5ta Semana
CAPTULO IV. Qumica de los elementos representativos
Elementos representativos son aquellos que se hallan en los
grupos que poseen en comn las siguientes configuraciones
electrnicas externas: ns1, ns2, ns2np1, , ns2np6(grupos: 1, 2 y de
13 a 18); elementos de transicin y elementos de transicin interna.A
temperatura ambiente cinco de los elementos se hallan en el estado
gaseoso como H2, N2, O2, F2 y Cl2; lquidos el Hg y el Ga (Tf =
29,77C); el resto en el estado slido.
Un no metal suele ser aislante o semiconductor de la
electricidad. Por su fragilidad no pueden ser estirados en hilos ni
aplanados en lminas, no tienen brillo metlico y no reflejan la luz.
Los no metales suelen formar enlaces inicos con los metales,
ganando electrones, o enlaces covalentes, con otros no metales,
compartiendo electrones. Sus xidos son cidos.
Lo no metales se encuentran en los tres estados de la materia a
temperatura ambiente, sus temperaturas de fusin son ms bajos que
los metales (aunque el diamante, una forma de carbono se funde a
3570 C). Los slidos pueden ser duros como el diamante o blandos
como el azufre. Muchos no metales se encuentran en todos los seres
vivos: carbono, hidrgeno, oxgeno, nitrgeno, fsforo y azufre en
cantidades importantes. Otros son oligoelementos: F, Si, As, I, Cl.
Los oligoelementos, son bioelementos presentes en pequeas
cantidades (menos de un 0,05%) en los seres vivos y tanto su
ausencia, como su exceso, puede ser perjudicial para el organismo,
llegando a ser hepatotxicos ( Cobalto, Cobre
HYPERLINK "http://es.wikipedia.org/wiki/Oligoelemento" \l
"Cromo" , Cromo Flor, Hierro, Manganeso, Molibdeno, Nquel, Selenio,
Silicio, Yodo, Zinc).
Hidrgeno H
Hidrgeno: Antecedentes, abundancia natural, obtencin,
propiedades, compuestos, usos.
El hidrgeno es el nico elemento en la tabla peridica que no
pertenece a ningn grupo en particular. Este elemento tiene una
qumica singular, adems sus tres istopos difieren tanto en sus masas
atmicas, que las propiedades fsicas y qumicas son sensiblemente
diferentes.
ANTECEDENTESDescrito por primera vez por T. Von Hohenheim (ms
conocido como Paracelso, 1493-1541), lo obtuvo artificialmente
mezclando metales con cidos fuertes; no fue consciente de que el
gas inflamable generado en estas reacciones qumicas, estaba
compuesto por un nuevo elemento qumico. En 1671, Robert Boyle lo
redescubri al hacer reaccionar limaduras de hierro con cidos
diluidos.
En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocerlo como una
sustancia discreta, identificando el gas producido en la reaccin
metal - cido como "aire inflamable" y descubriendo que su combustin
generaba agua. Cavendish tropez con el hidrgeno cuando
experimentaba con cidos y mercurio. Aunque asumi errneamente que el
hidrgeno era un componente liberado por el mercurio y no por el
cido, fue capaz de describir con precisin varias propiedades
fundamentales del hidrgeno.
En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrgeno
(griego , , "agua" y -, "generador").
Papel del hidrgeno en la Teora CunticaGracias a su estructura
atmica simple, el tomo de hidrgeno posee un espectro de emisin y
absorcin explicado cuantitativamente con el modelo atmico de Bohr
que sirvi para el desarrollo la Teora de la Estructura Atmica.
Adems, la consiguiente simplicidad de la molcula de hidrgeno
diatmico y el correspondiente catin dihidrgeno, H2+, permiti una
comprensin ms completa de la naturaleza del enlace qumico, que
continu poco despus con el tratamiento mecano - cuntico del tomo de
hidrgeno, que haba sido desarrollado a mediados de la dcada de 1920
por Erwin Schrdinger y Werner Heisenberg.
Niveles energticos electrnicos Nmeros cunticos l (momento
angular orbital)
El nivel energtico del estado basal de un tomo de hidrgeno es
2,18x1018 J (13,6 eV). Los niveles energticos del hidrgeno se
calculan el modelo atmico de Bohr, En = 2,18x1018/n2 J. Una
descripcin ms precisa del tomo de hidrgeno viene dada mediante un
tratamiento puramente mecano-cuntico que emplea la ecuacin de onda
de Schrdinger para calcular la densidad de probabilidad del
electrn. El tratamiento del electrn a travs de la hiptesis de De
Broglie (dualidad onda - partcula) reproduce resultados qumicos
(tales como la configuracin del tomo de hidrgeno) de manera ms
natural que el modelo de partculas de Bohr, aunque la energa y los
resultados espectrales son los mismos. Si en la construccin del
modelo se emplea la masa reducida del ncleo y del electrn (como se
hara en el problema de dos cuerpos en Mecnica Clsica), se obtiene
una mejor formulacin para los espectros del hidrgeno, y los
desplazamientos espectrales correctos para el deuterio y el
tritio.La masa reducida es un concepto que permite resolver el
problema de los dos cuerpos de la mecnica como si fuese un problema
de un cuerpo. Dados dos cuerpos, uno con masa m1 y el otro con masa
m2, orbitarn el baricentro. El equivalente al problema de un
cuerpo, teniendo la posicin de un cuerpo respecto al otro como
incgnita es la de un cuerpo nico con masa inercial con la fuerza el
uno.
Pequeos ajustes en los niveles energticos del tomo de hidrgeno,
que corresponden a efectos espectrales reales, pueden determinarse
usando la Teora Mecano-Cuntica completa, que corrige los efectos de
la Relatividad Especial (ver ecuacin de Dirac), y computando los
efectos cunticos originados por la produccin de partculas virtuales
en el vaco y como resultado de los campos elctricos (ver
Electrodinmica Cuntica).
Abundancia naturalEl hidrgeno. Con una masa atmica de 1,00794(7)
u.El hidrgeno es el elemento ms abundante del universo, supone ms
del 75% en masa y ms del 90% en nmero de tomos. Este elemento se
encuentra en abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos
gigantes, se encuentra principalmente en su forma atmica y en
estado de plasma, cuyas propiedades son bastante diferentes a las
del hidrgeno molecular. Como plasma, el electrn y el protn del
hidrgeno no se encuentran enlazados, presenta una alta
conductividad elctrica y una gran emisividad (radiacin trmica
emitida por una superficie u objeto por la diferencia de
temperatura con el entorno)(origen de la luz emitida por el Sol y
otras estrellas). Las partculas cargadas estn fuertemente
influenciadas por los campos elctricos y magnticos. Por ejemplo, en
los vientos solares, las partculas interaccionan con la
magnetosfera terrestre generando corrientes de Birkeland y el
fenmeno de las auroras. Las nubes moleculares de H2 estn asociadas
a la formacin de las estrellas. Normalmente las estrellas inician
su combustin nuclear con alrededor de un 75% de hidrgeno y un 25%
de helio junto con pequeas trazas de otros elementos. En el ncleo
del Sol con unos 107 K, el hidrgeno se fusiona para formar helio:
4H 2H + 2e+ + 2e (4,0 MeV + 1,0 MeV)
2H + 2H 2He + 2 (5,5 MeV)
2He 4He + 2H (12,9 MeV)
Estas reacciones quedan reducidas en la reaccin global:
4H 4He + 2e+ + 2 + 2e (26,7 MeV) rayos gamma; e neutrino(sin
carga y espin nuclear )
Nota.-En el hidrgeno gaseoso, el nivel energtico del estado
electrnico fundamental est dividido a su vez en otros niveles de
estructura hiperfina, originados por el efecto de las interacciones
magnticas producidas entre los espines del electrn y del protn.
La energa del tomo cuando los espines del protn y del electrn
estn alineados es superior que cuando los espines no lo estn. La
transicin entre esos dos estados puede tener lugar mediante la
emisin de un fotn a travs de una transicin de dipolo magntico. Los
radiotelescopios pueden detectar la radiacin producida en este
proceso, lo que sirve para crear mapas de distribucin del hidrgeno
en la galaxia.
Un radiotelescopio capta ondas de radio (3 kHz y unos 300 GHz)
emitidas por fuentes de radio, generalmente a travs de una gran
antena parablica (plato), o un conjunto de ellas, a diferencia de
un telescopio ordinario, que produce imgenes en luz visible.
En condiciones ambiente, es un gas diatmico (H2) incoloro,
inodoro, inspido, no metlico y altamente inflamable. En la Tierra
bajo condiciones ambiente, el hidrgeno existe como gas diatmico,
H2. El hidrgeno gaseoso es en extremo poco abundante en la atmsfera
de la Tierra (1 ppm en volumen), debido a que su pequea masa le
permite escapar al influjo de la gravedad terrestre ms fcilmente
que otros gases ms pesados. Aunque los tomos de hidrgeno y las
molculas diatmicas de hidrgeno abundan en el espacio interestelar,
son difciles de generar, concentrar y purificar en la Tierra. El
hidrgeno es el decimoquinto elemento ms abundante en la superficie
terrestre (0,5 ppm), la mayor parte del hidrgeno terrestre se
encuentra formando parte de compuestos qumicos tales como los
hidrocarburos o el agua. El hidrgeno gaseoso es producido por
algunas bacterias y algas, y es un componente natural de las
flatulencias. Ciclo natural del H2La fermentacin bacteriolgica de
la materia orgnica produce H2. La reaccin H2 + CO2 genera CH4.
En ambientes anaerbicos, la clostridia y otros organismos
fermentativos, toman como agente oxidante al H+ por lo que se
produce H2.
La enzima responsable de la formacin de H2 es la Fe-Fe
Hidrogenasa, que contiene un cluster de seis tomos de Fe unido a
ligandos de campos fuertes como CO y CN.
La cantidad de H2 en la corteza terrestre es alrededor de 0,5
ppm. La presencia de bacterias en el intestino de animales (0,04
mmol/dm3), puede tener la funcin en la ruptura de los carbohidratos
y en la produccin de CH4. Tambin se puede usar la cantidad de H2 en
los intestinos como sntoma de la intolerancia a los carbohidratos e
intolerancia a la lactosa, llegando a 70 ppm despus de la ingesta
de lactosa.El hidrgeno posee tres istoposLos naturales que se
denotan como 1H, 2H y 3H. Otros istopos altamente inestables (del
4H al 7H) que han sido sintetizados en laboratorio, pero nunca
observados en la naturaleza. Istopos ms estables
Istopos del hidrgeno
isoAbund. NaturalPeriodoMet.Decaim.EdIs.Hij. MeV1H
99,985%Establecon 0neutrones2H
0,015%
Establecon 1neutrn3H
trazas12,33 aos
0,019
3He
Tubo de descarga lleno de hidrgeno puro. Tubo de descarga lleno
de deuterio puro.El hidrgeno es el nico elemento que posee
diferentes nombres comunes para cada uno de sus istopos
(naturales).
1H, conocido como protio, es el istopo ms comn del hidrgeno con
una abundancia de ms del 99,98%. Debido a que el ncleo de este
istopo est formado por un solo protn se le ha bautizado como
protio, nombre que a pesar de ser muy descriptivo, es poco
usado.
2H, el otro istopo estable del hidrgeno, es conocido como
deuterio y su ncleo contiene un protn y un neutrn. En la Tierra, el
deuterio representa el 0,016% del hidrgeno, encontrndose
concentraciones de 0,015% 150 ppm en aguas ocenicas. El deuterio no
es radiactivo, y no representa un riesgo significativo de
toxicidad. El agua enriquecida en molculas de deuterio en lugar de
protio, se denomina agua pesada. El deuterio y sus compuestos se
emplean en marcado no radiactivo en experimentos y tambin en
disolventes usados en espectroscopia 1H RMN y como fuente de UV(160
a 380 nm). El agua pesada se utiliza como moderador de neutrones y
refrigerante en reactores nucleares. La disminucin de la velocidad
de los neutrones se obtiene por el choque entre estos neutrones
contra los ncleos de los tomos del material moderador. Tras el
impacto, una parte de la energa cintica del neutrn se transmite al
ncleo, lo cual provoca la disminucin de la velocidad del neutrn. El
deuterio es tambin un potencial combustible para la fusin nuclear
con fines comerciales. Por electrlisis del agua, lo que va quedando
es ms rico en D2O. El sobrepotencial del D2 es mayor que el del
1H2, lo que permite que por electrlisis del agua se vaya
concentrando en D2O. Su constante dielctrica es menor que el agua,
por lo que disuelve menos los compuestos inicos. PropiedadH2D2
Temperatura de fusin 259,2C (14 K) 254,5C (18,7 K)
Temperatura de ebullicin 252,6C (20,6 K) 249,4C (23,8 K)
Entalpa de fusin 117 kJ/mol 219 kJ/mol
Entalpa de vaporizacin+ 907 kJ/mol+ 1230 kJ/mol
Entalpa de enlace+ 436 kJ/mol+ 444 kJ/mol
PropiedadH2OD2O
Temperatura de congelacin0C (273,15 K)3,8C (276,95 K)
Temperatura de ebullicin100C (373,15 K)101,4C (374,59 K)
pH77,41
Densidad a 20C0,998 g/cm31,106 g/cm3
3H, se conoce como tritio y contiene un protn y dos neutrones en
su ncleo. Es radiactivo, desintegrndose en 32He+ a travs de una
emisin beta [electrones (beta negativas) o positrones (beta
positivas)].
Posee un periodo de semidesintegracin de 12,33 aos. Pequeas
cantidades de tritio se encuentran en la naturaleza por efecto de
la interaccin de los rayos csmicos con los gases atmosfricos.
Tambin ha sido liberado tritio por la realizacin de pruebas de
armamento nuclear. El tritio se usa en reacciones de fusin nuclear,
como trazador en Geoqumica Isotpica, y en dispositivos luminosos
auto - alimentados.Formas elementales moleculares H2Las primeras
trazas fueron observadas en una cmara de burbujas de hidrgeno
lquido en el Bevatron (acelerador de partculas).
Existen dos tipos distintos de molculas diatmicas de hidrgeno
que difieren en la relacin entre los espines de sus ncleos:
Orto - hidrgeno: los espines de los dos protones se encuentran
paralelos. Espn total es 1.
Para - hidrgeno: los espines de los dos protones se encuentran
antiparalelos. Espn total es 0.En condiciones ordinarias de presin
y temperatura el hidrgeno gaseoso contiene aproximadamente un 25%
de la forma para y un 75% de la forma orto, tambin conocida como
"forma normal". La relacin del equilibrio entre orto-hidrgeno y
para-hidrgeno depende de la temperatura, pero puesto que la forma
orto es un estado excitado, y por tanto posee una energa superior,
es inestable y no puede ser purificada. A temperaturas muy bajas,
el estado de equilibrio est compuesto casi exclusivamente por la
forma para (100% a 0 K). Las propiedades fsicas del para-hidrgeno
puro difieren ligeramente de las de la forma normal (orto). Las
temperaturas de fusin y ebullicin del para son 0,1C ms bajos y su
conductividad es 50% mayor que el orto. H2(para) + H H2(orto) ;
H2(para) H2(orto) H = + La distincin entre formas orto/para tambin
se presenta en otras molculas o grupos funcionales que contienen
hidrgeno, tales como el agua o el metileno. Por eso el H2
condensado rpidamente contiene grandes cantidades de la forma orto
que pasa a la forma para lentamente. La relacin orto/para en el H2
condensado es algo importante a tener en cuenta en la preparacin y
el almacenamiento del hidrgeno lquido: la conversin de la forma
orto a la forma para es exotrmica y produce el calor suficiente
para evaporar el hidrgeno lquido, provocando la prdida del material
licuado. Porcentajes de abundancia por temperatura
T KParaOrto
2099,820,18
4089,6111,39
8048,3951,61
12032,8767,13
27325,1374,87
2982575
Propiedades Fsicas del orto y para
OrtoParaOrdinario
Temperatura de fusin259,22C(13,93
K)259,27C(13,88K)259,23C(13,92K)
Temperat.de ebullicin252,74C(20,41
K)252,86C(20,29K)252,77C(20,38K)
Una forma molecular llamada "hidrgeno molecular protonado", H3+,
se encuentra en el medio interestelar, donde se genera por la
ionizacin del hidrgeno molecular provocada por los rayos csmicos.
Tambin se ha observado en las capas superiores de la atmsfera de
Jpiter. Esta molcula es relativamente estable en el medio del
espacio exterior debido a las bajas temperaturas y a la bajsima
densidad. El H3+ es uno de los iones ms abundantes del universo, y
juega un papel notable en la qumica del medio interestelar.
En los compuestos inicos, el hidrgeno puede adquirir carga
positiva, convirtindose en un catin llamado hidrn, H+, o carga
negativa, convirtindose en un anin conocido como hidruro, H.
Hidrgeno metlicoSi bien se suele catalogar al hidrgeno como no
metal, a altas temperaturas y presiones puede comportarse como
metal. En marzo de 1996, un grupo de cientficos del Laboratorio
Nacional Lawrence Livermore inform de que haban producido
casualmente, durante un microsegundo y a temperaturas de miles de
kelvins y presiones de ms de 100 GPa (un milln de atmsferas), el
primer hidrgeno metlico identificable. 1G = 109Obtencin del H2:
1)
Zn(s) + 2HCl(ac) ( ZnCl2(ac) + H2(g)2) Electrlisis
2H2O(l) ( 2H2(g) + O2(g)
3) 900C a 1100C
C(s, coque) + H2O(g) ( CO(g) + H2(g)4) a 800C con cat. Ni CH4(g)
+ H2O(g) ( CO(g) + 3H2(g) (El CO condensa 205C) a 400C con cat. Fe
CO(g) + H2O(g) ( CO2(g) + H2(g) (H2 condensa 253C) CO2 condensa 78C
CO2(g)+K2CO3(ac)+H2O(l)(2KHCO3(ac)5)Fotlisis del agua con un
fotocatalizador.- A pH 7Oxidacin del agua: H2O(l) + 2A(ox) ( O2(g)
+ 2H+ + 2A(red) E= 0,81 + 1,26=0,45VAbsorcin de luz: A(red) + h (
A(red)*Reduccin del agua: 2H2O(l) + 2A(red)* ( H2(g) + 2OH + 2A(ox)
E=0,41 +0,86= 0,45VCon complejo [Ru(bipy)3]3+ in
tribipirydinruthenio(III)
Reactividad del hidrgeno.-Comparacin de las electronegatividades
del H con los elementos del
Grupo 1 Grupo 17
ElementoRadio at.(nm)ENElementoRadio at. (nm)EN
H0,0372,1H0,0372,1
Li0,1231,0F0,0724,0
Na0,1570,9Cl0,0993,0
K0,2030,8Br0,1142,8
Rb0,2440,8I0,1332,5
Cs0,2620,7
ElementoH atomizacin1ra EI kJ/molH at. + EI kJ/mol
H+ 218+ 1315+ 1533
Li+ 161+ 535+ 686
Na+ 109+ 500+ 609
K+ 90+ 424+ 514
Rb+ 86+408+ 494
Cs+ 79+ 382+ 461
ElementoHsub(kJ/mol)Hvap(kJ/mol)Hdis(kJ/mol)EA(kJ/mol)H(kJ/mol)
H2------+21878+140
F2------+79354275
Cl2------+121370249
Br2---+15+96,5348236,5
I2+31--- +75,5320213,5
ENERGAS LIBRES DE FORMACIN (binarios de hidrgeno)
EN CONDICIONES NORMALES (kJ/mol)
Grupo 1Grupo 2Grupo 13Grupo 14Grupo 15Grupo 16Grupo 17
LiH(s)BeH2(s)B2H6(g)CH4(g)NH3(g)H2O(l)HF(g)
-68,4(+20)+86,7-50,7-16,5-237,1-237,2
NaH(s)MgH2(s)AlH3(g)SiH4(g)PH3(g)H2S(g)HCl(g)
-33,5-35,9(-1)+56,9+13,4-33,6-95,3
KH(s)CaH2(s)Ga2H6(g)GeH4(g)AsH3(g)H2Se(g)HBr(g)
(-36)-147,2>0+113,4+68,9+15,8-53,5
RbH(s)SrH2(s) SnH4(g)SbH3(g)H2Te(g)HI(g)
(-30)(-141)+188,3+147,8>0+11,7
CsH(s)BaH2(s)
(-32)(-140)
El G nos da la idea de la estabilidad del compuesto frente a su
descomposicin, as como la reactividad.
Caso del LiH es el ms estable del grupo y ello explica que sea
el menos activo.
Los binarios salinos son termodinmicamente estables (G0), en
general se observa que los elementos pesados dan binarios an ms
inestables (G>>0); esta tendencia es un reflejo
principalmente de la disminucin de la fortaleza del enlace EH al
bajar en un grupo.
Mecanismos de las reacciones del hidrgenoLas reacciones del
hidrgeno son generalmente lentas, debido a la fortaleza y
naturaleza apolar del enlace HH, pero se pueden acelerar en ciertas
condiciones:
a)Reacciones de ruptura hemoltica del enlace HH. Ej. Reacciones
con Cl2, Br2 y I2.Iniciacin: por calor o fotoltica (luz) Br2 (
2Br
Propagacin:Br + H2 ( HBr + H H + Br2 ( HBr + Br
Terminacin:2Br ( Br2
2H ( H2b)Activacin del H2 por disociacin en una superficie
metlica o complejo metlico. Ej. Pt [Ir(Cl) (CO) (PR3)2].Formacin de
hidruros binariosa) Hidruros salinos.- De H con los elementos ms
electropositivos. Alcalinos y alcalinotrreos. Son bsicamente inicos
(M+H). So slidos no voltiles, cristalinos y no conducen la
electricidad. Son todos ellos termodinmicamente estables frente a
la descomposicin en sus elementos. b) Hidruros moleculares.- Enlace
fundamentalmente covalente. Con elementos del bloque p cuya
diferencia de EN con el H es menor que en los del bloque s, en la
mayora son a temperatura ambiente gases (NH3, CH4, HCl) o lquidos
(H2O). La mayora son inestables frente a la descomposicin en sus
elementos. En general en elementos ms pesados dan hidruros menos
estables. La reactividad viene marcada por la naturaleza de cido o
base de Lewis de la molcula y por la carga parcial (+ o ) soportada
por el H.
BH3 CH4 NH3 H2O HF
cido Lewis bases de Lewis
(deficiente de es) (exacta en es) (ricas en es)
Caracter hidrrico carcter prtico
H H+
Mejores cidos de Brnsted
Peores bases de Lewis
c) Hidruros metlicos.- Poseen brillo metlico y en varios son
conductores elctricos. Presentan a menudo composicin variable de
los hidrgenos, que ocupan los intersticios de la red formada por
los tomos metlicos del slido. Se pueden considerar como soluciones
slidas intersticiales del H en el metal. En muchas de ellas el H
tiene elevada movilidad a temperaturas ligeramente
elevadas.CompuestosA pesar de que el H2 no es muy reactivo en
condiciones ordinarias, forma multitud de compuestos con la mayora
de los elementos qumicos. Se conocen millones de hidrocarburos,
pero no se generan por la reaccin directa del hidrgeno elemental
con el carbono (aunque la produccin del gas de sntesis seguida del
proceso Fischer-Tropsch para sintetizar hidrocarburos parece ser
una excepcin pues comienza con carbn e hidrgeno elemental generado
in situ). El hidrgeno puede formar compuestos con elementos ms
electronegativos, tales como los halgenos (flor, cloro, bromo,
yodo) o los calcgenos (oxgeno, azufre, selenio); en estos
compuestos, el hidrgeno adquiere carga parcial positiva debido a la
polaridad del enlace covalente. Cuando se encuentra unido al flor,
al oxgeno o al nitrgeno, el hidrgeno puede participar en una
modalidad de enlace no covalente llamado "enlace de hidrgeno" o
"puente de hidrgeno", que es fundamental para la estabilidad de
muchas molculas biolgicas. El hidrgeno puede tambin formar
compuestos con elementos menos electronegativos, tales como metales
o metaloide, en los cuales adquiere carga parcial negativa. Estos
compuestos se conocen como hidruros.
El hidrgeno forma una enorme variedad de compuestos con el
carbono. Debido a su presencia en los seres vivos, estos compuestos
se denominan compuestos orgnicos; el estudio de sus propiedades es
la finalidad de la Qumica Orgnica, y el estudio en el contexto de
los organismos vivos se conoce como Bioqumica.
En la Qumica Inorgnica, algunos ejemplos de compuestos
covalentes importantes que contienen hidrgeno son: amoniaco (NH3),
hidracina (N2H4), agua (H2O), perxido de hidrgeno (H2O2), sulfuro
de hidrgeno (H2S), etc.
HidrurosA menudo los compuestos del hidrgeno se denominan
hidruros, un trmino usado con bastante inexactitud. Para los
qumicos, el trmino "hidruro" generalmente implica que el tomo de
hidrgeno ha adquirido carga parcial negativa o carcter aninico
(denotado como H). La existencia del anin hidruro, propuesta por G.
N. Lewis en 1916 para los hidruros inicos del grupo 1 (I) y 2 (II),
fue demostrada por Moers en 1920 con la electrolisis del hidruro de
litio (LiH) fundido, que produca una cantidad estequiom-trica de
hidrgeno en el nodo. Para los hidruros de metales de otros grupos,
el trmino es bastante errneo, considerando la baja
electronegatividad del hidrgeno. Una excepcin en los hidruros del
grupo II es el BeH2, que es polimrico. En el tetrahidruroaluminato
(III) de litio, el anin AlH4 posee sus centros hidrricos firmemente
unidos al aluminio (III).
Aunque los hidruros pueden formarse con casi todos los elementos
del grupo principal, el nmero y combinacin de posibles compuestos
vara mucho; por ejemplo, existen ms de 100 hidruros binarios de
boro conocidos, pero solamente uno de aluminio. El hidruro binario
de indio no ha sido identificado an, aunque existen complejos
mayores. Los hidruros pueden servir tambin como ligandos puente que
unen dos centros metlicos en un complejo de coordinacin. Esta
funcin es particularmente comn en los elementos del grupo 13,
especialmente en los boranos ( BH3, B2H4, B4H10, B9H15, B10H14,
B20H16) y en los complejos de aluminio, as como en los clsters de
carborano (C2B10H12 de carga neutra denominado o-carborano ). El
carborano supercido H(CHB11Cl11) es aproximadamente un milln de
veces ms fuerte que el cido sulfrico. La razn de esta elevada
acidez es que el anin CHB11Cl11 es muy estable y posee
sustituyentes electronegativos. H(CHB11Cl11) es el nico cido
conocido capaz de protonar el fullereno C60 sin descomponerlo.3
4
CHB11Cl11 Esquema de color:hidrgeno blanco, cloro verde, boro
rosa, carbono negro."Protones" y cidosLa oxidacin del H2
formalmente origina el protn, H+. Esta especie es fundamental para
explicar las propiedades de los cidos, aunque el trmino "protn" se
usa imprecisamente para referirse al hidrgeno catinico o in
hidrgeno, denotado H+. Un protn aislado H+ no puede existir en
disolucin debido a su fuerte tendencia a unirse a tomos o molculas
con electrones mediante un enlace coordinado o enlace dativo.
Representacin del ion hidronio (H3O+), en la que se puede
apreciar la condensacin de carga negativa en el tomo de oxgeno, y
el carcter positivo de los tomos de hidrgeno.
Para evitar la cmoda, aunque incierta, idea del protn aislado
solvatado en disolucin, en las disoluciones cidas acuosas se
considera la presencia del ion hidronio (H3O+) organizado en
clsters para formar la especie H9O4+. Otros iones oxonio estn
presentes cuando el agua forma disoluciones con otros disolventes.
Aunque extico en la Tierra, uno de los iones ms comunes en el
universo es el H3+, conocido como hidrgeno molecular protonado o
catin hidrgeno triatmico. Usos industriales:
1) Proceso Haber-Bosch (Sntesis de NH3):
N2(g) + 3H2(g) ( 2NH3(g) H = 92kJ a 25C y 1 atm
a 500C, 700 atm, cat. Fe ya que el N2 es cinticamente inerte
2) Hidrogenacin de compuestos orgnicosinsaturados, como
alquenos,alquinos,cetonas HYPERLINK
"http://es.wikipedia.org/wiki/Cetona_%28qu%C3%ADmica%29" \t
"_blank"
,
HYPERLINK "http://es.wikipedia.org/wiki/Nitrilo" \t "_blank"
nitrilos, yaminas. Obt. de margarinas. importantes aplicaciones en
la industria farmacutica, petroqumicay alimentaria(CH2=CH2) + H2 (
CH3CH3
cidomaleico cido succnico,3) Obtencin de metanol: a 250C, 30 atm
y cat. Cu u ZnO:
CO(g) + 2H2(g) ( CH3OH(g)4) Como combustible.- El hidrgeno como
combustible puede usarse mediante el uso directo en un motor de
combustin interna, una estufa, etc. o utilizarse en forma eficiente
en una celda de combustible. Esta ltima opcin es la que ms llama la
atencin para una aplicacin masiva del hidrgeno, debido a que las
celdas de combustible ofrecen limpieza, versatilidad, capacidad
modular y altas eficiencias en la transformacin de la energa qumica
del hidrgeno en energa elctrica. La NASA inici el desarrollo de las
celdas de combustibles con aplicaciones para producir electricidad
durante vuelos espaciales. A partir de los aos ochenta, varios
pases como Estados Unidos, Canad, Japn y otros de la Unin Europea
impulsaron la investigacin y el desarrollo de esta tecnologa y como
resultado, actualmente cientos de compaas por todo el mundo estn
comercializando las celdas de combustible, tanto en estaciones
fijas como porttiles.
Ventajas y desventajas de la utilizacin del H2 como energa
Ventajas: No produce contaminacin, ni consume recursos naturales,
se toma del agua y luego se oxida y se devuelve en el agua. No hay
productos secundarios ni txicos de ningn tipo que puedan producirse
en este proceso.
Seguridad.- Es ms seguro que el combustible que est siendo
reemplazado. Adems de disiparse rpidamente en la atmsfera si se
fuga, no es txico.
Alta eficiencia: las celdas de combustible convierten la energa
qumica directamente a electricidad con mayor eficiencia que ningn
otro sistema de energa.
Funcionamiento silencioso: en funcionamiento normal, la celda de
combustible es casi absolutamente silenciosa.
Modularidad: se puede elaborar las celdas de combustible en
cualquier tamao, tan pequeas como para impulsar una carretilla de
Golf o tan grandes como para generar energa para una comunidad.
Esta modularidad permite aumentar la energa de los sistemas segn
los crecimientos de la demanda energtica, reduciendo drsticamente
los costos iniciales.
Desventajas: Como no es un combustible primario entonces se
incurre en un gasto para la obtencin.
Requiere de sistemas de almacenamiento costoso y aun poco
desarrollados.
Elevado gasto de energa en la licuefaccin.
Elevado precio del hidrgeno puro.