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358 Pages·2016·11.52 MB·Spanish

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E
INGENIERIA
PROGRAMA DE QUÍMICA

401535 – QUÍMICA INORGANICA INDUSTRIAL
JOHNY ROBERTO RODRÍGUEZ PÉREZ
(Diseñador)
(Director de curso)

JUAN GABRIEL PERILLA JIMÉNEZ
(Acreditador)

BOGOTÁ D.C.
Marzo 2012
ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y
VERSIONAMIENTO

El presente módulo fue diseñado a finales del año 2011 y comienzos
del 2012 por el MSc(c). JOHNY ROBERTO RODRÍGUEZ PÉREZ, docente
ocasional de la UNAD. El MSc(c). Rodríguez es Licenciado en Química,
Especialista en Gestión ambiental y candidato a MSc. en Desarrollo
sustentable. El mismo se ha desempeñado como tutor y docente de la UNAD
desde el año 2008, actualmente, es director de los cursos: Química Orgánica
y Química Inorgánica Industrial a nivel nacional. En el año 2012 asume las
funciones de Coordinador nacional del programa de Química de la UNAD.

El documento retoma en gran parte el contenido de fuentes de
información relevantes y actualizadas en el tema de Química Inorgánica
avanzada, presentando así apartados didácticos que facilitan el estudio
autónomo de la Química Inorgánica, así como la estructura y contenidos
solicitados por la VIMMEP (Vicerrectora de Medios y Mediaciones
Pedagógicas) y la ECBTI (Escuela de Ciencias Básicas Tecnología e
Ingeniería).

Este documento se puede copiar, distribuir y comunicar públicamente
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INDICE DE CONTENIDO

Página
INTRODUCCIÓN 20

UNIDAD 1. QUÍMICA ÁCIDO-BASE Y EN SOLVENTES NO ACUOSOS 22

CAPITULO 1: QUÍMICA DE SISTEMAS ÁCIDO-BASE 25
Introducción 25

Lección 1. Teoría de Arrhenius 26
1.1 Ácidos 26
1.2 Bases 27
1.3 Interpretación de sistemas ácido-base desde Arrhenius 28

Lección 2. Teoría de Brönsted Lowry 30
2.1 Características de los ácidos y bases de Brönsted-Lowry 31

Lección 3. Algunos ácidos y bases de Brönsted-Lowry 32
3.1 Ácidos inorgánicos 32
3.2 Ácidos carboxílicos 33
3.3 Bases inorgánicas: hidróxidos 34
3.4 Bases inorgánicas: bases nitrogenadas 34

Lección 4. Teoría de Lewis 35
4.1 Ácidos y bases de Lewis 36
4.2 Similaridades entre la teoría de Lewis y la de Brönsted-Lowry 37
4.3 Ácidos y bases suaves y duras (HSAB - Hard and soft acids and
38
bases)

Lección 5. Aplicaciones de la química ácido base 41
5.1 Superácidos y superbases 41
5.1.1 Superácidos 41
5.1.2 Superbases 43

Lección 6. Solventes 44
6.1 Solventes polares próticos 45
6.2 Concepto ácido base – sistemas solvente 48
6.3 Disolventes dipolares apróticos 48
6.4 Solventes no polares 49
6.5 Solventes iónicos 49

CAPITULO 2. QUÍMICA EN SOLVENTES NO ACUOSOS 51
Introducción 51

Lección 7. Solventes no acuosos 52
7.1 Tipos de solventes no acuosos 52
7.2 Algunos disolventes no acuosos 53
7.3 Permisividad relativa 55
7.3.1 Constantes dieléctricas y relación con momentos dipolares 57

Lección 8. Comportamiento de sistemas ácido-base en solventes no
58
acuosos
8.1 Fuerza de ácidos y bases 58
8.2 Neutralización y diferenciación de ácidos 59
8.3 Ácidos en solventes ácidos 59

Lección 9. El concepto de solvente: anfoterismo y el modelo de
60
coordinación
9.1 Ácidos y bases: una definición orientada a solventes 60
9.2 El concepto de solvente 61
9.3 Comportamiento anfoterico 62
9.4 El modelo de coordinación 63

Lección 10. Química en amoniaco liquido 65
10.1 Propiedades físicas del amoniaco 65
10.2 Reacciones del amoniaco 66
10.2.1 Auto-ionización 67
10.2.2 Reacciones de amoniación 67
10.2.3 Reacciones de amonolisis 68
10.2.4 Reacciones de metátesis 69
10.2.5 Soluciones amoniaco-metal 70
10.2.6 Reacciones ácido-base 71

Lección 11. Liquidos ionicos 72
11.1 Sistemas de solventes de sales fundidas 73
11.2 Líquidos iónicos a temperatura ambiente 74
11.2.1 Al Cl -pyBu 74
2 6
11.2.2 Compuestos útiles en la síntesis de líquidos iónicos 74
11.3 Aplicaciones de sales fundidas / medios líquidos iónicos 76

Lección 12. Fluidos supercriticos 76
12.1 Propiedades de los fluidos supercríticos y sus usos como
77
disolventes
12.2 Algunos fluidos supercríticos 79
12.2.1 Dióxido de carbono supercrítico 79
12.2.2 Amoniaco supercrítico y Agua supercrítica 80

CAPITULO 3. CATÁLISIS EN QUÍMICA INDUSTRIAL 82
Introducción 82

Lección 13. Catálisis 83
13.1 Definiciones y conceptos generales 83
13.2 Energetica de los procesos cataliticos 84
13.3 Ciclos catalíticos 85
13.4 Catálisis homogénea y heterogénea 86
13.4.1 Catálisis homogénea 86
13.4.2 Catálisis heterogénea 87

Lección 14. Aplicaciones industriales de la catálisis homogénea 87
14.1 Obtención de ácido acético proceso Monsanto 88
14.2 Obtención de anhídrido acético proceso Tennesse-Eastman 89
14.3 Otras aplicaciones de la catálisis homogénea en la industria 91
14.3.1 Hidrogenación de alquenos 91
14.3.2 Metátesis de alquenos 91

Lección 15. Aplicaciones industriales de la catálisis heterogénea 93
15.1 Polimerización de alquenos: catálisis de Ziegler-Natta 93
15.2 Producción de amoniaco: proceso Haber 96
15.3 Oxidación de SO a SO : proceso de contacto 98
2 3
15.4 Crecimiento de cadenas carbonadas: proceso de Fischer-
100
Tropsch

UNIDAD 2. QUÍMICA DE COORDINACIÓN 106

CAPITULO 4. QUÍMICA DESCRIPTIVA DE LOS BLOQUES d y f 110
Introducción 110

Lección 16. Elementos de transición 3d (grupos 3 a 7) 111
16.1 Grupo 3: Escandio 111
16.2 Grupo 4: Titanio 112
16.3 Grupo 5: Vanadio 113
16.4 Grupo 6: Cromo 114
16.5 Grupo 7: Manganeso 115
16.5.1 Estados de oxidación del manganeso 116

Lección 17. Elementos de transición 3d (grupos 8 a 12) 117
17.1 Grupo 8: Hierro 118
17.2 Grupo 9: Cobalto 119
17.3 Grupo 10: Níquel 121
17.3.1 Extracción de níquel 121
17.3.2 Generalidades 122
17.4 Grupo 11: Cobre 123
17.4.1 Extracción de cobre 123
17.4.2 Generalidades 124
17.5 Grupo 12: Zinc 126
Lección 18. Elementos de transición 4d y 5d (grupos 3 a 7) 128
18.1 Grupo 3: Itrio y Lantano 129
18.2 Grupo 4: Zirconio y Hafnio 129
18.3 Grupo 5: Niobio y Tántalo 130
18.4 Grupo 6: Molibdeno y Tungsteno 131
18.5 Grupo 7: Tecnecio y Renio 132
Lección 19. Elementos de transición 4d y 5d (grupos 8 a 12) 133
19.1 Grupo 8: Rutenio y Osmio 133
19.2 Grupo 9: Rodio e Iridio 134
19.3 Grupo 10: Paladio y Platino 135
19.4 Grupo 11: Plata y Oro 136
19.5 Grupo 12: Cadmio y Mercurio 137

Lección 20. Elementos del bloque f 138
20.1 Generalidades 139
20.2 Propiedades físicas y aplicaciones 140

CAPITULO 5. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA DE COORDINACIÓN 142
Introducción 142

Lección 21. Generalidades sobre estructura y enlace 143
21.1 Estructura y enlace 143
21.1.1 Redes metálicas 144
21.1.2 Redes moleculares gigantes 145
21.1.3 Redes iónicas gigantes 146
21.1.3.1 Cristales moleculares 146
21.2 Energía de enlace 147

Lección 22. Fundamentos de simetría y teoría de grupo 149
22.1 Elementos y operaciones de simetría 149
22.1.1 Operación de identidad de (E) 150
22.1.2 El plano espejo (sigma,σ) 151
22.1.3 Centro de simetría, i 152
22.1.4 Eje rotacional, Cn 155
22.1.5 Rotación impropia, Sn 155
22.2 Fundamentos de teoría de grupo 158
22.2.1 Grupos de baja y alta simetría 159
22.2.1.1 Grupos de baja simetría 159
22.2.1.2 Grupos de alta simetría 160

Lección 23. Fundamentos de la química de coordinación 160
23.1 Los compuestos coordinados o complejos 162
23.1.1 Los ligandos 163
Lección 24. Teorías de enlace en complejos 165
24.1 Teoría de la coordinación de Werner 165
24.2 Teorías de enlace 167
24.2.1 Teoría del enlace de valencia 167
24.2.2 Principio de electroneutralidad y enlace trasero 168
24.2.3 Teoría del campo cristalino 169
24.2.4 Teoría de los orbitales moleculares 170

Lección 25. Nomenclatura de compuestos coordinados 172

CAPITULO 6. ASPECTOS DE LA QUÍMICA DE COORDINACIÓN 176
Introducción 176

Lección 26. Geometría, Isomerismo y quiralidad de compuestos de
177
coordinación
26.1 Tipos de isomería 177
26.1.1 Isomería de enlace 177
26.1.2 Isomería de ionización 178
26.1.3 Isomería de hidratación 179
26.1.4 Isomería de coordinación 179
26.2 Isomería geométrica y óptica 179
26.2.1 Complejos cuadrados planares 180
26.2.2 Complejos tetraédricos 182
26.2.3 Complejos trigonales bipiramidales y piramidales con base
183
cuadrada
26.2.4 Complejos octaédricos 184

Lección 27. Números de coordinación 187
27.1 El modelo Kepert 187
27.2 Números de coordinación bajos (1,2 y 3) 189
27.2.1 Número de coordinación 1 189
27.2.2 Número de coordinación 2 190
27.2.3 Número de coordinación 3 191
27.3 Número de coordinación 4 191
27.4 Número de coordinación 5 192
27.5 Número de coordinación 6 193
27.6 Números altos de coordinación 194
27.6.1 Numero de coordinación 7 194
27.6.2 Numero de coordinación 8 195
27.6.3 Numero de coordinación 9 y superiores 196

Lección 28. Características de los complejos de metales transición 198
28.1 Propiedades magnéticas 199
28.2 Color 200
28.2.1 Espectro de iones complejos d2–d8 201
28.3 Estabilidad de complejos 202

Lección 29. Reactividad de complejos 204
29.1 Reacciones de sustitución de ligandos - generalidades 204
29.1.1 Velocidades de sustitución 205
29.1.2 Tipos de mecanismos de sustitución 206
29.2 Reacciones redox 206
29.2.1 Clasificación de reacciones redox 207
29.3 Reacciones fotoquímicas 208
29.3.1 Reacciones inmediatas y retardadas 208

Lección 30. Síntesis de complejos 209
30.1 Reacción de la sal de un metal con un ligando 209
30.2. Reacciones de remplazo de ligandos 210
30.3. Reacciones de dos compuestos metálicos 210
30.4 Reacciones de oxidación – reducción 211
30.5 Descomposiciones parciales 211
30.6 Precipitación usando el principio de interacción duro-blando 212
30.7 Reacciones de compuestos metálicos con sales de amina 212

UNIDAD 3. QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO Y QUÍMICA DE MATERIALES 215
Introducción, justificación e intencionalidades formativas 215

CAPITULO 7. FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO 219
Introducción 219

Lección 31. Estado sólido 220
31.1 Cristales 220
31.2 Tipos de cristal 221
31.2.1 Cristales iónicos 221
31.2.2 Cristales metálicos 222
31.2.3 Redes de Cristales covalentes 224
31.2.4 Cristales Atómicos – moleculares 225

Lección 32. Empaquetamiento 225
32.1 Redes cristalinas 225
32.2 Espacio de redes y celdas unitarias 226
32.3 Redes cristalinas Tipo A 227
32.3.1 Estructuras Cúbicas 228
32.3.2 Clases de redes tipo A 230
32.4 Redes de Bravais 231
32.5 Redes cristalinas del tipo AB 233
n

Lección 33. Sólidos iónicos 234
33.1 Características estructurales de sólidos iónicos 236
33.1.1 Fases binarias, cristales tipo ABn 237
33.1.2 Fases ternarias, cristales tipo A B X 238
a b n

Lección 34. Defectos y no estequiometria 239
34.1 Orígenes y tipos de defectos 240
34.2 Defectos intrínsecos puntuales 240
34.3 Defectos puntuales extrínsecos 245
34.4 Compuestos no estequiométricos y soluciones sólidas 247
34.4.1 No estequiometria 247
34.4.2 Soluciones sólidas 248

Lección 35. Enlace metálico y semiconducción 250
35.1 Conductividad eléctrica y resistividad: en metales y
251
semiconductores
35.2 Teoría de Banda de metales y aislantes 252
35.2.1 Aislantes y la teoría de banda 254
35.3 Teoría de Banda de los semiconductores 256
35.3.1 Semiconductores 256
35.3.1.1 Semiconductores intrínsecos 256
35.3.1.2 Semiconductores extrínsecos (tipo n y p) 257