Hidrógeno

Hidruros binarios. Propiedades físicas. Enlaces Van der Waals. Isótopos: protio, deuterio, tritio. Diociación. Puentes. Electronegatividad

  • Enviado por: Joana Anasagasti
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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1.Introducciòn.

El hidrògeno es el elemento más sencillo compuesto por un protón y un electrón.

Es el primer elemento en la tabla periòdica aunque este lugar no es exacto debido a que se parece a algunos elementos pero a la vez posee diferencias respecto a ellos como vemos en la siguiente tabla:

SEMEJANZAS

DIFERENCIAS

ALCALINOS

Posee sólo un electrón de valencia.

El H posee poca tendencia a perder su electrón en las reacciones químicas, y una gran tendencia a aparearlo.

HALÓGENOS

Le falta un electrón para alcanzar su estructura de gas noble.

La electronegatividad del H es muy pequeña.

METALES

La mayor parte de las propiedades del H y las de sus compuestos son de sustancias no metálicas.

Debido a esto no se le puede encasillar en una posición, lo suelen hacer entre los alcalinos aunque se debería poner entre los halógenos ya que sus propiedades están más de acuerdo con las propiedades generales del elemento.

El hidrógeno se puede reducir a ion hidruro H , puede oxidarse como H3O+ llamado hidronio o ion oxonio (éste no posee puentes de hidrógeno y existe tal cual en algunos compuestos cristalinos, se supone que es una especie que se encuentra en las disoluciones ácidas).

El hidrógeno se prepara por la reducción del protón solvatado o por oxidación del H-

Los metales más electropositivos son oxidados por el protón solvatado dejando al hidrógeno en libertad. Los nitratos y en general los aniones no deben estar presentes debido a que si estuviesen se reducirían ellos y no los protones.

Si se oxida H-, la cantidad de hidrògeno que queda en libertad es mayor que en el caso anterior.

El hidrògeno se utiliza para la hidrogenación de nitrógeno (para dar amoníaco), CO (para dar metanol),... y también se utiliza como combustible en la soldadura, para llenar globos, ...

2. Isótopos del hidrógeno:

El átomo de hidrógeno posee tres isótopos:

2.1. 11H: protio (H). Número màsico: 1.008123. Posee un solo protón en su núcleo y un solo electrón.

2.2. 21H: deuterio (D). Número màsico: 2.014708. Posee un protón y un neutrón en el núcleo. En el hidrógeno ordinario está presente en un 0.015 por ciento. Se obtiene mediante electrólisis. Sus propiedades físicas son algo diferentes a las del H, en cambio, químicamente el D presenta todas las reacciones características del H y forma compuestos iguales. Pero debido a su masa y a las diferencias de energía en el cero absoluto entre el D y el H hace que las velocidades de reacción sean distintas para las mismas reacciones. En general, el D reacciona más lentamente y de forma menos completa que el H.

Una característica del D es que puede canjear su posición con un átomo de H ligero.

2.3. 13H: tritio (T). Número màsico: 3.01707. Posee un protón y dos neutrones. Se encuentra en cantidades muy pequeñas en el hidrógeno natural, y se forma, por ejemplo,de la siguiente manera:

714N + 01n ! 612C + 13T. Es un débil emisor de - y es uno de los isótopos radiactivos menos tóxicos.

El H y el D son los únicos que poseen cantidades apreciables. Hay una gran diferencia en sus masas y esto hace que haya una gran diferencia entre sus propiedades físicas y químicas mucho mayor que entre los isótopos de otros elementos.

3. Propiedades físicas.

El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro y muy poco soluble en todos los disolventes. Es una molécula de masa reducida muy pequeña que a temperatura y presión ordinarias tiene un comportamiento muy parecido al de los gases ideales.

El hidrógeno sólido funde a 14 K y el líquido hierve a 20.4 K.

La energía de disociación (H2 ! 2H) es de 436 kJ/mol.

El hidrógeno también puede combinarse y formar hidrógeno molecular:

H(g) + H(g) ! H2(g) H°= -436.4 kJ Es una reacción fuertemente exotérmica.

El radio covalente del hidrógeno es 0.37 A.

La electronegatividad del hidrógeno es de 2.1 por lo que los enlaces entre éste y los elementos cuya electronegatividad es cercana a 2.1 se consideran no polares. Por ejemplo: H-B, H-Si y H-P. Mientras que los enlaces formados con elementos bastante mayores o menores que 2.1 se dice que son polares. Por ejemplo: H-F, H-Cl y N-H. Estos tipos de enlaces son los que intervienen en el enlace de hidrógeno.

4. Enlace de Hidrógeno.

En algunos compuesto se observa que el hidrógeno interacciona con otros elementos en mayor proporción que la que tendría que tener según los enlaces de Van der Waals. Se dedujo que el átomo de hidrógeno puede ser atraído a la vez por dos o más átomos y actuar como puente.

El enlace de hidrógeno es la interacción intermolecular más intensa y frecuente. Se da, por ejemplo, en sus tres isótopos.

4.1. Características:

  • El enlace de hidrógeno implica a los átomos más electronegativos como el F, Cl, Br,...

  • La fuerza del enlace de hidrógeno varía mucho. Ésta aumenta a medida que aumenta la electronegatividad de los átomos a los que está unido el hidrógeno. También influye el tamaño del átomo al que se va unir, por ejemplo: el Cl y el N tienen electronegatividad parecida pero los átomos de N forman enlaces más fuertes que los de Cl porque el N es más pequeño que el Cl.

  • Tipos de enlace por puente de hidrógeno.

  • Los enlaces de hidrógeno se pueden clasificar siguiendo criterios estructurales:

    - Enlaces intermoleculares que involucran muchas moléculas.

    - Enlaces intermoleculares que implican a sólo dos moléculas en especies dìmeras.

    - Enlaces intramoleculares, en el que un átomo de hidrógeno se encuentra enlazado a dos átomos de la misma molécula.

    - Existe un caso especial con el ion FHF- ya que adquiere una forma diferente.

  • Consecuencias del enlace de hidrógeno:

  • - Aumento de la temperatura de ebullición normal y de las entalpìas de fusión y vaporización.

    - Disminución de la presión de vapor y el punto de congelación normal.

  • Hidruros binarios.

  • Son compuestos que contienen hidrógeno y otro elemento, que puede ser metal o no metal. Atendiendo a la estructura y propiedades pueden dividirse en: Hidruros iónicos, Hidruros covalentes, e Hidruros intersticiales.

  • Hidruros iónicos: se forman cuando el hidrógeno molecular se combina con un metal alcalino (excepto Fr), metales alcalinotérreos (Ca, Sr, Ba y Ra) y con algunos de los elementos más electropositivos de los lantànidos y actìnidos. Se obtienen normalmente por la reacción entre los metales puros y el hidrógeno, a temperaturas entre 150º y 700º. Los Hidruros de los metales alcalinos poseen estructuras cúbicas del tipo del NaCl. En cambio, los Hidruros de los metales alcalinotèrreos, son algo más complejos estructuralmente hablando.

  • Las redes que forman estos Hidruros son iònicas y contienen H- que se han formado por la transferencia de electrones desde los átomos metàlicos.

    Los Hidruros de los metales alcalinos y alcalinotèrreos poseen composiciones estequiomètricas.

    Los Hidruros derivados de los lantànidos ( y seguramente de algunos actìnidos) poseen similitudes con los Hidruros de los metales alcalinos y alacalinotèrreos.

    Los Hidruros iónicos se caracterizan por ser sólidos con altos puntos de fusión, de ebullición y de conductividad en estado fundido (si son estables). En general, son insolubles en disolventes ordinarios a temperatura ambiente pero se disuelven sin reaccionar con los haluros fundidos. Los Hidruros menos estables no pueden ser fundidos a presión atmosférica porque sufren disociación, aunque el LiH, que es más estable, funde a 680º. A temperaturas altas son agentes reductores potentes.

    El ion hidruro H- actúa como una base de Bronsted muy fuerte ya que acepta fácilmente un protón de un donador.

    5.2. Hidruros covalentes: en éstos el hidrógeno está enlazado mediante un enlace covalente a un átomo de otro elemento. Se caracterizan por poseer redes moleculares formadas por moléculas covalentes individuales. Se conocen Hidruros covalentes o moleculares de todos los elementos no metàlicos, excepto de los gases nobles, y de los elementos: Al, Ga, Sn, Pb, Sb y Bi, que normalmente tienen carácter más metálico que no metálico. Hay dos tipos de Hidruros covalentes:

    • Mononuclear: los simples como el metano y el amoniaco.

    • Polinucleares: los que tienen estructura más compleja: (BeH2)x, (AlH3)x.

    En estado sólido forman cristales moleculares formados por moléculas individuales que se mantienen unidas gracias a las fuerzas de Van der Waals. Debido a esto poseen bajos puntos de fusión y ebullición. En general, suelen ser más o menos volátiles, aunque ésta disminuye un poco en los Hidruros polinucleares complejos de elevado peso molecular. No son reductores en estado líquido y cuando están disueltos en disolventes no polares. Sufren descomposición térmica para dar hidrógeno y otro elemento.

    5.3. Hidruros metàlicos: son los compuestos en los que el hidrógeno molecular está unido a metales de transición pero con la característica de que la relación de átomos no es constante, la cantidad de hidrógeno presente no guarda una relación estequiomètrica con el metal al que está unido. Los Hidruros metàlicos se caracterizan por poseer estructuras metálicas y por ser parecidos a las aleaciones en muchas de sus propiedades.

    Sus propiedades varían mucho. Suelen tener propiedades metálicas parecidas a las de los metales de los que provienen.

    En muchos casos el hidrógeno es absorbido sin darse en la red ninguna gran alteración lo que induce a pensar que en la red existían una serie de huecos entre los átomos o iones del metal y así se mantiene en disolución sólida. Por ello, se suele aplicar frecuentemente las denominaciones “disoluciones sólidas intersticiales” y “compuesto intersticiales” a los Hidruros metàlicos. Debido a que estos Hidruros tienen unas propiedades fuertemente reductoras nos lleva a pensar que el hidrógeno se encuentra en estado atómico, por lo que antes de entrar a la red metálica se ha debido disociar.

    Las variaciones entre las propiedades individuales de los Hidruros metàlicos sugieren transiciones más o menos continuas en cuanto a la forma de estar retenido el hidrógeno de acuerdo con el esquema:

    Hidruros salinos!Hidruros semi-metàlicos!Hidruros intersticiales con enlaces fuertes!Hidruros intersticiales con enlaces débiles!productos de adsorción.