Tema 2. Los gases nobles y el hidrógeno

•Los elementos del grupo 18 (a veces conocido como los elementos del grupo 0) se denominan Gases Nobles: helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón

Existencia, usos y propiedades de los gases nobles. Isótopos del hidrógeno. Hidruros binarios. Hidrogenación. Economía del hidrógeno.

•Como sus subcapas externas s y p están por completo llenas, estoselementos son químicamente casi inertes.

•A diferencia de los otros gases no metálicos, estos se encuentran en lanaturaleza en estado atómico.

Helio

•El helio se detectó en el Sol a través del espectro de emisión.

•En el interior del Sol el helio se produce por fusión de átomos de hidrógeno atemperaturas que superan los 15 millones de grados Celsius.

•El helio terrestre resulta de la emisión de partículas alfa (He2+) en eldecaimiento radiactivo de elementos tales como el uranio y el torio en la cortezaterrestre.

•El helio gaseoso así formado se mezcla con el gas natural y se encuentra enconcentraciones que van de 0.5 a 2.4% en volumen.

•Se puede separar de otros gases aplicando suficiente presión a bajatemperatura.

•El helio tiene un punto de ebullición muy bajo, -268.9°C (4.2 K).

•Jamás se han preparado compuestos estables de helio.

�El primer uso práctico del helio lo constituyó la sustitución del hidrógeno como gas en los globos aerostáticos.

�Tiene casi la misma densidad del hidrógeno, pero no es inflamable ni tóxico.

�Cuando el líquido se enfría a -271°C (2.2 K)el helio líquido normal (denominado helio I) se

He(II)

He(I)

el helio líquido normal (denominado helio I) seconvierte en un superfluido (llamado helio II).

�Como superfluido, el helio II es un conductortérmico casi perfecto.

�También tiene casi cero viscosidad.observando la ascensión espontánea dellíquido (como una capa fina) por las paredesexternas del recipiente.

Neón y argón �Tanto el neón corno el argón tienen importantes usos prácticos.

�En virtud de su naturaleza inerte, el argón seemplea también para eliminar el oxígenogaseoso disuelto en metales fundidos enprocesos metalúrgicos.

Neón y argón

usos prácticos.

�El neón se usa en la iluminación eléctrica como "luces de neón".

�El neón líquido se usa en la investigación de bajas temperaturas.

�El argón se usa sobre todo en los bulbos eléctricos luminosos para proveer una atmósfera inerte.

Kriptón y xenón

•Los elementos del grupo 18 sedenominaron gases inertes hasta 1963.

•En ese tiempo Bartlett estabainvestigando el gran poder oxidante delhexafluoruro de platino PtF6. Cuandoeste compuesto entra en contacto conel oxígeno cambia de color y produceuna sustancia iónica de fórmulaO2 PtF6.O2 PtF6.

�EA O2 (1176 kJ/mol)�EA xenón (1167 kJ/mol).

•Bartlett supuso que también el xenóndebería ser oxidado por el PtF6. Teníarazón. La reacción es rápida yvisiblemente dinámica

Xe(g) + PtF6(g) Xe PtF6 (g)rojo anaranjado amarillento

•Calentando xenón y flúor (en una relación 1:5) en un recipiente de níquel a 400°C y 6 atm durante una hora, obtuvieron el tetrafluoruro de xenón, XeF4

•También fueron sintetizados otros dos fluoruros, XeF2 y XeF6 Además, se han preparado numerosos compuestos de xenón y oxígeno (XeO2, XeO3) y compuestos ternarios que contienen Xe, F y O (XeOF4, XeO2F2).

•También se han preparado •También se han preparado algunos compuestos de kriptón (por ejemplo, KrF2).

•El xenón tiene aplicaciones limitadas en medicina como anestésico

Radón

•Los isótopos del radón son radiactivos; el de más larga duración es el radón-222, con una vida media de 3.8 días.

•Hay alguna evidencia de que el radón forma el di fluoruro (RnF2) y algunos complejos.

•El radón se forma como producto en la serie de decaimiento radiactivo del uranio-238.

•Se pensaba que el radón sólo se liberaba en lasminas (minas de uranio y fosfato).

•Se sabe que el radón es liberado del suelo enamplias zonas, una vez formado el radón sedifunde en los edificios a través de los cimientos.••El radón presente en el aire es respirado yexhalado. Pero sus productos de decaimientoson só1idos ; produce unas 10.000 muertesanuales.

El hidrógeno El hidrógeno es el más sencillo de los elementosconocidos; su forma atómica más común contiene sólo unprotón y un electrón. En el estado atómico, el hidrógenotiende a combinarse para formar hidrógeno molecular através de una reacción exotérmica:

H(g) + H(g) H2(g) ∆Hr = -436.4 kJ

•El hidrógeno(H2) es un gas incoloro, inodoro e inocuo, que hierve a -252.9ºC (20.3 ºK).

DescubrimientoDescubrimiento

•Paracelso (s. XVI) observó «un aire que se desprendía al hacer reaccionar un ácido sobre hierro y que era inflamable»

•Identificado como elemento por Cavendish (1776)

•Lavoisier(1743-1794-: Gr. hidrogen (generador de agua)

ABUNDANCIA

•El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, constituyendo el 92% de su masa total.

•Es el tercer elemento en abundancia en la corteza terrestre.

•A diferencia de Júpiter y Saturno, la Tierra no tiene una fuerza gravitacional lo suficientemente grande para retener a las ligeras moléculas de H , así lo suficientemente grande para retener a las ligeras moléculas de H2, así que el hidrógeno no se encuentra en nuestra atmósfera.

•Normalmente se encuentra combinado:

•H2O: 80% del planeta está cubierto de agua

•Compuestos orgánicos: materia viva: carbohidratos y proteínas. Elemento indispensable para los seres vivos.

•Combustibles fósiles: hidrocarburos y gas natural

La configuración electrónica de H es 1s1.

•El grupo de los alcalinos (Grupo 1) por tener un solo electrón s. Se parece a los metales alcalinos pues puede oxidarse al ion H+, que existe en forma hidratada en las disoluciones acuosas

•En el grupo de los halógenos, (Grupo 17) puesto que le falta sólo un electrón para

Ubicación en el Sistema periódico

•En el grupo de los halógenos, (Grupo 17) puesto que le falta sólo un electrón para completar su última capa. El hidrógeno también se parece a los halógenos ya que se puede reducir a ion hidruro, H-, que es isoelectrónico con helio (1s2)

•En el grupo del carbono (Grupo 14) por tener su última capa está semillena.

•El hidrógeno forma un gran número de compuestos covalentes.

•También toma parte del enlace de hidrógeno.

Usos y producción de Hidrógeno

�El hidrógeno gaseoso desempeña un importante papel en los procesos industriales. �Casi e1 95% del hidrógeno producido tiene un uso cautivo; se produce en o cerca de la planta donde se usa para procesos industriales tales como la síntesis del amoniaco o la hidrogenación.

�La preparación más importante a escala industrial es la reacción entre el propano(alcanos volátiles) y vapor de agua en presencia de un catalizador a 900°C:

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

gas de agua�En otro proceso el vapor se pasa sobre un lecho de coque calentado al rojo

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

�El gas de agua se usó como combustible por muchos años debido a que tantoel CO como el H2 se queman en el aire.

Reacciones y diagrama

�En el laboratorio se pueden prepararconvenientemente pequeñas cantidades dehidrógeno gaseoso por la reacción de zinc conácido clorhídrico diluido:

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

•El hidrógeno gaseoso muy puro se puede•El hidrógeno gaseoso muy puro se puedeobtener por electrólisis del agua.

Cátodo H + + 1e- 1/2H2

USOS COMERCIALES MAS RELEVANTES DEL HIDRÓGENO

Hidruros binarios

•Los hidruros binarios son compuestos que contienen hidrógeno y otro elemento,ya sea metal o no metal, estos hidruros pueden dividirse en tres tipos: 1) hidrurosiónicos, 2) hidruros covalentes, y 3) hidruros intersticiales.

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

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

•Los hidruros iónicos son sólidos que tienen los altos puntos de fusión,característicos de los compuestos iónicos.

•El anión de estos compuestos es el ion hidruro, H-, que es una base deBrönsted muy fuerte que fácilmente acepta un protón de un donador deprotones como el agua:

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

Hidruros covalentes. En los hidruros covalentes el átomo de hidrógeno estáenlazado covalentemente al átomo de otro elemento.

a) Unidades moleculares discretas, como el HCl y NH3,

b) Estructura polimérica compleja, como (BeH2)z y (AlH3)z

Tipo 1.- LiH + AlH 3 Li+AlH 4-

Reacciones de los hidruros

Tipo 2.- HCl + NH 3 NH4+ Cl-

Tipo 3.- HCl + LiH H 2 + LiCl

Hidruros intersticiales.

•El hidrógeno molecular forma numerosos hidruros con los metales de transición.La relación de átomos de hidrógeno a átomos metálicos no es una constante.Estos compuestos se denominan hidruros intersticiales. ( TiH1.8 y TiH2)

•Muchos de los hidruros intersticiales conservan propiedades metálicas como laconductividad eléctrica pero no es clara la naturaleza del enlace.

•El hidrógeno gaseoso se absorbe con rapidez en

la superficie del paladio metálico, donde se disocia

en hidrógeno atómico. Entonces los átomos de

hidrógeno se "disuelven" en el metal, estos átomos

se difunden a través del metal y se recombinan

para formar hidrógeno molecular, el cual emerge

como gas por el otro extremo este proceso se ha

usado para separar el hidrógeno de otros gases.

Isótopos del hidrógeno

•El hidrógeno tiene tres isotopos: 1H (hidrógeno),2H (deuterio, símbolo D), y 3H (tritio, símbolo T).

•Las abundancias naturales de los isótopos estables delhidrógeno son: hidrógeno 99.985%; y deuterio 0.015%

•El tritio es un isótopo radiactivo cuya vida media es de unos 12.5 años

2H

3H

Propiedades de H2O y D2O

Pm 18.0 20.0

P.f. 0 3.8

P.e. 100 101.4

d(g/cc) 1.000 1.108

�El óxido de deuterio, o agua pesada se usa en algunos reactores nuclearescomo refrigerante y moderador de reacciones nucleares.

�D2O se puede separar de H2O por destilación fraccionada porque el H2O.

�Electrólisis del agua. El H2 gaseoso se forma aproximadamente ocho veces másrápido que el O2 , el agua remanente en la celda electrolítica se enriquece en D2O.

�El D2O es una sustancia tóxica debido a que el deuterio es más pesado que elhidrógeno y hace que sus compuestos reaccionen más lentamente que los del

�El Mar Muerto, que por miles de años ha

atrapado agua que no tiene otra salida que la

evaporación, tiene una relación [D2O]/[H2O] mayor

que el agua de cualquier otro sitio del mundo.

hidrógeno y hace que sus compuestos reaccionen más lentamente que los delisótopo más ligero.

�Debido a la menor velocidad de transferencia del D+ comparada con la del H+

en las reacciones ácido-base implicada, en la catálisis enzimática.

�El efecto isotópico también se manifiesta en las constantes de ionización delos ácidos.

CH3COOH(ac) CH3COO-(ac) + H+(ac) Ka = 1.8 x 10-5

CH3COOD(ac) CH3COO-(ac) + D+(ac) Ka = 6 x 10-6

La economía del hidrógeno

•El hidrógeno gaseoso podría reemplazar a la gasolina para mover losautomóviles o se podría usar con el oxígeno gaseoso en las celdas decombustión para producir electricidad.

•Una ventaja fundamental en el usodel hidrógeno gaseoso es que elproducto final formado en el motorde hidrógeno o en la celda decombustión sería el agua.combustión sería el agua.

2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)

•El éxito potencial de la denominada economía del hidrógeno dependería de cuánbarato pueda producirse el hidrógeno gaseoso y cuán fácilmente se puedaalmacenar.

Hidrogenación

� La hidrogenación es la adición

de hidrógeno a compuestos que

contienen enlaces múltiples, en

especial enlaces C=C y O=C .La

hidrogenación es un importante

proceso en la industria alimentaria .proceso en la industria alimentaria .