Hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y carbono

Propiedades. Preparación. Compuestos binarios. Peróxidos y supróxidos. Oxiácidos. Formas elementales. Ácidos carbónicos y carbonatos. Carburos

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HIDROGENO.

La formación de hidrógeno elemental se registró por vez primera en el siglo 16 por el alquimista Paracelso (1493-1541), quien observó la formación de un “aire” (gas) producido por la acción de los ácidos sobre el hierro. Sin embargo fue el químico inglés Henry Cavendish (1731-1810) quien aisló por primera vez el hidrógeno puro y lo distinguió por separado de otros gases. El elemento debe su nombre al químico francés Lavoisier, quien le llamó “productor de agua” debido al hecho de que se produce agua cuando el gas arde en el aire (del griego hidro , agua gennao, producir).

El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, es el combustible nuclear que se consume en nuestro sol y otras estrellas para producir energía.

Aunque el 70% del universo se compone de hidrógeno, solamente constituye el 0.87% de la masa de la Tierra. Al parecer, grandes cantidades de hidrógeno escaparon de la Tierra durante sus inicios. A diferencia de los grandes planetas, tales como Saturno y Júpiter, la Tierra tiene un campo gravitacional muy débil para mantener las moléculas ligeras de los elementos gaseosos. Todo lo que quedó se encuentra con mayor frecuencia combinado con el oxígeno agua, de cuyo peso el hidrógeno es el 11%, es el compuesto de hidrógeno abundante. Debido a que el agua cubre cerca del 70% de la superficie terrestre hidrógeno se encuentra fácilmente disponible. El hidrógeno también es un importante componente del petróleo, celulosa, almidón, grasas, alcoholes, ácidos y amplia variedad de otras sustancias.

Isótopos del hidrógeno

El isótopo más común del hidrógeno H, posee un núcleo que consta de un único protón. Este isótopo, algunas veces recibe el nombre de protio e incluye el 99.9844% del hidrógeno que se presenta en la naturaleza.

Se conocen otros dos otros dos isótopos: cuyo núcleo contiene un protón y un neutón y otro cuyo nucleo contiene un proton y dos neutrones. El isotopo recibe el nombre de deuterio. El deuterio constituye el 0.0156% de hidrogeno que se encuentra presente en la naturaleza y no es radiactivo. Cuando se describen las formulas quimicas de aquellos compuestos que contienen deuterio, a dicho isotopo se le asigna el simbolo D, como en el caso del D2 O. El D2 O que e recibe el nombre de dioxido de deuterio o agua pesada, se puede obtener por electrolisis del agua común. El D2 O que es más pesado, la electrolisis ocurre a una menor velocidad que en el H2 O que s mas ligera y por lo mismo se concentra durante este proceso. Usualmente la electrolisis de 2400 L de agua produciran 83 Ml de D2 O al 99%.

El D20 que actualmente esta disponible en toneladas, se emplea como moderador y refrigerante de algunos reactores nucleares. Algunas de las propiedades fisicas del agua y del D2 O.

PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO

El hidrógeno es el único elemento que no es miembro de familia alguna de la tabla periódica. Debido a su configuración electrónica ls1, generalmente se coloca por encima del litio en la tabla periódica. Sin embargo, definitivamente no es un metal alcalino, ya que forma con mucha menor facilidad un ion positivo que cualquier metal alcalino. La energía de ionización del átomo de hidrógeno 1310 kJ/mol, mientras que la del litio es 517 kJ/mol. Es más, el átomo de hidrogeno no tiene electrones por debajo de su capa de valencia. El ion H+ es un simple protón aislado, el cual no se sabe que esté presente en ningún compuesto. Su tamaño tan pequeño proporciona una fuerte atracción para los electrones, y puede ya sea atraer electrones de la materia que le rodea (formando átomos de hidrogeno que se combinan para formar H2), o comparte parejas de electrones formando enlaces covalentes con otros átomos. De cualquier manera, podemos representar al ión hidrógeno acuoso como H+ , (ac), en donde dicho protón se encuentra unido a una o más moléculas de agua y, por tanto, a menudo se le presenta como H3 O+ (ac).

Algunas veces también se coloca al hidrógeno por encima de los halogenos en la tabla periódica, debido a que el átomo de hidrógeno también puede, ganar un electron para formar el ion hidruro, H-. Sin embargo, la afinidad del hidrogeno por los electrones no es tan grande como la de cualuquier halógeno.

En su forma elemental, el hidrógeno está presente a la temperatura ambiente como un gas incoloro, inodoro e insípido, compuesto de moléculas diatomicas, H2 . Podemos llamar al H2 dihidrógeno, pero más a menudo se le da el hidrógeno molecular, o simplemente hidrógeno. Debido a que el H2 no es polar y solamente tiene dos electrones, las fuerzas de atracción entre sus moleculas son sumamente débiles. En consecuencia, el punto de fusión (—2590C) y el punto de ebullición (—2530C) del H2 son muy bajos.

La energía de disociación del enlace H—H (436 kJ/mol) es alta para se un enlace único. Por comparación, la energía de disociación del enlace Cl—Cl es de solamente 242 kJ/mol. Como resultado de esta fuerte unión la mayoría de las reacciones en las que intervienen el H2 son muy lentas a la temperatura ambiente. Sin embargo, la molécula se puede activar fácilmente por, calentamiento y radiación o por catálisis. El proceso de activación generalmente produce átomos de hidrógeno, los cuales son muy reactivos.

El hidrógeno forma fuertes enlaces covalentes con muchos elementos, incluyendo el oxigeno. La energía de disociación del enlace H—O es de 464 kJ/mol, el fuerte enlace H—O hace del hidrógeno un efectivo agente reductor para muchos óxidos de metal, por ejemplo, cuando el H2 pasa sobre CuO calentado, se prodece cobre

PREPARACIÓN DEL HIDRÓGENO

Cuando se requiere una pequeña cantidad de H2 en el laboratorio, se obtiene por lo general a partir de la reacción entre un metal activo como el zinc y un ácido diluido como el HCI o el H2S04:

Zn(s) + 2H+(ac) —. Zn2+ (ac) + H2(g)

Debido a que el H2 posee una solubilidad en el agua extremadamente baja, se

puede obtener por desplazamiento de agua.

Cuando se llegan a necesitar cantidades comerciales de H2, la materia prima

Son los hidrocarburos (ya sean del gas natural o del petróleo) o el agua.

Los hidrocarburos son sustancias como el CH4 y el C8H18 que constan de carbono e hidrógeno. En la actualidad, la mayor parte del hidrógeno se obtiene en el proceso de la refinación del petróleo, en donde se rompen catalíticamente grandes cadenas de hidrocarburos en moléculas más pequeñas con la consecuente producción de H2como producto de desecho.

El hidrógeno también se puede producir haciendo reaccionar el metano, CH4, EL

principal componente del gas natural, con vapor a 1 lOO0C:

CH4(g) + H20(g) — CO(g) + 3H2(g)

CO(g) + H20(g) — C02(g) + H2(g)

El carbono, al ser calentado a cerca de l0000C, también reacciona con el vapor para producir una mezcla de gases de H2 y CO:

C(s) + H2O(g) — H2(g) + CO(g)

Debido a que tanto el CO como el H2 arden en el aire para producir, esta mezcla, conocida como gas de agua, se emplea como combustible industrial.

La simple electrólisis del agua consume demasiada energía y en consecuencia resulta un proceso muy costoso para poderse utilizar comercialmente en la producción del H2. Sin embargo, el hidrógeno se produce como producto de en la electrólisis de disoluciones de salmueras (NaCl) durante el proceso fabricación de Cl2 y NaOH

USOS DEL HIDROGENO

El hidrógeno es una sustancia comercialmente importante; cerca de 2 x 108 Kg (200,000 tons) se producen anualmente tan sólo en Estados Unidos. Más de las dos terceras partes de esta producción anual se consumen para la síntesis de amoniaco por el sistema de Haber. El hidrógeno también se utiliza en la fabricación de metanol CH3OH.

La hidrogenación de los aceites vegetales en la fabricación de margarinas y salvado vegetal es otra importante aplicación. En este proceso, se agrega el H a enlaces dobles de carbono-carbono del aceite. Un simple ejemplo de lo que es la hidrogenación es el que tiene lugar en la conversión del etileno en etano:

Debido a que los compuestos orgánicos con dobles enlaces tienen la capacidad de agregar átomos de hidrógeno adicionales, se dice que son insaturados. El término “poliinsaturado” que a menudo aparece en los anuncios de los alimentos, se refiere a las moléculas que tienen numerosos enlaces dobles (poli) entre los átomos de carbono. La siguiente molécula es un hidrocarburo poliinsaturado:

H CH2—CH2 H

C=C C==C

/ \ / \

H3C H H H

Las moléculas poliinsaturadas que se presentan en los aceites vegetales son mucho más complejas .

COMPUESTOS BINARIOS DE HIDRÓGENO

El hidrógeno reacciona con otros elementos para formar compuestos de tres tipos generales: (1) hidruros iónicos, (2) hidruros metálicos y (3) hidruros moleculares.

Los hidruros jónicos están formados por los metales alcalinos y por los átomos alcalino-térreos más pesados (Ca, Sr y Ba). Estos metales activos son mucho menos electronegativos que el hidrógeno. En consecuencia, el hidrógeno adquiere electrones de ellos para formar iones hidruro H- como se muestra en las ecuaciones:

2Li (s) + H2 (g) — 2LiH (s)

Ca (s) + H2 (g) — CaH2 (s)

Los hidruros iónicos resultantes son sólidos con altos puntos de fusión (el LiH se fusiona a los 680 °C).

El ion hidruro es muy básico y reacciona fácilmente con compuestos que tienen protones ácidos muy débiles para formar el H2. Por ejemplo, el H- reacciona fácilmente con el H20:

H- (ac) + H20 (1) — H2 (g) + 0H- (ac)

A si pues, los hidruros iónicos se pueden utilizar como fuentes adecuadas (aunque caras) de H2 . El hidruro de calcio CaH2, se vende en cantidades comerciales y se emplea para inflar chalecos salvavidas, globos meteorológicos y otras; aplicaciones en donde se desea una producción simple y compacta de H2. El CaH 2 tanbien se utiliza para eliminar el H20 de los líquidos orgánicos.

La reacción entre el H- y el H20 no es solamente una reacción ácido-base, sino que también es una reacción redox.. El ion H- puede verse no solamente como una buena base, sino también como un buen agente reductor. De hecho, los hidruros son capaces de reducir el 02 hacia H20.

2NaH (s) + O2 (g) — Na20 (s) + H20 (1)

Asi pues, los hidruros normalmente se almacenan en un medio que debe estar

libre tanto de humedad como de aire.

Los hjdruros metálicos se forman cuando el hidrógeno reacciona con los metales de transición. Estos compuestos reciben este nombre debido a que conservan su conductividad metálica asi como otras propiedades metálicas. En muchos hidruros metálicos, la relación de átomos de metal con los átomos de hidrogeno no es una relación entre números enteros pequeños, ni es una relación fija. La composición puede fluctuar dentro de varios límites, según las condiciones de la síntesis. Por ejemplo, aunque el T1H2 se puede llegar a preparar, usualmente su fabricación nos proporciona sustancias con cerca del 10% menos de hidrogeno que dicha cantidad, esto es, TiH18. Estos hidruros metálicos no estequiometricos reciben algunas veces el nombre de hidruros intersticiales. Pueden considerarce como disoluciones de átomos de hidrógeno en el metal con los átomos de hidrogeno ocupando los intersticios entre los átomos del metal en la malla de enlaces solidos . Sin embargo, esta descripción es una sobresimplificación, ya que hay evidencia de interacciones químicas entre el metal y el hidrógeno.

Los hidruros moleculares, formados por no metales y semimetales son ya sea gases o líquidos en condiciones estándar.

En cada familia, la estabilidad térmica (medida por AG f0) disminuye conforme se dirige uno hacia abajo en la misma familia. (Debe recordar mientras más estable es un compuesto en relación con sus elementos en condiciones estándar, más negativa será la AG f 0).

OXIGENO

A mediados del siglo XVII se identificó que el aire contenía un componente asociado con la ignición y con la respiración; sin embargo, no fue sino hasta 1774 que el oxigeno fue descubierto por Joseph Priestley. El nombre de “oxigeno” fue dado posteriormente por Lavoisier.

El oxígeno juega un papel muy importante en la química de la mayoría de los demás elementos y se encuentra en combinación con estos otros elementos en una gran variedad de compuestos. En realidad, el oxígeno es el elemento más abun­dante tanto en la corteza terrestre como en el cuerpo humano. Constituye el 89% del agua por unidad de masa y el 20.9% por volumen de aire (23% por masa). También constituye el 50% por masa de la arena, barro, piedras calizas y rocas volcánicas que forman la mayor parte de la corteza terrestre.

PROPIEDADES DEL OXÍGENO

El oxígeno tiene dos alótropos, 02 y 03 . Cuando se habla del oxígeno elemental o molecular, generalmente se sobreentiende que se trata del 02, que es la forma normal de dicho elemento; el 03 recibe el nombre de ozono.

El oxígeno molecular, 02, existe a la temperatura ambiente como un gas inodoro, incoloro e insípido. Funde -2180C y tiene un punto de ebullición normal de -1830C. Es tan sólo ligeramente soluble en agua, pero su presencia en ella es esencial para la vida marina.

La configuración electrónica del átomo de oxígeno es (He)2s22p4. Así pues oxigeno puede completar su octeto de electrones ya sea tomando cuatro electrones para formar el ion óxido 02, o compartiendo los dos electrones. En sus compuestos covalentes tiende a formar dos enlaces, ya sean enlaces simples como el H20 o un doble enlace como en el formaldehído, H2C = 0. La molécula 02 contiene por si misma un doble enlace.

El enlace en el oxígeno es muy fuerte (la energía de disociación del enlace es de 495 kJ/mol). También forma fuertes enlaces con muchos otros elementos; en consecuencia, muchos compuestos que contienen oxígeno son termodinámicamente estables en comparación con el 02. Sin embargo, en ausencia de un catalizador, la mayoría de las reacciones del 02 tienen altas energías de activación y por lo mismo requieren de altas temperaturas para poder tener lugar a una velocidad adecuada. Una vez iniciada una reacción lo suficientemente exotérmica, puede acelerarse rápidamente para producir una reacción de explosiva violencia.

PREPARACIÓN DEL OXÍGENO

El oxígeno se puede obtener ya sea a partir del aire o de algunos compuestos que lo contengan. Casi todo el oxígeno comercial se obtiene por destilación fraccionada de aire licuado. El punto de ebullición normal del 02 es de -183 0C, mientras que el del N2, el otro principal componente del aire, es de -1960C. Así pues cuando se calienta el aire licuado, el nitrógeno hierve dejando 02 líquido apenas contaminado con pequeñas cantidades de N2 y argón.

La preparación usual del 02 en el laboratorio implica la descomposición quimica del clorato de potasio, KC1O3, con dióxido de manganeso, MnO2 el agrega como catalizador.

2KC103 (s) — 2KC1 (s) + 3O2 (g)

Al igual que el H2, el 02 se puede recoger por desplazamiento de agua debido

relativamente baja solubilidad.

USOS DEL OXÍGENO

El oxígeno es uno de los elementos químicos de mayor uso industrial. En 1982 quedó solamente detrás del ácido sulfúrico, H2S04, del nitrógeno, N2, del amoniaco NH3. Cerca de 1.4 x 1010 kg (15 millones de toneladas) de 02 se emplean anualmente en los Estados Unidos. El oxigeno es embarcado y almacenado, ya sea como liquido o en recipiente de acero como gas comprimido; sin embargo cerca del 70% del gasto de 02 se genera en el sitio en donde se requiere.

El oxigeno es con mucho el agente oxidante más ampliamente utilizado. Mas de la mitad del 02 producido se emplea en la industria del acero, principa1mente para eliminar las impurezas de éste. También se emplea para blanquear la pulpa y el papel. (La oxidación de compuestos de intenso color, a menudo produce productos incoloros). Otras aplicaciones incluyen su uso en medicina para aliviar problemas respiratorios. También se emplea junto con el acetileno, C2H2, en la soldadura al oxiacetileno . La reacción entre el C2H2 y el 02 es altamente exotérmica, y produce temperaturas que exceden a los 30000C.

2C2H2(g) + 5O2(g)

4CO2(g) + 2H20(g) AH0 —2510kJ

Oxidos

La electronegatividad del oxígeno está únicamente después de la del flúor. Por consecuencia, el oxígeno muestra estados de oxidación negativos en todos los com­puestos excepto con los de flúor, OF2 y O2F2. El estado de oxidación de —2 es con mucho el más frecuente. Como ya hemos visto, los compuestos en este estado de oxidación reciben el nombre de óxidos. Los compuestos que contiene enlaces O—O y oxígeno en un estado de oxidación de -1 reciben el nombre de peróxi­dos. El oxígeno posee un estado de oxidación de -1/2 en 02; el cual recibe el nom­bre de ion superóxido.

Los no metales forman óxidos covalentes.

La mayoría de estos óxidos son moléculas simples con bajos puntos de fusión y ebullición. Sin embar­go, el Si02 y el B203 tienen estructuras poliméricas. La mayoría de los óxidos no metálicos se combinan con el agua para formar oxiácidos, por ejemplo, el dióxi­do de azufre, SO2 se disuelve en agua para darnos ácido sulfuroso, H2SO3:

SO2(g) + H20(1) -------------- H2S03 (ac)

Tales óxidos reciben el nombre de anhídridos ácidos (anhídrido significa “sin

agua”) u óxidos ácidos.

La mayoría de los óxidos metálicos son compuestos iónicos. Aquellos óxidos iónicos que se disuelven en el agua para formar hidróxidos son por consecuencia, llamados anhídridos básicos u óxidos básicos. Por ejemplo, el óxido de bario, BaO, se disuelve en agua para formar hidróxido de bario, Ba(OH)2:

BaO(s) + H2O(1) ------------------Ba(OH)2 (ac)

La descarga eléctrica entre los tubos interno y externo; produce la reacción que da lugar a la formación del ozono.

Tales reacciones se pueden atribuir a la alta alcalinidad del ion 02 y en cuencia a su hidrólisis virtualmente completa en el agua:

O2(ac) + H20(1) ------------ 2OH(ac)

Aun aquellos óxidos iónicos que son insolubles en el agua tienden a disolverse

ácidos. El óxido de hierro (III), por ejemplo, se disuelve en ácidos:

Fe2O3 (s) + 6H+(ac) -------------2Fe3+(ac) + 3H20 (1)

Esta reacción es la que se utiliza para eliminar la herrumbe (Fe2O3 . nH2 O hierro o el acero antes de aplicarle una capa protectora de zinc o estaño.

Los óxidos que se encuentran en los límites de las características ácidas y basicas se dice que son anfotéricos. Si un metal forma más de un oxido, el carácter básico del óxido disminuye conforme aumenta el estado de oxidación del metal:

PERÓXIDOS Y SUPRÓXIDOS

Los metales más activos (Cs, Rb y K) reaccionan con el 02 para dar superoxidos (CsO2, Rb02 y KO2). Sus vecinos activos en la tabla periódica (Na, Ca, Sr y Ba) reaccionan con el O2 produciendo peróxidos (Na2O2, CaO2, SrO2 y BaO2) metales menos activos y los no metales producen óxidos normales.

Debido a esta reacción, el superóxido de potasio, KO2, se usa como fuente de oxígeno en las máscaras que se emplean en trabajos de rescate. La humedad de la respiración provoca la descomposición del compuesto para formar O2 y KOH. El KOH formado de esta manera sirve para eliminar el CO2 del aire exhalado.

El peróxido de sodio, Na2O2, se usa comercialmente como agente oxidante cuando se disuelve en el agua produce peróxido de hidrógeno:

Na202(s) + 2H20(/) ----------------------2Na~(ac) + 20H(ac) + H2O2(ac)

El peróxido de hidrógeno, H202 es el peróxido más común y comercialmente más importante.

El peróxido (—O—O—) se presenta en otros tipos de iones además del H2 O2 y el O22-.

El peróxido de hidrógeno puro es un líquido denso y claro, con una densidad de 1.47 g/cm3 a 00C. Funde a -0.40C y su punto de ebullición normal es de 1510C. Estas propiedades son características de un líquido altamente polar, fuer­temente enlazado con el hidrógeno tal como el agua. El peróxido de hidrógeno concentrado es una sustancia peligrosamente reactiva debido a que su descompo­sición para formar agua y gas oxígeno es sumamente exotérmica:

2H202(1) ------------2H2O (l) + O2(g) AH°------- 196.0 kJ

La descomposición puede tener lugar con una violencia explosiva si el peroxido de hidrogeno a altas concentraciones se pone en contacto con sustancias que pueden catalizar la reacción. El peróxido de hidrógeno es etiquetado como reacti­vo químico en disoluciones acuosas de más del 30% en peso. Una disolución que contiene cerca del 3% en peso de H2O2 se usa comúnmente como un antiséptico leve. De alguna manera, disoluciones más concentradas se emplean para blari­quear algunas telas como el algodón, la lana o la seda.

El peróxido de hidrógeno es capaz de actuar ya sea como agente oxidante o como reductor. Las ecuaciones 20.37 y 20.38 muestran las medias reacciones para la reacción en disolución ácida.

2H+(ac) + H2O2(ac) + 2e-------------- 2H2O(/) E 0 =1.77V

H2O2(ac) ---------------- O2(g) + 2H~(ac) + 2e E° =0.67 V

En disolución básica, los potenciales correspondientes al electrodo estándar, son de 0.87 V para la reducción del H2O2 y de 0.08 V para su oxidación.

En muchas pinturas antiguas, los pigmentos blancos a base de carbonato de plo­mo se han decolorado debido a la formación del sulfuro de plomo negro. El peróxi­do de hidrógeno se emplea en trabajos de restauración, para convertir el sulfuro negro a sulfato de plomo blanco. Ambas sales son insolubles en agua. La reacción es como se muestra en la ecuación.

PbS(s) + 4H2O2(ac) ----------------------- PbSO4(s) + 4H20(/)

El ciclo del oxígeno

El oxígeno constituye cerca de una cuarta parte de los átomos de la materia viva. Debido a que el número de átomos de oxigeno es fijo, conforme se toma del aire el 02 por medio de la respiración y Otros procesos, necesita ser repuesto. Las principales fuentes inanimadas del oxigeno además del 02 son el CO2 y el H20.

Cuando el 02 es convertido en CO2, se produce energía, la cual debe proporcionarse para reformar el 02 a partir del CO2. La energía es proporcionada por el sol. Así pues, la vida sobre la tierra depende del reciclaje químico que es posible gracias a la energía solar.

EL NITROGENO.

El nitrógeno lo descubrió en 1772 el botánico escocés Daniel Rutenford encontró que cuando se encerraba a un ratón en un frasco sellado, el animal rapidamente consumía el componente capaz de mantenerlo vivo, muriendo al fin. Cuando el “aire fijado” (CO2) en el recipiente era eliminado, permanecía en él “aire nocivo” siendo a su vez, incapaz de mantener la combustión ni la vida. Este gas es el que actualmente se conoce como nitrógeno.

El nitrógeno constituye el 78% en volumen de la admósfera terresre, en donde se presenta como moléculas de N2 aunque el nitrógeno es un elemento para la vida, los compuestos de nitrógeno no son particularmente abundantes en la corteza terrestre. Los depósitos naturales más importantes de compuestos del nitrógeno, son los de KNO3 (salitre) en la India y de NaNO3 (salitre chileno) en Chile y otras regiones desérticas de Sudamérica.

PROPIEDADES DEL NITRÓGENO

El nitrógeno es un gas también incoloro, inodoro e insípido, compuesto de moléculas de N2 su punto de fusión es -2100C y su punto normal de ebullición es-196°C.

La molécula de N2 es muy poco reactiva, debido a la fuerza del triple enlace entre los átomos de nitrógeno. (La energía de disociación del enlace N=N es de 951 kJ/mol, cerca del doble de la que se presenta en el 02 ). Cuando las sustancias arden en el aire, reaccionan normalmente con el 02, pero no con el N2. Sin embargo, cuando se quema magnesio en el aire, ocurre una reac­ción con el N2 formándose nitruro de magnesio Mg3N2. Una reacción semejante se presenta con el litio:

3Mg (s) + N2 (g)------------------- Mg3N2(s)

6Li (s) + N2 (g)---------------------2Li3N(s)

El ion nitruro es una fuerte base de Bronsted y reacciona con el agua para formar amoniaco, NH3:

Mg3N2(s) + 6H20 (1) ----------------- 2NH3(ac)3Mg(OH)2(s)

La configuración electrónica del átomo de nitrógeno es [He]2s22p3. El elemen­to muestra todos los estados de oxidación formal desde el +5 hasta el -3. Debido a que el nitrógeno es el tercer elemento más electronegativo, sólo después del flúor y el oxígeno, muestra estados positivos de oxidación solamente en combinación con estos dos elementos.

PREPARACIÓN Y USOS

El nitrógeno se obtiene en cantidades comerciales mediante la destilación frac­cionada del aire líquido. Cerca del 1.6 x l010 kg (18 millones de toneladas) deN2 se producen anualmente tan sólo en los Estados Unidos.

Debido a que tiene una baja reactividad, se emplean grandes cantidades de N2 como una cubierta inerte gaseosa para excluir el 02 durante el procesamiento y empacado de alimentos, la producción de sustancias químicas, la fabricación de metales y la producción de aparatos electrónicos. El N2 líquido se emplea como refrigerante para congelar rápidamente los alimentos.

La aplicación de mayor importancia del nitrógeno está en la fabricación de sustancias químicas que lo contienen. La formación de compuestos del nitrógeno a partir del N2 se conoce como fijación del nitrógeno. La demanda por el nitrógeno fijado es alta debido a que el elemento se necesita para mantener la fertilidad de la tierra. Aunque estamos sumergidos en un océano de aire que contiene abundante N2, nuestra producción de alimento está limitada más por la disponibilidad del nitrógeno fijado que por cualquier otro nutriente para la planta. Así pues, el N2 se usa fundamentalmente para la fabricación de fertilizantes que lo contienen. También se le emplea en la fabricación de explosivos, plásticos y muchas sustancias químicas importantes.

La cadena de conversión del N2 en una gran variedad de diferentes tipos de compuestos simples que contienen nitrógeno.

COMPUESTOS HIDROGENADOS DEL NITRÓGENO

El amoniaco es uno de los compuestos nitrogenados más importantes. Es un gas tóxico, incoloro, que tiene un característico e irritante olor; la molécula de NH3 es básica (Kb = 1.8 x lO-5).

En el laboratorio, el NH3 se prepara por la acción del NaOH sobre una sal de amonio, el ion NH4+, que es el ácido conjugado del NH3, cede un protón al OH-. El NH3 resultante es volátil, y se obtiene de la disolución mediante un ligero calentamiento:

NH4C1(ac) + NaOH(ac) _____________ NH3(g) + H20(l) + NaCl (ac)

La producción comercial de NH3 se obtiene mediante el proceso de haber en el cual el N2 y el H2 se combinan catalíticamente a temperaturas y presión muy altas:

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

Cerca del 75% del amoniaco producido en los Estados Unidos se emplea fertilizante.

La hidrazina, N2H4, tiene las mismas relaciones con el amoniaco que la tiene el peróxido de hidrógeno con el agua. La molécula de hidrazina contiene un solo enlace N—N, la hidrazina es muy venenosa y se puede preparar mediante la reacción del amoniaco con el ion hipoclorito OCl- en disolución acuosa:

2NH3(ac) + 0Cl (ac) _____________ N2H4(ac) + Cl-(ac) + H20(l)

La posible formación de N2H4 a partir del amoniaco casero y del blanqueador de cloro el cual contiene OCl- es una de las razones por las cuales continuamente se llama la atención acerca de no mezclar los agentes limpiadores caseros.

La hidrazina pura es un liquido aceitoso incoloro, con un punto de fusión1 1.50C y un punto de ebullición del l30C. La sustancia pura explota con el calor y es un agente reductor sumamente reactivo. El N2H4 se emplea normalmente en disoluciones acuosas en aquellos sitios en donde se puede manejar con seguridad.

La sustancia es una base débil y se pueden formar sales de N2H5.

La hidrazina y los compuestos que se derivan de ella, tales como la monometilhidrazina , se emplean como combustible para cohetes. La monometilhidrazina es uno de los combustibles que se emplearon para el lanzamiento del taxi espacial Columbia.

Se puede pensar que la hidroxilamina NH2OH es un derivado del NH3 en el que se ha sustituido un hidrógeno con un grupo OH. Al igual que la N2 H4 es altamente reactiva y más bien inestable cuando se encuentra en estado puro. Normalmente actúa como agente reductor con formación de N2. Pero, se puede oxidar por algunos oxidantes fuertes formando N2 O o hasta NO3-.

La azida de hidrógeno, HN3 , es el compuesto original de una cantidad de azida covalente iónica. Se puede preparar mediante la reacción de azida de sodio, NaN3, con ácido sulfúrico. La azida de hidrógeno es un liquido sumamente peligroso que tiene un punto de ebullición de 360C y que se descom­pone exclusivamente en sus elementos libres. En agua es un ácido débil (Ka = 1.9 X l0-5) y a sus disoluciones acuosas se les da el nombre de ácidos hidroazoicos. Sus sales reciben el nombre de azidas, y son inestables. Cuando las sales de azida de metales pesados se calientan o se golpean, se pueden descomponer explosivamente para formar N2 y el metal libre. La azida de plomo, Pb(N3)2, se usa como detonador en las municiones.

ÓXIDOS Y OXIÁCIDOS DE NITRÓGENO 1

El nitrógeno forma tres óxidos comunes: N2O (óxido nitroso), NO (óxido y NO)y NO2 (dióxido de nitrógeno). También forma dos óxidos inestables N2 O3 (trióxido de dinitrógeno) y N205 (pentóxido de dinitrógeno).

El óxido nitroso, N2O, también conocido como gas hilarante debido a que una persona se siente algo risueña después de inhalarlo aunque sea en muy poca cantidad. Este gas incoloro fue la primera sustancia que se empleó como anestésico general. También se usa como el gas comprimido propelente de diversos aerosoles y , espumas tal como la crema batida. Se puede preparar en el laboratorio mediante un cuidadoso calentamiento del nitrato de amonio hasta 200°C.

NH4NO.1(s)----------------> N2O (g) + 2H2O(g)

El óxido nítrico, NO, también es un gas incoloro, pero a diferencia del. N2 O es

ligeramente tóxico. Se puede preparar en el laboratorio mediante la reducción de ácido nítrico diluido usando cobre o hierro como agente reductor:

También se produce por la combinación directa de N2 y O2 a elevadas temperaturas. Esta reacción es una fuente significativa de óxido de nitrógeno, contaminante del aire, que se forma en las reacciones combustion en presencia de aire.

Sin embargo, la combinación directa de N2 se usa actualmente para la producción comercial de NO, debido a que el rendimiento es bajo; la constante de equilibrio,Kc a 2400 K es de solamente 0.05.

La vía comercial para la obtención del NO (y por ende, para otros compuestos del nitrógeno que contienen oxigeno mediante la oxidación catalítica del NH3

En ausencia del catalizador de platino, el NH3 se convierte en N2 en lugar de hacerlo en NO.

4NH3(g) + 5O 2 (g) _______________ 2N2(g) + 6H2O (g)

La conversión catalítica de NH3 a NO es el primero de tres pasos en un proceso conocido con el nombre de proceso de Ostwald, mediante el cual el NH3 se convierte comercialmente en ácido nítrico, HNO3. El óxido nítrico reacciona facilmente con el O2formando NO2 cuando queda expuesto al aire:

2N0(g) + O2 (g) ___________ 2N02(g)

Ya disuelto en el agua, el NO2 forma el ácido nítrico:
3NO0(g)+H20(1)______2H+(ac)+2N03-(ac)+NO(g)

En esta reacción el nitrógeno queda tanto oxidado como reducido. Se dice que el NO2 ha sufrido una desproporción. El producto de la reducción, NO, puede convenirse nuevamente en NO2 al quedar expuesto al aire y después disol­verse en agua para preparar más HNO3.

El dióxido de nitrógeno es un gas café-amarillento. Es venenoso y de olor asfixiante. A bajas temperaturas, pueden combinarse dos moléculas de NO2 para for­mar el N2O4 incoloro:

2NO2(g) -------------N204(g) AH0—58 kJ

Los dos oxiácidos más comúnes del nitrógeno son el ácido nitrico, HNO3 y el ácido nitroso, HNO2 . El ácido nítrico es un liquido incoloro y corrosivo que puede ser un ácido fuerte o un buen agente oxidante. Se emplea en la producción de plásticos, sustancias farmacéuticas, y en fertilizantes nitrogenados explosivos. Gracias al desarrollo de los procesos de Haber y Ostwalt en Alemania, este país pudo antes de la primera Guerra Mundial, fabricar municiones, aun cuando los bloqueos navales evitaban el acceso a las fuentes tradicionales de nitratos. Entre los explosivos que se fabrican a partir del ácido nitrico, tenemos la nitroglicerina, el trinitrotoloeno (TNT) y la nitrocelulosa.

A partir del liquido se forma una considerable cantidad de productos gaseosos cuya súbita formación, aunada a su expansión que es el resultado del calor generado por la reacción es lo que produce la explosión.

EL CICLO DEL NITRÓGENO EN LA NATURALEZA

Existen dos vías principales para la fijación del nitrógeno en la naturaleza: los relámpagos que ocasionan la formación del NO a partir de N2 y 02 en el aire. además, los nódulos de las raíces de ciertas leguminosas como el chícharo, frijol, cahuate y alfalfa contienen bacterias fijadoras de nitrógeno. Es bien sabido, que tanto el hierro como el molibdeno participan en los sistemas enzímáticos responsables de la fijación del nitrógeno en estos nódulos de la raíz. Es de interes comprender este proceso y desarrollar catalizadores que al igual que las encimas fijen el nitrógeno a presión y temperatura ambiente (y por ende, potencialmente un nivel de ahorro de energía sobre el proceso de Haber).

El nitrógeno se encuentra en numerosos compuestos imprescindibles para la vida, incluyendo proteínas, enzimas, ácidos nucleicos, vitaminas y hormonas. Las plantas usan compuestos muy simples como materiales iniciales, a partir de los cuales se forman tales compuestos más complejos y biológicamente necesarios. Las plantas pueden utilizar diversas formas del nitrógeno, especialmente el NH3, NH4 y el NO3-. El amoniaco liquido, el nitrato de amonio, NH4NO3, y la urea, (NH2)2CO, están entre los fertilizantes más comúnmente empleados. La urea se produce por la reacción del amoniaco con el dióxido de carbono:

2NH2(ac) + CO2 (ac) ======== H2NCNH2(ac) + H2O(l)

El NH3 se libera muy lentamente conforme la urea va reaccionando con el agua

de la tierra.

Los animales son incapaces de sintetizar los complejos compuestos nitrogena­dos que requieren para vivir, a partir de las simples sustancias que utilizan las plantas. En cambio, requieren de precursores mucho más complicados que están presentes en los alimentos. Aquellos compuestos de nitrógeno que el animal no necesita, se excretan como desechos nitrogenados. Algunos microorganismos pueden convertir estos desechos de regreso en NO2. El nitrógeno es reciclado de esta manera. Como en el caso del ciclo del oxigeno, se requiere la energía solar.

Los cultivos a gran escala de leguminosas fijadoras de nitrógeno y en fijación industrial, han aumentado la cantidad de nitrógeno fijado en la biosfera. Un efecto de esta intromisión en el ciclo del nitrógeno ha sido la creciente contamina­ción del agua. Mucho del nitrógeno fijado termina como nitratos en la tierra, compuestos que son altamente solubles en agua. Así, se lavan fácilmente de la tierra en aquellos sitios que se riegan en exceso, quedando únicamente una por­ción de los fertilizantes que se administran a las plantas. Una vez presentes en un lago, los nitratos estimulan el crecimiento de las plantas, reforzando por ejemplo, el rápido crecimiento de las algas. Cuando estas plantas mueren, su desintegra­ción consume el 02 del agua, matando por tanto peces y demás organismos de­pendientes del oxígeno. El medio ambiente anaeróbico que resulta va a dar lugar a los desagradables olores que se asocian con los depósitos lacustres altamente contaminados.

CARBONO

El carbono no es un elemento abundante, ya que solamente constituye el 0.027% de la corteza terrestre. Aunque se puede presentar en su forma elemental, como en el grafito y en el diamante, la mayor parte de él se encuentra en forma combinada. Más de la mitad se presenta como carbonatos, tal como el CaCO3. El carbono puede también encontrarse en el carbón, petróleo y gas natural. La importancia de este elemento tiene su origen en gran parte debido a su constante presencia en los organismos vivos.

La vida, tal como la conocemos, se basa en los compuestos del carbono. Hace cerca de 150 años, el mundo científico creía que estos compuestos que mantenían la vida solamente podían fabricarse dentro de los sistemas vivos, por esta razón recibieron el nombre de compuestos orgánicos, aunque en la actualidad ya se sabe que estos compuestos orgánicos pueden ser también sintetizados en el laboratorio, a partir de simples sustancias inorgánicas (no orgánicas). A pesar de que aún persiste el nombre de “química orgánica”, actualmente sólo se emplea para describir la porción de la química que estudia los hidrocarburos y los compuestos que de ellos se deriven mediante la sustitución de algunos átomos de hidrogeno por otros átomos.

FORMAS ELEMENTALES DE CARBONO

el carbono se presenta en dos formas alotrópicas, el grafito y el diamante.

El carbón, el rnineral y el coke son formas cristalinas o amorfas del grafito.

El grafito se encuentra en minas en diferentes partes del mundo, pero tambien se puede producir sintéticamente a partir del carbono amorfo.

La palabra “grafito” se origina del griego que quiere decir “escribir”. Las llamadas puntilla lápices contienen grafito junto con una pasta generalmente de barro, para hacerlo más duro. El grafito es un sólido suave, blando, resbaloso, que tiene un brillo metálico, conductor de la electricidad. No debe sorprender, entonces, que el grafito se use comercialmente como lubricante y también en la fabricación de electrodos.

Su relativa suavidad y su conductividad eléctrica pueden relacionarse con su estructura. El grafito cristalino se forma con átomos paralelos de carbono que forman láminas en disposición hexagonal de los átomos de carbono .

Cada átomo muestra hibridización sp2 y participa en la deslocalización de los enlaces con otros átomos en la lámina. Este sistema deslocalizado es el responsable de la conductividad eléctrica del grafito; la interacción de los electrones con la luz es la responsable del color negro. La suavidad y la lubricación se originan en los enlaces débiles, debido a las fuerzas de dispersión de London encuentran entre las láminas.

Las propiedades del grafito son anisotrópicas (esto es, son diferéntes según las diversas direcciones en las que se con­sidere el sólido). A lo largo de los planos del carbono, el grafito posee una gran fuerza debido al número y la fuerza de los enlaces carbono-carbono en esta dirección.

Por el contrario, ya se ha mencionado que los enlaces entre planos son relativamente débiles, haciendo que el grafito sea débil en dicha dirección.

Pueden prepararse fibras de grafito en donde los planos de carbono se encuentren alineadas en diferentes grados de paralelismo a los ejes de la fibra. Estas fibras también son muy ligeras (densidad de carga de 2g/cm3) y químicamente también muy poco reactivas. Las fibras orientadas se logran mediante una lenta pirolización inicial en las fibras orgánicas hasta cerca de 150 a 3000C.

Entonces, se calientan estas fibras hasta cerca de los 2500° C para grafitizarlas (esto es, convertir el carbón amorfo en grafito). El extender fibras durante la pirólisis, ayuda a orientar los planos paralelos del grafito al eje de la fibra. Se forman fibras adicionales de carbono amorfo mediante la pirólisis de fibras organicas de 1200 a 14000C. Estas sustancias amorfas, que con frecuencía reciben el nombre de fibras de carbón, son el más comúnmente se utiliza en las sustancias comerciales.

Los materiales compuestos que se valen de la fuerza, estabilidad y baja densidad de las fibras de carbono se utilizan ampliamente. Los materiales compuestos, como su nombre lo indica, son las combinaciones de dos o más materiales, los cuales se encuentran presentes como fases separadas que se combinan para formar estructuras que se valen de algunas de las propiedades deseables de cada componente. En los compuestos del carbono, las fibras de grafito, a menudo es­tán entretejidas en una estructura que queda incluida en una matriz que las enlaza en una sólida estructura. Las fibras transmiten sus cargas- uniformemente a través de la matriz. El compuesto acabado es, por tanto, más fuerte que cualquiera de sus componentes. Los sistemas epoxi son matrices muy útiles debido a su excelente adherencia, pero son muy costosas quedando limitada su actividad por las temperaturas de trabajo abajo de los 1500C. Son necesarias más resinas ter­morresistentes para numerosas aplicaciones aeroespaciales en donde el carbono tiene las principales aplicaciones.

Los diamantes se encuentran en diversas partes del mundo, aunque la mayoría proviene de Sudáfrica. La conversión del grafito hacia diamante es endotérmica:

C (grafito) ---------------- C (diamante) AH0 = 1.87 kJ

Más aún, el diamante es el alótropo más denso (d = 2.25 g/cm3 para el grafito, d

=3.51 g/cm3 para el diamante). Así pues, su formación a partir del grafito se ve favorecido por altas temperaturas y presiones. Estas condiciones se aprovechan en la sintesis de diamantes de grado industrial que se emplean para e] cortado, grabado y pulido de herramientas. El diamante es la sustancia más dura que se conoce, y debido a esta propiedad, se utilizan los diamantes como agujas de tocadiscos de alta calidad. La dureza del diamante se atribuye a su estructura Cada átomo de carbono tiene cuatro vecinos cercanos a los cuales se en­cuentra unido por enlaces . Todos los ángulos de enlace tienen 1090, una hibridi­zación sp3 típica. La malla interconectada que se obtiene como resultado de los enlaces covalentes hace que esta estructura sea muy rígida. El hecho de que partici­pen en los enlaces a todos los electrones de valencia, hace del diamante un no conductor.

El carbón negro se forma cuando se calientan los hidrocarburos en un lugar que posee una limitada cantidad de oxigeno.

CH4(g) + O2(g) --------------------------------C(s) + 2H2O(g) .

Se le emplea como pigmento en las tintas negras y también se utilizan cantidades en la fabricación de llantas de automóviles.

El carbón mineral se forma cuando la madera se calienta a grandes temperaturas en ausencia de aire. El carbón mineral tiene una estructura muy abierta dandole una gran área superficial por unidad de masa. El carbón activado es una forma pulverizada cuya superficie se ha limpiado mediante calentamiento con vapor y se usa ampliamente en la absorción de moléculas. Se le emplea en filtros para eliminar olores molestos del aire así como para quitar impurezas que dan color mal sabor al agua.

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El coque es una forma impura del carbono que se forma cuando se calienta fuertemente la antracita en ausencia de aire. Se usa ampliamente como agente redcutor en ciertas operaciones metalúrgicas.

ÓXIDOS DE CARBONO

El carbono forma dos óxidos principales: el monóxido de carbono, CO y el dioxido de carbono, CO2. El monóxido de carbono se forma cuando los hidrocarburos se queman en presencia de una limitada cantidad de oxígeno:

2C(s) + O2(g) -------------------------- 2CO(g)

Es un gas incoloro, inodoro e insípido (p.f. -1990C; p.e = -1920C). tóxico debido a su capacidad para unirse con la hemoglobina e interferir así con el intercambio de oxígeno. Con un ligero envenenamiento, se produce dolor de cabeza y mareos; desde luego, concentraciones más altas conducen envenenamiento por este gas y la muerte.

El CO es un compuesto muy raro del carbono debido a que tiene un solo par de electrones sobre el carbono: :C- O:. Podría llegarse a pensar que el CO no es reactivo al igual que la molecula isoelectrónica de N2, ya que ambas sustancias tienen altas energías de enlace (1072 ki/rnol por C =O y 941 kJ/mol para el N=N). Sin embargo debido a la baja carga nuclear del carbono (en compara­ción ya sea con la del N o la del O), este único par del carbono no se mantiene tan fuertemente unido como ocurre con el N o el O. Como consecuencia, el CO fun­ciona mejor como donador de un par de electrones de lo que lo hace el N2. El CO puede formar una amplia variedad de compuestos covalentes conocidos como carbonilos metálicos con los metales de transición. Ejemplo de tales compuestos es el Ni (CO)4, compuesto volátil muy tóxico que se forma simplemente por el calentamiento del níquel metálico en presencia de CO. La for­mación de tales carbonilos metálicos es el primer paso en la catálisis de transición metálica de una amplia variedad de reacciones en las que interviene el CO.

El monóxido de carbono tiene numerosas aplicaciones comerciales. Debido a que fácilmente arde para formar CO2 también se le emplea como combustible:

2CO(g) + 02(g) —e 2C02(g) AH = —566 kJ

También es un importante agente reductor empleado en operaciones metalúrgicas para reducir los óxidos metálicos; por ejemplo, es el agente reductor más impor­tante en los altos hornos del óxido de hierro (III):

Fe2O3(s) + 3CO(g) —e 2Fe(s) + 3CO2(g)

El monóxido de carbono se utiliza también en la preparación de numerosos compuestos orgáni­cos.

El empleo del monóxido de carbono como material inicial básico para la síntesis de los hidrocarburos y otras sustan­cias químicas es el tema de mayor investigación en la ac­tualidad. Se ha dado un gran impulso a estos estudios, de­bido a que se cree que el continuo incremento de costos, o la continua disminución del petróleo disponible, pudiera lle­gar a producir circunstancialmente el cambio de materias del petróleo al carbón. El carbón puede convertirse en una mezcla de monóxido de carbono y nitrógeno mediante su tratamiento con vapor, a temperaturas elevadas .

Esta mezcla gaseosa se puede usar para alimentar una amplia variedad de síntesis químicas.

El interés sobre el CO como materia química se remonta a los esfuerzos alemanes por producir combustibles sintéti­cos entre 1930 y 1940. En ese tiempo se desarrollé un pro­ceso, la síntesis de Fischer-Tropsch, en la cual el CO se hidrogena catalíticamente para formar hidrocarburos y CO2.

Un inconveniente de este proceso es que produce una amplia mezcla de hidrocarburos. Cerca de 100 diferentes hidrocarburos se llegaban a formar en el proceso original, la mitad de los cuales se encontraban en un rango de C3 y C8. Se cree que el mecanismo implica la disociación del H2 y del CO en la superficie del catalizador. Los átomos de O resul­tantes, son atacados por átomos de H para formar H20. Los átomos de carbono son atacados para formar unidades CH2 enlazadas al catalizador. M = CH2. Estas unidades CH2 se combinan de carbono en carbono para formar cade­nas de hidrocarburos. En la actualidad, gran parte de la in­vestigación está dirigida a encontrar catalizadores que pu­dieran aumentar la selectividad de la reacción, produciendo una cantidad menos variable de hidrocarburos como productos.

El dióxido de carbono se produce cuando se queman en presencia de exceso de oxigeno las sustancias que contienen carbono:

C(s) + O2(g) ----------- CO2(g)

CH4(g) + 2O2 (g)--------------- CO2 (g) + 2H2 O (1)

C2H5OH(1) + 3O2(g) ---------- 2CO2(g) + 3H2O (1)

También se produce al calentar muchos carbonatos:

CaCO3(s) ------------- CaO (s) + CO2 (g)

Se obtienen grandes cantidades como producto de desecho de la fermentación azúcar en la producción del alcohol:

C6H12O6(ac)-----------2C2H50H(ac) + 2CO2(g)

Glucosa Etanol

En el laboratorio, el CO2 se produce normalmente por la acción de los acidos sobre los carbonatos:

C032(ac) + 2H+ (ac) ------------------ CO2(g) + H2O(1)

El dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro, no es tóxico, pero a concentraciones incrementa la frecuencia respiratoria y puede producir sofocación. Se puede licuar facilmente por compresión, sin embargo, cuando se le enfria presión atmosférica se condensa como un sólido en lugar de hacerlo liquido.

El sólido sublima la presión atmosférica (a -780C). Esta propiedad del CO2 sólido un valioso refrigerante que siempre queda libre de la forma líquida; el CO2 sólido es conocido como hielo seco. Cerca de la mitad del CO2 se consume anualmente se utiliza para este tipo de refrigeración. Las otras principales aplicaciones del CO2 se encuentran en la producción de bebidas gaseo emplea también en grandes cantidades para la preparación de jabón para Na2CO3. IOH2O y carbonato para hornear, NaHCO3. El carbonato para hornear recibe este nombre debido a que durante el horneado tiene lugar la siguiente reacción:

NaHCO3(s) + H+ (ac) ------------------ Na+(ac) + C02(g) + H20(1)

El H(ac) es proporcionado por el vinagre, la leche agria o por hidrólisis de algunas sales. Las burbujas de CO2 que se forman quedan atrapadas en la masa produciendo que ésta se esponje. El carbonato de sodio se emplea para precipitar los iones metálicos que interfieren con la acción limpiadora del jabón.

ACIDO CARBÓNICO Y CARBONATOS

El dióxido de carbono es moderadamente soluble en H2O a presión atmosferica. Las disoluciones resultantes son también moderadamente ácidas como resultado de la formación del ácido carbónico, H2C03:

C02(ac) + H20(1) === H2CO3(ac)

El ácido carbónico es un ácido diprótico débil. Su carácter ácido hace que las bebidas carbonatadas tengan un definido sabor ligeramente ácido.

Aunque el ácido carbónico no puede aislarse como compuesto puro, pueden obtenerse dos tipos de sal por neutralización de disoluciones de ácido carbónico, hidrógeno carbonatos (bicarbonatos) y carbonatos. La neutralización parcial produce el HCO3-, mientras que la neutralización completa da lugar al CO32-.

El ion HCO3- es más básico que ácido (Ka 5.6 x 10-”; Kb 2.3 x 10-8).

En consecuencia, las disoluciones acuosas de HCO, son levemente alcalinas:

HCO3(ac) + H2O(1) ; ========= H2CO3(ac) + 0H(ac)

El ion carbonato es más fuertemente básico (Kb = 1.8 X10-8):

CO32 (oc) + H2O(1)========= HC03(ac) ± OH(ac)

Los minerales que contienen el ion carbonato son muy numerosos.

* Los prin­cipales minerales de carbonato son la calcita (CaCO3), magnesita (MgCO,), do­lomita [MgCa(CO,)2], y siderita (PeCO3). La calcita es el principal mineral en las piedras calizas, cuyos grandes depósitos se encuentran en muchas partes del mun­do. También es el principal componente del mármol, el yeso, las perlas, los arre­cifes de coral y de las conchas de los animales marinos como las almejas y las ostras. Aunque el CaCO, tiene baja solubilidad en agua pura, se disuelve fácil­mente en disoluciones ácidas, con la producción de CO2:

CaCO3(s) + 2H~(ac) -------------- Ca2+(ac) + H20(l) + CO2(g)

Debido a que el agua que contiene CO2 es ligeramente ácida. El CaCO, se disuelve lentamente en este medio:


CaCO3(s) + H20(1) + CO2(g) =========== Ca2- (ac) + 2HC03(ac)

Esta reacción se presenta cuando se movilizan subterráneamente corrientes agua a través de depósitos de piedra caliza. Esta es la principalmanera como el Ca2+ se incorpora en las corrientes subterráneas produciendo “aguas duras”

Si la piedra caliza que se disuelve se encuentra bajo una capa de tierra, comparativamente delgada, se producen los llamados cenotes

Si los depósitos de piedra caliza son lo suficientemente profundos dentro de la tierra, la disolución de la piedra caliza produce una cueva, siendo dos de las cavernas calcáreas mejor conocidas como la Cueva del Mamut en Kentucky y las Cavernas de Carlsbad en Nuevo México .

La reacción química entre el CaCO3 y las disoluciones áci­das que se forman por el CO, son las responsables de la erosión de los monumentos de mármol y de piedra caliza. Las concentraciones cada vez más altas de SO2 en la lluvia, como resultado de los procesos industriales, han acelerado estos procesos de corrosión. Para disminuir la erosión de los monumentos, algunos de ellos han sido tratados con una mezcla de Ba(OH), y urea ((NH2)2C0. Estas dos sus­tancias reaccionan entre sí para formar una capa de BaCO3 sobre la superficie de los monumentos:

El carbonato de bario (Ksp = 5.1 X 10-9 ) es tan insoluble como el carbonato de calcio (Ksp = 2.8 X 10-9). Sin embargo, cuando reacciona con el SO2 forma un compuesto todavía más insoluble, el BaSO4, como se muestra ecuación.

2BaCO3(s) + 2S02(ac) + 02(g)

2BaSO4(s) + 2002(g)

El producto de solubilidad del BaSO4 es 1.1 X 10-10 mientras que el del CaSO4 es de solamente 9.1 X 10-6

Una de las reacciones más importantes del CaCO3 es su descomposición en CaO y CO2 a elevadas temperaturas.

Más del 1.3 x 1010 kg (15 millones de toneladas) de óxido de calcio, conocidas como cal o cal viva, se usan anualmente en los Estados Unidos.

Debido a que el óxido de calcio reacciona con agua para formar Ca(OH)2, una importante base comercial. También es importante en la fabricación del mor­tero, uná mezcla de arena, agua y CaO que sirve en la industria de la construcción para unir ladrillos, bloques y otras rocas. El CaO reacciona con agua y CO2 para formar CaCO3 el cual une la arena en el mortero.

CaO (s) + H20 (I) ============== Ca2+(ac) + 20H(ac)

Ca2+(ac) + 20H(ac) + CO2(ac) __________ CaCO3(s) ± H20(l)

CARBUROS.

Los compuestos binarios del carbono con metales, metaloides y algunos no meta­les, reciben el nombre de carburos. Existen tres tipos diferentes: iónicos, intersti­ciales y covalentes. Los carburos iónicos o del tipo salino se forman con los meta­les más activos. Los carburos iónicos más frecuentes contienen iones C22-::C=C:2-. Este ion se hidroliza para formar acetileno:

CaC2(s) + 2H20(1) ___________ Ca(OH)2i(ac) + C2H2(g)

Los carburos que contiene C22- reciben por esta razón el nombre de acetiluros. El carburo iónico más importante es el carburo de calcio. CaC2, que es producido industrialmente por la reducción del CaO con carbón a alta temperatura:

2CaO(s) + 5C(s) ________________ 2CaC2(s) + CO2(g)

El CaC2 se usa en la preparación del acetileno que se utiliza en la prepación del acetileno que se utiliza en la soldadura.

Los carburos intersticiales se forman con muchos metales de transición. Los áto­mos de carbono ocupan los espacios abiertos (intersticios) entre los átomos de me­tal en una forma análoga como lo hacen los hidruros intersticales.

Un ejemplo es el carburo de tungsteno, WC, que es muy duro y resistente al calor y en consecuencia se puede usar en la fabricación de herramientas cortantes.

Los carburos covalentes se forman con el boro y el sílice. El carburo de silicio, SiC se conoce por carborundum. Se produce al calentar el SiQ arena y carbono a altas temperaturas:

Si02(s) + 3C(s) -------- SiC(s) + 2C0(g)

El SiC tiene la misma estructura que el diamante, excepto que los átomos de sili­cio se alternan con los de carbono. Al igual que los diamantes industriales, el car­bono es muy duro y se emplea, por tanto, como abrasivo y en herramientas cortantes.

OTROS COMPUESTOS INORGÁNICOS DEL CARBONO

El cianuro de hidrógeno o ácido cianhídrico HCN, es un gas extre­madamente tóxico que tiene olor a almendras amargas. Se forma comercialmente mediante el paso de una mezcla de metano, amoniaco y aire sobre un catalizador a 8000C:

2CH4(g) + 2NH3(g) + 3O2(g) ------------------- 2HCN(g) + 6H2O(g)

En el laboratorio se le fabrica al calentar una sal de cianuro como el NaCN con unácido:

CN-(ac) + H+(ac) ----------------------- HCN(g)

Las disoluciones acuosas del HCN se conocen como ácido cianhídrico. La neutralización mediante una base como el NaCN . los cianuros se emplean en la fabricación de numerosos plásticos bien conocidos, incluyendo el nilón y el orlón.

El ión CN forma complejos muy estables con la gran mayoría e los metales de transición.

La acción tóxica del CN es provocada por su combinación con el hierro (III) sobre el citocromo oxidasa, una enzima clave que favorece la respiración.

El disulfuro de carbono, es un importante solvente industrial para las ceras, grasas, celulosas y otras sustancias no polares. Es un liquido incoloro, volátil. Sus vapores son muy venenosos y sumamente inflamables . El compuesto se forma por la reacción directa del carbono y el azufre a altas temperaturas.