Reacciones de haluros

¿Qué son los halogenuros?

Por ejemplo, el cloro forma iones haluro que llamamos iones cloruro, ^Cl-. El cloro también reacciona con el sodio para producir un haluro de sodio conocido como cloruro de sodio:

${\mathrm{Cl}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}\to 2{\mathrm{Cl}}^{-}{\mathrm{Cl}}_2+2\mathrm{Na}\to 2\mathrm{NaCl}$

Reacciones de los haluros de hidrógeno

Los halogenuros de hidrógeno están formados por un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo de halógeno. Se forman cuando el hidrógeno reacciona con un halógeno. Veamos cómo reaccionan los halogenuros de hidrógeno con el agua, los alcoholes y el amoníaco.

Reacción con el agua

El cloruro de hidrógeno, el bromuro de hidrógeno y el yoduro de hidrógeno reaccionan con el agua para formar un ácido fuerte.

Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno se disuelve en agua para producir ácido clorhídrico, que está formado por un ion hidronio y un ion cloruro.

${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{l}\right)+\mathrm{HCl}\left(\mathrm{aq}\right)\to {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{Cl}}^{-}\left(\mathrm{aq}\right)$

A menudo simplificamos el ion hidronio a un simple protón:

$\mathrm{HCl}\left(\mathrm{aq}\right)\to {\mathrm{H}}^{+}\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{Cl}}^{-}\left(\mathrm{aq}\right)$

El ácido clorhídrico, el ácido bromhídrico y el ácido yodhídrico sonácidos fuertes. Esto significa que se ionizan completamente en disolución. Sin embargo, el ácido fluorhídrico es un ácido débil, lo que significa que sólo se ioniza parcialmente en disolución. Aunque cuando añades fluoruro de hidrógeno al agua, ésta se ioniza, los iones se atraen entre sí con tanta fuerza que algunos de ellos forman pares de iones fuertemente ligados. Como no todos los iones están libres en la solución, decimos que el ácido fluorhídrico es débil.

${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{l}\right)+\mathrm{HF}\left(\mathrm{aq}\right)\rightleftharpoons {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{F}}^{-}\left(\mathrm{aq}\right)$

Reacción con alcoholes

Al reaccionar los halogenuros de hidrógeno con un alcohol se obtiene un halogenuro de alquilo, también llamado halogenoalcano. Los veremos más adelante. También puedes utilizar halogenuros de fósforo como _PCl5 o _PBr3.

Por ejemplo, al hacer reaccionar etanol con bromuro de hidrógeno se obtiene cloroetano:

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}+\mathrm{HBr}\to {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{Br}+\hspace{0.17em}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Reacción con el amoníaco

Los haluros de hidrógeno reaccionan con el amoníaco para producir haluros de amonio.

Por ejemplo, la reacción del cloruro de hidrógeno con el amoníaco produce cloruro de amonio:

$\mathrm{HCl}\left(\mathrm{g}\right)+\hspace{0.17em}{\mathrm{NH}}_3\left(\mathrm{g}\right)\to {\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl}\left(\mathrm{s}\right)$

Reacción de los haluros con nitrato de plata y amoníaco

Otra reacción de los haluros útil de aprender es su reacción con una solución acidificada de nitrato de plata, _AgNO3. Es una forma de identificar los iones haluro en disolución. Añadir después solución de amoníaco ayuda a confirmar tus resultados.

Experimento

Para realizar la prueba, añade unas gotas de ácido nítrico a un haluro desconocido en solución. El ácido reacciona con cualquier impureza soluble de carbonato o hidróxido que pudiera dar un resultado falso.

A continuación, añade unas gotas de solución de nitrato de plata y anota cualquier cambio observable en un cuaderno de laboratorio o en otro lugar adecuado. ¿Se forma algún precipitado? Si es así, ¿de qué color son?

Si hay cloro, bromo o yodo, deberían formar un precipitado. Esto se debe a que reaccionan con la solución de nitrato de plata para formar haluros de plata insolubles: cloruro, bromuro y yoduro de plata respectivamente. El flúor no producirá ningún resultado observable porque el fluoruro de plata es soluble en agua.

A continuación, puedes seguir probando los compuestos añadiendo una solución de amoníaco. ¿Se disuelve alguno de los precipitados en solución diluida de amoniaco? ¿Y si la solución es concentrada? Puede ser útil hacer una tabla para anotar tus observaciones, como la que se muestra aquí.

Tabla para anotar los resultados de las pruebas de iones haluro

Con un poco de suerte, obtendrás los siguientes resultados.

La tabla de resultados, completada

Ecuación

La ecuación general para la reacción entre una disolución de haluro sódico y nitrato de plata se indica a continuación.

$\mathrm{NaX}\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{AgNO}}_3\left(\mathrm{aq}\right)\to \mathrm{AgX}\left(\mathrm{s}\right)+{\mathrm{NaNO}}_3\left(\mathrm{aq}\right)$

Podemos simplificarla en la siguiente ecuación iónica.

${\mathrm{X}}^{-}\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{Ag}}^{+}\left(\mathrm{aq}\right)\to \mathrm{AgX}\left(\mathrm{s}\right)$

Reacciones de los haluros como agentes reductores

Hemos explorado cómo los halógenos pueden actuar como agentes oxidantes (ver Reacciones de los halógenos).

Los iones haluro hacen todo lo contrario: actúan como agentes reductores.

¿Recuerdas las dos siglas OIL RIG y RAD OAT? Te ayudan a recordar el movimiento de los electrones en las reacciones redox y en las reacciones en las que intervienen agentes oxidantes o reductores.

Las siglas OIL RIG y RAD OAT te ayudan a recordar el movimiento de los electrones

Significa que un agente reductor dona electrones a otra especie. La otra especie gana estos electrones y se reduce. El agente reductor pierde electrones y se oxida.

¿Cómo actúan los iones haluro como agentes reductores? Sabes que un haluro es un anión negativo. Contiene un electrón más que el halógeno en su estado elemental. Los iones haluro pueden reaccionar perdiendo este electrón adicional para formar un átomo halógeno neutro.

Un átomo de flúor (izquierda) y un ion fluoruro (derecha)

Consideremos una reacción general entre un ion haluro, que llamaremos ^X-, y otra sustancia, que llamaremos Y:

$2{\mathrm{X}}^{-}+2\mathrm{Y}\to 2{\mathrm{Y}}^{-}+{\mathrm{X}}_2$

Observa lo siguiente:

• El haluro pierde un electrón. Se oxida.
• La otra especie gana un electrón. Se reduce.
• El haluro reduce a la otra especie. Por tanto, el haluro es un agente reductor.

Tendencias en la capacidad reductora

Quizá recuerdes que los halógenos se convierten en mejores agentes oxidantes a medida que se asciende de grupo en la tabla periódica. Sin embargo, esta tendencia se invierte cuando se trata de la capacidad reductora. En general, los halogenuros son mejores agentes reductores a medida que se desciende en la tabla periódica.

¿Por qué ocurre esto? Veamos las estructuras electrónicas del flúor y el cloro, a modo de ejemplo.

Las envolturas electrónicas del flúor y del cloro

Los iones fluoruro tienen la configuración electrónica ^{1s2 2s2 2p6}. Los iones cloruro tienen la configuración electrónica ^{1s22s22p6 3s2 3p6}. El cloruro es un ion más grande que el fluoruro, ya que tiene más capas de electrones. Esto significa que el electrón de la capa externa del cloruro está más alejado de su núcleo que el del fluoruro. La atracción entre este electrón de la capa externa y el núcleo es más débil, por lo que es más fácil perder el electrón más externo, y perder electrones es exactamente lo que hacen los agentes reductores.

Reacción de los haluros con el ácido sulfúrico

Todos los iones haluro reaccionan con el ácido sulfúrico concentrado, pero las reacciones producen una variedad de productos diferentes. Esto depende del haluro utilizado. Algunos haluros son capaces de reducir el azufre del ácido sulfúrico, mientras que otros no.

Utilizamos sales de haluro de sodio como fuente de iones haluro. Exploremos cada una de las reacciones sucesivamente.

Iones fluoruro y ácido sulfúrico

El fluoruro de sodio reacciona con ácido sulfúrico concentrado para producir fluoruro de hidrógeno e hidrogenosulfato de sodio:

$2\mathrm{NaF}\left(\mathrm{s}\right)+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\left(\mathrm{l}\right)\to {\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SO}}_4\left(\mathrm{s}\right)+2\mathrm{HF}\left(\mathrm{g}\right)$

Verás un sólido blanco -el hidrogenosulfato de sodio- y los vapores del fluoruro de hidrógeno.

Observa que no se trata de una reacción redox: los iones fluoruro no son un agente reductor lo suficientemente fuerte como para reducir el azufre del ácido sulfúrico. Todos los estados de oxidación permanecen iguales. En cambio, se trata de una reacción ácido-base.

Los estados de oxidación del azufre en la reacción entre el fluoruro sódico y el ácido sulfúrico

Iones cloruro y ácido sulfúrico

El cloruro sódico reacciona de forma similar. Una vez más, los iones cloruro no son lo bastante fuertes para reducir el dióxido de azufre. La única reacción es una reacción ácido-base, que produce vapores blancos de cloruro de hidrógeno y el sólido blanco hidrogensulfato de sodio:

$\mathrm{NaCl}\left(\mathrm{s}\right)+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\left(\mathrm{l}\right)\to {\mathrm{NaHSO}}_4\left(\mathrm{s}\right)+\mathrm{HCl}\left(\mathrm{g}\right)$

Iones bromuro y ácido sulfúrico

Ahora sabemos que la capacidad reductora aumenta a medida que se desciende en el grupo de la tabla periódica. Esto significa que los iones bromuro son un agente reductor mucho mejor que los iones fluoruro y cloruro. De hecho, los iones bromuro pueden reducir el ácido sulfúrico. Cuando el bromuro de sodio reacciona con el ácido sulfúrico, seguimos obteniendo la misma reacción ácido-base que vimos antes, pero también obtenemos una reacción redox adicional que produce bromo y dióxido de azufre:

$\mathrm{NaBr}\left(\mathrm{s}\right)+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\left(\mathrm{l}\right)\to {\mathrm{NaHSO}}_4\left(\mathrm{s}\right)+\mathrm{HBr}\left(\mathrm{g}\right)2{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{Br}}^{-}+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{SO}}_2+{\mathrm{Br}}_2$

Observa los estados de oxidación en esta reacción:

• El bromo pasa de -1 a +0.
• El azufre pasa de +6 a +4.
• Los iones bromuro pierden electrones y se oxidan.
• El azufre gana electrones y se reduce.

Por tanto, los iones bromuro son un agente reductor lo suficientemente fuerte como para reducir el azufre.

Iones yoduro y ácido sulfúrico

La tendencia continúa en el grupo: ¡los iones yoduro son aún mejores reductores de otras especies que los iones bromuro! Se producen cuatro reacciones distintas.

• En primer lugar, una reacción ácido-base produce yoduro de hidrógeno.
• A continuación, los iones yoduro reducen el azufre de un estado de oxidación de +6 en el ácido sulfúrico a +4 en el dióxido de azufre.
• A continuación, los iones yoduro reducen aún más los átomos de azufre a azufre elemental con un estado de oxidación de +0.
• También pueden reducir aún más el azufre en sulfuro de hidrógeno. En esta molécula, el azufre tiene un estado de oxidación de -2.

La siguiente tabla proporciona una visión general de las distintas reacciones, los estados de oxidación implicados y lo que deberías esperar ver.

La reacción entre el yoduro sódico y el ácido sulfúrico

En resumen:

• Los iones fluoruro y cloruro no reducen el ácido sulfúrico.
• Los iones bromuro reducen el azufre de un estado de oxidación de +6 a +4.
• ¡En cambio, los iones yoduro reducen el azufre de un estado de oxidación de +6 a -2!

Reacciones de los halogenuros de alquilo y los halogenuros de arilo

Loshalogenuros de alquilo y los halogenuros de arilo son tipos de halocarbonos.

Exploremos cómo reaccionan.

Reacciones de los halogenuros de alquilo

Los halogenuros de alquilo también se conocen como halogenoalcanos y contienen un halógeno unido a un carbono de un alcano. Son útiles porque pueden convertirse en moléculas con otros grupos funcionales diversos en las siguientes reacciones.

• Lasustitución nucleofílica de los halogenoalcanos puede producir alcoholes, nitrilos y aminas primarias.
• La eliminación de halogenoalcanos produce alquenos.

Por ejemplo, la eliminación del cloroetano mediante hidróxido de sodio etanoico produce eteno y agua:

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{Cl}+{\mathrm{OH}}^{-}\to {\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Reacciones de los halogenuros de arilo

Los halogenuros de arilo contienen un halógeno unido a un carbono en un anillo bencénico aromático. A diferencia de sus primos los halogenuros de alquilo, son relativamente poco reactivos y no participan en reacciones de eliminación o sustitución. Sin embargo, pueden participar en reacciones de intercambio metal-halógeno. En estas reacciones, el átomo halógeno se cambia por un ion metálico, lo que da lugar a un ion metálico unido a un anillo bencénico aromático.