Trabajo de química inorgánica
Haluros de hierro (III)
Andrés Ángel Rodríguez Báez
3º Curso Licenciatura de Química
- Introducción:
Los haluros de hierro (III), o trihaluros de hierro, son compuestos con la estequiometria FeX3 .
Nos podemos encontrar con el FeF3, que será un sólido tridimensional, (a pesar de tener el anión fluoruro no conseguimos estados de oxidación más altos). Este óxido tendrá una estructura tipo trióxido de renio (ReO3) :
Los átomos de hierro ocupan los vértices del cubo, mientras que los de flúor estarán situados a mitad de arista. Tendremos una estructura tridimensional donde nos encontramos con una serie de octaedros unidos por los vértices, (los vértices serán átomos de flúor, y los de hierro estarán alojados en el interior del octaedro).
El FeF3 es un compuesto iónico.
También nos encontramos con el bromuro de hierro (III) y el ioduro de hierro (III), que serán mucho más covalentes que el FeF3, ya que estos aniones son mucho más voluminosos. En el caso del FeI3 para conseguirlo hay que hacerlo por vía indirecta y bajo condiciones inertes:
2 Fe(CO)4I2 + I2 à 2 FeI3 + 8 CO
Pero, sin duda, el trihaluro de hierro más importante es el de cloro.
- Cloruro de hierro (III) :
Al cloruro de hierro (III) también se le puede llamar tricloruro de hierro, (incluso cloruro férrico), y su fórmula será FeCl3 .
Propiedades y obtención:
| verde oscuro (cristal) | |
| 533 K (260 °C) | |
| 588 K (315 °C) | |
| Solubilidad en agua | 92 g/100 ml (20ºC) |
Este compuesto podemos obtenerlo de diversas formas.
Podemos hacer pasar una corriente de cloro gaseosa sobre hierro caliente:
2 Fe (S) + 3 Cl2 (g) à 2 FeCl3 (S)
Este método lo podemos llevar a cabo en el laboratorio, para ello debemos producir una corriente de cloro, la cuál se puede hacer mediante la reacción redox entre el permanganato potásico y el ácido clorhídrico. Una vez reaccionan, se ha de deshidratar el gas de cloro (Cl2) producido con ácido sulfúrico concentrado.
Cuando tenemos ya el Cl2, lo pasamos a un tubo de combustión donde tenemos el hierro, y se calienta para favorecer la reacción y que sea más rápida. Debemos de usar un desecante, como el cloruro cálcico (CaCl2), para evitar que el tricloruro de hierro se hidrolice.
El gas de cloro restante se transforma en una sal soluble, ya que es un contaminante.
Otra forma de obtenerlo es añadir ácido clorhídrico sobre óxido de hierro:
HCl (aq) + Fe2O3 à FeCl3 + H2O
Industrialmente, las disoluciones de tricloruro de hierro se producen a partir de hierro y sus óxidos:
Fe3O4 (S) + 8 HCl (aq) à FeCl2 (aq) + 2 FeCl3 (aq) + 4 H2O
El FeCl2 podemos oxidarlos, bien con cloro (Cl2) o bien con dióxido de azufre (SO2):
2 FeCl2 (aq) + Cl2 (g) à 2 FeCl3 (aq)
32 FeCl2 + 8 SO2 + 32 HCl à 32 FeCl3 + S8 + 16 H2O
En cuanto a su reactividad podemos decir que nos encontramos ante un ácido de Lewis moderadamente fuerte, que formará aductos con bases de Lewis (como por ejemplo con el óxido de trifenilfosfina). Se trata de un oxidante suave.
Reaccionará con otros cloruros para dar el ión FeCl4-, que es de color amarillo.
Calentándolo a 350 ºC con óxido de hierro (III):
FeCl3 + Fe2O3 → 3 FeOCl
En medio básico, reacciona con alcoholes para dar complejos dímeros de alcóxidos:
2 FeCl3 + 6 C2H5OH + 6 NH3 → (Fe(OC2H5)3)2 + 6 NH4Cl
En disolución reacciona con los oxalatos para dar [Fe(C2O4)3]3−.
Por sus características y propiedades es un sólido volátil, ya que tenemos un alto porcentaje de carácter covalente debido a que el anión cloruro es un anión voluminoso, y ahora nos encontramos con una estructura laminar, donde el hierro ocupa los huecos octaédricos (los huecos tetraédricos están vacios), pero ,debido a la carga, no estarán todos los huecos ocupados, tendremos 2 ocupados y 1 no.
No es un EHC porque tenemos falta de planos (brechas) de forma ordenada (se irán repitiendo las brechas). Tendrá estructura tipo CdI2 ó BiI3.
Tiene un color verde-negro brillante. Además de tener una presión de vapor alta, por lo que tendrá puntos de fusión, ebullición y sublimación bajos. En estado gaseoso los que nos encontramos son dímeros (Fe2Cl6), pasando a coordinación tetraédrica:
Si calentamos fuertemente podemos llegar a tener el FeCl3 en estado gaseoso.
Este compuesto se hidroliza con facilidad en contacto con la humedad:
FeCl3 (S) + 3 H2O (l) à Fe(OH)3 (S) + 3HCl (g)
A partir del compuesto anhidro, dependiendo de las condiciones (pH, temperatura…), podemos tener cristales hidratados, que realmente son complejos:
[Fe Cln (H2O)6 – n] Cl3 – n· n H2O
Cuando n vale 0 tenemos cristales incoloros (color muy pálido), sin embargo para cuando n vale 1, 2 ó 3 tenemos cristales amarillo intenso.
Esto se debe a que el hierro (III) es un d5 y como tiene un desdoblamiento octaédrico pues tenemos la configuración t2g3 eg2 , y según las reglas de centro de simetría, Laporte y spin, estos complejos no deberían tener color. Sin embargo, debido a sistemas vibracionales y electrónicos se pierde la simetría de forma momentánea y se pueden dar colores pálidos.
Si cambio el agua obtengo colores más intensos, ya que al cambiar el ligando perdemos simetría (esto pasa cuando n > 0). Esta es la explicación de que las disoluciones de hierro en ácido clorhídrico sean amarillas.
En cuanto a sus aplicaciones destacan:
Se usa para el tratamiento de aguas residuales (industriales y domiciliarias), ya que realiza las siguientes acciones:
- Remueve el fosfato y el arsénico
- Reduce los sólidos en suspensión
- Hace que precipiten los metales pesados
- Deshidrata los lodos
También sirve para el tratamiento de agua potable, ya que:
- Reduce la turbidez
- Elimina todo el arsénico
- Quita el color asociado a compuestos orgánicos
Todo esto lo hace ya que el FeCl3 en medio acuoso ligeramente básico reacciona con el ión hidróxido para formar flóculos de FeO(OH)-, que puede eliminar los materiales en suspensión:
Fe3+ + 4 OH− à Fe(OH)4− à FeO(OH)2−·H2O
Otro uso importante del FeCl3 es para grabar o decapar el cobre en una reacción redox que oxida el cobre a cloruro de cobre (I) y luego a cloruro de cobre (II) en la producción de circuito impreso ( un circuito impreso es un medio para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes electrónicos, a través de rutas o pistas de material conductor, grabados en hojas de cobre laminadas sobre un sustrato no conductor, comúnmente baquelita o fibra de vidrio):
FeCl3 + Cu à FeCl2 + CuCl
FeCl3 + CuCl à FeCl2 + CuCl2
Hay dos procedimientos para esto:
1.- Consiste en realizar un dibujo manualmente sobre una plaqueta con una cara de cobre, mediante el uso de un rotulador permanente resistente al ataque de ácidos. También suelen aplicarse diversos métodos más efectivos reemplazando el uso del rotulador, como es el empleo de fóleos de acetato (también conocidos como "Transparencias"), imprimiendo sobre este la imagen del circuito prediseñado en un ordenador. Para este método es conveniente utilizar impresoras laser o fotocopiadoras, ya que contienen Tóner, y este es resistente al ataque ácido. Una vez impreso el circuito en el acetato, se procede a calentar el cobre de la placa (mediante el uso de una plancha o similar) para posteriormente colocar el acetato sobre ella y adherir el Tóner a él. Para finalizar se introduce la placa en la solución de cloruro férrico.
2.- El otro método, con resultados de mayor calidad, se basa en el empleo de plaquetas sensibles a la luz. Se cubre la plaqueta con una transparencia (acetato) con el circuito impreso, luego se deja a disposición de una fuente de rayos UV. Y al finalizar este proceso se lo sumerge casi instantáneamente en un revelador y luego en la solución de cloruro férrico.
Para el primer procedimiento se utilizan placas con capa de cobre comunes, mientras que para el segundo se utilizan placas fotosensibilizadas.
El cloruro de hierro (III) se usa como catalizador de la reacción de adición de etileno con cloro, formando 1,2-dicloroetano, una materia prima importante para producir industrialmente cloruro de vinilo, el monómero para fabricar PVC:
H2C=CH2 + Cl2 à ClCH2CH2Cl
El cloruro de hierro (III) también tiene aplicaciones importantes a nivel de laboratorio ya que se usa como ácido de Lewis para reacciones de catálisis tales como cloración y reacción de Friedel-Crafts de compuestos aromáticos ( Las reacciones de Friedel-Crafts son un tipo de reacción de sustitución electrófila aromática en las que en un compuesto aromático un átomo de hidrógeno es sustituido por un alquilo, alquilación de Friedel-Crafts, o un grupo acilo, acilación de Friedel-Crafts. Fueron descubiertas el año 1877 por el químico francés Charles Friedel y por el químico americano James M. Crafts). Es menos potente que cloruro de aluminio, pero esta menor fortaleza conduce a veces a rendimientos más altos, como en la alquilación de benceno.
Se usa también para hacer la prueba del cloruro férrico, que es una prueba colorimétrica tradicional para fenoles, que usa una disolución al 1% de cloruro de hierro (III) que ha sido neutralizada con hidróxido de sodio hasta que se forme una pequeña precipitación de FeO(OH). La mezcla se filtra antes de ser usada. La sustancia orgánica se disuelve en agua, metanol or etanol, luego se añade la disolución neutra de cloruro: —una coloración transitoria o permanente (normalmente púrpura, verde o azul) indica la presencia de un fenol o enol.
El cloruro de hierro (III) anhidro se usa a veces como reactivo deshidratante en ciertas reacciones.
Lo usan los fabricantes de cuchillos y espadas artesanales para teñir las hojas y para dar un efecto de contraste al metal y para ver las imperfecciones de estos.
También se usa para el fotograbado de láminas de cobre para imprimir imágenes fotográficas al aguafuerte o por intaglio y para grabar los cilindros de rotograbado usados en la industria de artes gráficas.
El cloruro de hierro (III) se usa, además, en procesos mineros como agente lixiviante de los concentrados de cobre.
Es usado como materia prima para colorantes y agente decolorante en el refinado de aceites y grasas. Sirve para el decapado de metales (es un tratamiento superficial de metales que se utiliza para eliminar impurezas, tales como manchas, contaminantes inorgánicos, herrumbre o escoria, de aleaciones de metales ferrosos, cobre, y aluminio).
Conclusiones:
Aunque podemos tener todos los haluros de hierro (III), debido a sus numerosas aplicaciones gracias a las propiedades que posee, el tricloruro de hierro (FeCl3) es, sin duda, el compuesto más destacable de este grupo.
Sus aplicaciones han servido para progresar mucho en algunos tipos de industria, sobre todo en la industria electrónica, donde sirve para hacer las placas de circuitos impresos tan comúnmente extendidas en la actualidad, y por lo tanto ha contribuido a mejorar la calidad de vida.
A pesar de todo, hay que tener cuidado a la hora de trabajar con él, ya que es corrosivo para los metales ferrosos y algunos metales no ferrosos como el cobre y sus aleaciones, el material anhidro es un poderoso agente deshidratante y puede provocar quemaduras en la piel, en disolución mancha la piel y puede provocar irritación, provoca quemaduras por contacto con los ojos y, además, sus sales son tóxicas por inhalación.
Bibliografía:
Enrique Gutiérrez Ríos. Química Inorgánica. Editorial Reverté. Barcelona, 1978.
Greenwood, N.N.; A. Earnshaw. Chemistry of the Elements (2nd ed. edición). 1997.
Shriver, D.F.; Atkins, P.W. Química Inorgánica. McGraw Hill. 2008
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