Tema 5. Los gases nobles y el hidrógeno . Existencia, usos y ...

Tema 5. Los gases nobles y el hidrógeno. Existencia, usos y propiedades de los gasesnobles. 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 sonquímicamente casi inertes. A diferencia de los otros gases no metálicos, estos se encuentran en la naturaleza enestado atómico.1

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 deátomos de hidrógeno a temperaturas que superan los 15 millones de grados Celsius. El helio terrestre resulta de la emisión de partículas alfa (He 2+ ) en el decaimientoradiactivo 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 enconcentraciones que van de 0.5 a 2.4% en volumen. Se puede separar de otros gases aplicando suficiente presión a baja temperatura. El helio tiene un punto de ebullición muy bajo, -268.9°C (4.2 K). Jamás se han preparado compuestos estables de helio.2

El primer uso práctico del helio lo constituyó la sustitución delhidrógeno como gas en los globos aerostáticos. Tiene casi la mismadensidad del hidrógeno, pero no es inflamable ni tóxico. Cuando el líquido se enfría a -271°C (2.2 K) el heliolíquido normal (denominado helio I) se convierte enun super fluido (llamado helio II). Como super fluido, el helio II es un conductortérmico casi perfecto.HeIIHeI También tiene casi cero viscosidad. observando la ascensión espontánea del líquido (comouna capa fina) por las paredes externas del recipiente.3

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 paraproveer una atmósfera inerte. En virtud de su naturaleza inerte, el argón se emplea tambiénpara eliminar el oxígeno gaseoso disuelto en metales fundidos enprocesos metalúrgicos.4

Kriptón y xenón Los elementos del grupo 18 se denominarongases inertes hasta 1963. En ese tiempo Bartlett estaba investigando elgran poder oxidante del hexafluoruro de platinoPtF 6 . Cuando este compuesto entra en contactocon el oxígeno cambia de color y produce unasustancia iónica de fórmula O 2 PtF 6 .o EA O 2 (1176 kJ/mol)o EA xenón (1167 kJ/mol). Bartlett supuso que también el xenón debería ser oxidado por el PtF 6 . Tenía razón. Lareacción es rápida y visiblemente dinámicaXe(g) + PtF 6 (g) Xe PtF 6 (g)rojo anaranjado amarillento5

Calentando xenón y flúor (en una relación 1:5) en un recipiente de níquel a 400°C y 6 atmdurante una hora, obtuvieron el tetrafluoruro de xenón, XeF 4 También fueron sintetizados otros dos fluoruros, XeF 2 y XeF 6 Además, se han preparadonumerosos compuestos de xenón yoxígeno (XeO 2 , XeO 3 ) y compuestosternarios que contienen Xe, F y O(XeOF 4 , XeO 2 F 2 ). También se han preparado algunoscompuestos de kriptón (KrF 2 , porejemplo). El xenón tiene aplicaciones limitadasen medicina como anestésico.6

Radón Los isótopos del radón son radiactivos; el de más larga duración es el radón-222, con unavida media de 3.8 días. Hay alguna evidencia de que el radón forma el di fluoruro (RnF 2 ) 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 ampliaszonas, una vez formado el radón se difunde en losedificios 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.7

El hidrógeno El hidrógeno es el más sencillo de los elementosconocidos; su forma atómica más común contiene sólo un protóny un electrón. En el estado atómico, el hidrógeno tiende acombinarse para formar hidrógeno molecular a través de una reacciónexotérmica:H(g) + H(g) H 2 (g) ∆Hr = -436.4 kJ El hidrógeno(H 2 ) es un gas incoloro, inodoro e inocuo, que hierve a -252.9ºC (20.3 ºK).Descubrimiento Paracelso (s. XVI) observó «un aire que se desprendía al hacerreaccionar un ácido sobre hierro y que era inflamable» Identificado como elemento por Cavendish (1776) Lavoisier(1743-1794-: Gr. hidrogen (generador de agua)8

ABUNDANCIA El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, constituyendo el 92% desu masa total. Es el tercer elemento en abundancia en la cortezaterrestre. A diferencia de Júpiter y Saturno, la Tierra no tiene unafuerza gravitacional lo suficientemente grande pararetener a las ligeras moléculas de H 2 , así que el hidrógenono se encuentra en nuestra atmósfera. Normalmente se encuentra combinado:‣ H 2 O: 80% del planeta está cubierto de agua‣ compuestos orgánicos: materia viva: carbohidratos y proteínas. Elementoindispensable para los seres vivos.‣ combustibles fósiles: hidrocarburos y gas natural9

Ubicación en el Sistema periódicoLa configuración electrónica de H es 1s 1 .‣ El grupo de los alcalinos (Grupo 1) por tener un solo electrón s. Se parece a los metalesalcalinos pues puede oxidarse al ion H + , que existe en forma hidratada en lasdisoluciones acuosas‣ En el grupo de los halógenos, (Grupo 17) puesto que le falta sólo un electrón paracompletar su última capa. El hidrógeno también se parece a los halógenos ya que se puedereducir a ion hidruro, H - , que es isoelectrónico con helio (1s 2 )‣ En el grupo del carbono (Grupo 14) por tener su última capa está semillena. El hidrógeno forma un gran número de compuestos covalentes. También toma parte del enlace de hidrógeno.10

Usos y producción de Hidrógeno El hidrógeno gaseoso desempeña un importante papel en los procesos industriales. Casi e195% del hidrógeno producido tiene un uso cautivo; se produce en o cerca de la plantadonde se usa para procesos industriales tales como la síntesis del amoniaco o lahidrogenación. La preparación más importante a escala industrial es la reacción entre el propano (alcanosvolátiles) y vapor de agua en presencia de un catalizador a 900°C:C 3 H 8 (g) + 3H 2 O(g) 3CO(g) + 7H 2 (g) En otro proceso el vapor se pasa sobre un lecho de coque calentado al rojo gas de aguaC(s) + H 2 O(g) CO(g) + H 2 (g) El gas de agua se usó como combustible por muchos años debido a que tanto el CO comoel H 2 se queman en el aire.11

Reacciones y diagrama12

En el laboratorio se pueden prepararconvenientemente pequeñas cantidades dehidrógeno gaseoso por la reacción de zinc conácido clorhídrico diluido:Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl 2 (ac) + H 2 (g) El hidrógeno gaseoso muy puro se puede obtener porelectrólisis del agua.Cátodo H + + 1e - 1/2H 213

USOS COMERCIALES MAS RELEVANTES DEL HIDRÓGENO14

Hidruros binarios Los hidruros binarios son compuestos que contienen hidrógeno y otro elemento, ya seametal o no metal, estos hidruros pueden dividirse en tres tipos: 1) hidruros iónicos, 2)hidruros covalentes, y 3) hidruros intersticiales.2Li(s) + H 2 (g) 2LiH(s)Ca(s) + H 2 (g) CaH 2 (s) Los hidruros iónicos son sólidos que tienen los altos puntos de fusión característicos delos compuestos iónicos. El anión de estos compuestos es el ion hidruro, H - , que es una base de Brönsted muyfuerte. Fácilmente acepta un protón de un donador de protones como el agua:H - (ac) + H 2 O(l) OH - (ac) + H 2 (g)15

Hidruros covalentes. En los hidruros covalentes el átomo de hidrógeno está enlazadocovalentemente al átomo de otro elemento.‣ Unidades moleculares discretas, como el HCl y NH 3 ,‣ Estructura polimérica compleja, como (BeH 2 ) z y (AlH 3 ) z ,16

Hidruros intersticiales. El hidrógeno molecular forma numerosos hidruros con los metales de transición. Larelación de átomos de hidrógeno a átomos metálicos no es una constante. Estoscompuestos se denominan hidruros intersticiales. ( TiH 1.8 y TiH 2 ) Muchos de los hidruros intersticiales conservan propiedades metálicas como laconductividad eléctrica pero no es clara la naturaleza del enlace. El hidrógeno gaseoso se absorbe con rapidez en lasuperficie del paladio metálico, donde se disocia enhidrógeno atómico. Entonces los átomos de hidrógeno se"disuelven" en el metal, estos átomos se difunden a través delmetal y se recombinan para formar hidrógeno molecular, elH Hcual emerge como gas por el otro extremo este proceso se hausado para separar el hidrógeno de otros gases.18

Isótopos del hidrógeno El hidrógeno tiene tres isotopos: 1 H (hidrógeno), 2 H (deuterio, símboloD), y 3 H (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 años2 H3 H19

El Mar Muerto, que por miles de años ha atrapado aguaque no tiene otra salida que la evaporación, tiene unarelación [D 2 O]/[H 2 O] mayor que el agua de cualquier otrositio del mundo. El D 2 O es una sustancia tóxica debido a que el deuterio esmás pesado que el hidrógeno y hace que sus compuestosreaccionen más lentamente que los del isótopo más ligero. Debido a la menor velocidad de transferencia del D + comparada con la del H + en lasreacciones ácido-base implicada, en la catálisis enzimática. El efecto isotópico también se manifiesta en las constantes de ionización de losácidos.CH 3 COOH(ac) CH 3 COO - (ac) + H + (ac) K a = 1.8 x 10 -5CH 3 COOD(ac) CH 3 COO - (ac) + D + (ac) K a = 6 x 10 -621

La economía del hidrógeno El hidrógeno gaseoso podría reemplazar a la gasolina para mover los automóviles o sepodría usar con el oxígeno gaseoso en las celdas de combustión para producir electricidad. Una ventaja fundamental en el uso delhidrógeno gaseoso es que el productofinal formado en el motor de hidrógeno oen la celda de combustión sería el agua.2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) El éxito potencial de la denominadaeconomía del hidrógeno dependería decuán barato pueda producirse el hidrógeno gaseoso y cuán fácilmente se pueda almacenar.22

Hidrogenación La hidrogenación es la adición de hidrógeno acompuestos que contienen enlaces múltiples,en especial enlaces C=C y O=C .Lahidrogenación es un importante proceso en laindustria alimentaria .23