Química Descriptiva del Hidrógeno y sus Hidruros, Presentación

BLOC II QUÍMICA DESCRIPTIVA

TEMA 4: HIDROGEN

"L'Hidrogen es un element singular"

• Singular: és únic en el sistema periodic en quant a les seues propietats. És diferent a la resta d'elements degut a que no forma part de ningún grup, ell és el seu propi grup.
• H2 : és el gas més lleuger i el mes abundant en l'univers. En contacte amb O2 forma H2O de manera exotermica i explosiva.
• Hidrógen: "formador de aigua". Forma aigua mitjançant una reaccio explosiva que necessita una energia d'activació per a produïr-se. H2 (g) + O2 (g) -> H2O (g)

PRESENCIA EN LA NATURA

Aquesta presencia en la natura considera l'abundancia en l'escorca terrestre. Aquesta la dividim en tres parts:

• Atmósfera: gasos.
• Hidrosfera: aigües.
• Litosfera: escorça sòlida.

COMPOSICIÓ DE L'ATMOSFERA

Dividim l'Hidrogen en dues opcions de presentació en la natura:

• Apareix combinat.
• Apareix lliure: en la seua forma mes estable (H2).

L'H, sempre apareix combinat degut a que al voltant no tenim Hidrogen lliure. Aquest podem trobar-lo en la exosfera de manera atomica i en la troposfera nomes apareix en uns ecosistemes especials que el produeixen en el seu metabolisme.

Gaseous composition Altitude (km) Mostly H 2500- Mostly He Exosphere 1000 Mostly O 500. 250 Thermosphere (ionosphere) Temperature- altitude profile Mostly N2 1500 K 80 78.08% N2. 20.95% Mesosphere 55 280 Stratosphere Ozone layer 12 - Troposphere 220 290 K 3 0.93% Ar. 0.04% CO2. by volume 180

ELEMENTS EN L'ESCORÇA TERRESTRE

TABLA 2.2 Abundancia de los elementos en la corteza terrestreª

Elemento Abundancia (%) en masa Principales materiales que contienen el elemento Oxígeno 49,3 Agua; sílice; silicatos; óxidos metálicos; la atmósfera Silicio 25,8 Sílice (arena, cuarzo, ágata, perdernal); silicatos Aluminio 7,6 Silicatos (arcilla, feldespato, mica); óxido (bauxita) Hierro 4,7 Óxido (hematites, magnetita) Calcio 3,4 Carbonato (caliza, mármol, marga); sulfato (yeso); fluoruro (fluorita); silicatos (feldespato, zeolitas) Sodio 2,7 Cloruro (sal de roca, agua de los océanos); silicatos (feldespato, zeolitas) Potasio 2,4 Cloruro; silicatos (feldespato, mica) Magnesio 1,9 Carbonato; cloruro (agua de mar); sulfato (epsomita) Hidrógeno 0.7 Óxido (agua); gas natural y petróleo; materia orgánica Titanio 0,4 Óxido Cloro 0,2 Sal común (sal de roca, agua de los océanos) Fósforo 0,1 Fosfatos; materia orgánica El restob 0,8 *La corteza terrestre se considera que consiste en la corteza sólida, las aguas terrestres y la atmósfera. Este apartado incluye C, N y S, todos esenciales para la vida, y elementos menos abundantes, aun- que comercialmente importantes, como B, Be, Cr, Cu, F, I, Pb, Sn, y Zn.

OBTENCIÓ DE L'HIDROGEN

La font principal d'Hidrogen es l'aigua (hidrosfera). També tenim unes grans fonts que son: el gas natural del petroli i la materia orgânica (litosfera).

ISÒTROPS

Z X A A: número massic: nº protons + nº neutrons. Z: número atòmic: nº protons. X: nombre de l'element.

• Isòtrops: tenen en comú el número de prontos (Z). Dins de l'H2, els isotrops es diferencien pel número massic. H2 presenta 3 isòtrops:

Z Name Symbol Nuclear spin Molar mass (g·mol-1) Abundance (%) 1 hydrogeno protium H 1/2 1.008 99.98 1 deuterium 2H or D 1 2.014 0.02 1 tritium 3H or T 1/2 3.016 radioactive * Els 3 isòtops naturals de l'hidrogen: proti, deuteri, triti 4 (feldespato, arcilla, mica)El triti és radioactiu:

• Aquest es genera en capes altes de l'atmosfera per la reacció de transmutació nuclear. 14,N + 1.n -> 126C + 37H
• A més, també pot generar-se en els generadors nuclear (realitzada pels humans). 63Li + 1.n -> 42He + 3H

ISÒTROPS DE HIDROGEN

En qué es diferencien el proti i el deuteri?

El proti i el deuteri es diferencien en dues propietats atomiques molt importants:

• La massa: depen del nº protons i nº neutrons. - m = 1 m = 2 -
• L'espí nuclear: en particul.les nuclears, els protons i els neutrons tenen espí nuclear (s'utilitza en espectroscopia). - +1/2 +1/2 +1/2 = 1 - En canvi, si tinguerem molecules homonuclears (diatomiques), com per exemple: H2, D2, T2:
• Diferencies útils des del punt de vista practic: En general la radioactivitat nomes depen de els electrons i els protons, és a dir, la massa atòmica. Principalment, apareixen diferencies físiques significatives. Alhora, també apareixen diferencies químiques practicament identiques a les diferencies físiques però són menys significatives (mínimes).

Constantes físicas H2 D2 T2 Masa atómica (uma) 1,0078 (H) 2,0141 (D) 3,0160 (T) Punto de ebullición (K) 20.6 23,9 25,2 Longitud de enlace (A) 0,7414 0,7414 0.7414 Energía de enlace (KJ.mol-1)* 435,5 443,4 446,9 Calor latente de fusión (KJ.mol-1) 0,117 0,197 0,250 Presión de vapor (mm Hg) 54 5.8 * medida a -259.1 ℃ 5

EFECTES DE LA DEUTERACIÓ

(H2O, D2O)

• Deuteració: proces en el qual l'Aigua amb dos atoms de hidrogen es transforma en aigua amb dos àtoms de deuteri (aigua pesada/ òxid de deuteri). H-X+ D2O - D-X + D-O-H H-C + D20 -> no reaccionen

PROPIETATS DEL DEUTERI

• Propietats físiques: són significatives. 1 Punt fusió, 1 punt ebulllició, 1 densitat, I punt vaporització
• Propietats químiques: son similars a les propietats físiques però menys significatives. En aquestes apareix l'energia d'enllaç.

Propietat H2 D2 H2O D2O T ebullició/℃ -252,0 -249,7 100,0 101,42 EE/Kj.mol-1 436,0 443,3 463,5 470,9 EE (H-O) < EE (D-O)

Propietat H2O D20 Punt d'ebullició (℃) 100.00 101.42 Punt de congelació (℃) 0.00 3.82 Densitat a 0℃ (gm/cm2) 0.999841 1.10469 P de vapor a 20℃ (bars x 102) 2.3379 2.0265 T de màxima densitat (°C) 4.0 11.6 Temperatura crítica (°C) 374.1 371.5 Pressió crítica (bars) 220.6 221.5 Producte d'ionització, Kw a 25°℃ 1 × 10-14 0.3 × 10 Constant dieléctrica a 20°℃ 80.36 79.755 Tensió superficial a 19℃ (dines/cm) 73.66 72.83 Viscositat a 20°C (centipoise) 1.009 1.260 Index de refracció, nd a 20℃ 1.33300 1.32844 Solubilitats representatives a 25°℃ (g/g d'aigua) NaCl 0.359 0.305 BaCl2 0.357 0.289 -14 Això, es degut a que l'enllaç de deuteri costa mes de trencar perque és més fort. Per tant, la velocitat de la reacció química es menor. Fins i tot, també afecta a les constants d'equilibri (també relaciones amb la velocitat). El Deuteri no pot mantenir la vida 6

AIGUA PESADA (D2O)

Com s'obté l'aigua deuterada?

Pvapor (H2O) > Pvapor (D2O) Per exemple: El Mar Mort no té eixida ni li aflueixen rius. Per tant, poquet a poquer s'evapora l'H20 i es concentren les sals (deposits salins). És a dir, que l'H2O que queda en el Mar Mort s'enricheix en atoms de deuteri. Això, reb el nom de efecte isotropic. L'aigua deuterada s'obté per electrolisis: 2H2O (1) -> 2H2 (g) + O2(g) 30 L 1mL H2O 'electrolisis D20 (99%) El resultat és la condensació del H2O en D2O. 30L 20L 1ml 7 - H2O ampolla H2O - d2 99% D 1% H 99,98% H 0,02% 99 % H 1 % D electrolisi continues cicles de electrolisi El problema es que necessita molta llum per a obtindre D2O. Aquesta llum ha de ser barata per a que siga rentable. 7

PROPIETATS ATÒMICS DEL H

L'hidrogen no pot associar-se a cap grup del sistema periodic. Tabla 10.3. Algunas propiedades seleccionadas del hidrógeno, litio y flúor Litio Hidrógeno Flúor Electrones de valencia Radio atómico, Å Radio iónico, Å(N.C. = 6) 1s22s1 1s1 1,55 0,32 252205 0,72 1,19 1,16 1,53 (H-) 0,000015 (H+) x Pauling Z/r (r = iónico) 1,0 2,1 4.0 0,86 0,65 (H-) 67.000 (H+) 0,84 Estados de oxidación +1 + 1 (covalente) - 1 (iónico) -1 Energía de ionización kJ/mol 520 1.312 11 1.680 Sense efecte d'apantallament Afinidad electrónica kJ/mol -58 -77 4 -333 Repulsió de l'altre e- per r$ Energía de enlace X-X kJ/mol. .. 436,4 150,6 Anem a comparar l'hidrogen amb alcalins i halurs.

ALCALINS

Alcalins: ns1

Li (g) -> Li + (g) + e- El = 520 Kj/mol H2 (g) -> H + (g) + e- El = 1312 Kj/mol

• Els alcalins tenen la facilitat de perdre electrons de valencia per a aconseguir una capa de gas noble. No obstant això, l'H no te aquesta capa de valencia propera per poder formar un gas noble, per tant, és molt difícil arrancar els electrons. L'Hidrogen no pot ser un alcali.
• Electronegativitat: X (Li) = 1 X (H) = 2,01 EN (H) >EN (alcalino) Obsevant els valors, l'H és massa electronegatiu per a poder ser un alcali. 8

HALOGENS

Halogens: ns2 np5

F (s) + e- - > F · (g) + e- EA = - 333 Kj/mol; (molt negativa, s'allibera molta energia). H (g) + e- - > H (g) + e- EA = - 77 Kj/mol; (te molt poca tendencia a formar hidrurs). AE(H) <JAEl(halógenos) Per tant, H no es pot considerar un halur.

• Electronegativitat: X (F) = 4 X (H) = 2,01 EN(H) << EN (halógeno) Obsevant els valors, l'H és molt poc electronegatiu per a ser un halogen. Des del punt de vista electronegatiu, el H s'aproxima al Carboni (C), el qual li dona estabilidad per a les molecules hidrocarbonades. Per tant, es considera un no metall debilment electronegatiu.

Tabla 7.2 Razones en favor y en contra para colocar al hidrógeno en el grupo 1 0 17 Argumento a favor Argumento en contra Grupo de metales alcalinos Forma un ion monopositivo, H+ (H3O+) Es un no metal Tiene un solo electrón s No reacciona con el agua Grupo de halógenos Es un no metal Es raro que forme el ion mononegativo, H" Forma una molécula diatómica Es comparativamente poco reactivo En definitiva, H no és de cap grup del sistema periodic, ele constitueix el seu propi grup. H és un element únic.

FORMES DE COMBINACIÓ DE H

H + forma un enllaç ionic?

L'H és una especie molt polaritzant (tendencia a la covalencia). Es considera un acid de Lewis i un àcid dur en la terminologia de Pearson. Al ser tan polaritzant no es pot trobar aquesta especie en esta solid perquè no existeix. Per tant, la forma de estabilitzar-lo i conseguir el protó és en dissolució. Per tant H + no forma enlaça iònic.

H . forma un enllaç ionic?

Radi (H) = 0,32 Å R (H +) = 0,00015 Å R (H :) = 1,53 Å Estes dades ens afirmen que el protó (H +) és diminut, per tant, mai està en estat sòlid. 9

En canvi, H - és molt gran, per tant, molt polaritzable. Es a dir, és molt facil de disperssionar el núbol electronic, tenint així tendència a la covalència. Aquest hidrur es considera com una base forta de Lewis i una base "tova", facilment deformable. La única forma de poder estabilitzar H és en estat solid. Per exemple: LiS (s), CsH (s) Però, no existeix en dissolució perquè els electrons son una base forta encara mes forta que H2O. H .(s) + H20 -> H2 + OH D'aquesta manera, H . reacciona i es redueix H2O. Conclusió: L'H no te cap tendencia a la covalencia per formar enllaç iònic. Solament té tendencia a la covalència.

QUÍMICA COVALENT

La forma mes comu de vore un enllac de H es en forma covalent. H - O Exemple: H20, CH4, NH3, HF. L'H forma dos tipus d'enllaços únics:

• Enllaços pot d'hidrur.
• Enllaços pont d'hidrogen.

ENLLAÇ PONT D'HIDRUR

B . H . B L'H té carrega parcial negativa. En aquest tenim 3 centres* i 2 electrons, els quals presenten deficiencia electronica. * 3 centres: B, H, B. 10