Tema 2. Los gases nobles y el hidrgeno

Los elementos del grupo 18 (a veces conocido como los elementos del grupo 0) se denominan Gases Nobles: helio, nen, argn, kriptn, xenn y radn

Existencia, usos y propiedades de los gases nobles. Istopos del hidrgeno. Hidruros binarios. Hidrogenacin. Economa del hidrgeno.

Como sus subcapas externas s y p estn por completo llenas, estoselementos son qumicamente casi inertes.

A diferencia de los otros gases no metlicos, estos se encuentran en lanaturaleza en estado atmico.

Helio

El helio se detect en el Sol a travs del espectro de emisin.

En el interior del Sol el helio se produce por fusin de tomos de hidrgeno atemperaturas que superan los 15 millones de grados Celsius.

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

El helio gaseoso as 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 presin a bajatemperatura.

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

Jams se han preparado compuestos estables de helio.

El primer uso prctico del helio lo constituy la sustitucin del hidrgeno como gas en los globos aerostticos.

Tiene casi la misma densidad del hidrgeno, pero no es inflamable ni txico.

Cuando el lquido se enfra a -271C (2.2 K)el helio lquido normal (denominado helio I) se

He(II)He(I)

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

Como superfluido, el helio II es un conductortrmico casi perfecto.

Tambin tiene casi cero viscosidad.observando la ascensin espontnea dellquido (como una capa fina) por las paredesexternas del recipiente.

Nen y argn Tanto el nen corno el argn tienen importantes usos prcticos.

En virtud de su naturaleza inerte, el argn seemplea tambin para eliminar el oxgenogaseoso disuelto en metales fundidos enprocesos metalrgicos.

Nen y argn

usos prcticos.El nen se usa en la iluminacin elctrica como "luces de nen".El nen lquido se usa en la investigacin de bajas temperaturas.El argn se usa sobre todo en los bulbos elctricos luminosos para proveer una atmsfera inerte.

Kriptn y xenn 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 oxgeno cambia de color y produceuna sustancia inica de frmulaO2 PtF6.O2 PtF6.

EA O2 (1176 kJ/mol)EA xenn (1167 kJ/mol).

Bartlett supuso que tambin el xenndebera ser oxidado por el PtF6. Tenarazn. La reaccin es rpida yvisiblemente dinmica

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

Calentando xenn y flor (en una relacin 1:5) en un recipiente de nquel a 400C y 6 atm durante una hora, obtuvieron el tetrafluoruro de xenn, XeF4

Tambin fueron sintetizados otros dos fluoruros, XeF2 y XeF6 Adems, se han preparado numerosos compuestos de xenn y oxgeno (XeO2, XeO3) y compuestos ternarios que contienen Xe, F y O (XeOF4, XeO2F2).

Tambin se han preparado Tambin se han preparado algunos compuestos de kriptn (por ejemplo, KrF2).

El xenn tiene aplicaciones limitadas en medicina como anestsico

Radn

Los istopos del radn son radiactivos; el de ms larga duracin es el radn-222, con una vida media de 3.8 das.

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

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

Se pensaba que el radn slo se liberaba en lasminas (minas de uranio y fosfato).

Se sabe que el radn es liberado del suelo enamplias zonas, una vez formado el radn sedifunde en los edificios a travs de los cimientos.

El radn presente en el aire es respirado yexhalado. Pero sus productos de decaimientoson s1idos; produce unas 10.000 muertesanuales.

El hidrgeno El hidrgeno es el ms sencillo de los elementosconocidos; su forma atmica ms comn contiene slo unprotn y un electrn. En el estado atmico, el hidrgenotiende a combinarse para formar hidrgeno molecular atravs de una reaccin exotrmica:

H(g) + H(g) H2(g) Hr = -436.4 kJEl hidrgeno(H2) es un gas incoloro, inodoro e inocuo, que hierve a -252.9C (20.3 K).

DescubrimientoDescubrimiento

Paracelso (s. XVI) observ un aire que se desprenda al hacer reaccionar un cido sobre hierro y que era inflamable

Identificado como elemento por Cavendish (1776)

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

ABUNDANCIA

El hidrgeno es el elemento ms abundante en el universo, constituyendo el 92% de su masa total.

Es el tercer elemento en abundancia en la corteza terrestre. A diferencia de Jpiter y Saturno, la Tierra no tiene una fuerza gravitacional lo suficientemente grande para retener a las ligeras molculas de H , as lo suficientemente grande para retener a las ligeras molculas de H2, as que el hidrgeno no se encuentra en nuestra atmsfera. Normalmente se encuentra combinado:

H2O: 80% del planeta est cubierto de agua

Compuestos orgnicos: materia viva: carbohidratos y protenas. Elemento indispensable para los seres vivos.

Combustibles fsiles: hidrocarburos y gas natural

La configuracin electrnica de H es 1s1.

El grupo de los alcalinos (Grupo 1) por tener un solo electrn 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 halgenos, (Grupo 17) puesto que le falta slo un electrn para

Ubicacin en el Sistema peridico

En el grupo de los halgenos, (Grupo 17) puesto que le falta slo un electrn para completar su ltima capa. El hidrgeno tambin se parece a los halgenos ya que se puede reducir a ion hidruro, H-, que es isoelectrnico con helio (1s2)

En el grupo del carbono (Grupo 14) por tener su ltima capa est semillena.

El hidrgeno forma un gran nmero de compuestos covalentes.

Tambin toma parte del enlace de hidrgeno.

Usos y produccin de Hidrgeno

El hidrgeno gaseoso desempea un importante papel en los procesos industriales. Casi e1 95% del hidrgeno producido tiene un uso cautivo; se produce en o cerca de la planta donde se usa para procesos industriales tales como la sntesis del amoniaco o la hidrogenacin.

La preparacin ms importante a escala industrial es la reaccin entre el propano(alcanos voltiles) y vapor de agua en presencia de un catalizador a 900C:

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 us como combustible por muchos aos debido a que tantoel CO como el H2 se queman en el aire.

Reacciones y diagrama

En el laboratorio se pueden prepararconvenientemente pequeas cantidades dehidrgeno gaseoso por la reaccin de zinc concido clorhdrico diluido:

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

El hidrgeno gaseoso muy puro se puedeEl hidrgeno gaseoso muy puro se puedeobtener por electrlisis del agua.

Ctodo H+ + 1e- 1/2H2

USOS COMERCIALES MAS RELEVANTES DEL HIDRGENO

Hidruros binarios

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

2Li(s) + H2(g) 2LiH(s)Ca(s) + H2(g) CaH2(s)

Los hidruros inicos son slidos que tienen los altos puntos de fusin,caractersticos de los compuestos inicos.

El anin de estos compuestos es el ion hidruro, H-, que es una base deBrnsted muy fuerte que fcilmente acepta un protn de un donador deprotones como el agua:

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

Hidruros covalentes. En los hidruros covalentes el tomo de hidrgeno estenlazado covalentemente al tomo de otro elemento.

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

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

Tipo 1.- LiH + AlH3 Li+AlH4-

Reacciones de los hidruros

Tipo 2.- HCl + NH3 NH4+ Cl-

Tipo 3.- HCl + LiH H2 + LiCl

Hidruros intersticiales.

El hidrgeno molecular forma numerosos hidruros con los metales de transicin.La relacin de tomos de hidrgeno a tomos metlicos no es una constante.Estos compuestos se denominan hidruros intersticiales. ( TiH1.8 y TiH2)

Muchos de los hidruros intersticiales conservan propiedades metlicas como laconductividad elctrica pero no es clara la naturaleza del enlace.

El hidrgeno gaseoso se absorbe con rapidez enla superficie del paladio metlico, donde se disociaen hidrgeno atmico. Entonces los tomos dehidrgeno se "disuelven" en el metal, estos tomosse difunden a travs del metal y se recombinanpara formar hidrgeno molecular, el cual emergecomo gas por el otro extremo este proceso se hausado para separar el hidrgeno de otros gases.

Istopos del hidrgeno

El hidrgeno tiene tres isotopos: 1H (hidrgeno),2H (deuterio, smbolo D), y 3H (tritio, smbolo T). Las abundancias naturales de los istopos estables delhidrgeno son: hidrgeno 99.985%; y deuterio 0.015%El tritio es un istopo radiactivo cuya vida media es de unos 12.5 aos

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

D2O se puede separar de H2O por destilacin fraccionada porque el H2O.

Electrlisis del agua. El H2 gaseoso se forma aproximadamente ocho veces msrpido que el O2 , el agua remanente en la celda electroltica se enriquece en D2O.

El D2O es una sustancia txica debido a que el deuterio es ms pesado que elhidrgeno y hace que sus compuestos reaccionen ms lentamente que los del

El Mar Muerto, que por miles de aos haatrapado agua que no tiene otra salida que laevaporacin, tiene una relacin [D2O]/[H2O] mayorque el agua de cualquier otro sitio del mundo.

hidrgeno y hace que sus compuestos reaccionen ms lentamente que los delistopo ms ligero.

Debido a la menor velocidad de transferencia del D+ comparada con la del H+en las reacciones cido-base implicada, en la catlisis enzimtica.

El efecto isotpico tambin se manifiesta en las constantes de ionizacin delos cidos.

CH3COOH(ac) CH3COO-(ac) + H+(ac) Ka = 1.8 x 10-5CH3COOD(ac) CH3COO-(ac) + D+(ac) Ka = 6 x 10-6

La economa del hidrgeno

El hidrgeno gaseoso podra reemplazar a la gasolina para mover losautomviles o se podra usar con el oxgeno gaseoso en las celdas decombustin para producir electricidad.

Una ventaja fundamental en el usodel hidrgeno gaseoso es que elproducto final formado en el motorde hidrgeno o en la celda decombustin sera el agua.combustin sera el agua.

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

El xito potencial de la denominada economa del hidrgeno dependera de cunbarato pueda producirse el hidrgeno gaseoso y cun fcilmente se puedaalmacenar.

Hidrogenacin

La hidrogenacin es la adicinde hidrgeno a compuestos quecontienen enlaces mltiples, enespecial enlaces C=C y O=C .Lahidrogenacin es un importanteproceso en la industria alimentaria .proceso en la industria alimentaria .