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Solución:
Usaré un enfoque que se ha incluido en el siguiente libro para responder a esta pregunta: Flechas en química inorgánica; un enfoque lógico de la química de los elementos del grupo principal
Para comenzar, lea mi respuesta a esta pregunta: ¿Por qué el cromato es estable en medio básico y el dicromato es estable en medio ácido? leer sobre el prefacio de este método, incluidas las posibles preocupaciones.
Esencialmente, el libro habla de determinar el tipo de reactividad de las moléculas inorgánicas al observar sus estructuras. Si bien esto puede no reflejar con un 100% de precisión la vía de reacción real, podemos considerar que es una aproximación bastante buena de lo que sucede en la realidad. Si bien el mecanismo completamente correcto solo se puede descubrir experimentalmente, podemos obtener una probable mecanismo mediante el empleo de un enfoque de empuje de flechas, y que al menos debería reflejar el camino real en una extensión suficiente, si no del todo.
Ahora, si miramos las estructuras de óxido de aluminio y óxido de galio ($ ce Al2O3 $ y $ ce Ga2O3 $), podemos ver que poseen una estructura de tipo dímero en puente similar a la que se muestra a continuación para el óxido de aluminio (el mismo esqueleto estructural es válido también para el óxido de galio, simplemente reemplazando el aluminio con galio a continuación):
Esta estructura ahora posee algunas propiedades únicas. Contiene un $ ce Al-O-Al $ puente con un $ ce Al = O $ grupo a cada lado. $ ce Al = O $ se puede decir que el grupo es estructuralmente similar al grupo carbonilo de la química orgánica.
Por lo tanto, al igual que el grupo carbonilo, se puede decir que habrá una carga positiva parcial alta en el $ ce Al $ átomos debido al efecto de captación de electrones del $ ce Al = O $ grupos. Por lo tanto, pueden servir como el sitio electrófilo ideal para el ataque de un nucleófilo como $ ce OH – $ en medio básico, y conducen a la ruptura del enlace (y reacción adicional) en álcali de la siguiente manera:
En un medio básico, el $ ce AlO2H $ La mitad también se desprotonará y, por lo tanto, terminará con dos moles de $ ce AlO2 ^ – $ . Si la base que se estaba utilizando era $ ce NaOH $, entonces es mejor informar estos productos como $ ce NaAlO2 $ para aluminio. En un caso análogo, obtendría $ ce NaGaO2 $ si hubiéramos comenzado con óxido de galio.
En exceso de álcali, la reacción puede continuar, ya que todavía son posibles más adiciones de hidróxido en el $ ce Al = O $ sitio de la siguiente manera:
La reacción puede terminar después de la formación del hidróxido, o un proceso continuo puede conducir a la adición de otro $ ce OH ^ – $ para formar el ion complejo $ ce [Al(OH)4]^ – $ , que aquí podría llamarse ion aluminato En otro caso análogo, habríamos terminado con $ ce [Ga(OH)4]^ – $ (llamado ion galato) si hubiéramos comenzado con óxido de galio.
Ahora, para el medio ácido, supongamos que $ ce Al2O3 $ reacciona con $ ce HCl $. Aquí, el oxígeno central del $ ce Al-O-Al $ El puente representa un eslabón débil que se puede escindir fácilmente después de la protonación (porque tiene restos que pueden funcionar como buenos grupos salientes en ambos lados). Además, el contraión del ácido (es decir, $ ce Cl ^ – $), puede servir como nucleófilo para descomponer el esqueleto del dímero después de la protonación de la siguiente manera:
los $ ce AlO2H $ puede protonarse de nuevo para formar un ion oxonio que puede expulsar agua y absorber un $ ce Cl ^ – $ para formar otro lunar de $ ce AlOCl $(mostrado en el siguiente diagrama).
Siguiendo a eso, el $ ce AlOCl $ puede participar en un proceso repetitivo de protonación, ataque por cloruro y eliminación de agua para producir los productos finales de la siguiente manera:
Los productos de estas reacciones se pueden verificar para los óxidos de aluminio y galio en sus páginas de Wikipedia, respectivamente.
Entonces podemos ver que una de las principales razones de la naturaleza anfótera de los óxidos puede ser sus estructuras en puente, lo que les permite reaccionar tanto con ácidos como con bases como se ilustra arriba.
Ahora, llegando al óxido de indio, la fórmula de este compuesto como se indica aquí es $ ce In2O3 $, que se parece a la fórmula de $ ce Al2O3 $ y $ ce Ga2O3 $ que dijimos anteriormente. Entonces, esperaría que este óxido tenga al menos algunas propiedades anfóteras. Este es de hecho el caso, como se indica aquí para el hidróxido de indio (dado que los hidróxidos son simplemente formas hidratadas de sus óxidos, también podemos esperar una naturaleza similar para el óxido de indio):
El resultado indicó de manera concluyente que el In (OH) 3 es solo ligeramente anfótero, siendo mucho más básico que ácido.
Además, en la página de Wikipedia para el óxido de indio se establece claramente que este óxido es soluble en ácidos pero no en álcalis. Esto es bastante esperado porque cuando se mueve hacia abajo en un grupo, los elementos tienden a volverse de naturaleza más metálica y, por lo tanto, sus óxidos tienden a volverse más básicos también. Por tanto, un óxido anfótero que tiende ligeramente hacia el extremo básico parece razonable para el óxido de indio (III). La reacción entre ácido y $ ce In2O3 $ debe seguir el esquema general que se ilustra arriba para $ ce Al2O3 $ y $ ce HCl $, y debería producir productos similares. De hecho, este es el caso, como se puede ver aquí.
En cuanto al talio, debido al efecto de par inerte, generalmente forma un óxido en el que el talio se encuentra en el estado de oxidación +1, con la fórmula $ ce Tl2O $ como se indica aquí. Esto no encaja con la formulación general de $ ce Al2O3 $ y $ ce Ga2O3 $ que discutimos anteriormente. Por lo tanto, uno esperaría que este óxido simplemente se vuelva más básico que los otros miembros del grupo (ya que es un óxido del elemento más inferior del grupo) y no muestre muchos signos de naturaleza anfótera. Esto coincide con lo que se indica aquí.
Antes de concluir la respuesta, me gustaría reiterar un punto que hice al principio de la respuesta:
Todas estas vías son simplemente mecanismos posibles, y no hay forma de saber si son completamente correctos o no sin realizar experimentos. Sin embargo, son proposiciones altamente probables, y puede esperar que estas vías representen los mecanismos reales con una buena aproximación.
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