No Metales y características principales:

La mayoría de los no metales en estado elemental son gases: hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, flúor, cloro y los gases nobles. Solo uno, el bromo es un líquido. Todos los demás no metales son sólidos a temperatura ambiente. Estos en general son malos conductores del calor y la electricidad y pueden tener números de oxidación ya sean positivos o negativos.

Un pequeño grupo de elementos llamado metaloides tiene propiedades características tanto de metales como no metales, los metaloides como el boro silicio germanio y arsénico son elementos semiconductores.

Los no metales son más electronegativos que los metales. La electronegatividad de los elementos aumente de izquierda a derecha a lo largo del periodo y de abajo hacia arriba en cualquier grupo con excepción del hidrogeno los no metales se concentran en la parte superior derecha de la tabla periódica. Los compuestos que se forman por esa combinación entre metales y no metales tienden a ser iónicos formando un catión metálico y un anión no metálico

Hidrogeno

El hidrogeno es el elemento más sencillo de los elementos que se conocen, su forma atómica más común solo contiene un protón y un electrón. Sin embargo, el hidrogeno solo existe en estado atómico a temperaturas muy elevadas. Por lo general, el hidrogeno elemental es una molécula diatómica, producto de una reacción exotérmica entre átomos de H:

H (g) + H (g) H2 (g) ΔHº = -436, 4 KJ

El hidrogeno molecular es un gas incoloro, inodoro y no es toxico. Tiene un punto de ebullición de -252.9ºC (20.3K) a 1 atm.

El hidrogeno es el elemento más abundante en el universo, constituye el 70% de la masa total del mismo. Es el decimo elemento en abundancia en la corteza terrestre, donde se encuentra combinado con otros elementos. A diferencia de Júpiter y Saturno, la tierra no tiene una fuerza gravitacional tan grande para retener las ligeras moléculas de H2 por lo que el hidrogeno no forma parte de la atmosfera terrestre.

La configuración electrónica del estado fundamental del H es 1s1. Se parece a los metales alcalinos en que puede oxidarse en ion H+, que existe en forma hidratada en las disoluciones acuosas. Por otra parte, el hidrogeno se parece a los halógenos ya que forma el anión hidruro (H-), con una carga negativa, que es isoelectrónico del helio (1s2). El hidrogeno se encuentra formando un gran número de compuestos covalentes. Es el único que tiene la capacidad de formar enlaces por puente de hidrogeno.

El hidrogeno gaseoso juega un papel muy importante en los procesos industriales. Aproximadamente el 95% del hidrogeno que se produce tiene algún uso; es decir se produce en la plante o cerca de ella, donde se utiliza para procesos industriales, como es el caso de la síntesis de amoniaco. En escala industrial se prepara mediante la reacción entre propano (del

gas natural y también como subproducto de la refinería del petróleo) y vapor de agua en presencia de un catalizador a 900ºC;

C3H8 (g) + 3H2O (g) 3CO (g) + 7H2 (g)

En otro proceso, el vapor del agua se pasa sobre un lecho de coque calentado al rojo:

C(s) + H2O (g) CO (g) + H2 (g)

La mezcla de monóxido de carbono e hidrogeno gaseoso producida en esta reacción se conoce por lo común como gas de agua. Durante muchos años se utilizo el gas de agua como combustible, ya que tanto el CO conoce el H2 se quema en el aire pero debido a que el CO es venenoso, el gas de agua se sustituyo por gases naturales como el metano y propano.

Es posible preparar con facilidad pequeñas cantidades de hidrogeno en el laboratorio a partir de la reacción de zinc con acido clorhídrico diluido

Zn(s) + 2HCl (ac) ZnCl2 (ac) + H2 (g)

El hidrógeno gaseoso también se puede producir por la reacción entre un metal alcalino o un metal alcalinotérreo (Ca o Ba) y agua pero esas reacciones son demasiado violentas para utilizarse en la preparación de hidrogeno gaseoso en el laboratorio. El hidrogeno gaseoso muy puro se puede obtener por electrolisis de agua pero este método consume mucha energía para aplicarlo a gran escala.

HIDRUROS

Hidruros Binarios

Los Hidruros Binarios son compuestos que contienen hidrogeno y otro elemento ya sea metálico o no metálico. De acuerdo con su estructura y propiedades, estos hidruros se dividen en tres tipos: 1) iónicos 2) Covalentes y 3) intersticiales.

Hidruros iónicos

Los hidruros iónicos se forman cuando el hidrogeno molecular se combina directamente con cualquier metal alcalino o alguno de los metales alcalinotérreos, Ca Sr o Ba:

2Li(s) + H2 (g) 2LiH(s)

Ca(s) + H2 (g) CaH2(s)

Todos los hidruros iónicos son sólidos que tienen los altos puntos de fisión característicos de los compuestos iónicos. En estos compuestos el anión es el ion hidruro H-, que es una base de Bronsted muy fuerte. Acepta con facilidad un protón de un donador de protones como el agua:

H-(ac) + H2O (l) OH-(ac) + H2 (g)

Debido a su alta reactividad con el agua, los hidruros iónicos se utilizan con frecuencia para eliminar residuos de agua de los disolventes orgánicos

Hidruros Covalentes

En los Hidruros covalentes, el átomo de hidrogeno esta unido de manera covalente a otro elemento. Hay dos tipos de hidruros covalentes, los que contienen unidades moleculares discretas, como CH4 y NH3, y los que tienen estructuras poliméricas complejas, como (BeH2) x y (Al H3) x, donde x es un número muy grande.

Las propiedades físicas y químicas de estos compuestos cambian de iónicas a covalentes a lo largo de un periodo. Por ejemplo, los hidruros de los elementos del segundo periodo; LiH, BeH2, B2H6, CH4, NH3, H2O y HF. El LiH es un compuesto iónico con un alto punto de fusión (680ºC). La estructura del BeH2 (en estado sólido) es polimérica; es un compuesto covalente. Las moléculas de B2H6 y CH4 son no polares. En contraste, las moleculares de NH3, H2O y HF son moléculas polares pues el átomo de hidrogeno constituye el extremo positivo del enlace polar. De este grupo de hidruros (NH3, H2O y HF), solo el HF es acido en agua.

A medida que se desciende en cualquier grupo de la tabla, los compuestos cambian de covalentes a iónicos. Por ejemplo, en el grupo 2A, el BeH2 y MgH2 son covalentes, pero CaH2, SrH2 y BaH2 son iónicos.

Hidruros intersticiales

El hidrogeno molecular forma un gran número de hidruros con los metales de transición. En algunos de estos compuestos, la relación de átomos de hidrogeno y de átomos metálicos no es constante. Este tipo de compuestos se denominan hidruros intersticiales. Por ejemplo, la fórmula del hidruro de titanio puede variar de TiH1.8 a TiH2, según las condiciones.

Muchos de los hidruros intersticiales tienen propiedades metálicas como la conductividad eléctrica. Sin embargo, se sabe que el hidrogeno esta unido al metal en estos compuestos, a pesar de que a menudo no es clara la naturaleza exacta del enlace.

El hidrogeno molecular interactúa con el paladio de una manera única. El hidrogeno gaseoso se adsorbe rápidamente en la superficie del paladio metálico en donde se disocia en hidrogeno atómico. Entonces los átomos de H “se disuelven” en el metal. Por calentamiento y bajo presión de H2, gaseoso en uno de los extremos del metal, estos átomos se difunden a través de él y se combinan de nuevo para formar hidrogeno molecular, el cual emerge como gas por el otro extremo. Debido a que ningún otro gas se comporta de esta manera con el paladio se utiliza este proceso, en pequeña escala para separar el hidrogeno gaseoso de otros gases

ISOTOPOS DEL HIDROGENO

El hidrogeno tiene tres isotopos: (hidrogeno, deuterio, y tritio H, D y T respectivamente y con 1, 2 y 3 neutrones cada uno). Las abundancias naturales de los isotopos estables del hidrogeno son: hidrogeno 99.985% y deuterio 0.015%. El tritio es un isotopo radiactivo con una vida media de 12.5 años aproximadamente

El oxido de deuterio o agua pesada, se utiliza en algunos reactores nucleares como refrigerante y moderador de reacciones nucleares

El D2O se puede separar del H2O por destilación fraccionada puesto que el agua normal hierve a menor temperatura. Otra técnica para su separación es la electrolisis del agua. Como se observa en la tabla 21.1 Otra técnica para su separación es la electrolisis del agua. Debido a que el H2 gaseoso se forma casi ocho veces más rápido que el D2 durante la electrolisis, el agua permanece en la celda electrolítica se enriquece de manera progresiva con D2O. Por ejemplo, el mar muerto el cual durante miles de años ha atrapado agua que no tiene salida más que la evaporación, tiene una relación {D2O}/{H2O} mayor que el agua de cualquier otro lado.

A pesar de que el D2O se parece químicamente al H2O en la mayoría de los aspectos, es una sustancia toxica debido a que el deuterio es más pesado que el hidrogeno así que sus compuestos a menudo reaccionan más lentamente que los del isotopo ligero. Beber con regularidad D2O en lugar de H2O podría ser fatal por la menor velocidad de la transferencia de D+ comparada con la de H+ en las reacciones ácido-base implicadas en la catálisis enzimática. Este efecto cinético isotópico también se manifiesta en las constantes de ionización de los ácidos. Por ejemplo, la constante de ionización del ácido acético

Es aproximadamente tres veces mayor que la del ácido acético deuterado:

HIDROGENACION

La hidrogenación es la adición de hidrogeno a compuestos que contienen enlaces múltiples en especial enlaces C=C y Una reacción de hidrogenación sencilla es la conversión de etileno en etano

Esta reacción es muy lenta en condiciones normales pero es posible acelerarla en forma considerable con la presencia de un catalizador de níquel o platino. Como en el proceso Haber para la síntesis de amoniaco, la función principal del catalizador es debilitar el enlace H-H y facilitar la reacción.

La hidrogenación es un proceso muy importante en la industria de los alimentos. Los aceites vegetales tienen un gran valor nutritivo, pero algunos se deben hidrogenar antes de utilizarse, debido a su mal sabor y a sus estructuras moleculares inapropiadas (es decir por demasiados enlaces C = C). Por exposición al aire, estas moléculas poli insaturadas (es decir, moléculas con muchos enlaces C=C) se oxidan formando productos con sabores desagradables (cuando un aceite se oxida se dice que esta rancio). Durante el proceso de hidrogenación se agrega al aceite una pequeña cantidad de níquel (alrededor de 0.1% en masa) y la mezcla se somete a

hidrogeno gaseoso, a temperatura y presión altas. Después el níquel se elimina por filtración. La hidrogenación disminuye el número de dobles enlaces en la molécula pero no los elimina por completo.

Si se eliminaran todos los dobles enlaces, el aceite se volvería duro y quebradizo. En condiciones controladas es posible preparar aceites y margarinas adecuadas para la cocina, por media de la hidrogenación de aceites vegetales extraídos de la semilla de algodón maíz y soya.

Carbono

A pesar de que solo constituye en 0.09% en masa de la corteza terrestre, el carbono es un elemento esencial para la materia viva. Se encuentra libre en forma de diamante y grafito; también es un componente del gas natural, del petróleo y del carbón. (El carbón es un sólido de origen natural, café oscuro o negro, que se utiliza como combustible; se forma a partir de las plantas fósiles y está constituido por carbono amorfo y diversos compuestos orgánicos e inorgánicos.) En la atmosfera el carbono se combina con el oxigeno para formar dióxido de carbono; también existe como carbonato en la piedra caliza y en la greda.

El diamante y el grafito son alótropos del carbono. A pesar de que el grafito es la forma estable del carbono el diamante es aun más duro aunque el diamante pasa a grafito con el tiempo en un proceso espontaneo

C (diamante) C (grafito) ΔGº = -2.87 KJ

Aunque la velocidad de este proceso espontaneo es muy pequeña. Por lo tanto, podrían transcurrir millones de años antes de que el diamante se convirtiera en grafito.

El diamante sintético se prepara a partir del grafito, al aplicar presión y temperatura muy altas. Por lo general los diamantes sintéticos carecen de las propiedades ópticas de los diamantes naturales. Sin embargo son muy útiles como abrasivos y para cortar el concreto y otras sustancias duras, incluso los metales y las aleaciones.

El carbono tiene la capacidad única de formar cadenas muy largas (algunas constituidas hasta por más de 50 átomos de C) y anillos estables con cinco o seis miembros. Este fenómeno se llama catenacion, la unión de átomos iguales. La versatilidad del carbono es responsable de los millones de compuestos orgánicos (formados por carbono, nitrógeno, oxigeno, hidrogeno, y los halógenos) que se encuentran en la tierra.

Carburos y Cianuros

El carbono se combina con los metales para formar compuestos iónicos denominados

carburos, como CaC2 y Be2C, en los cuales el carbono esta en forma de iones o C4-. Estos iones son bases de Bronsted fuertes y reaccionan con el agua como sigue:

El carbono también forma un compuesto covalente con el silicio. El carburo de silicio, SiC recibe el nombre de carborundo y se prepara como sigue:

El carborundo también se forma por el calentamiento de silicio con carbono a 1500ºC. El carborundo es casi tan duro como el diamante y tiene la estructura de éste; cada átomo de carbono esta unido, en forma tetraédrica, con cuatro átomos de Si y viceversa. Se utiliza principalmente para cortar, moler o pulir metal y vidrio.

Otra clase importante de compuestos de carbono son los cianuros, que contienen el grupo

anicónico Los iones cianuro son muy tóxicos porque se unen de manera casi irreversible con el ion Fe (III) de la citocromooxidasa, una enzima clave en los procesos metabólicos. El cianuro de hidrógeno, que tiene el aroma de las almendras amargas, es todavía más peligroso como consecuencia de su volatilidad (p.e. 26ºC). Unas cuantas decimas del 1% en volumen de HCN en el aire pueden causar la muerte en unos cuantos minutos. El cianuro de hidrogeno se prepara al mezclar cianuro de sodio o cianuro de potasio con ácido:

Debido a que el HVN (llamado acido cianhídrico, cuando está en disolución acuosa) es un acido muy débil (K2= 4.9 x 10-10), la mayor parte del HCN que produce en esta reacción está en forma no ionizada y se desprende de la disolución como cianuro de hidrogeno gaseoso. Por esta razón nunca se deben mezclar con los ácidos con los cianuros metálicos sin la ventilación apropiada del laboratorio.

Los iones cianuro se utilizan para extraer el oro y la plata. A pesar de que por lo general estos metales se encuentran en estado libre en la naturaleza, se encuentran en cantidades relativamente pequeñas en las menas de otros metales, de las que es más difícil extraerlos. En un proceso común, la mena pulverizada se trata con una disolución acuosa de cianuro en presencia de aire para disolver el oro mediante la formación de un ion complejo [Au (CN)2]-:

El ion complejo [Au (CN)2]- (acompañado por algún catión, como el Na+ se separa de los materiales insolubles por la filtración y se trata con un metal electropositivo, como el zinc, para recuperar el oro:

Óxidos de Carbono

Entre los diversos óxidos del carbono, los más importantes son el monóxido de carbono CO y el dióxido de carbono CO2. El monóxido de carbono es un gran gas inodoro e incoloro que se forma por la combustión incompleta del carbono o de compuestos que contienen carbono:

El monóxido de carbono se utiliza en procesos metalúrgicos para la extracción del níquel, en síntesis orgánicas y, con el hidrogeno, en la producción de combustibles hidrocarbonados. En la industria se prepara pasando vapor de agua sobre coque caliente. El monóxido de carbono se quema con rapidez en presencia de oxigeno para formar dióxido de carbono:

El monóxido de carbono no es un oxido acido (en ese aspecto es diferente del dióxido de carbono) y solo es ligeramente soluble en agua)