO2 (dióxido de nitrógeno) gas color café, reactivo y paramagnético, tiende a dimerizar, agente oxidante, venenoso, presente en el smog fotoquímico. Se desproporciona en solución acuosa. +4: N2O4 (tetróxido de dinitrógeno) es una molécula plana, un gas incoloro en equilibrio con el dióxido en fase gaseosa. Química Inorgánica Grupo 15 6 +5: N2O5 (pentóxido de dinitrógeno) es una molécula planar, un sólido incoloro paramagnético que sublima, oxidante fuerte e inestable. Es un óxido ácido (anhídrido del ácido nítrico). - P4O6 y P4O10 (sólidos de estructura jaula) anhídridos del ácido fosfónico y fosfórico. - As, Sb y Bi forman los óxidos E2O3; P es ácido, As y Sb son anfóteros y Bi básico E2O5: P, As, Sb, Bi son ácidos, el Bi2O5 es inestable ✔ oxoácidos y oxoaniones - N: forma dos oxácidos importantes el ácido nitroso (HNO2),y el nítrico (HNO3), forma el ácido hiponitroso (H2N2O2) con estado de oxidación +1. El HNO2 se desproporciona, el HNO3 es un ácido fuerte, oxidante que se descompone por acción de la luz y el calor. el anión hiponitrito es un agente reductor el anión nitrito es una base débil, actúa como agente oxidante y reductor el anión nitrato es una base débil y un agente oxidante, pero lento a temperatura ambiente, forman parte de los explosivos (salitre, azufre y carbónforman la pólvora): 16 KNO3 (s) + S8 (s) + 24 C (s) → 8 K2S (s) + 24 CO2 (g) + 8 N2 (g) ΔH = – 572 kJ/mol N2 Química Inorgánica Grupo 15 7 el nitrato de amonio se usa como fertilizante (1,5 x 1010 kg/año), explosivo (mezclado con gas oil, al detonar el volumen aumenta 700 veces): 2 NH4NO3(s) → 2 N2(g) + O2 (g)+ 4 H2O(g) ✔ oxoaniones del P: forma varios oxácios y oxoaniones, se destacan por poseer enlaces P-H y por el carácter reductor de los dos estados de oxidación menores. - ácido hipofosforoso: ácido fosfínico (H3PO2) - ácido fosforoso: ácido fosfónico (H3PO3) - ácido ortofosfórico: ácido fosfórico (H3PO4) - ácido hipofosfórico: ácido fosfórico (H4P2O6) - ácido pirofosfórico: ácido difosfórico (H4P2O7) - ácido trifosfórico (H5P3O10) Química Inorgánica Grupo 15 8 ✔ haluros: - NX3 (X= F: más estable, Cl, Br, I) - PX3 (X= F, Cl, Br, I) y PX5 (X= F, Cl, Br) - AsX3 (X= F, Cl, Br, I) y AsX5(X= F, Cl) - SbX3 (X= F, Cl, Br, I) y SbX5 (X= F, Cl) - BiX3 (X= F, Cl, Br, I) y BiF5 ✔ compuestos organometálicos: los estados de oxidación +3 y +5 se encuentran en muchos compuestos organometálicos de As, Sb y Bi. Los compuestos organoarseniales (como As(CH3)3) se usaron para tratar infecciones bacterianas, como herbicidas y fungicidas, pero se han dejado de usar por su elevada toxicidad. Smog fotoquímico Se forma en la atmósfera de algunas ciudades. Produce diversos daños biológicos, resquebrajamiento de llantas, formación de agentes lacrimógenos por la presencia de peroxiacilnitratos (PAN). El smog se produce por una serie de reacciones (en la figura 10 se observa la variación de la concentración de las distintas especies en función de la hora): N2 (g) + O2 (g) → 2NO (g) → NO2 (g) NO2 (g) + hν400 nm → NO (g) + O (g) → O3 (g) Figura 10. Variación de la concentración de NO, NO2 y O3 con la hora diaria. H3C C O O NO O 2
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