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Agua de cristalización

En química, agua(s) de cristalización o agua(s) de hidratación son moléculas de agua que están presentes en el interior de los cristales . A menudo se incorpora agua en la formación de cristales a partir de soluciones acuosas . [1] En algunos contextos, el agua de cristalización es la masa total de agua en una sustancia a una temperatura determinada y está presente principalmente 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 a menudo se pierden las propiedades cristalinas.

En comparación con las sales inorgánicas , las proteínas cristalizan con grandes cantidades de agua en la red cristalina. En las proteínas no es raro un contenido de agua del 50%.

Aplicaciones

El conocimiento de la hidratación es esencial para calcular las masas de muchos compuestos. La reactividad de muchos sólidos salinos es sensible a la presencia de agua. La hidratación y deshidratación de sales es fundamental para el uso de materiales de cambio de fase para el almacenamiento de energía. [2]

Posición en la estructura cristalina.

Algunos contactos de enlace de hidrógeno en FeSO 4 ·7H 2 O . Este aquocomplejo metálico cristaliza con agua de hidratación, que interactúa con el sulfato y con los centros [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ .

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. [3] [4] Históricamente, las estructuras de muchos hidratos eran desconocidas y el punto en la fórmula de un hidrato se empleaba para especificar la composición sin indicar cómo se une el agua. Según las recomendaciones de la IUPAC, el punto del medio no está rodeado de espacios cuando indica un aducto químico. [5] Ejemplos:

Para muchas sales, el enlace exacto 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 sólo 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 química organometálica , mientras que el RhCl 3 ·3H 2 O es versátil. De manera similar, el AlCl 3 hidratado es un ácido de Lewis pobre y, por lo tanto, inactivo como catalizador para las reacciones de Friedel-Crafts . Por lo tanto, las muestras de AlCl 3 deben protegerse de la humedad atmosférica para evitar la formación de hidratos.

Estructura del centro polimérico [Ca(H 2 O) 6 ] 2+ en hexahidrato de cloruro de calcio cristalino. Tres ligandos de agua son terminales, tres puente. Se ilustran dos aspectos de los acuocomplejos metálicos: el alto número de coordinación típico del Ca 2+ y el papel del agua como ligando puente .

Los cristales de sulfato de cobre (II) hidratado consisten en centros [Cu(H 2 O) 4 ] 2+ unidos a SO2-4iones. 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. [6] 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 de cloruro y uno de agua. La segunda agua en la unidad de fórmula está unida por enlaces de 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.

Consideremos 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 enlaces de hidrógeno entre sí, así como dos moléculas adicionales de H 2 O. Así, un tercio de las moléculas de agua del cristal no están unidas 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. Una muestra desconocida se puede determinar mediante análisis termogravimétrico (TGA), donde la muestra se calienta fuertemente y el peso exacto de una muestra se traza 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 disolvente particularmente común que se encuentra en los cristales porque es pequeño y polar. Pero todos los disolventes se pueden encontrar en algunos cristales huéspedes. 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 disolvente en un cristal y, a menudo, la estequiometría es variable, lo que se refleja 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 actualmente haya otros métodos disponibles.

Tabla de agua de cristalización en algunos haluros inorgánicos.

En la siguiente tabla se indica el número de moléculas de agua por metal en diversas sales. [7] [8]

Hidratos de sulfatos metálicos.

Subestructura de MSO 4 (H 2 O), que ilustra la presencia de agua puente y sulfato puente (M = Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Zn).

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 acuosos . Los heptahidratos, que suelen ser las sales más comunes, cristalizan en formas monoclínicas y ortorrómbicas menos comunes . En los heptahidratos, una parte del agua está en la red y las otras seis están coordinadas con el centro ferroso. [23] Muchos de los sulfatos metálicos se encuentran en la naturaleza y son el resultado de la erosión de los sulfuros minerales. [24] [25] Se conocen muchos monohidratos. [26]

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 acuosos . Los nitratos son poco comunes en la naturaleza, por lo que aquí se encuentran pocos minerales. El nitrato ferroso hidratado no ha sido caracterizado cristalográficamente.

Fotos

Ver también

Referencias

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