HIDRGENO: COMPUESTOS Y USOS SELECTIVOS

El hidrgeno es un elemento importante, no solo por su combinacin con carbono para dar

numerosos compuestos orgnicos sino tambin como combustible y un agente reductor de xidos

metlicos y no metlicos. El hidrgeno forma compuestos como ningn otro elemento, incluyendo

el carbono.

Algunas propiedades fsicas

El hidrgeno es el elemento ms ligero. Su temperatura de ebullicin es: -225.8C. La energa de disociacin del enlace: H-H(g) H(g) + H(g) es de 104.4 kcal/mol. La molcula es por tanto trmicamente estable. A temperaturas de 1727C solo el 1% de las molculas de H2 en una muestra de gas podr ser disociado en tomos.

Isotopos de hidrgeno

El hidrgeno tiene tres isotopos (1H); deuterio (2H o D) y el tritio (3H o T). El deuterio es un isotopo natural

del hidrgeno a veces llamado D, tiene un neutrn adicional al electrn y protn presente en el hidrgeno normal. Est presente en el agua de mar, por ejemplo, como D2O o HDO. El otro istopo de hidrgeno, tritio, es a veces descrito como T. Este tiene dos neutrones en adicin al

electrn y protn. El tritio es radioactivo y no existe en la naturaleza. Las molculas diatmicas posibles

son: H2, D2, T2, HD, HT, DT.

Los dos isotopos del hidrgeno juegan un rol muy importante en las reacciones de fusin nuclear en la cual

liberan una gran cantidad de energa aprovechable.

En reacciones nucleares la energa liberada corresponde a cada tomo en lugar de mol como en las

reacciones qumicas convencionales. Un ev/tomo es igual a 23.06kcal/mol. La reaccin de fusin entre D y

T es la base para la bomba de hidrgeno, esta produce 4He y un neutrn con 17.6 Mev de energa. As el

arma requiere del uso de una bomba atmica (reaccin de fisin) como un detonador para establecer

momentneamente temperaturas de hasta un milln de grados para conseguir poner en marcha la reaccin de

fusin.

Actualmente, se estn realizando intentos para fusionar dos tomos de deuterio (obtenidos a partir de agua de

mar) para producir energa til. Aun la facilidad de conseguir su uso en estos aos es incierta, pero la disposicin de recursos combustibles de petrleo y carbn va a terminar en algn momento en el futuro si

otra forma de energa no la sustituye. Note que la poblacin de la tierra fue de 2.5 billones en 1944 y en el

presente es de ms de 5 billones. La necesidad de una fuente de energa es obvia. La posibilidad de obtencin

de energa de la reacciones de fusin es buena, se cree que podra dejar de ser costoso si se pudiese asegurar

la fusin. Observacin: la energa contenida en un kilmetro cubico de agua de mar es equivalente al total de

energa que el petrleo suministra.

Obtencin del hidrgeno

La obtencin del hidrgeno es costosa. Si es preparado por electrlisis del agua, el proceso requiere el uso de

gasto de electricidad. Investigadores han estado trabajando varios aos para desarrollar mtodos de

obtencin de hidrgeno por la separacin del agua usando luz, pero a gran escala este procedimiento an no

ha sido establecido.

Electrlisis

Para que ocurra la electrlisis, un electrolito debe estar presente en el agua. El cido sulfrico es usado para

este propsito como se ilustra en reacciones debajo.

1) Electrlisis del agua

2) Electrlisis de salmuera (solucin acuosa de NaCl)

3) Vapor de la reforma de los hidrocarburos

El CO producido puede ser convertido rpidamente a hidrgeno por la reaccin de cambio Agua-gas

Los productos CO2 / H2 son burbujeados a travs del agua dejando el hidrgeno atrs (el CO2 es soluble

en agua). Ningn tratamiento de CO puede permitir el escape a la atmosfera de este gas txico, entonces

se utiliza la reaccin de cambio de Agua-gas para la finalizacin del proceso.

Los hidrocarburos usados para la reforma de vapor son: CH4 (metano) y C2H6 (etano).

Reacciones de Hidrgeno

Algunas importantes reacciones que envuelven el hidrgeno e ilustran su reactividad:

1. Preparacin del HBr

2. Preparacin del amoniaco (Proceso Haber)

La conversin de N2 al pasar es de solo el 17%, el gas que no ha reaccionado es recirculado. La

conversin por el paso del gas fue del 15% cuando el proceso fue inventado en 1915, evidentemente

no ha cambiado mucho desde entonces. El amoniaco y las sales de amonio son usadas como

fertilizantes.

3. Formacin de Hidruros

LiH es un slido cristalino de color blanco que se derrite a 680C.

4. Aislamientos de metales en los minerales por reduccin con H2

El molibdeno (Mo) es usado en aceros especiales cuando la dureza y la resistencia a la corrosin son

requeridas.

5. Reacciones de hidrgeno

La hidrogenacin de dobles enlaces ocurre en aceites vegetales y grasas slidas.

6. Reacciones de sntesis de CO + H2 La sntesis de los gases como mezcla de CO y H2 es obtenida del carbn y pueden ser convertidas a

compuestos orgnicos. Ejemplo:

El metanol es agregado a la gasolina para incrementar el valor de su octano.

7. Sntesis de Fisher-Tropsch (FT)

Catalizadores: Co, Fe, Mo.

Este es un proceso que fue usado por Alemania durante la segunda Guerra mundial para

manufacturar la gasolina a partir del carbn.

Compuesto de Hidrgeno que contienen solo un elemento ms (compuestos con solo dos tipos de

elementos son llamados compuestos binarios).

1. Hidruros Inicos o salinos

Na+H

- contienen el in hidruro H

-

2. Hidruros moleculares o covalentes

SbH3, SiH4, H2O, NH3.

3. Hidruros intersticiales Los hidruros intersticiales son compuestos preparados por absorcin de H2 dentro de los elementos

de transicin o aleaciones. El hidrgeno esta usualmente presente en la forma de H2, as los hidruros

pueden ser usados para almacenar hidrgeno (almacenadores de combustible) porque el H2 puede

ser fcilmente liberado por calentamiento. Ejemplos: TiH1.7 y LaNi5H6.

Caractersticas de los enlaces de Hidrgeno

1. Numerosos hidruros conocidos MxHy no son estequiometricos.

2. Formacin de centros de Hidrgeno (puente hidrgeno)

3. Enlace hidrgeno

Gran atraccin electrosttica entre H e Y.

MS SOBRE EL HIDRGENO

La qumica principal del hidrgeno es la prdida de un electrn para dar H+ y la ganancia de un

electrn para dar H-.

1. Cristalizacin del Agua- Hidratos. En algunos compuestos el agua es una parte integral de la cristalinidad del material.

As la adsorcin reversible se considera como accin desecante (hidratacin) de sulfato de sodio

anhidro. La interaccin entre el agua y los iones Ni+ o [SO4]

2- dentro del cristal es dbil, pudiendo

ocurrir a bajas temperaturas.

2. Enlace covalente coordinado El agua puede formar enlaces covalentes coordinados en diversas sales metlicas, como el

CuSO4.5H2O. El sulfato de cobre anhidro es blanco pero el pentahidratado es de color azul debido a

la coordinacin con las molculas de agua con el tomo de cobre.

En CuSO4.5H2O, cuatro molculas de agua estn enlazadas al ion cprico, es as que se puede

formular como [Cu(H2O)4]SO4.H2O. El sulfato de cobre pentahidratado puede ser anhidro (pierde

todas las molculas de agua) por sobre los 250C (opuesto a los 34C en donde el H2O coordina al

metal).

El comportamiento cido en soluciones acuosas de algunas sales metlicas puede ser explicado por

la fuerte coordinacin del agua con el tomo metlico. Por ejemplo en el nitrato de aluminio

hexahidratado Al(NO3)3.6H2O, mejor representado de la forma [Al(H2O)6](NO3)3, las seis molculas

de agua forman seis fuertes enlaces Al-O. El comportamiento cido de este compuesto resulta de la

hidrlisis del in de aluminio hidratado.

Reaccin de Hidrlisis:

Enlace del H en el hielo

Hay nueve estructuras cristalinas conocidas del hielo. Distancia del enlace O-O es de 2.75A.

El agua es el ms abundante e interesante compuesto. Para complementar se hace nfasis en algunas

de estas importantes propiedades.

Aspectos de enlace Debido a la diferencia de electronegatividad entre el oxgeno y el hidrgeno, el enlace O-H en agua

es altamente polar. El en el diagrama indica la carga parcial.

El ngulo de enlace del O-H-O es de 105. Se piensa que debido a que el agua tiene dos pares libres

de electrones sobre el tomo de oxgeno, ocasiona la repulsin entre estos pares de electrones, por

tanto los tomos de los enlaces O-H deberan causar un ngulo menor a la del tetraedro (109.5).

Enlace de Hidrgeno Varias de las propiedades del agua pueden ser atribuidas a su habilidad para formar extensos enlaces

de hidrgeno en fases slidas y lquidas. Solo en la fase gaseosa pueden existir molculas discretas,

en las fases slidas y liquidas los agregados pueden mantenerse juntos en redes tridimensionales

juntos de 1.77A.

Los enlaces de hidrgeno son dbiles en comparacin con los enlaces covalentes normales (8-

34kJ/mol), y pueden variar en fuerza de enlace de molcula a molcula. El enlace de H en agua es

21kJ/mol y es direccional; esto es, usualmente entre un par solitario de electrones sobre un tomo de

una molcula y el polo positivo de otra molcula.

El enlace de hidrgeno juega un vital rol en procesos biolgicos, especialmente en mantener las

estructuras de las protenas intactas como tambin es el responsable del punto de ebullicin del agua.

Nosotros podemos obtener el punto de ebullicin del agua como un funcin del peso de la molcula

en ausencia del enlace de hidrgeno frente a los puntos de ebullicin de sus congneres: H2S, H2Se y

H2Te.

El punto de ebullicin de H2S, H2Se y H2Te aumenta conforme aumenta el peso molecular, pero el

punto de ebullicin del agua es 200K ms que el esperado por extrapolacin. El enlace de hidrgeno

es insignificante para H2S, H2Se y H2Te mayormente debido al gran tamao del tomo central.

En enlace de hidrgeno en agua evidencia propiedades muy especiales como:

1. Alto punto de ebullicin

2. Baja densidad en el estado slido (hielo)

3. "Pega" protenas y el DNA.

La vida como es conocida podra no existir sin los enlaces de hidrgeno. Por qu?

H2O podra ser un gas a temperatura ambiente (nosotros no podramos estar aqu!). H2O slido (hielo) podra no flotar, los lagos se congelaran hacia arriba y no al revs y la

vida acutica no podra ser capaz de existir.

Compuestos que contienen agua

El agua es conocida en forma de hidratos y compuestos llamados caltratos con varios elementos.

Los compuestos caltratos son los llamados jaula de agua en la cual otras molculas o tomos

pueden ser atrapados. Por ejemplo los compuestos de Xenn Xe7.3H2O y clorina Cl2.8H2O. El agua

en estado slido forma espacios o agujeros donde el tomo de Xe y las molculas de Cl2 encajan.

Los hidrocarbonos como el metano, CH4 y el butano, C4H10 tambin forman compuestos caltratos

con agua. As, se cree que el cloroformo (CHCl3) acta como anestsico por la formacin de

caltratos con agua dentro de la partes de conectividad del sistema nervioso, evitando as la

transmisin de dolor. Tambin se cree que el gas metanol es atrapado bajo el mar para la formacin

de compuestos caltratos con agua.

Algunas reacciones del hidrgeno: