Agua de cristalización - Water of crystallization
En química, el agua (s) de cristalización o agua (s) de hidratación son moléculas de agua que están presentes dentro de los cristales . El agua se incorpora a menudo en la formación de cristales a partir de soluciones acuosas . En algunos contextos, el agua de cristalización es la masa total de agua en una sustancia a una temperatura dada y está mayormente presente en una proporción definida ( estequiométrica ). Clásicamente, "agua de cristalización" se refiere al agua que se encuentra en la estructura cristalina de un complejo metálico o una sal , que no está unida directamente al catión metálico .
Tras la cristalización en agua o disolventes que contienen agua , muchos compuestos incorporan moléculas de agua en sus estructuras cristalinas. El agua de cristalización generalmente se puede eliminar calentando una muestra, pero las propiedades cristalinas a menudo se pierden. Por ejemplo, en el caso del cloruro de sodio , el dihidrato es inestable a temperatura ambiente.
En comparación con las sales inorgánicas , las proteínas cristalizan con grandes cantidades de agua en la red cristalina. Un contenido de agua del 50% no es infrecuente para las proteínas.
Nomenclatura
En las fórmulas moleculares, el agua de cristalización se indica de diversas formas, pero a menudo es vaga. Los términos compuesto hidratado e hidrato se definen generalmente de forma vaga.
Posición en la estructura cristalina
Una sal con agua de cristalización asociada se conoce como hidrato . La estructura de los hidratos puede ser bastante elaborada, debido a la existencia de enlaces de hidrógeno que definen las estructuras poliméricas. Históricamente, se desconocían las estructuras de muchos hidratos, y se empleó el punto en la fórmula de un hidrato para especificar la composición sin indicar cómo se une el agua. Ejemplos:
- CuSO 4 • 5H 2 O - sulfato de cobre (II) pentahidratado
- CoCl 2 • 6H 2 O - cloruro de cobalto (II) hexahidrato
- SnCl 2 • 2H 2 O - cloruro de estaño (II) ( o estannoso) dihidrato
Para muchas sales, la unión exacta del agua no es importante porque las moléculas de agua se vuelven lábiles al disolverse. Por ejemplo, una solución acuosa preparada a partir de CuSO 4 • 5H 2 O y CuSO 4 anhidro se comporta de manera idéntica. Por lo tanto, el conocimiento del grado de hidratación es importante solo para determinar el peso equivalente : un mol de CuSO 4 • 5H 2 O pesa más que un mol de CuSO 4 . En algunos casos, el grado de hidratación puede ser crítico para las propiedades químicas resultantes. Por ejemplo, el RhCl 3 anhidro no es soluble en agua y es relativamente inútil en la química organometálica, mientras que el RhCl 3 • 3H 2 O es versátil. Del mismo modo, hidratado AlCl 3 es un pobre ácido de Lewis y, por tanto inactivo como un catalizador para reacciones de Friedel-Crafts . Por lo tanto, las muestras de AlCl 3 deben protegerse de la humedad atmosférica para evitar la formación de hidratos.
Los cristales de sulfato de cobre (II) hidratado consisten en centros [Cu (H 2 O) 4 ] 2+ unidos a iones SO 4 2− . El cobre está rodeado por seis átomos de oxígeno, proporcionados por dos grupos sulfato diferentes y cuatro moléculas de agua. Una quinta agua reside en otra parte de la estructura, pero no se une directamente al cobre. El cloruro de cobalto mencionado anteriormente se presenta como [Co (H 2 O) 6 ] 2+ y Cl - . En el cloruro de estaño, cada centro de Sn (II) es piramidal (el ángulo medio O / Cl-Sn-O / Cl es de 83 °) y está unido a dos iones cloruro y un agua. La segunda agua en la unidad de fórmula está unida por hidrógeno al cloruro y a la molécula de agua coordinada. El agua de cristalización se estabiliza mediante atracciones electrostáticas, por lo que los hidratos son comunes para las sales que contienen cationes +2 y +3 así como aniones -2. En algunos casos, la mayor parte del peso de un compuesto proviene del agua. La sal de Glauber , Na 2 SO 4 (H 2 O) 10 , es un sólido cristalino blanco con más del 50% de agua en peso.
Considere el caso del hexahidrato de cloruro de níquel (II) . Esta especie tiene la fórmula NiCl 2 (H 2 O) 6 . El análisis cristalográfico revela que el sólido consta de subunidades [ trans -NiCl 2 (H 2 O) 4 ] que están unidas por hidrógeno entre sí, así como dos moléculas adicionales de H 2 O. Por lo tanto, 1/3 de las moléculas de agua en el cristal no se unen directamente al Ni 2+ , y podrían denominarse "agua de cristalización".
Análisis
El contenido de agua de la mayoría de los compuestos se puede determinar conociendo su fórmula. Se puede determinar una muestra desconocida mediante análisis termogravimétrico (TGA) en el que la muestra se calienta fuertemente y el peso exacto de una muestra se representa frente a la temperatura. La cantidad de agua expulsada se divide luego por la masa molar de agua para obtener el número de moléculas de agua unidas a la sal.
Otros disolventes de cristalización
El agua es un solvente particularmente común que se encuentra en los cristales porque es pequeña y polar. Pero todos los solventes se pueden encontrar en algunos cristales hospedadores. El agua es digna de mención porque es reactiva, mientras que otros disolventes como el benceno se consideran químicamente inocuos. Ocasionalmente se encuentra más de un solvente en un cristal y, a menudo, la estequiometría es variable, reflejada en el concepto cristalográfico de "ocupación parcial". Es común y convencional que un químico "seque" una muestra con una combinación de vacío y calor "hasta un peso constante".
Para otros disolventes de cristalización, el análisis se realiza convenientemente disolviendo la muestra en un disolvente deuterado y analizando la muestra en busca de señales de disolvente mediante espectroscopia de RMN . La cristalografía de rayos X de cristal único a menudo también puede detectar la presencia de estos disolventes de cristalización. Es posible que haya otros métodos disponibles actualmente.
Tabla de agua de cristalización en algunos haluros inorgánicos
En la siguiente tabla se indica el número de moléculas de agua por metal en varias sales.
Fórmula de halogenuros metálicos hidratados |
Esfera de coordinación del metal |
Equivalentes de agua de cristalización que no están unidos a M |
Observaciones |
---|---|---|---|
CaCl 2 (H 2 O) 6 | [Ca (μ-H 2 O) 6 (H 2 O) 3 ] 2+ | ninguno | ejemplo de agua como ligando puente |
TiCl 3 (H 2 O) 6 | trans - [TiCl 2 (H 2 O) 4 ] + | dos | isomorfo con VCl 3 (H 2 O) 6 |
VCl 3 (H 2 O) 6 | trans - [VCl 2 (H 2 O) 4 ] + | dos | |
VBr 3 (H 2 O) 6 | trans - [VBr 2 (H 2 O) 4 ] + | dos | |
VI 3 (H 2 O) 6 | [V (H 2 O) 6 ] 3+ | ninguno | en relación con Cl - y Br - , I - compite mal con el agua como ligando para V (III) |
Nb 6 Cl 14 (H 2 O) 8 | [Nb 6 Cl 14 (H 2 O) 2 ] | cuatro | |
CrCl 3 (H 2 O) 6 | trans - [CrCl 2 (H 2 O) 4 ] + | dos | isómero verde oscuro, también conocido como "sal de Bjerrums" |
CrCl 3 (H 2 O) 6 | [CrCl (H 2 O) 5 ] 2+ | uno | isómero azul-verde |
CrCl 2 (H 2 O) 4 | trans - [CrCl 2 (H 2 O) 4 ] | ninguno | distorsión cuadrada planar / tetragonal |
CrCl 3 (H 2 O) 6 | [Cr (H 2 O) 6 ] 3+ | ninguno | isómero violeta. isoestructural con compuesto de aluminio |
AlCl 3 (H 2 O) 6 | [Al (H 2 O) 6 ] 3+ | ninguno | isoestructural con el compuesto Cr (III) |
MnCl 2 (H 2 O) 6 | trans - [MnCl 2 (H 2 O) 4 ] | dos | |
MnCl 2 (H 2 O) 4 | cis - [MnCl 2 (H 2 O) 4 ] | ninguno | cis molecular, también se ha detectado el isómero trans inestable |
MnBr 2 (H 2 O) 4 | cis - [MnBr 2 (H 2 O) 4 ] | ninguno | cis, molecular |
MnCl 2 (H 2 O) 2 | trans - [MnCl 4 (H 2 O) 2 ] | ninguno | polimérico con cloruro puente |
MnBr 2 (H 2 O) 2 | trans - [MnBr 4 (H 2 O) 2 ] | ninguno | polimérico con bromuro puente |
FeCl 2 (H 2 O) 6 | trans - [FeCl 2 (H 2 O) 4 ] | dos | |
FeCl 2 (H 2 O) 4 | trans - [FeCl 2 (H 2 O) 4 ] | ninguno | molecular |
FeBr 2 (H 2 O) 4 | trans - [FeBr 2 (H 2 O) 4 ] | ninguno | molecular |
FeCl 2 (H 2 O) 2 | trans - [FeCl 4 (H 2 O) 2 ] | ninguno | polimérico con cloruro puente |
FeCl 3 (H 2 O) 6 | trans - [FeCl 2 (H 2 O) 4 ] + | dos | uno de los cuatro hidratos de cloruro férrico , isoestructural con análogo de Cr |
FeCl 3 (H 2 O) 2,5 | cis - [FeCl 2 (H 2 O) 4 ] + | dos | el dihidrato tiene una estructura similar, ambos contienen aniones FeCl 4 - . |
CoCl 2 (H 2 O) 6 | trans - [CoCl 2 (H 2 O) 4 ] | dos | |
CoBr 2 (H 2 O) 6 | trans - [CoBr 2 (H 2 O) 4 ] | dos | |
CoI 2 (H 2 O) 6 | [Co (H 2 O) 6 ] 2+ | ninguno | el yoduro compite mal con el agua |
CoBr 2 (H 2 O) 4 | trans - [CoBr 2 (H 2 O) 4 ] | ninguno | molecular |
CoCl 2 (H 2 O) 4 | cis - [CoCl 2 (H 2 O) 4 ] | ninguno | nota: cis molecular |
CoCl 2 (H 2 O) 2 | trans - [CoCl 4 (H 2 O) 2 ] | ninguno | polimérico con cloruro puente |
CoBr 2 (H 2 O) 2 | trans - [CoBr 4 (H 2 O) 2 ] | ninguno | polimérico con bromuro puente |
NiCl 2 (H 2 O) 6 | trans - [NiCl 2 (H 2 O) 4 ] | dos | |
NiCl 2 (H 2 O) 4 | cis - [NiCl 2 (H 2 O) 4 ] | ninguno | nota: cis molecular |
NiBr 2 (H 2 O) 6 | trans - [NiBr 2 (H 2 O) 4 ] | dos | |
NiI 2 (H 2 O) 6 | [Ni (H 2 O) 6 ] 2+ | ninguno | el yoduro compite mal con el agua |
NiCl 2 (H 2 O) 2 | trans - [NiCl 4 (H 2 O) 2 ] | ninguno | polimérico con cloruro puente |
CuCl 2 (H 2 O) 2 | [CuCl 4 (H 2 O) 2 ] 2 | ninguno | distorsionado tetragonalmente dos distancias largas de Cu-Cl |
CuBr 2 (H 2 O) 4 | [CuBr 4 (H 2 O) 2 ] n | dos | distorsionado tetragonalmente dos largas distancias Cu-Br |
ZnCl 2 (H 2 O) 1,33 | 2 ZnCl 2 + ZnCl 2 (H 2 O) 4 | ninguno | polímero de coordinación con centros de Zn tetraédricos y octaédricos |
ZnCl 2 (H 2 O) 2.5 | Cl 3 Zn (μ-Cl) Zn (H 2 O) 5 | ninguno | centros de Zn tetraédricos y octaédricos |
ZnCl 2 (H 2 O) 3 | [ZnCl 4 ] 2- + Zn (H 2 O) 6 ] 2+ | ninguno | centros de Zn tetraédricos y octaédricos |
ZnCl 2 (H 2 O) 4.5 | [ZnCl 4 ] 2- + [Zn (H 2 O) 6 ] 2+ | Tres | centros de Zn tetraédricos y octaédricos |
Hidratos de sulfatos metálicos
Los sulfatos de metales de transición forman una variedad de hidratos, cada uno de los cuales cristaliza en una sola forma. El grupo sulfato a menudo se une al metal, especialmente para aquellas sales con menos de seis ligandos de agua . Los heptahidratos, que a menudo son las sales más comunes, cristalizan como formas monoclínicas y ortorrómbicas menos comunes . En los heptahidratos, un agua está en la red y las otras seis están coordinadas con el centro ferroso. Muchos de los sulfatos metálicos se encuentran en la naturaleza y son el resultado de la meteorización de los sulfuros minerales. Se conocen muchas monohidras.
Fórmula de sulfato de iones metálicos hidratado |
Esfera de coordinación del ion metálico. |
Equivalentes de agua de cristalización que no están unidos a M |
nombre mineral | Observaciones |
---|---|---|---|---|
MgSO 4 (H 2 O) 4 | [Mg (H 2 O) 4 (κ ', κ 1 -SO 4 )] 2 | ninguno | el sulfato es un ligando puente, anillos de Mg 2 O 4 S 2 de 8 miembros | |
MgSO 4 (H 2 O) 6 | [Mg (H 2 O) 6 ] | ninguno | hexahidrita | motivo común |
MgSO 4 (H 2 O) 7 | [Mg (H 2 O) 6 ] | uno | epsomita | motivo común |
TiOSO 4 (H 2 O) | [Ti (μ-O) 2 (H 2 O) (κ 1 -SO 4 ) 3 ] | ninguno | mayor hidratación da geles | |
VSO 4 (H 2 O) 6 | [V (H 2 O) 6 ] | ninguno | Adopta el motivo de hexahidrita | |
VOSO 4 (H 2 O) 5 | [VO (H 2 O) 4 (κ 1 -SO 4 ) 4 ] | uno | ||
Cr 2 (SO 4 ) 3 (H 2 O) 18 | [Cr (H 2 O) 6 ] | seis | Uno de varios sulfatos de cromo (III) | |
MnSO 4 (H 2 O) | [Mn (μ-H 2 O) 2 (κ 1 -SO 4 ) 4 ] | ninguno | El más común de varios sulfatos de manganeso (II) hidratados | |
MnSO 4 (H 2 O) 7 | [Mn (H 2 O) 6 ] | uno | mallardita | ver Mg análogo |
FeSO 4 (H 2 O) 7 | [Fe (H 2 O) 6 ] | uno | melanterita | ver Mg análogo |
FeSO 4 (H 2 O) 4 | [Fe (H 2 O) 4 (κ ', κ 1 -SO 4 )] 2 | ninguno | el sulfato es un ligando puente, anillos Fe 2 O 4 S 2 de 8 miembros | |
Fe II (Fe III ) 2 (SO 4 ) 4 (H 2 O) 14 ]] | [Fe II (H 2 O) 6 ] 2+ [Fe III (H 2 O) 4 (κ 1 -SO 4 ) 2 ] - 2 | ninguno | los sulfatos son ligandos terminales en Fe (III) | |
CoSO 4 (H 2 O) 7 | [Co (H 2 O) 6 ] | uno | ver Mg análogo | |
CoSO 4 (H 2 O) 6 | [Co (H 2 O) 6 ] | ninguno | morehouseita | ver Mg análogo |
CoSO 4 (H 2 O) 7 | [Co (H 2 O) 6 ] | uno | bieberita | ver análogo de Fe |
NiSO 4 (H 2 O) 6 | [Ni (H 2 O) 6 ] | ninguno | retgersite | Uno de varios hidratos de sulfato de níquel |
NiSO 4 (H 2 O) 7 | [Ni (H 2 O) 6 ] | morenosita | ||
CuSO 4 (H 2 O) 5 | [Cu (H 2 O) 4 (κ 1 -SO 4 ) 2 ] | uno | calcantita | el sulfato es un ligando puente |
CuSO 4 (H 2 O) 7 | [Cu (H 2 O) 6 ] | uno | boothite | |
ZnSO 4 (H 2 O) 4 | [Zn (H 2 O) 4 (κ ', κ 1 -SO 4 )] 2 | ninguno | el sulfato es un ligando puente, anillos de Zn 2 O 4 S 2 de 8 miembros | |
ZnSO 4 (H 2 O) 6 | [Zn (H 2 O) 6 ] | ninguno | ver Mg análogo | |
ZnSO 4 (H 2 O) 7 | [Zn (H 2 O) 6 ] | uno | goslarita | ver Mg análogo | |
CdSO 4 (H 2 O) | [Cd (μ-H 2 O) 2 (κ 1 -SO 4 ) 4 ] | ninguno | ligando de agua puente |
Hidratos de nitratos metálicos
Los nitratos de metales de transición forman una variedad de hidratos. El anión nitrato a menudo se une al metal, especialmente para aquellas sales con menos de seis ligandos aquo .
Fórmula de nitrato de iones metálicos hidratado |
Esfera de coordinación del ion metálico. |
Equivalentes de agua de cristalización que no están unidos a M |
Observaciones |
---|---|---|---|
Cr (NO 3 ) 3 (H 2 O) 6 | [Cr (H 2 O) 6 ] ( 3+ | Tres | configuración octaédrica isoestructural con Fe (NO 3 ) 3 (H 2 O) 9 |
Mn (NO 3 ) 2 (H 2 O) 4 | cis - [Mn (H 2 O) 4 (κ 1 -ONO 2 ) 2 ] | ninguno | configuración octaédrica |
Mn (NO 3 ) 2 (H 2 O) | [Mn (H 2 O) (μ-ONO 2 ) 5 ] | ninguno | configuración octaédrica |
Fe (NO 3 ) 3 (H 2 O) 9 | [Fe (H 2 O) 6 ] 3+ | Tres | configuración octaédrica isoestructural con Cr (NO 3 ) 3 (H 2 O) 9 |
Fe (NO 3 ) 3 ) (H 2 O) 4 | [Fe (H 2 O) 3 (κ 2 -O 2 NO) 2 ] + | uno | bipirámide pentagonal |
Fe (NO 3 ) 3 (H 2 O) 5 | [Fe (H 2 O) 5 (κ 1 -ONO 2 )] 2+ | ninguno | configuración octaédrica |
Fe (NO 3 ) 3 (H 2 O) 6 | [Fe (H 2 O) 6 ] 3+ | ninguno | configuración octaédrica |
Co (NO 3 ) 2 (H 2 O) 2 | [Co (H 2 O) 2 (κ 1 -ONO 2 ) 2 ] | ninguno | configuración octaédrica |
Co (NO 3 ) 2 (H 2 O) 4 | [Co (H 2 O) 4 (κ 1 -ONO 2 ) 2 | ninguno | configuración octaédrica |
Co (NO 3 ) 2 (H 2 O) 6 | [Co (H 2 O) 6 ] 2+ | ninguno | configuración octaédrica . |
α- Ni (NO 3 ) 2 (H 2 O) 4 | cis - [Ni (H 2 O) 4 (κ 1 -ONO 2 ) 2 ] | ninguno | configuración octaédrica . |
β- Ni (NO 3 ) 2 (H 2 O) 4 | trans - [Ni (H 2 O) 4 (κ 1 -ONO 2 ) 2 ] | ninguno | configuración octaédrica . |
Cu (NO 3 ) 2 (H 2 O) | [Cu (H 2 O) (κ 2 -ONO 2 ) 2 ] | ninguno | configuración octaédrica . |
Cu (NO 3 ) 2 (H 2 O) 1,5 | incierto | incierto | incierto |
Cu (NO 3 ) 2 (H 2 O) 2.5 | [Cu (H 2 O) 2 (κ 1 -ONO 2 ) 2 ] | uno | plano cuadrado |
Cu (NO 3 ) 2 (H 2 O) 3 | incierto | incierto | incierto |
Cu (NO 3 ) 2 (H 2 O) 6 | [Cu (H 2 O) 6 ] 2+ | ninguno | configuración octaédrica |
Zn (NO 3 ) 2 (H 2 O) 4 | cis - [Zn (H 2 O) 4 (κ 1 -ONO 2 ) 2 ] | ninguno | configuración octaédrica . |
Fotos
El sulfato de cobre (II) hidratado es de color azul brillante.