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1 Tema 5. Los gases nobles y el hidrógeno. Existencia, usos y propiedades de los gases nobles. Isótopos del hidrógeno. Hidruros binarios. Hidrogenación. Economía del 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 Como sus subcapas externas s y p están por completo llenas, estos elementos son químicamente casi inertes. A diferencia de los otros gases no metálicos, estos se encuentran en la naturaleza en estado atómico.
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Tema 5. Los gases nobles y el hidrógeno. Existencia, usos y propiedades de los gases nobles. Isótopos del hidrógeno. Hidruros binarios. Hidrogenación. Economía del 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
Como sus subcapas externas s y p están por completo llenas, estos elementos son
químicamente casi inertes.
A diferencia de los otros gases no metálicos, estos se encuentran en la naturaleza en
estado atómico.
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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 a temperaturas que superan los 15 millones de grados Celsius.
El helio terrestre resulta de la emisión de partículas alfa (He2+) en el decaimiento
radiactivo de elementos tales como el uranio y el torio en la corteza terrestre.
El helio gaseoso así formado se mezcla con el gas natural y se encuentra en
concentraciones que van de 0.5 a 2.4% en volumen.
Se puede separar de otros gases aplicando suficiente presión a baja temperatura.
El helio tiene un punto de ebullición muy bajo, -268.9°C (4.2 K).
Jamás se han preparado compuestos estables de helio.
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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 convierte en
un super fluido (llamado helio II).
Como super fluido, el helio II es un conductor
térmico casi perfecto.
También tiene casi cero viscosidad. observando la ascensión espontánea del líquido (como
una capa fina) por las paredes externas del recipiente.
HeII HeI
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Neón y argón
Tanto el neón corno el argón tienen importantes 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.
En virtud de su naturaleza inerte, el argón se emplea también
para eliminar el oxígeno gaseoso disuelto en metales fundidos en
procesos metalúrgicos.
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Kriptón y xenón
Los elementos del grupo 18 se denominaron
gases inertes hasta 1963.
En ese tiempo Bartlett estaba investigando el
gran poder oxidante del hexafluoruro de platino
PtF6. Cuando este compuesto entra en contacto
con el oxígeno cambia de color y produce una
sustancia iónica de fórmula O2 PtF6.
o EA O2 (1176 kJ/mol)
o EA xenón (1167 kJ/mol).
Bartlett supuso que también el xenón debería ser oxidado por el PtF6. Tenía razón. La
reacción es rápida y visiblemente dinámica
Xe(g) + PtF6(g) Xe PtF6 (g)
rojo anaranjado amarillento
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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 algunos
compuestos de kriptón (KrF2, por
ejemplo).
El xenón tiene aplicaciones limitadas
en medicina como anestésico.
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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 las minas (minas de uranio y fosfato).
Se sabe que el radón es liberado del suelo en amplias
zonas, una vez formado el radón se difunde en los
edificios a través de los cimientos.
El radón presente en el aire es respirado y exhalado.
Pero sus productos de decaimiento son só1idos;
produce unas 10.000 muertes anuales.
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El hidrógeno El hidrógeno es el más sencillo de los elementos
conocidos; su forma atómica más común contiene sólo un protón
y un electrón. En el estado atómico, el hidrógeno tiende a
combinarse para formar hidrógeno molecular a través 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).
Descubrimiento
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)
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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 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
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Ubicación en el Sistema periódico
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
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.
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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)
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 tanto el CO como
el H2 se queman en el aire.
gas de agua
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Reacciones y diagrama
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En el laboratorio se pueden preparar
convenientemente pequeñas cantidades de
hidrógeno gaseoso por la reacción de zinc con
ácido clorhídrico diluido:
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
El hidrógeno gaseoso muy puro se puede obtener por
electrólisis del agua.
Cátodo H+ + 1e- 1/2H2
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USOS COMERCIALES MAS RELEVANTES DEL HIDRÓGENO
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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) hidruros iónicos, 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 de Brönsted muy
fuerte. Fácilmente acepta un protón de un donador de protones como el agua:
H-(ac) + H2O(l) OH-(ac) + H2(g)
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Hidruros covalentes. En los hidruros covalentes el átomo de hidrógeno está enlazado
covalentemente al átomo de otro elemento.
Unidades moleculares discretas, como el HCl y NH3,
Estructura polimérica compleja, como (BeH2)z y (AlH3)z,
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Reacciones de los hidruros
LiH + AlH3 Li+AlH4-
HCl + NH3 NH4+ Cl-
HCl + LiH H2 + LiCl
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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 la
conductividad 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.
H H
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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 del hidrógeno 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
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Propiedades de H2O y D2O
Pm 18.0 20.0 P.f. 0 3.8
P.e. 100 101.4
δ(g/cc) 1.000 1.108
El óxido de deuterio, o agua pesada se usa en algunos reactores nucleares como
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 más
rápido que el O2 , el agua remanente en la celda electrolítica se enriquece en D2O.
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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.
El D2O es una sustancia tóxica debido a que el deuterio es
más pesado que el hidrógeno y hace que sus compuestos
reaccionen más lentamente que los del isótopo 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 de los
ácidos.
CH3COOH(ac) CH3COO-(ac) + H+(ac) Ka = 1.8 x 10-5
CH3COOD(ac) CH3COO-(ac) + D+(ac) Ka = 6 x 10-6
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La economía del hidrógeno
El hidrógeno gaseoso podría reemplazar a la gasolina para mover los automóviles o se
podría usar con el oxígeno gaseoso en las celdas de combustión para producir electricidad.
Una ventaja fundamental en el uso del
hidrógeno gaseoso es que el producto
final formado en el motor de hidrógeno o
en la celda de combustión sería el agua.
2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)
El éxito potencial de la denominada
economía del hidrógeno dependería de
cuán barato pueda producirse el hidrógeno gaseoso y cuán fácilmente se pueda almacenar.
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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 .
