Química de los Elementos del Grupo 13: Ocurrencia y Métodos de Obtención
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Estado Natural y Abundancia del Grupo del Boro (Grupo 13)
El Bórax, Na2B4O7·10H2O, es la fuente principal de boro. Se encuentra en depósitos formados en manantiales termales y lagos de regiones volcánicas.
El Aluminio (Al) es el metal más abundante de la corteza terrestre, presente en los aluminosilicatos. Sin embargo, su obtención a través de estos es muy difícil y, por tanto, se extrae siempre de la bauxita (óxidos minerales hidratados) y de la criolita, Na3[AlF6].
El Galio (Ga), Indio (In) y Talio (Tl) se encuentran en trazas en los sulfuros minerales; el Ga también se halla en trazas en la bauxita.
Obtención del Boro
El boro se obtiene por reducción del óxido B2O3 con Magnesio (Mg) o Sodio (Na) a alta temperatura. La secuencia de reacciones es la siguiente:
Na2B4O7·10H2O + H+ → B(OH)3 2B(OH)3 → B2O3 + 3H2O B2O3 + 3Mg → 2B + 3MgO
El boro que se obtiene así es del 95-98% de pureza y es de color negro. Es muy difícil obtener boro cristalino puro debido a su alto punto de fusión y a que el líquido es corrosivo. Cuando se desean obtener pequeñas cantidades de boro cristalino de mayor pureza, se recurre a los procesos siguientes:
- Reducción de BCl3 con H2.
- Pirólisis del BI3 (método de van Arkel).
- Descomposición térmica del diborano u otros hidruros de boro.
Usos del Boro
Un uso importante del boro es la producción de barras de control de los reactores nucleares y aceros resistentes al impacto, ya que aumenta su dureza. El ácido bórico también se ha utilizado en la conservación de alimentos.
Obtención del Aluminio
La producción de aluminio implica varios procesos interesantes. El mineral, bauxita, contiene Fe2O3 como impureza que debe eliminarse. El principio utilizado en la separación es que el Al2O3 es un óxido anfótero y se disuelve en NaOH(aq), mientras que el óxido de hierro es básico y no se disuelve.
Las reacciones clave del Proceso Bayer son:
Al2O3 + 2OH-(aq) + 3H2O → 2[Al(OH)4]-(aq) 2[Al(OH)4]-(aq) + H3O+ → Al(OH)3(s) + 2H2O 2Al(OH)3(s) → Al2O3(s) + 3H2O
Cuando se acidifica ligeramente la disolución del aluminato, precipita el hidróxido Al(OH)3(s) y, al calentar, se obtiene el óxido Al2O3 (o alúmina). La alúmina se disuelve en un baño fundido de criolita (Na3[AlF6]) y se electroliza en una celda electrolítica usando ánodos y cátodo de carbono. Este proceso se realiza así porque la alúmina proveniente del Proceso Bayer tiene un punto de fusión extremadamente alto (por encima de los 2000 °C), lo cual es muy costoso y difícil de alcanzar en la práctica industrial. La mezcla con la criolita forma una mezcla eutéctica, que logra bajar el punto de fusión a alrededor de los 900 °C. Por esta razón, el consumo energético para obtener aluminio es muy elevado, lo que lo convierte en uno de los metales más caros de obtener.
Las reacciones de electrodo no se conocen con certeza, pero la reacción neta de la electrólisis es:
Oxidación (Ánodo): 3{C(s) + 2O2- → CO2(g) + 4e-}
Reducción (Cátodo): 4{Al3+ + 3e- → Al(l)}
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Global: 3C(s) + 4Al3+ + 6O2- → 4Al(l) + 3CO2(g)
Obtención de Galio, Indio y Talio
El galio, indio y talio se pueden aislar por electrólisis de sus disoluciones acuosas de sus sales.