Comportarea chimica a metalelor de tip p - reactia cu nemetalele

Prezenta aceluiasi numar de electroni (trei respectiv patru) in stratul exterior al acestor elemente explica asemanarea observata in comportarea lor chimica generala, in timp ce modificarea in structura penultimului strat electronic si efectul perechii de electroni inerti, asociate cu variatia dimensiunilor ionice, explica diferentele importante pe care elementele respective le prezinta din punctul de vedere mentionat.

Starea de oxidare caracteristica acestor elemente, determinata de numarul electronilor exteriori, este trei pentru elementele din grupa a III^a (aluminiu, galiu, indium, taliu), patru pentru elementele din grupa a IV^a (staniu si plumb), respectiv cinci pentru bismut. Pe langa starea de oxidare caracteristica, metalele de tip p pot functiona si intr-o stare de oxidare inferioara, cu doua unitati mai mica.

Starea de oxidare trei este importanta pentru toate elementele din grupa a III^a A, in timp ce starea monovalenta devine progresiv mai stabila cu cresterea lui n. O variatie in acelasi sens se observa si pentru starile de oxidare patru, respectiv doi ale elementelor staniu si plumb.

Astfel, taliul se deosebeste de celelalte elemente din grupa prin stabilitate mare a compusilor in care acesta functioneaza ca element monovalent, comportare care reprezinta o caracteristica dominanta a chimiei acestui element.

In ceea ce priveste comportarea elementelor staniu si plumb, din acest punct de vedere, se constata ca, desi diferenta in stabilitatile relative ale celor doua stari de oxidare ale staniului este foarte mica, derivatii staniu (IV) sunt mult mai stabili, pentru plumb insa starea de oxidare (II) reprezinta starea caracteristica.

Acest raport al stabilitatilor celor doua stari de oxidare se reflecta si in caracterul puternic reducator al combinatiilor staniului (II) in urma caruia acestea trec in combinatii ale staniului (IV) mai stabile.

La elementele din aceste grupe incepe sa se faca simtita prezenta orbitalilor d si f la interactia chimica, contributie care creste cu n in acelasi sens cu scaderea gradului de participare al perechii de electron s² la interactia chimica. Acest lucru explica faptul ca valoarea covalentei maxime si numerele de coordinatie pe care elementele respective le realizeaza in combinatiile lor cresc cu n, in timp ce starea de oxidare caracteristica scade in acelasi sens.

O serie de factori pot avea o contributie la stabilitatea starilor de oxidare ale elementelor respective dintre care pot fi mentionati: energiile de promovare si taria legaturilor formate pentru  interactia covalenta, respectiv energia de retea pentru compusii ionici.

In cazul unui compus covalent cresterea observata in stabilitatea starii de oxidare inferioare ar putea fi corelata cu descresterea energiei de legatura M ‑ X in grupa cu n.

Daca se considera seria de reactie: MX₂ + X₂ → MX₄, descresterea energiei de legatura M - X cu n ar putea sa conduca la situatia in care aceasta energie sa devina insuficienta pentru a compensa energia de promovare M (II) → M (IV) si in consecinta compusii de forma MX₂ sa reprezinte specia cea mai stabila.

In cazul unui compus ionic factorul care pare sa aiba o contributie importanta la stabilizarea starii de oxidare inferioare este energia de retea. Volumul speciilor  M²⁺ respectiv M⁴⁺ caracteristic elementelor din grupa a IV^a A creste in grupa cu n, ceea ce poate sa conduca la situatia in care diferenta intre energiile de retea ale celor doua specii sa fie insuficienta pentru a compensa consumul considerabil de energie implicat in procesul M²⁺→M⁴⁺+2ē. In consecinta intr-o astfel de situatie poate fi stabilizat compusul MX₂ corespunzator starii de oxidare inferioare.

In ceea ce priveste cea de a doua proprietate chimica fundamentala, caracterul electrochimic, elementele aluminiu, galiu si indiu se situeaza inaintea hidrogenului, in timp ce taliu se gaseste dupa hidrogen, in seria tensiunilor electrochimice. Potentialul cuplului Tl⁺∕Tl este insa negativ si fixeaza acest element inaintea hidrogenului in aceeasi serie. Pe baza potentialelor cuplului M²⁺∕M elementele staniu si plumb sunt situate, de asemenea, inaintea hidrogenului in seria tensiunilor electrochimice, dar foarte aproape de acestea.

Accentuarea caracterului metalic al elementelor din cele doua grupe in trecere de sus in jos in fiecare grupa se reflecta de asemenea, intr-o serie de aspecte ale comportarii chimice generale ale compusilor lor.

Metalele de tip p pot reactiona cu nemetalele, cu acizii, cu apa si cu compusi ai altor metale, mai putin active decat ele; unele reactioneaza si cu baze.

1.) Reactia cu nemetalele

Metalele de tip p au caracter electropozitiv mai slab decat cele de tip s, deoarece energia necesara pentru cedarea electronilor lor de valenta este mai mare decat la metalele de tip s. Din acest motiv ele se combina numai cu elementele cele mai electronegative si anume halogenii, oxigenul si sulf. Aluminiul, cel mai activ metal din grup, se combina si cu azotul si carbonul la temperaturi foarte inalte.  

Prin reactii de combinare, se formeaza compusii cei mai stabili si anume cei in care metalul se afla in stare caracteristica.

Grupa principala	Metal	Nemetal
		Cl2		O2		S
	Simbol Referat: Tratamentul complex al luxatiei recidivante de rotula: orthopedic sau chirurgical? Lucrare: Articulatia genunchiului - meniscurile genunchiului	N.O.	Formula compus	N.O.	Formula compus	N.O.	Formula compus
III	Al		AlCl3		Al2O3		Al2S3
IV	Sn		SnCl4 SnCl2		SnO2 (SnO)		SnS2
	Pb		PbCl4 PbCl2		(PbO2) PbO		PbS
V	Sb		SbCl5 SbCl3		Sb2O5 Sb2O3		Sb2S5 Sb2S3
	Bi		(BiCl5) BiCl3		Bi2O3		Bi2S3

Tabel 1.1. Principalii compusi formati de metalele p cu nemetalele

2.) Reactii cu acizii

Reactiile cu acizii decurg in mod diferit, in functie de pozitia metalului in seria de activitate electrochimica si de natura acestuia.

a) Reactii cu acizii care nu au caracter oxidant:

toate metalele din grupa a III^a A si staniu reactioneaza cu

degajare de H₂ si formare de saruri (in care numerele de oxidare sunt +3 pentru metalele din grupa a IIIa si +2 pentru Sn)

2Al + 3H₂SO₄→ Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑

sulfat de aluminiu

Sn + 2HCl→ SnCl₂ + H₂↑

clorura de staniu (II)

Desi plumbul este situat inaintea hidrogenului in seria activitati electrochimice, in general acizii diluati nu au actiune asupra lui. Aceasta comportare se datoreaza acoperirii suprafetei metalului cu o pelicula formata din sarurile de plumb ale acizilor respectivi, insolubile, care impiedica continuarea reactiei (pasivarea plumbului).

Metalele din grupa a V^a A: Sb si Bi fiind situate dupa hidrogen in seria de activitate, nu-l pot dezlocui din acizi.

b)      Reactii cu acizii cu caracter oxidant:

In prezenta acidului azotic:

toate metalele trivalente se acopera cu un strat protector de oxid care impiedica continuarea reactiei: metalele sunt pasivate. Aceasta comportare are drept consecinta practica folosirea vaselor din aluminiu pentru transportarea acidului azotic

Sn si Pb reactioneaza cu acidul azotic, dar fara degajare de H₂, ci oxid de azot

3Pb + 8HNO₃→3Pb(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

in aer: 2NO + O₂→2NO₂

3.) Reactia cu apa

Aluminiul este singurul metal din grupul celor de tip p , care este suficient de activ pentru a dezlocui hidrogenul din apa, la rece, dar numai daca este curatat de stratul de oxid care-l protejeaza.

2Al + 6H₂O→2Al(OH)₃↓ + 3H₂↑

Plumbul nu reactioneaza cu apa pura in absenta aerului. In prezenta oxigenului are loc o reactie fara degajare de H₂, din care rezulta hidroxid de plumb. In contact cu apa, plumbul se acopera cu un strat de sulfat de plumb si de carbonat de plumb care sunt greu solubile in apa (plumbul se foloseste la confectionarea tevilor pentru instalatiile de apa).

4.) Reactii cu bazele

Caracterul amfoter este pus in evidenta de proprietatea lor de a reactiona cu bazele tari.

2Al + 6H₂O_(v)→2Al(OH)₃↓ + 3H₂↑

2Al(OH)₃↓ + 2NaOH→2Na[Al(OH)₄]

tetrahidroxialuminatul de sodiu

2Al + 2NaOH + 6H₂O→2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Aceasta comportare a metalelor p (cu exceptia Bi) in prezenta bazelor tari le deosebeste de majoritatea celorlalte metale si este folosita la "dizolvarea" lor din aliaje sau metale pure.

5.) Reactii cu compusii altor metale

Aluminiul, fiind situat in seria activitatii imediat dupa metalele de tip s, este foarte activ.

Actiunea reducatoare a aluminiului are aplicatii practice, importante, deoarece sta la baza aluminotermiei. Se pot obtine industrial metale in stare pura si aliaje.

2Al + Cr₂O₃ →Al₂O₃ + 2Cr

In ceea ce priveste stereochimia acestor combinatii sunt semnalate atat structuri octaedrice cat si tetraedice, iar in putine cazuri o structura pentacoordinata.

O tetracoordinare este realizata in general in halogeno-compusii de aluminiu si galiu, in care drept liganzi functioneaza halogenii mai grei. Fata de ionul fluorura toate aceste elemente manifesta cifra de coordinare sase. Elementele mai grele din grupa (indiul si taliu) pot realiza aceeasi cifra de coordinatie si fata de halogenii mai grei.