Tema 5. Los gases nobles y el hidrógeno. Existencia, usos y propiedades de los gases nobles. Isótopos del hidrógeno. Hidruros binarios. Hidrogenación. Economía del hidrógeno.
Los elementos del grupo 18 (a veces conocido como los elementos del grupo 0) se denominan Gases Nobles: helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón
Como sus subcapas externas s y p están por completo llenas, estos elementos son químicamente casi inertes.
A diferencia de los otros gases no metálicos, estos se encuentran en la naturaleza en estado atómico.
Helio
El helio se detectó en el Sol a través del espectro de emisión.
En el interior del Sol el helio se produce por fusión de
átomos de hidrógeno a temperaturas que superan los 15 millones de grados Celsius.
El helio terrestre resulta de la emisión de partículas alfa (He2+) en el decaimiento radiactivo de elementos tales como el uranio y el torio en la corteza terrestre.
El helio gaseoso así formado se mezcla con el gas natural y se encuentra en concentraciones que van de 0.5 a 2.4% en volumen.
Se puede separar de otros gases aplicando suficiente presión a baja temperatura.
El primer uso práctico del helio lo constituyó la sustitución del
hidrógeno como gas en los globos aerostáticos. Tiene casi la misma densidad del hidrógeno, pero no es inflamable ni tóxico.
Cuando el líquido se enfría a -271°C (2.2 K) el helio
líquido normal (denominado helio I) se convierte en un super fluido (llamado helio II).
Como super fluido, el helio II es un conductor
térmico casi perfecto.
También tiene casi cero viscosidad. observando la ascensión espontánea del líquido (como una capa fina) por las paredes externas del recipiente.
HeII
Neón y argón
Tanto el neón corno el argón tienen importantes usos prácticos.
El neón se usa en la iluminación eléctrica como "luces de neón".
El neón líquido se usa en la investigación de bajas temperaturas.
El argón se usa sobre todo en los bulbos eléctricos luminosos para proveer una atmósfera inerte.
En virtud de su naturaleza inerte, el argón se emplea también para eliminar el oxígeno gaseoso disuelto en metales fundidos en procesos metalúrgicos.
Kriptón y xenón
Los elementos del grupo 18 se denominaron gases inertes hasta 1963.
En ese tiempo Bartlett estaba investigando el gran poder oxidante del hexafluoruro de platino PtF6. Cuando este compuesto entra en contacto con el oxígeno cambia de color y produce una sustancia iónica de fórmula O2 PtF6.
o EA O2 (1176 kJ/mol)
o EA xenón (1167 kJ/mol).
Bartlett supuso que también el xenón debería ser oxidado por el PtF6. Tenía razón. La reacción es rápida y visiblemente dinámica
Xe(g) + PtF6(g) Xe PtF6 (g)
Calentando xenón y flúor (en una relación 1:5) en un recipiente de níquel a 400°C y 6 atm durante una hora, obtuvieron el tetrafluoruro de xenón, XeF4
También fueron sintetizados otros dos fluoruros, XeF2 y XeF6 Además, se han preparado numerosos compuestos de xenón y oxígeno (XeO2, XeO3) y compuestos
ternarios que contienen Xe, F y O (XeOF4, XeO2F2).
También se han preparado algunos compuestos de kriptón (KrF2, por
ejemplo).
El xenón tiene aplicaciones limitadas en medicina como anestésico.
Radón
Los isótopos del radón son radiactivos; el de más larga duración es el radón-222, con una vida media de 3.8 días.
Hay alguna evidencia de que el radón forma el di fluoruro (RnF2) y algunos complejos.
El radón se forma como producto en la serie de decaimiento radiactivo del uranio-238.
Se pensaba que el radón sólo se liberaba en las minas (minas de uranio y fosfato).
Se sabe que el radón es liberado del suelo en amplias zonas, una vez formado el radón se difunde en los edificios a través de los cimientos.
El radón presente en el aire es respirado y exhalado. Pero sus productos de decaimiento son só1idos; produce unas 10.000 muertes anuales.
El hidrógeno
El hidrógeno es el más sencillo de los elementos conocidos; su forma atómica más común contiene sólo un protón y un electrón. En el estado atómico, el hidrógeno tiende a combinarse para formar hidrógeno molecular a través de una reacción exotérmica:
H(g) + H(g) H2(g) ∆Hr = -436.4 kJ
El hidrógeno(H2) es un gas incoloro, inodoro e inocuo, que hierve a -252.9ºC (20.3 ºK).
Descubrimiento
9 Paracelso (s. XVI) observó «un aire que se desprendía al hacer reaccionar un ácido sobre hierro y que era inflamable»
9 Identificado como elemento por Cavendish (1776)
ABUNDANCIA
El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, constituyendo el 92% de su masa total.
Es el tercer elemento en abundancia en la corteza terrestre.
A diferencia de Júpiter y Saturno, la Tierra no tiene una fuerza gravitacional lo suficientemente grande para retener a las ligeras moléculas de H2, así que el hidrógeno
no se encuentra en nuestra atmósfera.
Normalmente se encuentra combinado:
¾ H2O: 80% del planeta está cubierto de agua
¾ compuestos orgánicos: materia viva: carbohidratos y proteínas. Elemento indispensable para los seres vivos.
Ubicación en el Sistema periódico
La configuración electrónica de H es 1s1.
¾El grupo de los alcalinos (Grupo 1) por tener un solo electrón s. Se parece a los metales alcalinos pues puede oxidarse al ion H+, que existe en forma hidratada en las
disoluciones acuosas
¾En el grupo de los halógenos, (Grupo 17) puesto que le falta sólo un electrón para completar su última capa. El hidrógeno también se parece a los halógenos ya que se puede reducir a ion hidruro, H-, que es isoelectrónico con helio (1s2)
¾En el grupo del carbono (Grupo 14) por tener su última capa está semillena.
9 El hidrógeno forma un gran número de compuestos covalentes.
Usos y producción de Hidrógeno
El hidrógeno gaseoso desempeña un importante papel en los procesos industriales. Casi e1 95% del hidrógeno producido tiene un uso cautivo; se produce en o cerca de la planta donde se usa para procesos industriales tales como la síntesis del amoniaco o la hidrogenación.
La preparación más importante a escala industrial es la reacción entre el propano (alcanos volátiles) y vapor de agua en presencia de un catalizador a 900°C:
C3H8(g) + 3H2O(g) 3CO(g) + 7H2(g)
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 usó como combustible por muchos años debido a que tanto el CO como el H2 se queman en el aire.
En el laboratorio se pueden preparar convenientemente pequeñas cantidades de hidrógeno gaseoso por la reacción de zinc con ácido clorhídrico diluido:
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
El hidrógeno gaseoso muy puro se puede obtener por electrólisis del agua.
Hidruros binarios
Los hidruros binarios son compuestos que contienen hidrógeno y otro elemento, ya sea metal o no metal, estos hidruros pueden dividirse en tres tipos: 1) hidruros iónicos, 2) hidruros covalentes, y 3) hidruros intersticiales.
2Li(s) + H2(g) 2LiH(s) Ca(s) + H2(g) CaH2(s)
Los hidruros iónicos son sólidos que tienen los altos puntos de fusión característicos de los compuestos iónicos.
El anión de estos compuestos es el ion hidruro, H-, que es una base de Brönsted muy fuerte. Fácilmente acepta un protón de un donador de protones como el agua:
Hidruros covalentes. En los hidruros covalentes el átomo de hidrógeno está enlazado covalentemente al átomo de otro elemento.
¾Unidades moleculares discretas, como el HCl y NH3,
¾Estructura polimérica compleja, como (BeH2)z y (AlH3)z,
Reacciones de los hidruros
LiH + AlH
3Li
+AlH
4-HCl + NH
3NH
4+Cl
Hidruros intersticiales.
El hidrógeno molecular forma numerosos hidruros con los metales de transición. La relación de átomos de hidrógeno a átomos metálicos no es una constante. Estos compuestos se denominan hidruros intersticiales. ( TiH1.8 y TiH2)
Muchos de los hidruros intersticiales conservan propiedades metálicas como la conductividad eléctrica pero no es clara la naturaleza del enlace.
El hidrógeno gaseoso se absorbe con rapidez en la superficie del paladio metálico, donde se disocia en hidrógeno atómico. Entonces los átomos de hidrógeno se "disuelven" en el metal, estos átomos se difunden a través del metal y se recombinan para formar hidrógeno molecular, el cual emerge como gas por el otro extremo este proceso se ha usado para separar el hidrógeno de otros gases.
Isótopos del hidrógeno
El hidrógeno tiene tres isotopos: 1H (hidrógeno),2H (deuterio, símbolo D), y 3H (tritio, símbolo T).
Las abundancias naturales de los isótopos estables del hidrógeno son: hidrógeno 99.985%; y deuterio 0.015%.
El tritio es un isótopo radiactivo cuya vida media es de unos 12.5 años
2
H
3
Propiedades de H2O y D2O
Pm 18.0 20.0
P.f. 0 3.8
P.e. 100 101.4
δ(g/cc) 1.000 1.108
El óxido de deuterio, o agua pesada se usa en algunos reactores nucleares como refrigerante y moderador de reacciones nucleares.
D2O se puede separar de H2O por destilación fraccionada porque el H2O.
El Mar Muerto, que por miles de años ha atrapado agua que no tiene otra salida que la evaporación, tiene una relación [D2O]/[H2O] mayor que el agua de cualquier otro sitio del mundo.
El D2O es una sustancia tóxica debido a que el deuterio es más pesado que el hidrógeno y hace que sus compuestos reaccionen más lentamente que los del isótopo más ligero.
Debido a la menor velocidad de transferencia del D+ comparada con la del H+ en las reacciones ácido-base implicada, en la catálisis enzimática.
El efecto isotópico también se manifiesta en las constantes de ionización de los ácidos.
CH3COOH(ac) CH3COO-(ac) + H+(ac) Ka = 1.8 x 10-5
La economía del hidrógeno
El hidrógeno gaseoso podría reemplazar a la gasolina para mover los automóviles o se podría usar con el oxígeno gaseoso en las celdas de combustión para producir electricidad.
Una ventaja fundamental en el uso del hidrógeno gaseoso es que el producto final formado en el motor de hidrógeno o en la celda de combustión sería el agua.
2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)
El éxito potencial de la denominada economía del hidrógeno dependería de
Hidrogenación
La hidrogenación es la adición de hidrógeno a compuestos que contienen enlaces múltiples, en especial enlaces C=C y O=C .La hidrogenación es un importante proceso en la industria alimentaria .
