HIDRGENO

Familia de un solo elemento

Recopilado por:Eliana Martza Tulcn Meja

CONSIDERACIONES

Puede pensarse que el hidrgeno debiera clasificarse entre los

halgenos, ya que posee un electrn menos que el gas inerte

vecino, el Helio.

El tomo de hidrgeno posee un solo electrn y en ste sentido

se parece a los metales alcalinos.

La eliminacin de un electrn de un metal alcalino lleva a un ion

con una configuracin electrnica de un gas noble muy estable.

De igual forma, la eliminacin de un e- de un tomo de H

conduce a un ion que no posee electrones, ste ion tambin

interacciona para dar compuestos estables.

PROPIEDADES FSICAS

Gas diatmico incoloro e inodoro en condiciones normales.

Poco soluble en todos los disolventes.

Su comportamiento se adapta muy bien a las leyes de los gasesideales.

Punto de fusin: 15.9 K

Punto de ebullicin normal: 20.4 K. Ocupa el segundo lugar entre lospuntos de ebullicin ms bajos.

Nmero atmico: 1

Peso atmico: 1.0079

Frmula molecular: H2

Volumen atmico: 13.1 mL/mol

PROPIEDADES FSICAS

El hidrgeno slido tiene una estructura de empaquetamiento

hexagonal compacto, hcp, y funde a 14 K.

El hidrgeno lquido hierve a 20.4 K.

El radio covalente H-H es 0.37 .

El enlace H-H es muy fuerte para una molcula que contiene

solamente un enlace sencillo: Energa de disociacin, H, paraH2 2H es 436 Kj mol

-1.

Energa de ionizacin para H2: 1310 KJ mol-1. ste valor es lo

suficientemente alto para impedir la existencia de H+ libre en

condiciones ordinarias.

ABUNDANCIA

El hidrgeno es el elemento ms

abundante en el universo y el tercero msabundante en la Tierra.

Se encuentra en forma de agua o

combinado con C en molculas orgnicas.

En la atmsfera de la Tierra el H2 se

encuentra en una cantidad menor de

1ppm en volumen pero la de Jpiter,

Neptuno, Saturno y Urano contiene

grandes cantidades de H2.

ISTOPOS

El hidrgeno posee tres istopos: protio (H), deuterio (D) y tritio (T).

stos istopos exhiben diferencias mayores en sus propiedades fsicas y qumicas

que los istopos de cualquier otro elementos.

ISTOPOS

PROTIO Y DEUTERIO

La diferencia de masa de H y D, afecta los nmeros de onda de lasvibraciones fundamentales y la energa en el punto cero; con ello, seestablece que el enlace D-D es ms fuerte que el enlace H-H.

De forma anloga, un enlace X-D es ms fuerte que el correspondienteenlace X-H.

El D se utiliza con diferentes fines:

Solventes en espectroscopia de 1H-RMN

Como material de marcado: intercambio de H por D, en seguimiento dereacciones

D2O se emplea como moderador en reacciones nucleares

ISTOPOS

TRITIO

Se encuentra en las capas altas de la atmsfera y se forma demodo natural:

El T es radiactivo, un emisor dbil, con t1/2= 12.3 aos.

Se emplea como trazador en estudios qumicos y biolgicos: Su baja

reactividad, rpida excrecin y el hecho de que no se encuentre en

rganos vulnerables, hacen de l uno de los istopos radiactivos

menos txico.

IONES

ION HIDRGENO: PROTN

El protn H3O+ es una especie importante en disolucin

acuosa.

Los iones H3O+ se encuentra en varios cristales, son una

especie bien definida, que ha sido caracterizada por

cristalografa en diferentes sales.

Iones H5O2+ y H9O4

+ se han identificado en hidratos de

cidos cristalinos. Estos iones pertenecen a la familia de

iones hidratados [H(H2O)n]+.

Ejemplos, el dihidrato del cido perclrico, HClO42H2O,

tiene la estructura inica H5O2+ClO4

-; y el hidrato HBr4H2O

tiene la estructura H9O4+Br-.

IONES

ION HIDRURO

Se forma por la ganancia de un e- por un tomo de H.

() + ()

El ion H- posee un mayor tamao que el tomo de H, debido a larepulsin interelectrnica que se produce cuando un segundo e-

se incorpora al orbital atmico 1s.

Los hidruros de los metales del bloque s, excluyendo el Be,

pueden prepararse calentando el metal con H2.

PROPIEDADES QUMICAS

UN GRUPO DE UN SOLO ELEMENTO

Una de las reacciones ms caractersticas de los metales alcalinos y de los

halgenos, es su reaccin mutua. Un ejemplo es el NaCl, slido inico que se

disuelve en agua para dar cationes y aniones:

() +1

22() ()

() + ()+ + ()

Experimentos demuestran que el hidrgeno puede reaccionar como el Na o

como el Cl.

PROPIEDADES QUMICAS

Como el Cl, en la reaccin

() +1

22() ()

El hidrgeno reacciona como un halgeno

El NaH es un compuesto cristalino y posee propiedades fsicas semejantes a las del NaCl

El hidrgeno reacciona solamente cuando se calienta hasta 300C

Los hidruros alcalinos arden al aire y algunos de ellos se inflaman espontneamente

Los hidruros, en contacto con agua, reaccionan enrgicamente con desprendimientode H2:

() + 2 2() + ()+ + ()

PROPIEDADES QUMICAS

Y como el Na, en la reaccin

1

22() +

1

22() ()

() + ()+ + ()

El hidrgeno acta como un metal alcalino.

El HCl no es un producto inico. Se disuelve en agua para dar iones acuosos.

La formacin de ()+ y ()

en agua del HCl es anloga a la formacin de ()+ y ()

del NaCl.

La tendencia del hidrgeno a formar un catin, ()+ , en agua y la ausencia de todo

indicio de la existencia de un anin, () , en agua, constituyen las diferencias ms

importantes entre el hidrgeno y los halgenos.

PROPIEDADES QUMICAS

Considerando las propiedades del hidrgeno en conjunto, se llega a laconclusin de que se lo debe clasificar solo, en una familia formada por

un nico elemento.

Existen algunos semejanzas con los halgenos, como la formacin de

molculas diatmicas estables y gaseosas. Por otra parte, sus propiedades

qumicas lo acercan ms a los metales alcalinos.

En consecuencia, se suele presentar al hidrgeno a la izquierda de la

Tabla peridica, en conjunto con los metales alcalinos, pero separado de

ellos para indicar que posee caractersticas propias.

PROPIEDADES QUMICAS

OBTENCIN EN EL LABORATORIO

Se pueden obtener pequeas cantidades de H2, por accin de los cidos

diluidos sobre metales, como Zn o Fe.

24() + () 4() + 2()

2() + () 2() + 2()

Tambin se obtiene H2, por reaccin de los lcalis sobre metales que forman

hidrxidos anfteros, como el Al o Zn.

2() + 2() + 62() 2[ 4]() + 32()

PROPIEDADES QUMICAS

Por la accin de hidruros metlicos con agua

2 + 22() ()2() + 2()

Los metales alcalinos desprenden H2 del agua, pero estas reacciones no son

adecuadas para uso preparativo debido a que son muy vigorosas.

2 + 22 2 + 2

Los metales alcalinotrreos reaccionan con H2O para dar H2, aumentando la

reactividad al bajar en el grupo; el Mg no reacciona con agua fra.

Otros metales, que desde el punto de vista termodinmico tendran que

comportarse as, se vuelven cinticamente inertes, debido a la presencia de una

capa de xido insoluble.

PROPIEDADES QUMICAS

OBTENCIN INDUSTRIAL

Para utilizar el hidrgeno In situ, se prepara principalmente, a partir de metano ode otros alcanos de bajo peso molecular que estn presentes en el gas natural o

que se producen en el Cracking del petrleo.

4 + 2 + 32

4 + 22 2 + 42

36 + 32 3 + 62

En estos procesos se emplean catalizadores de nquel, hierro-cobre y temperaturas

iguales a 800C.

PROPIEDADES QUMICAS

Mediante la extraccin de gases de coque. stos

son un subproducto de la fabricacin del coquemetalrgico.

Composicin: 50% de H2, 25% de CH4, 10% de CO,

7% de N2, con trazas de etano, etileno, CO2, y H2S.

Se emplean mtodos qumicos o fsicos para la

eliminacin de impurezas.

Se emplean mezclas de H2 N2, para la sntesis delamoniaco.

PROPIEDADES QUMICAS

La electrolisis del agua permite obtener hidrgeno puro pero

costoso.

Se aplica una corriente elctrica continua mediante un par de

electrodos conectados a una fuente de alimentacin elctrica y

sumergidos en una disolucin. Para stas disoluciones se emplea NaCl.

En Noruega, emplean soluciones de aproximadamente 30% de

hidrxido de sodio o de potasio.

El hidrgeno se puede almacenar en estado liquido o en estado

gaseoso, comprimido entre 150 o 200 bar, en tubos de acero. En

algunos caso, es posible transportarlo a travs de gaseoductos.

PROPIEDADES QUMICAS

REACTIVIDAD

El dihidrgeno no es muy reactivo en condiciones ambientales. Su falta de

reactividad se origina por la fuerza del enlace H-H.

La reaccin entre H2 y O2 se inicia con una chispa y una explosin resultante es

conocida en el ensayo cualitativo de H2. esta reaccin es efectiva en los

combustibles de cohetes.

Los halgenos reaccionan con el H2, disminuyendo la facilidad de reaccin albajar en el grupo 17.

Incluso a bajas temperaturas, F2 reacciona explosivamente con H2,en una reaccin en

cadena a travs de radicales.

PROPIEDADES

QUMICAS

REACTIVIDAD

El hidrgeno tambin reacciona con muchos metales al calentarlo, para dar

hidruros metlicos, MHn.

Se requiere una descarga elctrica, para que el H2 se disocie parcialmente en tomos,

a bajas presiones.

Esta disociacin proporciona una fuente reactiva del elemento y facilita la

combinacin con elementos que no reaccionan directamente con el H2, como Sn y As.

La molcula de H2se acerca a la

superficie del

metal

El enlace H-H se

rompe y se forman

los enlaces M-H

Capa superficial de

tomos metlicos

PROPIEDADES QUMICAS

USOS

La mayora de las reacciones importantes del hidrgeno son de catlisis

heterognea, que hace descender las energas de activacin de las

reacciones, debilitando o rompiendo el enlace H-H en la superficie del metal.

Reacciones importantes:

Proceso Haber, mediante el cual se hace reaccionar H2 y N2 gaseosos para obtener

amoniaco. Para ste proceso se emplea un catalizador de hierro y temperaturas

entre los 400-540C.

Reduccin de CO a metanol, sobre un catalizador de Cu-Zn, a 300C.

Hidrogenacin de un elevado nmero de compuestos orgnicos insaturados,

empleando catalizador de Ni, Pd o Pt, en diversas condiciones.

ENLACES TIPO E-H

ENLACES POLARES Y NO POLARES

En compuestos del tipo EHn, donde E puede ser cualquier elemento, la diferencia

de electronegatividad entre E y H significa que el enlace E-H puede ser no polar o

polar, en cualquiera de los dos sentidos.

Para H, = 2.2 y varios enlaces E-H en los cuales E es un elemento del bloque p,como B-H, C-H, Si-H o P-H, son esencialmente no polares.

Como los metales son electropositivos, el tomo de H en M-H lleva una cargaparcial .

Elementos como N, O y F son mas electronegativos que el H y, en los enlaces N-H,

O-H, y F-H, el tomo de hidrgeno lleva una carga parcial +.

ENLACE DE HIDRGENO

DEFINICIN

Un enlace de hidrgeno se forma entre un tomo de H unido a un tomo

electronegativo y un tomo electronegativo que posea un par de electrones

sin compartir.

donde: Y puede ser o no igual a X.

No es necesario que la electronegatividad de X sea muy elevada para que

haya una interaccin de enlace de hidrgeno significativa.

Una interaccin se denomina enlace de hidrgeno si constituye unenlace localizado y si X-H acta como dador de protones para Y.

ENLACE DE HIDRGENO

ENLACES DE HIDRGENO

O

stos enlaces, pueden considerarse comointeracciones electrostticas entre un H concarga +, unido por enlace covalente, y unpar de e- solitarios del tomo adyacente.

ENLACE DE HIDRGENO

Hidruros Metlicos: Caractersticas

Duros

Poseen brillo metlico

Conducen la electricidad o son semiconductores

Poseen propiedades magnticas

Quebradizos

HIDRUROS BINARIOS

HIDRUROS BINARIOS

CLASIFICACIN

Dependiendo de la naturaleza del elemento que se combina, los

hidruros muestran una amplia gama de propiedades segn nos

desplazamos por la tabla peridica.

Metlicos instersticiales

Inicos o Salinos, parecidos a una sal

Covalentes Moleculares

Polimricos

HIDRUROS BINARIOS

HIDRUROS BINARIOS

Metlicos instersticiales

Con los metales de transicin, el hidrgeno forma compuestos peculiares que

se caracterizan porque la relacin: tomos de hidrgeno/tomos de metal,

no es constante.

Los tomos de H son los suficientemente pequeos para ocupar huecos

intersticiales en una red metlica.

La absorcin de H2 por diversos metales conduce a la formacin de hidrurosmetlicos, en los cuales los tomos de H se alojan en cavidades intersticiales:

Hidruros metlicos instersticiales.

Un ejemplo, son los hidruros no estequiomtricos que no obedecen la ley de

las proporciones definidas: hidruro de titanio, su frmula vara entre TiH1.8 y TiH2.

Metlicos instersticiales

Al formarse estos compuestos, el H2 es absorbido sobre

la superficie de los metales y se disocia en H atmico.

Los tomos de H disueltos en el metal se desprenden,posteriormente con relativa facilidad, cuando se

calienta el metal, en forma de H2.

Este peculiar comportamiento hace que stos

compuestos se investiguen con gran inters, por su

potencial utilidad como Recipientes dealmacenamiento de Hidrgeno para transportarlo,con destino a su utilizacin como combustible.

HIDRUROS BINARIOS

HIDRUROS BINARIOS

Inicos o Salinos

Se forman cuando los elementos de menor afinidad electrnica, grupos 1 y 2, en

estado lquido, reaccionan con H2 a elevadas temperaturas para dar lugar a

compuestos inicos slidos en los que el metal est en forma de catin y el ion

negativo es el H-.

Caractersticas

Slidos blancos

Elevado punto de fusin

Los del grupo 1 cristalizan en red de NaCl

De carcter bsico, porque los iones H- reducen el agua para formar iones

hidrxido e hidrgeno

() + 2() () + 2()

HIDRUROS BINARIOS

Inicos o Salinos

Reaccin de formacin de hidruros del Grupo 1:

() + 2() + 2 2() M = Li, Na, K, Rb, Cs

Su reactividad aumenta al hacerlo el nmero atmico y el tamao inico del metal.

Los hidruros del Grupo 2 se diferencian en que la relacin metal:hidrgeno que es

1:2:

() + 2() 2()

HIDRUROS BINARIOS

Inicos o Salinos

USOS

NaH y KH se utilizan ampliamente como agentes de

desprotonacin.

Entre los hidruros salinos ms empleados comnmente estn LiH,

NaH y KH. Aunque dada su sensibilidad a la humedad, las

condiciones de reaccin deben ser anhidras.

Los compuestos Li[AlH4], Na[BH4] y NaH tienen una amplia

aplicacin como agentes reductores.

Li[AlH4]

HIDRUROS BINARIOS

Covalentes Moleculares

Son estructuras moleculares que estn formados por los elementos del bloque p delos grupos 13 a 17, con excepcin del Bi, el cual es inestable.

La mayor parte de los hidruros moleculares son voltiles y tienen estructuras

sencillas que cumplen con le TRPECV.

Tienen una gran variabilidad de propiedades, por lo que existen dos grupos de

hidruros covalentes:

Unos formados por unidades moleculares independientes, CH4 o NH3, y

otros que son macromoleculares con estructuras ms complejas, (BeH2)x y (AlH3)x donde

X puede ser un nmero grande.

HIDRUROS BINARIOS

Covalentes Moleculares

Pueden ser cidos, bsicos o incluso no mostrar ninguna de esas caractersticas. La

tendencia es que aumente la tendencia cida del compuesto al pasar de

izquierda a derecha y de arriba abajo en la tabla peridica; as el NH3 es una

base, mientras que el HF es un cido.

A medida que se desciende en cualquier grupo de la tabla peridica, el carcter

inico del compuesto aumenta, como consecuencia del aumento del carcter

metlico del elemento:

Carcter covalente BeH2 y MgH2 > CaH2 > SrH2 > BaH2 carcter inico.

HIDRUROS BINARIOS

Polimricos

Son slidos blancos que estn formados por Be y Al.

Cada centro de Be es tetradrico, dando un estructura en cadena en a cuales

est presente un enlace multicntrico del tipo descrito para B2H6.

La estructura de AlH3 consiste en una red infinita en la cual cada centro de Al(III)

est en una posicin octadrica AlH6; los tomos de H forman puentes entre pares

de centros Al.

REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO

Comportamiento cido-base

Ad+Hd-A+H-

BSICO

Ad-Hd+

CIDO / BSICO

HF(g) + H2O(l)

d-d+d+ d-

H3O+

(ac) + F-(ac)

Na+H-(s) + H2O(l)d-d+

H2(g) + Na+

(ac) + OH-(ac)

NH3(g) + H2O(l)

d-d+d+d-

NH4+

(ac) + OH-(ac)

REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO

H- H2 + e-

Carcter reductor

2NaH + O2 H2O + Na2O

H- Hd+

REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO