Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. BLOQUE DE DESCRIPTIVA… Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Grupo 4 del sistema periódico (Ti, Zr y Hf). Algunas características generales: ♣.- El primer elemento difiere apreciablemente del resto de sus congéneres. ♣.- La química en solución acuosa del primer elemento es simple, mientras que la de los restantes en un grupo es compleja. ♣.- La ocurrencia de un estado de oxidación particular y la estereoquímica son sensibles a las condiciones experimentales. Algunas características particulares: Conf. Radio Elemento electrónica covalente (Å) Pto. Fusión. (ºC) Ti [Ar]3d24s2 1.32 1660 Zr [Kr]4d25s2 1.45 1852 Hf [Xe]4f146s2 5d2 1.44 2150 Potencial ElectronePto. Ebullic. Ionización gatividad (ºC) (eV) 1ro: 6.82 3287 2do: 13.58 1.54 3ro: 27.49 1ro: 6.54 4377 2do: 13.13 1.33 3ro: 22.98 1ro: 6.65 5400 2do: 14.93 1.30 3ro: 23.32 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. -Estados de oxidación y estereoquímicas frecuentes en el titanio.- Estado de oxidación. Ti0, d4 Número de coordinación. 8 Geometría. Ejemplos. Pbc CpTi(CO)4- TiII, d2 8 6 Tetraedro dist. Octaedro TiIII, d1 TiIV, d0 2 3 5 6 4 8 5 5 6 7 8 Cp2Ti(CO)2 [Ti(η6-2,6Me2C5H3N)2]2+ Cadenas planas TiCl2 Planar Ti[N(SiMe3)2]3 TiBr3(NMe3)2 Bpt Octaedro [TiF6]3Tetraedro TiCl4 Cp2TiCl2 Tetraedro dist. [TiCl5]Bpt TiO(porfirina) Pbc Ti(acac)2Cl2 Octaedro [Ti(O2)F5]3Bpp Dodecaedro TiCl4(diars)2 dist. Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. -Estados de oxidación y estereoquímicas frecuentes en el zirconio y hafnio.- Estado de oxidación. Zr0, Hf0 d4 Número de coordinación. 6 Geometría. Ejemplos. ZrII, HfII d2 8 8 ZrIII, HfIII d1 6 Octaedro MX3 4 6 Tetraedro Octaedro. 7 Bpp MCl4 Zr(acac)2Cl2 [ZrCl6]2Na3[MF7] 8 Antiprisma cuadrado Zr(acac)4 8 Dodecaedro [Zr(C2O4)4]4- Octaedro [Zr(bipi)3], Zr(C4H6)2dmpe Tetraedro dist. Cp2M(CO)2 Octaedro CpZrCl(dmpe)2 ZrIV, HfIV d0 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Descriptiva del grupo 4. titanio. Resumen de la reactividad del ♣.- Obtención de un buen precursor a partir del mineral. Δ Cl2 Ti FeTiO3 ilmenita TiCl4 líquido incoloro C proceso Kroll ♣.- Obtención de haluros trivalentes. H2 α-TiCl3 violeta TiCl4 1000 ºC 250 – 300ºC AlR3/hexano β-TiCl3 marrón Ambas formas contienen grupos TiCl6. En la especie β-TiCl3 los grupos TiCl6 están unidos por dos vértices del octaedro que son comunes. Aplicación: en la polimerización estereoespecífica del propeno. Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Formación de especies solvato (TiIII). Se consideran especies aducto de fórmula general: TiCl3.nL (L = 1-6) Ejemplo: THF TiCl3 TiCl3(THF)3 reflujo Cuando el solvente es CH3CN se obtiene el complejo TiCl3(CH3CN)3 L no puede ser H2O porque ocurriría oxidación según: TiIII + 2H2O [Ti(OH)2]2+ + 2H+ + e- Eo = -7.7 x 10-3 V El ión [Ti(OH2)6]3+ existe pero se oxida con facilidad, esto hace que su manejo sea bajo atmósfera de Ar. Aplicación de los solvatos: -precursores sintéticos- ♣.- Reacción del TiCl3 con ácidos minerales. No se forman oxosales. H2SO 4 TiCl 3 HNO 3 Ti 2(SO 4)3 Ti(NO 3)3 HClO4 Ti(ClO 4)3 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Obtención de haluros divalentes. Nota: Compuestos de TiII son relativamente poco abundantes. Las dos vías principales de obtención de las especies TiX2 son: desproporción del trihaluro: calor TiX2 + TiX4 2TiCl3 reducción del tetrahaluro: TiCl4 + Ti 2TiX2 Aplicación: -síntesisCH3CN Ejemplo: TiCl2 + 2dmpe trans-TiCl2(dmpe)2 ♣.- Hidrólisis de los tetrahaluros. TiCl4 TiBr4 TiI4 líquido volátil sólido cristalino sólido cristalino Se hidrolizan según: TiCl4 + 2H2O TiO2 + 4HCl Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. El TiO2 aparece en la naturaleza en tres formas cristalinas diferentes: rutilo anatasa más común y frecuente, octaedro perfecto. octaedro distorsionado. brukita Aplicaciones: -TiO2 se usa como pigmento blanco- Naturalmente puede ser coloreado debido a impurezas como hierro. -Impregnado con complejos de Pt se usa como catalizador en la reacción de fotodescomposición del agua-Síntesis de precursores de TiIV hidrosolubles♣.- Reacciones del TiO2. reducción: H2 TiO2 Ti2O3 1000 ºC Ti2O3 es inerte, solo es atacado por ácidos oxidantes. reacción con ácido sulfúrico: TiO2 + H2SO4 “Ti(SO4)2” En realidad se trata de un titanilo: TiOSO4.H2O. También puede obtenerse a partir del tetrahaluro según: TiCl4 + 6SO3 “Ti(SO4)2” + 2S2O5Cl2 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Reacciones del titanilo. hidrólisis: A partir del “Ti(SO4)2” se ha postulado la existencia del ión TiIV en solución acuosa por la formación de especies del tipo: [Ti(OH)2]2+ [Ti(OH)Cl]2+ [Ti2(OH)6]2+ Tanto las soluciones anteriores de TiIV como los complejos que este ión puede formar muestran una intensa coloración anaranjada con el H2O2 debido a la formación de complejos peroxo del tipo siguiente: [Ti(O2)OH]+ [Ti(O2)edta]2- Na3[Ti(O2)F5] formación de complejos: Con ligandos dicetonas: “Ti(SO4)2” + 2Hacac TiO(acac)2 ♣.- Formación de especies hexahaluros o solvato (TiIV). Los tetrahaluros o los óxidos pueden ser tratados con HF en un solvente dador para obtener buenos precursores, incluyendo los del tipo solvato. SO2 [TiF6]2TiCl4 + HF CH3CN TiCl4 + HF [TiF5(CH3CN)]CH3CN TiCl4 + SbCl5 [TiCl3(CH3CN)3]SbCl6 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Formación de compuestos organometálicos. TiCl4 + 2CpNa Cp2TiCl2 sólido rojo cristalino cuasitetraedro. Cp2TiCl2 es un excelente precursor para otros complejos tal y como se muestra en el esquema: CpTiCl 3 Cp2TiR 2 Cp2TiClR RMgX H2C. . Cp2Ti .. CH H 2C Cp2Ti(CO) 2 TiCl 4 alilMgBr Cp TiCl 2 2 LiNR 2 CO Mg Na Zn Cp2Ti(μ−Cl)2TiCp 2 CH3MgX Cp2Ti(NR 2)2 Cp2Ti(CH 3)2 ♣.- Formación de aductos con TiCl4. Los haluros forman aductos del tipo TiX4L y TiX4L2 con moléculas dadoras. Son sólidos solubles en solventes orgánicos. Ejemplos: TiCl4(OMe2)2 los diaductos son cis [TiCl4(OPCl3)]2 [TiCl4(MeCO2Et)]2 los monoaductos son dímeros con puentes halógeno Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Formación de alcóxidos de TiIV. Son los complejos más usados y se obtienen por reacciones como : TiCl4 + 4ROH + 4NH3 TiCl4 + 3EtOH Ti(OR)4 + 4NH4Cl 2HCl + TiCl2(OEt)2.EtOH Los alcóxidos son sólidos o líquidos solubles en benceno y se hidrolizan con facilidad. Si el grupo R no es suficientemente voluminoso o las concentraciones son bajas ocurre polimerización con puentes OR. ♣.- Formación de compuestos nitrogenados de TiIV. Algunas reacciones típicas son: TiCl4 NH3/Na Ti(NH2)4 NH2R TiCl2(NHR)2 TiCl4 NHR2 TiCl4 TiCl4 + 4LiNR2 TiCl2(NR2)2 Ti(NR2)4 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Descriptiva del grupo 4. Resumen de la reactividad del Zirconio y Hafnio. ♣.- Obtención de un buen precursor a partir del mineral. Δ Cl2 Zr ZrCl4 sólido ZrO2 o ZrSiO4 baddeleyita o C blanco zircon proceso Kroll ZrCl4 sublima a 331ºC. ZrF4 sublima a 903 ºC. MX4 son monómeros tetraédricos en fase gaseosa y polímeros con átomos de halógeno en puente en estado sólido (excepto ZrF4). estructura en zigzag de los MX 4 ♣.- Formación de alcóxidos. MCl4 + 3ROH MCl(OR)3 MCl4 + 4ROH M(OR)4 Los alcóxidos son monoméricos, tetraédricos y sensibles al efecto estérico del grupo R. Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Obtención de oxocloruros. La hidrólisis de los tetrahaluros procede parcialmente a temperatura ambiente: MCl4 + 9H2O MOCl2.8H2O + 2HCl Los oxohaluros han permitido el estudio de las reacciones en agua: MOCl2.8H2O H+/H2O H+/H2O2 [M4(OH)8(H2O)16]8+ [M4(O2)2(OH)4]8+ Los átomos M están octacoordinados. Hay tendencia hacia la alta nuclearidad, no presente en el Titanio. La adición de hidróxido a soluciones acuosas de MIV causa la precipitación de sólidos blancos gelatinosos de óxidos hidratados OHMOCl2.8H2O calor MO2.nH2O calor M + O2 MO2 ZrO2 es inerte frente a ácidos y álcalis. Funde a 2700ºC y se usa en el recubrimiento de hornos. Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Formación de aductos o complejos de sustitución. Los haluros se combinan con ligandos dadores neutros para formar aductos de estereoquímica variable. Ejemplos: trans-MX4L2 cis-MX4(LL) octaédricos MX4(LL)2 (LL = diars) M(acac)2X2 octaedro dodecaedro M(acac)3X bpp M(dicetona)4 dodecaedro [M(LL)3]- (LL = neutro) octaedro ♣.- Obtención de haluros trivalentes. Características de los haluros trivalentes: -No existe química en solución acuosa. -Son no estequiométricos. -Se conocen pocos complejos de coordinación derivados. -Se obtienen por reducción del tetrahaluro. ZrCl4 + HfCl4 Al AlCl3 fundido se reduce lentamente ZrCl3 + HfCl3 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Obtención de haluros monovalentes y divalentes. Se obtienen generalmente según: M MX4 MX 850ºC M MX2 700ºC Los empaquetamientos y estructuras son complejos. Son sorprendentemente estables térmicamente (Ej: puntos de fusión superior a los 1100ºC. ♣.- Complejos organometálicos. Su química es muy similar a la del titanio y la más importante es la de los ciclopentadienilos. Reacción general (para especies MIV): MX4 + 2CpNa Cp2MX2 Compuestos conocidos: Cp2M, CpMX3, Cp3MX, CpMCl(LL)2, Cp4M (uno o dos anillos están monocoordinados) Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Complejos cerovalentes. Se conocen pocos complejos cerovalentes del zirconio. Ejemplos: Li ZrCl4 Zr(bipi)4 bipi/THF ZrCl3 + RbCN NH3(liq) Rb5[Zr(CN)5] ♣.- Otros complejos. Particularmente los fluorocomplejos exhiben números de coordinación superiores en variedad de poliedros. MX4/HF [Zr2F14]6[ZrF6]2[ZrF8]4[ZrF7]3[Zr2F12]4- Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Grupo 5 del sistema periódico (V, Nb y Ta). Algunas características generales: ♣.- El primer elemento difiere apreciablemente del resto de sus congéneres. ♣.- La química en solución acuosa del primer elemento es simple, mientras que la de los restantes en un grupo es compleja. ♣.- La ocurrencia de un estado de oxidación particular y la estereoquímica son sensibles a las condiciones experimentales. Algunas características particulares: Conf. Radio Elemento electrónica covalente (Å) Pto. Fusión. (ºC) V [Ar]3d34s2 1.22 1890 Nb [Kr]4d45s1 1.34 2468 Ta [Xe]4f145d3 6s2 1.34 2996 Potencial ElectronePto. Ebullic. Ionización gatividad (ºC) (eV) 1ro: 6.74 3380 2do: 14.65 1.63 3ro: 29.31 1ro: 6.88 4927 2do: 14.32 1.60 3ro: 25.04 1ro: 7.89 5425 2do: ? 1.50 3ro: ? Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. -Estados de oxidación y estereoquímicas frecuentes en el Vanadio.- Estado de oxidación. V-I, d6 Número de coordinación. 6 Geometría. Ejemplos. Octaedro [V(CO)6]- V0, d5 6 Octaedro V(CO)6 , V(bipi)3 VI, d4 6 7 7 6 VII, d3 VIII, d2 VIV, d1 VV, d0 3 4 5 6 7 4 5 6 8 4 5 6 7 [V(bipi)3]+ CpV(CO)4 V(CO)2(dmpe)2Cl [V(OH2)6]2+ [V(CN)6]4Planar V[N(SiMe3)2]3 Tetraedro [VCl4]Bpt VCl3(NMe3)2 [V(NH3)6]3+ Octaedro Bpp K4[V(CN)7].2H2O Tetraedro VCl4 Bpt transVOCl2(NMe3)2 Octaedro K2VCl6 Dodecaedro VCl4(diars)2 Tetraedro VOCl3 Bpt VF5 Octaedro VF6Bpp VO(NO3)3.CH3CN Octaedro Pbc Bpp Octaedro Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. -Estados de oxidación y estereoquímicas frecuentes en el Niobio y Tántalo.Estado de oxidación. Nb3-, Ta3- Número de coordinación. 5 Geometría. Ejemplos. Bpt [M(CO)5]3- Nb1-, Ta1- 6 Octaedro [M(CO)6]- NbI, TaI, d4 7 Pbc CpM(CO)4 NbII, TaII, d3 6 7 Octaedro Bpp MCl2(dmpe)2 TaCl3(CO)(PMe2Ph)3. EtOH NbIII, TaIII, d2 6 8 Octaedro Dodecaedro [Nb2Cl9]3K5[Nb(CN)8] NbIV, TaIV, d1 6 7 8 8 4 5 6 8 9 Octaedro Bpp Ac Dodecaedro Tetraedro Bpt Octaedro Ac Complejo [MCl6]2K3NbF7 TaH4(diphos)2 K4Nb(CN)8.2H2O ScNbO4 TaMe5 MCl6Na3TaF8 Cp2TaH3 NbV, TaV, d0 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Descriptiva del grupo 5. Vanadio. Resumen de la reactividad del ♣.- Obtención de oxohaluros de vanadio cinco. Se conocen las especies: VOX3 (X = F, Cl y Br) VO2F VO2Cl El VOCl3 es el más importante de todos: 300 ºC 2V2O5 + 6Cl2 + 3C 4VOCl3 + 3CO2 líquido amarillo Cl- L 2L VOCl4- VOCl3L formación de aductos VOCl3L2 ♣.- Formación de vanadatos. pH- -Es una química muy importante y altamente sensible al V2O5 NaOH pH> 13 VO43ión vanadato Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. En el rango de pH de 2 a 6 se forma el ión decavanadato, de color naranja. Este puede existir de varias formas protonadas. V10O286- + H+ V10O27(OH)5- + H+ V10O26(OH)24- + H+ V10O26(OH)24- V10O25(OH)33- , etc. Otros vanadatos: Ión metavanadato: MVO3 (M = K, Rb, Cs, NH4+, etc.) Ión tetratiovanadato: VS43♣.- Obtención de haluros de vanadio. El más importante es el VCl4: V + Cl2 V2O5 caliente + CCl4 ferrovanadio + Cl2 VCl4 VCl4 VCl4 VCl4 es un aceite que se hidroliza violentamente para formar el VOCl2 Es de estructura tetraédrica y constituye un precursor importante en la química organometálica del VIV. VCl4 + 2CpNa tiene actividad antitumoral Cp2VCl2 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Formación del ión vanadilo cinco. H+ V2O5 cis-[VO2(H2O)4]+ sólido rojo H+ Vanadatos EDTA4Cl2 Ox2[VO2(EDTA)]3- [VO2Cl4]3- [VO2(Ox)2]3♣.- Formación del ión vanadilo cuatro. Es posible la reducción del ión vanadilo cinco en ácido clorhídrico al ión vanadilo cuatro según: VO2+ + 2H+ + e- VO2+ + H2O Eo = 1.0 V. (obviamente hay evolución de cloro) Realmente se trata del ión: [VO(H2O)5]2+ porfirina H2SO4 H3PO4 VOSO4.3H2O acacVO(porf) VO(HOPO3) VO(acac)2 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Obtención del óxido trivalente. Se lleva a cabo la reducción del V2O5 en hidrógeno o carbón: H2 V2O5 V2O3 sólido blanco refractario V2O3 en solución ácida genera el ión: [V(H2O)6]3+ Ox2- PR3 KCN [V(ox)3]3- NCS- VCl3(PR3)3 THF [V(NCS)6]3- K4[V(CN)7].2H2O [VCl2(THF)2(H2O)2]+ ♣.- Química del ión [V(H2O)6]2+: cis-[VO2(H2O)4]+, [VO(H2O)5]2+ y [V(H2O)6]3+ pueden reducirse por vía electrolítica o con Zn metálico para obtener el acuo ión: [V(H2O)6]2+ py THF dmpe VCl2(py)4 VCl2(THF)2 trans-[VCl2(dmpe)2] Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. Descriptiva del grupo 5. Resumen de la reactividad del Niobio y Tántalo. ♣.- Obtención de los pentóxidos. Para el Niobio: Δ/O2 Nb2O5 pirocloro Para el Tántalo: fergusonita Δ/HSO4Ta2O5 Características: Sólidos blancos inertes. Relaciones estructurales complejas y variables. ♣.- Obtención de Niobiatos y Tantalatos. NaOH M2O5 pH = 7 [HxM6O19] (8-x)- ScMO4 Sc3+ Estructura compleja en solución Tetraedro Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Obtención de los metales por reducción. Reactividad. 6M + 5Al2O3 3M2O5 + 10Al proceso aluminiotermia M + X2 MX5 haluros pentavalentes buenos precursores NbF5 TaF5 sólidos blancos volátiles, estructura octaédrica con dos átomos de halógenos en puente. Otros son: NbCl5, NbBr5, TaCl5, TaBr5 Los metales son también lentamente atacados por ácidos. En HF se obtienen fluorocomplejos cuya composición depende de las condiciones de reacción: [NbF6]HF 50% Nb HF 95% [NbF7]2HF 5% [NbOF6]3- Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Formación de alcóxidos de MV. Los alcóxidos son diméricos y se obtienen por tratamiento del pentacloruro con un alcohol y una amina. Estructura: MCl5 + ROH M2(OR)10 OR RO M RO OR R O OR M O OR R OR OR Se pueden llevar a cabo reacciones de clivaje sobre los grupos OR en puente: M2(OR)10 + 2py 2M(OR)5py Hay casos de sustitución parcial de los cloros en MCl5: MCl5 + 2-metoxietanol MCl3(OCH2CH2OMe)2 Cuando el grupo R es voluminoso se obtienen especies monoméricas del tipo M(OR)5. ♣.- Compuestos organometálicos de MV. Los más importantes son los metil y ciclopentadienil derivados. 2TaCl5 + 3ZnMe2 TaCl2Me3 + 2LiMe 2TaCl2Me3 + 3ZnCl2 TaMe5 + 2LiCl reacciones llevadas a cabo en éter dietílico Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. -Los compuestos de Niobio son menos establesLos derivados Cp se obtienen como siempre por reacción con CpNa. éter MCl5 + 2CpNa Cp2MCl3 buen precursor HCp2MH3 ♣.- Formación de aductos de MV. Los pentahaluros tienen características de ácidos Lewis. Se combinan con bases neutras (átomos dadores: N, O, P o S) para formar especies MX5L. ♣.- Obtención de haluros tetravalentes. H2 MX5 MX4 MCl4 MBr4 Sólidos marrón oscuro. Cadenas lineales con 2 átomos de halógenos en puente y enlace metalmetal. Algunos aductos importantes sintetizados son: NbCl4(THF)2, TaCl4(PMe2Ph)2, NbBr4py2, TaCl4(dmpe)2 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.- Oxohaluros de MV. .- Son los más importantes. reacción controlada MX5 + O2 MOX3 Se conocen los 16 compuestos. MO2X .- Todos se hidrolizan: NbCl5 + H+ NbF5 + H+ NbCl5 + H+ [NbOCl5]2[NbOF5]2NbOCl3 forman aductos NbOCl3(CH3CN)2 ♣.- Obtención de complejos de MIII. Se obtienen por reducción de los pentahaluros en presencia de ligandos dadores neutros. MX5 Na/Hg M2Cl6L3 L Cl estructura Cl Cl Cl L M L L M Cl Cl Condiciones más fuertes de reducción conducen a M2Cl2L4 Tema 6: Elementos de la primera serie de transición. ♣.-Compuestos con estados formales de oxidación bajos. .- La mayoría contienen ligandos CO. .- Requieren altas temperaturas y presiones. Zn/Mg [M(CO)6]- MX5 py CO octaédrico Algunos derivados monosustituidos son: NH4+ L Na/NH3liq 3M(CO)5 [M(CO)6NH3] [M(CO)6] -78ºC [M(CO)5L]-