TEMA1

ELHIDRGENO

Tema 1 El Hidrgeno

Tema 1. El Hidrgeno 1 2 13 14 15 16 17 18 H He B C N O F Ne Si P S Cl Ar As Se Br Kr

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INTRODUCCIN El hidrgeno es el elemento de estructura atmica ms sencilla. A la hora de situarlo en la tabla peridica a veces se le coloca en el grupo 1, a la cabeza de los metales alcalinos, por tener como estos un solo electrn de valencia, pero no por sus propie-dades fsicas y qumicas que son diferentes; otras veces se le coloca a la cabeza de los halgenos, grupo 17, atendiendo a que tambin necesitan un electrn para com-pletar su capa de valencia; o bien aparece slo en el centro de la tabla peridica para sealar su singularidad.

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Objetivos:

Conocer las distintas posibilidades de situar al H en la tabla peridica Predecir las propiedades del hidrgeno Conocer la estructura isotpica, atmica, molecular e inica del H Predecir la reactividad del H Aprender los mtodos de obtencin y las aplicaciones industriales

Palabras clave Protio, Deuterio, Tritio, Orto-hidrgeno y Para-hidrgeno

CONTENIDOS 1.1. Consideraciones generales 1.2. Istopos del hidrgeno 1.3. Hidrgeno en estado molecular 1.4 Hidrgeno en estado atmico 1.5. Iones del Hidrgeno 1.6 Propiedades qumicas del hidrgeno 1.7 El hidrgeno en la Naturaleza. Mtodos de obtencin y aplicaciones

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1.1 Consideraciones generales El hidrgeno es el elemento ms abundante en el universo y el tercero ms abundante en la superficie terrestre, despus del oxgeno y del silicio. Cavendish aisl e identific el hidrgeno en 1766, llegando luego a concluir que el agua era un compuesto de hidrgeno y oxgeno. Un tomo de hidrgeno est formado por un protn contenido en el ncleo, y un electrn. Es el elemento que tiene una estructura atmica ms sencilla. La configura-cin electrnica del estado fundamental del H es 1s1. 1.2 Istopos del hidrgeno Se conocen tres istopos del hidrgeno: el hidrgeno ordinario, llamado tambin protio ( 1 o H), el deuterio ( o D) y el tritio ( 3 o T). H 2H H El protio es el istopo ms ligero y el ms abundante. El deuterio tiene una masa doble a la del protio. El istopo ms pesado del hidrgeno es el tritio, sus tomos tienen en el ncleo un protn y dos neutrones. Se encuentra en las capas altas de la atmsfera y su carac-terstica ms importante es su radiactividad. Un tomo de tritio da lugar a un istopo de helio emitindose en el proceso una partcula de baja energa.

31H +

32He

Una propiedad importante del ncleo del hidrgeno es el spin, cuyo valor para el protio es , para el D es 1, y para el T .

Tabla 1. Propiedades de los istopos del hidrgeno Protio H Deuterio D Tritio T

Abundancia natural relativa 99,9844 0,0156 1 en 1017 Masa isotpica 1,0078 2,0141 3,0160 Spin nuclear 1/2 1 1/2 Entalpa media de enlace kJ.mol-1 436,0 443,3 ----

Las propiedades de los istopos del hidrgeno, en particular las diferentes masas atmicas y spines nucleares, dan lugar a diferencias que se registran en los espectros IR, RMN y Raman, lo que hace posible su uso como trazadores. En el caso del tritio debido a la emisin de radiacin , se utiliza como trazador radiactivo en el estudio de mecanismos de reaccin, entre otras aplicaciones. Por otra parte, la existencia en el hidrgeno de estos istopos con tan grande diferen-cia relativa en sus masas influye en las propiedades relacionadas con la masa atmica y molecular.

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1.3 Hidrgeno molecular El hidrgeno se encuentra, a presin y temperatura ordinarias, formando molculas biatmicas, en las que los dos tomos estn unidos mediante enlace sigma. Es un gas estable, incoloro, inodoro, inspido. Se pueden formar seis especies moleculares con los tomos de H, D y T, pero el hidrgeno natural est formado fundamentalmente por molculas de H2 , D2 y HD, puesto que el tritio se encuentra en una proporcin muy baja respecto a protio y deu-terio. Las propiedades del hidrgeno natural son prcticamente las del H2, que es el que se encuentra mayoritariamente en la atmsfera. La molcula H2 es una molcula muy pequea y no polar, siendo las fuerzas intermo-leculares extremadamente dbiles, lo que explica que tanto el punto de fusin (-259,1C) como el de ebullicin (- 252,6 C), as como la temperatura crtica (-239,8 C) sean muy bajos. Cuando la presin es baja y la temperatura muy alta, el hidrgeno se comporta casi como un gas ideal. La entalpa media de enlace del H2 es 436,0 kJ mol-1, y la del D2 443,3 kJ mol-1, sien-do ms fuerte el enlace D-D que el H-H. Debido a que la masa del H2 es muy pequea, es un gas ligero y su densidad ms baja que la del aire, por lo que tiene la propiedad de ascender. Otra propiedad interesante del hidrgeno es que tiene una velocidad de difusin gran-de, y en cualquier porcin hay mezcla homognea del hidrgeno con otro gas. Tam-bin se difunde a travs de paredes porosas. En el hidrgeno molecular natural (H2), existen dos formas que se diferencian en que los spines de los dos protones de la molcula sean paralelos o antiparalelos, cuando son paralelos el momento magntico resultante es 1 y a esta forma con propiedades magnticas, se la llama orto-hidrgeno. Cuando los spines nucleares son antiparale-los, el momento magntico resultante es nulo y a esta forma se la llama para-hidrgeno. En la molcula los dos electrones tienen siempre spin contrario, por lo tanto el momen-to magntico debido al spin del electrn es nulo. El orto- hidrgeno es ms rico en energa que el para-hidrgeno, por lo que al pasar de orto a para se libera energa. El para-hidrgeno es estable a temperaturas bajas. En el hidrgeno natural se encuentra una mezcla de estos dos ismeros en una pro-porcin que depende de la temperatura, a la temperatura de 0 K el hidrgeno es todo para, y al aumentar la temperatura la proporcin de la forma orto se va incrementando, siendo a la temperatura ambiente la proporcin de 25% de para y 75% de orto, no pu-dindose obtener la forma orto pura. El equilibrio entre ambas formas es un proceso muy lento, siendo preciso el uso de catalizadores apropiados dependiendo de la temperatura, a temperaturas altas y a temperatura ordinaria el negro de platino se comporta como un buen catalizador, mien-tras que a temperaturas bajas es mejor el carbn activo.

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Las propiedades fsicas de ambas formas son prcticamente las mismas, con peque-as diferencias en los puntos de fusin y ebullicin, 0,10C ms bajos que los del hidr-geno natural, y una conductividad un 50% aproximadamente mayor para el para-hidrgeno respecto al orto-hidrgeno. El hidrgeno es el elemento qumico que forma parte de gran parte de los compuestos inorgnicos y de la mayora de los compuestos orgnicos. En condiciones normales no es muy reactivo pero por motivos cinticos. 1.4 Hidrgeno atmico La formacin de la molcula de H2 se produce mediante el siguiente equilibrio:

H + H H2 + 436 kJ mol-1

Se trata de un proceso fuertemente exotrmico. Esta energa de formacin de la mol-cula, es tambin su energa de disociacin, por lo que la molcula de hidrgeno es muy estable en condiciones normales. El hidrgeno atmico se produce por la disociacin del hidrgeno molecular mediante un proceso fuertemente endotrmico (H = 435 kJ mol-1). Dicha disociacin se puede llevar a cabo por distintos procedimientos: disociacin trmica; descargas elctricas y radiacin electromagntica. Si se hace pasar una descarga elctrica a travs de hidrgeno a baja presin, se pro-duce la disociacin de las molculas, pero tambin la recombinacin, sta ltima se favorece si hay en el medio un tercer cuerpo que se lleve parte de la energa produci-da. 1.5 Iones del Hidrgeno a) Formacin del catin H+ La energa de ionizacin del tomo de H es muy elevada (1310 kJ mol-1).

H H+ + e

H+ es un protn, tiene un campo electrosttico muy intenso, por tanto una gran tenden-cia a unirse a un electrn, por lo que no existe como tal en condiciones normales, sal-vo en los tubos de descarga. Sin embargo el protn se une a molculas neutras, formando por ejemplo H3 O+, como se ver en otro tema. b) Formacin del anin H- El tomo de Hidrgeno puede tomar un electrn y formar el in hidruro (H-)

H (g) + e H- (g) Este proceso es exotrmico, siendo la variacin de entalpa de -73 kJ mol-1

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El in hidruro solo se encuentra en compuestos slidos inicos, no siendo estable en disolucin acuosa por su afinidad por el protn del agua. Cuando se produce una descarga elctrica a travs de hidrgeno a baja presin, adems de los tomos, como se indic en el apartado 1.3, se producen los iones: H+, H2+ y H3+, sin embargo estos dos ltimos iones no se encuentran en disolucin y solo aparecen transitoriamente en fase gaseosa. 1.6 Propiedades qumicas del hidrgeno Por ser la energa de disociacin de la molcula de hidrgeno muy elevada, 436 kJ mol-1, como ya se ha visto, en condiciones normales el hidrgeno molecular no es muy reactivo, pero a temperaturas altas reacciona enrgicamente, incluso violentamente con explosin. El hidrgeno reacciona con el oxgeno mediante una reaccin explosiva, ramificada en cadena, que se inicia mediante una chispa. Esta propiedad hace posible su uso como combustible para cohetes espaciales. El tomo de hidrgeno es mucho ms reactivo que la especie molecular, es por tanto el tomo el que participa prcticamente en todas las reacciones. Dicho tomo puede compartir su electrn con otro tomo que tenga una electronegatividad del mismo or-den, formando un enlace covalente. El estudio de los compuestos que forma el hidrgeno con otros elementos se llevar a cabo posteriormente en el programa. 1.7 El hidrgeno en la Naturaleza. Mtodos de obtencin y aplicaciones El hidrgeno es el elemento ms abundante del Universo, aproximadamente el 55 % de la masa del sol es hidrgeno, y es abundante tambin en otros planetas como Jpi-ter. En la atmsfera de la Tierra sin embargo es escaso, menos de 1 ppm en volumen. En la superficie de la Tierra se encuentra formando parte del agua, de molculas orgnicas como los hidrocarburos, y de otros compuestos. La preparacin de hidrgeno en el laboratorio puede realizarse, entre otros, por los siguientes procedimientos:

- Mediante electrlisis del agua. - Por reaccin de Zn con cidos diluidos

Zn + 2HCl (aq) ZnCl2 (aq) + H2

A escala industrial el hidrgeno se obtiene mediante la reaccin de vapor de agua con metano o con carbono a temperaturas altas (1000 C ):

CH4 + H2O (g) CO (g) + 3 H2

C + H2O (g) CO + H2

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El CO producido en las reacciones anteriores se hace reaccionar con vapor de agua producindose ms hidrgeno:

CO + H2O (g) CO2 + H2 Esta ltima reaccin se produce catalizada por un xido de hierro o de cobalto, y a 400 C. La purificacin del hidrgeno se realiza segn el uso posterior del mismo. Entre las aplicaciones ms importantes del hidrgeno se encuentran:

- La reaccin con nitrgeno para obtener NH3 que adems es a su vez utili-zado en la sntesis de otros compuestos qumicos como los fertilizantes ni-trogenados:

3 H2 (g) + N2 (g) 2 NH3 (g)

Reaccin que se produce a 500 C en presencia de un catalizador y cuya entalpa de 46 k J mol-1. - La reaccin catalizada de hidrgeno con CO, para la sntesis de metanol:

2 H2 (g) + CO (g) CH3 OH (l) Esta reaccin se produce a 650 C y su entalpa es de 149,65 k J mol-1

- Su uso como combustible en cohetes espaciales. - La hidrogenacin cataltica de grasas vegetales insaturadas para producir

margarinas.