2. Hidrógeno
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Transcript of 2. Hidrógeno
Introducción Isótopos Propiedades Propiedades físicas Propiedades químicas
Métodos de obtención Aplicaciones Compuestos de hidrógeno: clasificación y propiedades
Tema 2: El hidrógeno
“El autor/La autora se acoge al artículo 32 de la Ley de Propiedad Intelectual vigente respecto al uso parcial de obras ajenas, como imágenes, gráficos u otro materialcontenido en las diferentes diapositivas, dado el carácter y la finalidad exclusivamente docente y eminentemente ilustrativa de las explicaciones en clase de estapresentación”
AbundanciaEs el elemento más abundante en el universo
Corteza terrestre y océanos: posición 9 (0,9 % en peso)
La mayor parte en forma de H2O
Muy poco como H2 (alta reactividad y velocidad de difusión)
Hidrógeno: del griego hydor (agua) y gennasin (generar)Descubierto en 1776 por Henry Cavendish
NGC 604, una gigante en laregión de H ionizado en laGalaxia Triangulum
Henry Cavendish 1731-1810
Introducción
Abundancia de los elementos en la corteza terrestre (g/T)O Si Al
Fe Ca Na
K Mg
Ti H P
Mn F S
Sr Ba C Cl Cr Zr
Rb V Ni Zn N
Ce Cu
466000 277200
81300 50000 36300 28300 25900 20900
4400 1400 1180 1000
700 520 450 400 320 200 200 160 120 110
80 65 46 46 45
Y Li
Nd Nb Co La Pb Ga Th
Sm Gd Pr Sc Hf Dy Sn
B Yb Er Br
Ge Be As U
Ta W
Mo
40 30 24 24 23 18 15 15 10
7 6 6 5 5 5 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1
Cs Ho Eu Tl
Tb Lu Hg
I Sb Bi
Tm Cd Ag In
Se Ar Pd Pt Au He Te Rh Re
Ir Os Ru
1 1 1 1
0.9 0.8 0.5 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1
0.09 0.04 0.01
0.005 0.005 0.003 0.002 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001
Introducción
HeLi Be B C N O F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I XeCs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At RnFr Ra Ac Rf Db
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm YbTh Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
LuLr
Introducción:¿Posición en la tabla periódica?
H1s1
Tiene 1 electrón de valencia
Le falta 1 electrón para cerrar la capa cuántica n=1
- Forma ión monopositivo (H3O+) - Forma el ión H-
- Forma moléculas diatómicas- Es no metal
- Potencial ionización mucho mayor que el de litio:
EI (H)= 1308 kJ/molEI (Li)= 518 kJ/mol
- Es no metal- No reacciona con H2O
- Afinidad electrónica muy inferior a la deflúor:
AE(H)=72,3 kJ/mol
AE(F; I) = 339; 302 kJ/mol
- Poco reactivo comparado conhalógenos
Único elemento que no pertenece a ningún grupo de la Tabla Periódica
Argumentos a favor
Argumentos en contra
Argumentos a favor
Argumentos en contra
Introducción:¿Posición en la tabla periódica?
FClBrI
At
LiNaK
RbCsFr
H1s1
Tiene 1 electrón de valencia
Le falta 1 electrón para cerrar la capa cuántica 1
Masa(u.m.a.)
Abundancia(%)
11 H 1,00783
2,0140
3,01605
0,9
0,0156
<1 en 10 átomos17
Hidrógeno (H)(o Protio)Deuterio (D)
Tritio(T)
21 H
31 H
1 Protrón
2 Neutrones
Isótopos
Aplicaciones
- Radioactivo (desintegración b-):
- Síntesis artificial:
- Se forma en las capas altas atmósfera:t1/2 =12,35 años1
323H He -
714
01
13
612N+ H Cn
36
01
13
24Li+ H Hen
Composiciónnuclear
1 Protrón
1 Neutrón
1 Protrón
Spinnuclear
1/2
1/2
1
- Se obtiene por electrolisis de D2O - El D2O se produce por electrolisis prolongada de H2O - H2O se reduce más fácilmente que D2O (enriquecimiento en D2O)- 30 litros de H2O 1 ml D2O (99%)
Propiedades físicas del H2
■ Gas incoloro; inodoro; insípido
■ Molécula pequeña y apolar
■ Poco soluble en agua
■ Muy poco denso
■ Puntos de fusión y de ebullición bajos
■ Molécula H2: 2 isómeros de espín nuclear (orto- (↑↑) y para- (↑↓) H2)
Propiedades físicas del H2, D2 y T2
Propiedad H2 D2 T2
Punto fusión (K) 13,957 18,73 20,62
Punto ebullición (K) 20,39 23,67 25,04
DH de fusión (kJ/mol) 0,117 0,197 0,250
DH de vaporización (kJ/mol) 0,904 1,226 1,393
Temperatura crítica (K) 33,19 38,35 40,6 (calc.)
Presión crítica (atm) 12,98 16,43 18,1 (calc.)
DH de disociación (kJ/mol) 435,88 443,35 446,9
Distancia internuclear (pm) 74,14 74,14 (74,14)
FORMAS IONIZADASPérdida de un electrón para formar H+
H + e- H- DH = -72 kJ/mol (A.E.) ½ H2 + e- H- DH = 151 kJ/molFormación H- sólo favorable con Grupos 1 y 2 (compuestos iónicos MH)
EI = 1311 kJ/mol Muy elevado (no superado por la formación de compuestos iónicos)Se forman compuestos covalentes.
H+ Poder polarizante ↑. Siempre se encuentra unido a otras especies neutras como H2O, NH3, etc.
Ganancia de un electrón para formar H-
Propiedades químicasEntalpía de disociación = 435 kJ/mol
- Inerte a temperatura ambiente- Se consigue a altas Tas, con descarga eléctrica, con radiación electromagnética- El hidrógeno atómico no es estable, se recombina.
Electronegatividad de Pauling = 2,2- El hidrógeno reacciona prácticamente con todos los elementos, con la mayoría forma enlaces
covalentes.
Comportamiento redox: Frente a especies con E0 < 0:
Fe 2+(ac) + 2e → Fe (s) E0 = -0.44 V
■ Fe (s) + 2H+ → Fe 2+(ac) + H2 (g) DE0 = 0V -(-0.44V) = 0.44Vel H+ se comporta como oxidante
Frente a especies con E0 > 0:■ Pd 2+
(ac) + 2e → Pd (s) E0 = 0.83V■ Pd 2+
(ac) + H2(g) → Pd(s) + 2H+(ac) DE0 = 0.83V – 0V = 0.83V
el H2 actuará como reductor Frente a especies con E0 > -2,25
■ H2(g) + 2e →2H- E0 = -2.25V■ Los hidruros que contienen el ion “ H- ” reaccionan con el H2O produciendo H2:
MH + H2O ↑ H2 + M(OH)
Propiedades químicasDG = -n.F.DE
el H- tiene un fuerte carácter reductor
Reformado de metano o hidrocarburos (naftas) Gasificación de carbón Electrólisis (elevado consumo de electricidad)
2OH- →H2O + ½ O2 + 2e- (ánodo) 2H2O + 2e- → H2(g) + 2OH- (cátodo)
Oxidación parcial de hidrocarburos (HC) + O2 → xCO + yH2
Descomposición termocatalítica CH3-CH3 (g) → CH2=CH2(g)+ H2(g)
CH4(g) → C (s) + 2H2(g)
Descomposición fotolítica (hn) (A: molécula fotoreceptora) H2O + 2A(ox) → 1/2O2 + 2H+ + 2A(red)
2H+ + 2A(red) → H2 + 2A(ox)
Métodos de obtención industrial
Obtención: reformado de naftasNAFTAS/GAS NATURAL
xCO + yH2
H2O, 700 - 1000 ºC30 atm, catalizador Ni
H2, CO, H2O, CO2, CH4
Enfriado a 350 ºC H2O, catalizador de (1)
H2, CO2, H2O
Tamiz molecular Enfriado con agua (o álcali) a 30 atm
H2 > 99,9%
H2 98%
H2, trazas de CO y CO2
350 ºC Catalizador de (2)
Reacciones secundariasCO + H2O ↔ CO2 + H2 (1)CO + H2 ↔ CH4 + H2O (2)
Obtención (cont.):Gasificación de carbón con vapor de agua
GAS LIMPIO
H2O
GAS BRUTO
COMBUSTIBLE
PREPARACIÓNCOMBUSTIBLE
GASIFICACIÓN
ESCORIAS
O2 H2O
FILTRACIÓNLAVADO
ACONDICIONAMIENTO
CENIZASVOLANTES
EFLUENTES (CN-,NH3, ...)
CO + H2O CO2+ H2 SEPARACIÓN CO2
ACONDICIONAMIENTO CO2 CO2
PURIFICACIÓN H2 H2
OTROS
RESIDUOS
GAS DE COLA
CO + H2
C(s) + H2O → CO + H2 DH>0(1000 ºC, cat.)
Purificación: difusión en Pd/Ag
Aplicaciones del hidrógeno
CO (g) + H2(g) CH3OH (g)Cu/ZnO (300 ºC 50 atm)
Reducción metalesWO3(s) + H2(g) W(s) + H2O(g)
- Fraccionamiento de hidrocarburospesados (combustibles, aceites,compuestos químicos…)
- Gasificación y licuefacción de hullas
Hidrogenación olefinas
½ O2(g) + H2(g) H2O(g) DH< 0
- Combustible en cohetes
- Pila de combustible (1970)(economía del hidrógeno)
N2(g) + H2(g) NH3 (g)T, P, catalizador
14
Aplicaciones del hidrógeno
Se presentará en las clases de tutorías
Hidrógeno como combustible del futuro
Clasificación de hidruros
■ Hidruros salinos o iónicos: sólidos cristalinos, no conducen electricidad y no son volátiles.Formados por elementos muy electropositivos Grupo 1 y 2 (excepto Be)
■ Hidruros metálicos: sólidos no estequiométricos, conductores de la electricidad. Formados pormetales d y f
■ Hidruros moleculares: compuestos moleculares volátiles. Formados por elementos p
Hidruros iónicos
Estructuras iónicas típicas: dependen de la relación de radios ( ó ⁄ ) Insolubles en disolventes orgánicos Solubles en haluros alcalinos fundidos:
La electrolisis produce H2 (en el ánodo) Reaccionan con agua de forma vigorosa:
NaH(s) + H2O(l) → H2(g) + NaOH (ac) CaH2 (s) + H2O(l) → H2(g) + Ca(OH)2 (ac)
■ Se utilizan para desecar disolventes orgánicos Son reactivos adecuados para preparar otros hidruros. Se utilizan dispersiones del
polvo fino en petróleo LiH se utiliza para almacenar energía en células solares por su bajo peso y
elevado calor de fusión y capacidad calorífica
Hidruros metálicos Conductores metálicos Composición variable
Estructura tipo fluorita (estructura del metal c.c.c.; con un nº variable de posiciones deanión sin ocupar)
ZrHx (Tª = 550 ºC) intervalo: ZrH1.30 - ZrH1.75.
Enlace: La banda de orbitales moleculares deslocalizados del metal (Banda de Conducción), es
responsable de la conductividad (Disolución sólida intersticial de H en el metal). Los electrones del H- proceden de la banda de OOMM anterior ↔ La conductividad
varía con la composición. Alta velocidad de difusión de hidrógeno en metales y aleaciones.
Aplicación en la purificación de hidrógeno Aplicación en el almacenamiento de hidrógeno
LaNi5H6 ; FeTiHx (x<1,95)
Metales de los grupos 3, 4 y 5 y f
Hidruros moleculares simples Los forma el hidrógeno con los elementos del bloque p Según sus estructuras de Lewis encontramos compuestos:
con deficiencia electrónica (B2H6) sin electrones libres (CH4) con electrones libres (NH3)
Estructuras: las derivadas de la teoría RPECV:
Tetraédrica Piramidaltrigonal Angular
CH4 109,47ºSiH4 “GeH4 “SnH4 “
NH3 106,6ºPH3 93,1ºAsH3 91,8ºSbH3 91,3º
H2O 104,5ºH2S 92,2ºH2Se 91,0ºH2Te 89,5º
HX
H
HH
H HH
X HXH
X
H
n=2
n=3
n=4
n=5
Dis
min
uye
ángu
lo
Momento dipolar (D= 10-18 uee.cm)
Efecto del enlace de hidrógeno en latemperatura de ebullición
H2ONH3
En H2S el enlace de hidrógeno estan débil que no se manifiesta enel punto de ebullición
Hidruros Grupos 15, 16 y 17:Hay pares de electrones libres en el átomo central
Enlace de hidrógeno: Se forma entre un átomode H, unido a un átomo electronegativo, y otroátomo electronegativo que posee pareselectrónicos libres: X-H···Y
H2O H2S H2Se H2Te1,85 0,97 -- --
HF HCl HBr HI1,74 1,07 0,79 0,38
NH3 PH3 AsH3 SbH3
1,47 0,57 0,2 --
Propiedades ácido-base y redox
Fuerza ácida creciente
RUPTURA HETEROLÍTICA CON TRASFERENCIA DE H+
(ocurre en ácidos de Brönsted, compuestos de carácter protónico)
Fuerza ácida creciente
HF el ácido más débil de los haluros de hidrógeno
Poder reductor creciente
HnE:Ácidos – HnE: + H2O :E- + H3O +
Básicos – HnE:+ H2O → (:EH(n+1))+ + HO-
Anfóteros
Valores de pKa para hidruros simplesG14 G15 G16 G17
CH4 46 NH3 35PH3 27
OH2 16SH2 7SeH2 4TeH2 3
FH 3ClH -7BrH -9IH -10
E0 para hidruros simples (V)G14 G15 G16 G17
C/CH4(0,132)
N2/NH3(1,505)P/PH3
(-0,063)
O2/OH2(1,229)S/SH2(0,144)
Se/SeH2(-0,11)
Te/TeH2(-1,38)
F2/FH(3,053)Cl2/ClH(1,358)Br2/BrH(1,087)
I2/IH(0,535)
HnE:E0 >0↔Hidruro poco reductorE0 <0↔ Hidruro muy reductor
HnX ½ X2 + nH+ + ne-
Poder reductor creciente
HF el menos reductor de los haluros de hidrógeno
Estabilidad de compuestos de hidrógeno
DG0f < 0 (reacción espontánea) indica que la síntesis puede
realizarse por reacción directa entre el hidrógeno y elelemento
Energía libre de formación, DG0f kJ/mol, de los
compuestos binarios de hidrógeno de los bloques s y p
E + n/2 H2 EHn
G1
Li (-68,4)
Na (-33,5)
K (-36)
Rb (-30)
Cs(-32)
G2
Be(20)
Mg(-35,9)
Ca(-147,2)
Sr(-141)
Ba(-140)
G13
B(86,7)
Al(-1)
Ga(>0)
G14
C(-50,7)
Si(56,9)
Ge(113,4)
Sn(188,3)
G15
N(-16,5)
P(13,4)
As(68,9)
Sb(147,8)
G16
O(-237,1)
S(-33,6)
Se(15,9)
Te(>0)
G17
F(-273,2)
Cl(-95,3)
Br(-53,5)
I(1,7)
Entalpías medias de enlace(kJ/mol, a 25 ºC)
Cuestiones de clase ¿Por qué el hidrógeno no se encuentra asignado a ninguno de
los grupos de la Tabla Periódica? Indica los argumentos quejustifican esta excepción.
¿Cómo se obtiene el deuterio? Indica sus principalesaplicaciones.
¿Cómo se puede obtener hidrógeno a partir de carbón? Justifica porqué sólo los elementos más electropositivos de la
Tabla Periódica forman hidruros iónicos. Utiliza un ciclo deBorn-Haber cualitativo para justificar la respuesta.