QI aula 3 grupo 13

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Elementos do Grupo 13: 
Boro e Alumínio 
Aula 03 
Química Inorgânica - 2014 
 Configuração eletrônica: ns2np1 
 Estado de oxidação máximo: +3 
Exceção: Tl+ (venenoso)- Efeito do par inerte 
 Todos são metálicos com exceção do B 
 Propriedades diagonal 
 Abundâncias 
B 3 ppm 
Al 75.000 ppm 
Ga 15 ppm 
In/Tl 1,8 ppm 
 
Grupo 13: Aspectos Gerais 
Química Inorgânica - 2014 
O que é Efeito do par inerte? 
Tendência de formar íons de carga 
duas unidades menor que o esperado 
pelo número do grupo. Isso é mais 
pronunciado nos elementos mais 
pesados do bloco p 
Química Inorgânica - 2014 
Grupo 13: Aspectos Gerais 
As propriedades químicas dos elementos do grupo 13 podem 
ser entendidas com base na estrutura eletrônica: 
[core]ns2 np1: 
Química Inorgânica - 2014 
Grupo 13: Aspectos Gerais 
(i) formam até 3 ligações covalentes, o que proporciona no máximo 6 
elétrons (octeto incompleto) gerando compostos deficientes em elétrons; 
 
(ii) apresentam um orbital p vazio (aceptor de elétrons) o que faz com os 
compostos sejam classificados como ácidos de Lewis 
 
 
 
 
(iii) para preencher o orbital vacante pode formar ligações múltiplas parciais 
com átomos terminais que possuam pares de elétrons disponíveis 
 
(iv) Os orbitais vacantes podem ser preenchidos por ligações em ponte 
M
X
M
R
R
M
X
R
RPontes são formadas 
pela doação de 2 
elétrons ao orbital vazio 
Química Inorgânica - 2014 
Grupo 13: Aspectos Gerais 
(v) Quando não há pares de elétrons livres as pontes são formadas a partir 
de ligações envolvendo 3 centros atômicos e 2 elétrons. Tais ligações são 
explicadas pela combinação da Teoria dos Orbitais Moleculares e a Teoria da 
Ligação de Valência. 
Ao invés de usar orbitais atômicos puros, os orbitais moleculares 
da molécula são gerados pela combinação 2 orbitais híbridos sp3 
do B e o orbital atômicos 1s do H que forma a ponte. 
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Grupo 13: Boro 
Boro apresenta propriedades diferentes dos outros elementos 
do grupo: relação diagonal com o silício. 
- B e Si formam óxidos ácidos B2O3 e SiO2 enquanto o Al forma 
óxidos anfotéricos 
- B e Si formam óxidos com estruturas poliméricas 
- B e Si formam hidretos gasosos altamente inflamáveis (B2H6 
and SiH4). Hidreto de Al é sólido 
Ocorrência natural: 
Minerais: Borax - Na2B4O7(OH)4.10H2O 
 Kernita - Na2B2O7(OH)4.4H2O 
Águas vulcânicas: Ácido bórico – H3BO3 ou B(OH)3(atua no tamponamento 
 junto com bicarbonato/carbonato) – 
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Grupo 13: Boro – Usos Industriais e Domésticos 
Vidros de borossilicato - resistentes ao calor B2O3 
Pesticida e Anti-séptico Borax e ácido bórico 
Detergentes e sabões Perborato de sódio – 
Na2[B2(O2)2(OH)4].6H2O 
Usinas nucleares (captura de nêutrons) Boretos metálicos 
Metalurgia Boretos metálicos 
Catálise e Síntese Orgânica Boranos 
Fertilizantes / Herbicidas Borax 
Cerâmicas Nitretos e carbetos de boro 
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Grupo 13: Boro – Isolamento e Purificação 
(i) Redução por metais – temperatura elevada (pureza 95 – 98%) 
B2O3 + 3Mg  2B + 3MgO 
 
(ii) Redução eletrolítica de boratos em KCl fundido (pureza 95 % - baixo rendimento) 
 Boratos: sais oxigenados que contém B e O na constituição química do ânion (p.e.Borax) 
 
(iii) Redução de haletos voláteis por H2 (pureza de 99,9%) 
2BBr3 + 3H2  2B + 6HBr 
 
(iv) Decomposição térmica de hidretos e haletos 
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Grupo 13: Boro - Reatividade 
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Grupo 13: Boro – Compostos com Hidrogênio 
Borohidretos / Boranos 
Neutros: BnHn+4 , BnHn+6 
Aniônicos: BnHn
2- 
Propriedades Químicas 
•Inflamáveis / explosivas 
•Susceptível à hidrólise 
•Ácido de Lewis 
B2H6(g) + 3O2(g)  2B(OH)3(s) 
B2H6(g) + 6H2O(l)  2B(OH)3(aq) + 6H2(g) 
B2H6 + 2 N(CH3)3  2 H3B--N(CH3)3 
B2H6 + 2 NH3  2 BH4
- + BH2(NH3)2
+
 
 
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Grupo 13: Boro – Compostos com Hidrogênio 
Classificação 
Closo-boranas: formadas por poliedros completos 
de n átomos de B. são ânions. 
Nido-boranas: estruturas abertas formadas por 
clusters de Bn que ocupam n vértices de um 
poliedro com (n+1) extremidades 
Arachno-boranas: estrutura mais aberta com 
átomos de B ocupando vértices contíguos de um 
poliedro com (n+2) extremidades 
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Grupo 13: Boro – Compostos com Haletos 
 Mp, ˚C Bp, ˚C 
BF3 -127.1 -99.9 
BCl3 -107 12.5 
BBr3 -46 91.3 
BI3 49.9 210 
•Compostos voláteis 
•Monoméricos (diferentemente dos hidretos) 
•Ácidos de Lewis: BF3 < BCl3 < BBr3 < BI3 
• Ordem inversa do esperado considerando as características de 
eletronegatividade - interação p remove parcialmente a deficiência de 
elétrons do orbital p vacante do B 
B
F
F
F
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Ácidos do Grupo do Boro 
 Os haletos de B e de Al são os ácidos de Lewis mais conhecidos. 
•As moléculas planares BX3 e AlX3 têm octetos incompletos e o 
orbital p perpendicular ao plano pode aceitar um par de elétrons 
da base de Lewis: 
A ordem de acidez dos complexos com BX3 é: 
BF3 < BCl3 < BBr3 (ou seja, o complexo BBr3NR3 é o mais estável) 
Como explicar essa ordem de acidez/estabilidade? 
Química Inorgânica - 2014 
Os halogênios na molécula BX3 podem 
formar ligações p com o orbital p 
vazio do Boro, e que essas ligações 
precisam ser “quebradas” para que 
esse orbital p esteja disponível para 
formar o complexo com NR3. 
NR
3
•Para o BF3 a interação do orbital pp do Boro com o orbital pp do F 
é maior devido ao pequeno tamanho desse halogênio (a 
sobreposiçãop é muito mais efetiva). Assim fica mais difícil um 
ataque pela base NR3. 
 
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Grupo 13: Boro – Compostos com Oxigênio 
Ácido Ortobórico 
B(OH)3 + H2O [B(OH)4]- + H+ pKa = 9.25 
 
 
2B(OH)3 + [B(OH)4]- [B3O3(OH)4]-+ 3H2O pKa = 6.84 
 
 
Ácido Lewis 
alta conc. metaborato 
polimérico 
Base Lewis 
B2O3 - preparação: 
 
 Na2B4O7.10H2O B(OH)3 HBO2 B2O3 
H+ 100°C D rubro 
bórax Ác. ortobórico Ác. metabórico 
Na2B4O7.10H2O + H2O  2B(OH)3 + 2B(OH)4
- + 2Na+ 
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Vidros Borossilicato 
Coeficiente de dilatação de cerca de 3,2 (vidro comum de 8,6) 
Começa a amolecer em 821 °C (o vidro comum amolece a 550 °C); a esta 
temperatura a viscosidade do vidro Pyrex 7740(um tipo de vidro borossilicato) é 
de 107,6 poise 
Densidade de 2,23 g/cm3inferior à do vidro comum (2,57 g/cm3). 
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Grupo 13: Boro – Compostos com Oxigênio 
Ortoboratos: contém unidades discretas BO33- (ex. Mg3(BO3)2) 
Metaboratos: grande variedade de anéis e cadeias constituídas 
por unidades [BO3] (trigonal planar) e/ou [BO4 ] (tetraédrica). 
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Grupo 13: Boro – Compostos com Nitrogênio 
Compostos contendo grupos BN são isoeletrônicos com grupos CC: 
BN com estrutura análoga ao 
diamante e propriedades 
semelhantes 
B 
N 
BN com estrutura análoga a da 
grafite 
Nanotubos de BN 
BN com estrutura 
análoga ao benzeno 
B2O3(l) + 2NH3(g) --------- 2BN(s) + 3H2O(g) 
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 Material escorregadio –usado como lubrificante (estrutura 
Grafite) 
 BN sob pressão –forma um sólido duro semelhante ao 
diamante 
 Isolante elétrico incolor 
 Usado como abrasivo a altas temperaturas 
Grupo 13: Boro – Nitreto de Boro 
Grupo 4: Discuta as propriedades químicas e elétricas de nitretos de boro 
QuímicaInorgânica - 2014 
Grupo 13: Alumínio – Aspectos Gerais 
Metal mais abundante da 
crosta terrestre 
2º metal de maior 
importância econômica 
Propriedades Importantes 
- baixa densidade 
- alta refletividade 
- alta maleabilidade e ductibilidade 
- resistente à corrosão 
Cu(s) + HNO3(conc) 
Al(s) + HNO3(conc) 
Camada protetora de Al2O3 
PASSIVAÇÃO 
https://www.youtube.com/watch?v=M8zj9lZRxW0 
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Ocorrência natural 
Mineral: Bauxita – Material heterogêneo formado de uma mistura de hidróxidos 
 de alumínio hidratados ( [AlOx(OH)3-2x], 0 < x < 1) 
 Feldspatos – aluminossilicatos de sódio, potássio, cálcio – (Na.K)AlSi2O3 
Grupo 13: Alumínio – Ocorrência 
Principais constituintes da bauxita: 
gibbsita, -Al(OH)3, boehmita, 
 -AlO(OH) e diaspório, -AlO(OH) , 
 (proporções variadas dependendo 
da localização geográfica do minério) 
Hematita (Fe2O3): óxido básico 
Sílica (SiO2): óxido ácido 
Hidróxido de alumínio (Al(OH)3): 
 anfótero 
BAUXITA 
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Grupo 13: Alumínio – Reservas Minerais e Produção 
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Grupo 13: Alumínio – Usos 
• Ligas Metálicas de Alta Resistência e Pouco Peso: Al metálico 
• Embalagens: Al metálico 
• Tratamento de Água: sulfato de alumínio / hidroxicloretos de 
 alumínio - Aln(OH)mCl3n-m 
• Anti-séptico para cosméticos: hidrocloretos de alumínio - 
 Al(OH)2,5Cl0,5 
• Catalisadores e Síntese Orgânica: óxidos, hidretos e 
 halogenetos de alumínio 
• Cerâmicas: óxidos de alumínio 
• Cimento Portland: aluminato de cálcio - Ca3Al2O6 
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Grupo 13: Alumínio – Usos 
Fonte: Abal, 2007 
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Grupo 13: Alumínio – Isolamento 
Purificação da Bauxita – Processo Bayer 
Isolamento do Al2O3 a partir das diferenças de acidez e basicidade dos óxidos presentes no 
mineral 
Al(OH)3 
Al2O3 
(anfotérico) 
Fe2O3 
(básico) 
SiO2 
(ácido) 
NaOH (30%), 190ºC 
[Al(OH)4]
- e Si(OH)6
2- 
acidificação 
Al(OH)3
 
calcinação 
Al2O3 PROCESSO HALL-HÉROULT 
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Grupo 13: Alumínio – Isolamento 
Processo Hall-Heroult 
Eletrólito: 
85% criolita (Na3AlF6) 
5% CaF2 
5% AlF3 
5% Al2O3 
p.f. Al2O3 = 2050ºC 
p.f. Na3AlF6 = 1020ºC 
Al2O3 + Na3AlF6 = 950ºC 
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Grupo 13: Alumínio – Isolamento 
ALTO CUSTO ENERGÉTICO 
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Grupo 13: Alumínio – Reciclagem 
1 t de Al reciclado poupa a extração de 4 t de bauxita 
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Grupo 13: Alumínio 
Reação Termita 
2 Al(s) + Fe2O3(s) → Al2O3(s) + Fe(s) 
Usada para soldar objetos metálicos grandes (ex:trilhos de trens) 
Uso militar – bombas incendiárias 
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Grupo 13: Alumínio – Compostos com Hidrogênio 
Hidretos de Alumínio: AlH3, LiAlH4 
 
• Agentes redutores 
• Reagentes para produção de hidretos metálicos 
 
LiAlH4 + SiCl4  LiAlCl4 + SiH4 
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Grupo 13: Alumínio – Compostos com Hidrogênio 
Reações envolvendo LiAlH4 como agente redutor 
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Grupo 13: Alumínio – Compostos com Haletos 
 AlF3 AlCl3 AlBr3 AlI3 
PF, ˚C 1290 192.4 97.8 189.4 
Subl. 1272 180 256 382 
Síntese: Al2O3 + 6 HF  2 AlF3 + 3 H2O 
 2 Al + 3 X2  2 AlX3 (X = Cl, Br, I) 
Importância industrial 
Reações de alquilação de 
Friedel-Crafts 
Al
F
F
F
F
FF
Al
F F
F
F
F
AlF3 gera um retículo 
formado entre Al3+ e pontes 
de F- - criolita, Na2AlF6 
AlX3 (X = Cl, Br, I) são dímeros 
formados por pontes de X-, que 
doam seus elétrons ao orbital p 
vazio do Al. 
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Grupo 13: Alumínio – Compostos com Haletos 
2 Al + 3 Br2  Al2Br6 
Química Inorgânica - 2014 
Grupo 13: Alumínio – Compostos com Oxigênio 
Al2O3 Corundum 
 -AlO(OH) Diasporio 
 -Al(OH)3 Bayerita 
 -Al2O3 Alumina 
 -AlO(OH) Boehmita 
 -Al(OH)3 Gibbsita 
Extremamente duro 
- Usado como abrasivo (creme dental) 
Inerte quimicamente e isolante 
- Usado em cerâmicas refratárias 
Alumina ativada 
Usada em catálise, troca-iônica e 
separação cromatográfica 
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Grupo 13: Alumínio – Compostos com Oxigênio 
Pedras Preciosas 
-Al2O3 com impurezas de metais de transição 
-Al2O3:Cr(III) -Al2O3:Fe(II)Ti(IV) 
-Al2O3:Fe(II) 
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Grupo 13: Alumínio – Compostos com Oxigênio 
Purificação de água – agentes floculantes 
Soluções aquosas de Al(III) apresentam um complexo sistema de equilíbrios 
químicos que envolvem a co-existência de um grande número de espécies 
químicas diferentes. 
H 
O
(OH2)4Al
O 
H
Al(H2O)4
4+
A elevada carga das espécies poliméricas 
de alumínio formadas quebram a 
estabilidade do colóide permitindo a 
rápida sedimentação do material 
particulado. 
As impurezas da água geralmente 
apresentam carga negativa, sendo 
necessário um agente coagulante 
com carga positiva. 
Química Inorgânica - 2014 
Química Inorgânica - 2014 
Grupo 5: Usos de Al- relação com propriedades química