boro y aluminio
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BORO Y ALUMINIOPropiedades, alotropías, compuestos, obtención y aplicaciones
Luis Leonardo Carreño Torres12/01/2010
Introducción
Boro elemental, propiedades
Es un elemento metaloide, semiconductor, trivalente que existe abundantemente en el mineral bórax. Hay dos alótropos del boro; el boro amorfo es un polvo marrón, pero el boro metálico es negro. Su configuración electrónica es [He]2s22p1.
El boro constituye el 0.001% en la corteza terrestre. Nunca se ha encontrado libre. Está también presente en el agua de mar en unas cuantas partes por millón (ppm). La presencia de boro en cantidades muy pequeñas parece ser necesaria en casi todas las plantas, pero en grandes concentraciones es muy tóxico para la vegetación. En la naturaleza hay sólo un número limitado de localidades con concentraciones altas de boro o grandes depósitos de minerales; los más importantes parecen ser de origen volcánico (Lenntech, 2009).
Este es el único elemento del grupo 13 que se puede considerar como no metálico. El boro posee una estructura reticular extensa. Su punto de fusión (2300oC) es intermedio entre el carbono (3550oC) y el del silicio (1410oC).
Alotropía
El boro presenta multitud de formas alotrópicas que tienen como elemento estructural común un icosaedro regular. La ordenación de los icosaedros puede ser de dos formas distintas:
Unión de dos icosaedros por dos vértices, mediante enlaces covalentes normales (Imagen 1- a).
Unión de tres icosaedros por tres vértices, mediante un enlace de tres centros con dos electrones (Imagen 1-b).
Imagen 1. Formas alotrópicas del boro elemental; a izquierda y b derecha.
Boranos
Los hidruros o boranos son un grupo de compuestos que se presentan en los tres estados, de olor nauseabundo, muy reactivo, explosivo y venenoso. El más sencillo es el borano (BH3), que no se encuentra aislado, sino como B2H6 o diborano en el que dos átomos de hidrógeno comparten sus dos electrones con dos átomos de boro que aportan dos electrones y de esta forma, dos átomos de boro y un hidrógeno se enlazan mediante dos electrones por un enlace de tres centros (Imagen 2). Es un gas incoloro que se utiliza como reductor en química orgánica y en la obtención de boro puro.
Los poliboranos tienen de fórmula general BnHn+4 y los menos estables BnHn+6 (n hasta 20), y sus propiedades se alejan de las del borano según aumenta n. Los alquilboranos son excelentes combustibles para cohetes, pero son muy caros. El boro no parece ser tóxico. El ácido bórico y los boranos si lo son y hay que manejarlos con cuidado.
Boratos
Término con que se refiere a compuestos que tienen boro y oxigeno junto con otros metales. Un ejemplo de estos son:
ULEXITA: NaCaB5O9 * 8H2O Borato de sodio y calcio con ocho moléculas de agua. Borato natural insoluble, ligeramente soluble en agua caliente, soluble en ácidos. Presente en los salares andinos de Chile.
COLEMANITA: Ca2B5O9 * 5H2O Borato de calcio con cinco moléculas de agua. Borato natural insoluble en agua, fácilmente soluble en HCl caliente. No hay en Chile.
KERNITA: Na2B4O7 * 4H2O Borato de sodio con cuatro moléculas de agua. Difiere del bórax sólo en el contenido de agua. Se puede emplear en el estado que se encuentra en la naturaleza.
BORAX (TINCAL): Na2B4O7 * 10H2O Borato de sodio con diez moléculas de agua. Borato natural y soluble en agua. Puede ser refinado con 99,5% de pureza.
Imagen 2. Estructura molecular del Diborano B2H6
Aluminio
El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. []
En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, Al2
O3·nH2O. La industria emplea el proceso Bayer para producir alúmina a partir de la bauxita. La alúmina es vital para la producción de aluminio–se requieren aproximadamente dos toneladas de alúmina para producir una tonelada de aluminio (Aluar on line, 2004).
Propiedades químicas importantes
Debido a su elevado estado de oxidación se forma rápidamente al aire una fina capa superficial de óxido de aluminio (Alúmina Al2O3) impermeable y adherente que detiene el proceso de oxidación, lo que le proporciona resistencia a la corrosión y durabilidad. Esta capa protectora, de color gris mate.
El aluminio tiene características anfóteras. Esto significa que se disuelve tanto en ácidos (formando sales de aluminio) como en bases fuertes (formando aluminatos con el anión [Al (OH)4]-) liberando hidrógeno.
La capa de óxido formada sobre el aluminio se puede disolver en ácido cítrico formando citrato de aluminio.
El principal y casi único estado de oxidación del aluminio es +III como es de esperarse por sus tres electrones en la capa de valencia
El aluminio reacciona con facilidad con HCl, NaOH, ácido perclórico, pero en general resiste la corrosión debido al óxido. Sin embargo cuando hay iones Cu2+ y Cl- su pasivación desaparece y es muy reactivo.
Electrometalurgia
El óxido de aluminio (o alúmina) se disuelve en un baño fundido de criolita (Na3AlF6) y se electroliza en una celda electrolítica usando ánodos y cátodo de carbono. Se realiza de esta manera, ya que la alúmina proveniente del proceso Bayer tiene un punto de fusión extremadamente alto (por encima de los 2000 °C), muy caro y difícil de alcanzar en la práctica industrial.
La mezcla con la criolita da una mezcla eutéctica, que logra bajar el punto de fusión a alrededor de los 900 °C. Por esta razón el consumo energético que se utiliza para obtener aluminio es muy elevado y lo convierte en uno de los metales más caros de obtener, ya que es necesario gastar entre 17 y 20 kWh por cada kilo de metal de aluminio. De estos baños se obtiene aluminio metálico en estado líquido con una pureza entre un 99,5 y un 99,9%, quedando trazas de hierro y silicio como impurezas principales.
El gran problema del aluminio es el precio de la energía que consume para producirlo y que representa entre un 25% y un 30% del costo de producción del metal. Por esta razón
se están desarrollando procesos alternativos que permiten una reducción de la energía necesaria, hasta un 70% menos que con el procedimiento electrolítico (Wikipedia,2009).
Aleaciones
Aportaciones de los elementos aleantes:
Los principales elementos aleantes del aluminio son los siguientes y se enumeran las ventajas que proporcionan.
Cromo (Cr) Aumenta la resistencia mecánica cuando está combinado con otros elementos Cu, Mn, Mg.
Cobre (Cu) Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la corrosión.
Hierro (Fe) Incrementa la resistencia mecánica. Magnesio (Mg) Tiene alta resistencia tras el conformado en frío. Manganeso (Mn) Incrementa las propiedades mecánicas y reduce la calidad de
embutición. Silicio (Si) Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecánica. Titanio (Ti) Aumenta la resistencia mecánica. Zinc (Zn) Reduce la resistencia a la corrosión.
Estado trivalente y monovalente del grupo 13 de la tabla periódica.
Los elementos del grupo 13 son más metálicos que el boro y la química de sus compuestos es de carácter iónico. No obstante, muchos de los compuestos se sitúan en la frontera de carácter iónico-covalente. Los cuatro elementos del grupo 13 (exceptuando al boro) dan compuestos trivalentes, pero el estado monovalente adquiere más importancia a medida que se avanza desde el Ga, In hasta el Tl. En el caso del Tl los dos estados son igualmente importantes. El ion Tl+ está bien definido en disolución.
la razón principal de la existencia del estado monovalente radica en el decrecimiento de las fuerzas de los enlaces en los compuestos MX3 ; así; en el caso de los cloruros, las energías medias de enlace son, Ga, 242; In, 206; T1, 153, kJ mol-1 . Por lo tanto, existe una tendencia creciente a que tenga en par la reacción
MX3 ↔ MX + X2
Los compuestos. MX3 o MR3 se parecen a los similares BX3 en que son Ácidos Lewis, con fuerzas decrecientes en el orden: B > Al > Ga > In ~T1.
Conclusión
Es un elemento metaloide, semiconductor, trivalente que existe abundantemente en el mineral bórax.
El boro constituye el 0.001% en la corteza terrestre. Nunca se ha encontrado libre. Está también presente en el agua de mar en unas cuantas partes por millón (ppm).
El boro es un micronutriente esencial para las plantas, si bien existen diferencias en los niveles de boro que cada planta requiere para su crecimiento óptimo. El margen entre déficit y toxicidad por boro en ciertas plantas es muy estrecho.
El riesgo de efectos adversos por niveles altos de concentración de boro en ecosistemas acuáticos es pequeño porque los niveles de boro son generalmente bajos y se sitúan por debajo de la concentración sin efecto observado en el medioambiente.
La exposición de las personas al boro ocurre principalmente a través de la alimentación y también a través del agua de bebida. Experimentos sobre animales han mostrado efectos adversos sobre la reproducción y el desarrollo pero únicamente con niveles de boro entre unas 100 y 1.000 veces mayores que con los niveles de exposición normal. Aunque los datos sobre toxicidad en las personas son insuficientes, se ha establecido una Ingesta Tolerable (IT) de boro basándose en datos sobre animales.
Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. []
En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, Al2 O3·nH2O.
El proceso de Bayer utiliza la alúmina para obtener aluminio puro. En este proceso se purifica el mineral alumina para obtener oxido de aluminio. Después mediante electrolisis se logra separar el aluminio de ésta mena.
Debido a su elevado estado de oxidación se forma rápidamente al aire una fina capa superficial de óxido de aluminio (Alúmina Al2O3) impermeable y adherente que detiene el proceso de oxidación, lo que le proporciona resistencia a la corrosión y durabilidad. Esta capa protectora, de color gris mate.
El aluminio tiene características anfóteras. Esto significa que se disuelve tanto en ácidos (formando sales de aluminio) como en bases fuertes (formando aluminatos con el anión [Al (OH)4]-) liberando hidrógeno.
Bibliografía
Brown Theodore L., y cols, 2004, Química. La ciencia central, Pearson Education. Páginas 1152.(Capitulo 7: Propiedades periódicas de los elementos, Boro y aluminio México.
www.Wikipedia.com, La enciclopedia libre, 2009, Boro
www.Wikipedia.com, La enciclopedia libre, 2009, Aluminio]