Compuestos de hidrógeno
| ||||||
Compuestos de hidrógeno. El hidrógeno es el elemento más abundante del universo y también de nuestro planeta, siendo el tercer elemento en abundancia en la corteza terrestre (por detrás del oxígeno y el silicio). El hidrógeno, formando compuestos, representa el 15.4% de los átomos de la corteza terrestre y los océanos, siendo el noveno elemento en cuanto abundancia en peso.
Sumario
Propiedades físicas del Hidrógeno
La configuración electrónica del hidrógeno es la más simple de las que existen (1s1), pero a pesar de su simplicidad, el hidrógeno puede existir de más de 40 formas distintas, la mayoría de las cuales han sido bien caracterizadas. Esta diversidad de formas se debe, en primer lugar, a la existencia de especies atómicas, moleculares e iónicas en fase gaseosa: H, H2, H+, H¯, H2+ y H3+; en segundo lugar, a la existencia de tres isótopos, 11H, 21H (D, deuterio), 31H (T, tritio) y sus especies correspondientes D, D2, HD, DT, etc.; y por último, a la existencia de isómeros de espín nuclear en las especies diatómicas homonucleares, como el orto y el para-hidrógeno, como se estudiará más adelante.
Las propiedades físicas relacionadas con la masa molecular, como son la densidad o la velocidad de difusión, son distintas para sustancias que difieren en su composición isotópica, como 235 UF 6 y 238 UF 6 . De hecho, uno de los métodos utilizados por la industria nuclear para separar uranio-235 de uranio-238 se basa en la peor difusión del gas más pesado ( 238 UF 6 ). Por otra parte, los isótopos de un elemento constan del mismo número de electrones atraídos por idéntico número de protones, lo que podría inducir a creer que las propiedades químicas de sus compuestos son idénticas. Sin embargo, las energías de los enlaces formados por distintos isótopos de un mismo elemento difieren debido a un efecto de origen cuántico: las llamadas energías vibracionales del punto cero que dependen de la masa.
Efectos termodinámicos. Los efectos isotópicos son especialmente relevantes para el hidrógeno, ya que éste es el elemento que presenta proporcionalmente una mayor diferencia de masa entre sus isótopos (el deuterio duplica la masa del protio). Por ejemplo, las energías de enlace H–H difieren muy significativamente para los tres isótopos de este elemento . De la misma forma, tanto los enlaces O–H intramoleculares como los enlaces de hidrógeno O×××H intermoleculares son más fuertes en el agua deuterada que en el agua no deuterada, lo que afecta a la termodinámica de procesos en los que se formen o rompan estos enlaces. Así, el agua deuterada es menos volátil y tiene un mayor pH.
Efectos cinéticos. Por otra parte, se observan notables efectos isotópicos en la velocidad de reacciones en cuya etapa determinante de la velocidad se rompe o se forma un enlace con hidrógeno. Así, la velocidad de una reacción en la que esté implicada la ruptura de un enlace C-H en su etapa lenta es de 6 a 10 veces mayor que la correspondiente a C-D. De igual forma, el agua deuterada se electroliza más lentamente que el agua no deuterada. La electrolisis o la destilación son técnicas tradicionales de enriquecimiento del agua en deuterio ya que durante las mismas el residuo se enriquece en agua deuterada
Isótopos de Hidrógeno
Los compuestos de la naturaleza que contienen al hidrógeno, poseen átomos en los que el núcleo predominantemente es el protón. Así, el hidrógeno terrestre contiene 0.0156% de deuterio, mientras que el tritio se presenta en la naturaleza sólo en cantidades mínimas, del orden de 1 en 1017. El tritio (con un núcleo formado por dos neutrones y un protón) se forma en las capas altas de la atmósfera debido a reacciones nucleares. El tritio posee un espín nuclear de 1/2 y una masa atómica de 3.016. Es radioactivo con una vida media de 12.4 años. Se puede producir artificialmente en los reactores nucleares. El deuterio contiene un protón y un neutrón y posee un espín nuclear de 1. Su masa atómica es de 2.0141 umas y es estable. Se separa del agua como D2O, por destilación fraccionada o por electrólisis. El hidrógeno contiene tan sólo un protón en su núcleo, y su espín nuclear es de 1/2. Su masa atómica es de 1.0078 y es estable. El hidrógeno molecular, H2, es un gas incoloro e inodoro, insoluble en agua, que posee bajos puntos de fusión y ebullición. Las diferencias de las masas atómicas entre los tres isótopos ocasionan diferencias en las propiedades físicas de los isótopos en su forma molecular como se observa en la Tabla 1:
Formas ionizadas de hidrógeno
Este apartado trata de manera resumida las siguientes formas ionizadas: el protón, H+, el ion hidruro, H-, la molécula de hidrógeno ionizada, H2+, y la especie triatómica de 2-electrones H3+. La energía de ionización del átomo de hidrógeno (1311 kJ/mol) es muy elevada y más próxima a las de los halógenos que a las de los metales alcalinos. Si se ioniza un átomo de hidrógeno, es decir, si se le arranca el electrón 1s1 se genera un protón desnudo, de radio 1.5x10-3 pm. Esta especie no es estable en fase líquida, pero sí se conocen especies químicas que contienen asociadas un protón como el H3O+, el NH4+, etc. La afinidad protónica del agua y la entalpía de disolución del H+ en agua se estiman en los siguientes valores:
H+ (g) + H2O (g) → H3O+ (g). -ΔH = 720 kJ/mol
H+ (g) → H3O+ (ac) ΔH = 1090 kJ/mol
El átomo de hidrógeno presenta afinidad por los electrones, siendo la afinidad electrónica la energía asociada con el siguiente proceso:
H (g) + e → H¯ (g) AE = -ΔH = 72 kJ/mol
Este valor se encuentra entre la AE del Li (2s1) y el flúor (2s2p5): AE(Li) = 57 kJ/mol, y AE(F) = 333 kJ/mol. El ion H¯ tiene la misma configuración electrónica que el He, pero es mucho menos estable debido a que un único protón debe controlar 2 electrones. Como consecuencia de ello, el ion H¯ es muy deformable.
Las especies H2+ y H3+ no son de interés por su química, más bien escasa, sino porque sirven de sistemas modelo en las teorías de enlace. La molécula de H2+, que posee dos protones y un electrón, es extremadamente inestable. Existe cierta incertidumbre sobre la entalpía de disociación y la distancia internuclear, pero recientes estudios han estimado su valor en: ΔHdis = 255 kJ/mol y r(H-H) = 106 pm (por ΔHdis = 436 kJ/mol y r(H-H) = 74.2 pm del H2).
Thompson detectó por primera vez la molécula ionizada H3+ en un tubo de descarga. Su masa de 3.027 uma la diferencia del tritio (3.016). La estructura triangular de 3-centros-2-electrones de esta especie es más estable que la hipotética estructura lineal:
Orto y para-hidrógeno
Los dos átomos de hidrógeno en una molécula poseen cada uno lo que se denomina espín nuclear I (similar al electrónico). El valor de mI (momento de I) para el hidrógeno puede ser +1/2 o -1/2. Así pues, los dos espines pueden estar paralelos o antiparalelos. En el primer caso el hidrógeno se denomina orto mientras que en el segundo se denomina para. La multiplicidad de espín viene dada por 2S+1, siendo S = ∑mI , por lo que en el orto-hidrógeno S = 1 y la multiplicidad es 3. Se dice entonces que es un estado triplemente degenerado. En el para-hidrogeno S = 0 y la multiplicidad vale uno, luego no existe degeneración en este estado. El para-hidrógeno posee menor energía y es el estado más favorable a bajas temperaturas. Por encima del 0 K, se comienza a incrementar gradualmente la concentración de orto-hidrógeno, hasta que, por encima de la temperatura ambiente, la proporción llega a ser de 3 de orto por 1 de para. La mayoría de las propiedades físicas apenas se afectan por la isomería del espín nuclear, aunque la conductividad térmica del p-H2 es el 50% mayor que la del o-H2.
Compuestos
Hidruros
Se trata de compuestos del hidrógeno que se pueden encontrar en combinación de un elemento metálico o el boro e hidrógeno. En el caso de hidruros metálicos el hidrógeno que contiene trabaja con una valencia de -1. Los hidruros metálicos reciben el nombre mediante la combinación de la palabra hidruro “de” y el nombre del elemento metálico que contenga o boro.
Hidruro de calcio
En el caso de que el elemento metálico que se combina tiene más de un número de oxidación se suelen usar números romanos y en cada tipo de hidruro que obtengamos tenemos que poner el número de valencia al final del nombre entre paréntesis. A modo de ejemplo sin combinamos el hierro, al tener este metal dos valencias (+2 y +3) podemos obtener dos hidruros diferentes, uno con cada valencia.
Compuestos de hidrógeno de la familia VI A
En este caso la combinación del hidrógeno con ciertos elementos de esta familia da lugar a unos compuestos que son tóxicos y malolientes. En este caso nos podemos encontrar compuestos como Amoniaco, Fosfina, Arsina, Estibina o Bismutina. En estos compuestos el hidrógeno usa el número de oxidación de -1 y siempre se escribe primero el nombre del elemento de la familia VA y después el hidrógeno.
Hidrácidos
Estos compuestos se obtienen al combinar el hidrógeno con haluros o anfígenos que pertenecen al grupo del oxígeno y del fluor. En estas combinaciones el hidrógeno actúa con un número de oxidación de +1 y el elemento con el que se combina utiliza un número de oxidación negativa. En estos casos también va primer el hidrógeno y después el elemento con el que se ha combinado. En este grupo podemos encontrar compuestos como Ácido fluorhídrico, Ácido Yodhídrico, Ácido Sulfhídrico o Ácido clorhídrico. Estos son algunos de los compuestos más destacados que pueden obtenerse a partir del elemento del hidrógeno. A pesar de que la composición electrónica del hidrógeno es de las más simples que existen es posible encontrarlo en más de 40 formas diferentes, y todas ellas han sido bien definidas. No hay que perder de vista a este gas porque se ha demostrado que, en un futuro, cuando se agoten las fuentes de energía, el hidrógeno puede ser una fuente de energía alternativa limpia muy importante para la industria.
Aplicaciones
El hidrógeno como combustible. El progresivo agotamiento de los combustibles fósiles, así como el efecto invernadero producido por su combustión masiva, ha llevado a plantearse la utilización de fuentes de energía alternativas en campos como la automoción. Una de las alternativas más atractivas es la utilización de hidrógeno cuya combustión genera agua:
Es importante notar que el hidrógeno no es una fuente primaria de energía, sino un vector de transporte de energía que sería mucho más eficiente que las baterías actualmente usadas en los vehículos eléctricos: posibilita una mayor autonomía al suministrar más energía por unidad de masa, además de permitir la recarga rápida de combustible igual que sucede actualmente en las gasolineras. Sin embargo, la puesta en marcha de la llamada economía del hidrógeno tiene que superar varios obstáculos importantes, entre los que destacaremos:
a) La inexistencia de un método económico de obtener hidrógeno a partir del agua usando fuentes deenergía limpias (recuérdese que el hidrógeno se obtiene actualmente a partir de combustibles fósiles). Una posibilidad interesante es la fotolisis del agua, un proceso en el que se utiliza directamente energíasolar para la partición del agua en hidrógeno y oxígeno
Fuentes
• Petrucci, R. H.; Harwood, W. S.: “Química General. Principios y aplicaciones modernas”, 8ª ed., Prentice Hall, 2002.
• Atkins, P.; Jones, L.: “Principios de Química”, 3ª ed., Panamericana, 2006.
• Hill, W., et al.(1999). Química para el nuervo milenio. 8a. edición Prentice Hall . México
• Brown, T. (2004). Química la ciencia central, 9ª edición, Pearson Educación.Mexico
• Burns, R. (2003). Fundamentos de Química, Pearson Educación.Mexico
