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2 2
2 2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( )
Ca s H g CaH s
CaH s H O l Ca OH s H g
+ →
+ → +
2 2 2
2 2 2 2
.9 ( 1) 2 2
2 2
n
n n
Na S H O n S HCl NaCl H S
S Cl H S HCl H S −+
+ − + → +
+ → +
2
Abstract:
In the following work I will present the topic of Hydrogen, talking about its principal’s
characteristics, ways of producing it and the industry ´s applications. Then, I choose as an
example of a Hydrogen compound to study: Hydrides. I will mention the principal
characteristics, classification and the importance of it for industries. To go deep in this topic,
I will present briefly, the most relevant and important information about Boranes and
Hydrogen peroxide.
It is clear that I could develop more deeply the topics of this work. Nevertheless, the
principal objective of it, is to give a basic and a general idea about all this issues presented,
not to go deeply in all of them. That means, to show the most relevant, clear, interesting and
meaningful information about it, in order to allow the reader to go deep by itself in the topics
that more interested it. This work will become too large if we go deep in all the issues that I
present, and that is not the objective.
Resumen
En el siguiente trabajo se presentará el tema Hidrógeno, mencionándose sus
principales características, formas de obtención, y aplicaciones. Se plantea luego tomar
como ejemplo de compuestos de hidrógeno para estudiarlos: los Hidruros. Por lo cual
desarrollaré sus características, la clasificación, su importancia a nivel industrial. Tomaré
como ejemplo de estos compuestos para desarrollar brevemente y profundizar: los Boranos
y el peróxido de Hidrógeno, presentando la información más importante y relevante.
Es claro que se podría desarrollar más los temas aquí planteados, sin embargo el
objetivo de este trabajo no es dar una completa profundización de todos los puntos tratados
en este, sino que, en realidad, es presentar una idea básica y general de todos los temas
aquí tratados. Es decir, mostrar la información más relevante, clara, interesante y
significativa sobre estos, para que el lector pueda profundizar luego en los temas que más
el interesaron. Para lograr una correcta profundización, este trabajo se volvería demasiado
extenso, lo cual no es uno de los objetivos de este.
3
El Hidrógeno es, según la teoría del Big Bang, el primer átomo en existir y el que por
fusión nuclear en estrellas origina todos los restantes. Es también, el primer elemento de la
tabla periódica, posee un protón, pero ningún neutrón, y un electrón ubicado en el orbital 1s.
Se ubica sobre la familia de los alcalinos térreos, pero se le representa separado de estos
por no ser del todo similares sus propiedades y características. Es un gas incoloro, insípido
e inodoro a temperatura ambiente y en condiciones normales. Existen tres isótopos
conocidos: Protio, Deuterio y Tritio. En su estado gaseoso natural el hidrógeno molecular es
en realidad, una mezcla de las moléculas H2, D2, HD, T2, HT y DT. Se le utilizaba
comúnmente en globos aerostáticos por se un gas muy ligero, pero debido a su alto poder
de combustión, era muy peligroso para emplearlo de esta forma. En cuanto a abundancia,
es el elemento químico más abundante en el universo bajo la forma de diversos
compuestos. Cuando actúa con el número de oxidación -1 forma los hidruros, cuando
actúa con número de oxidación +1 forma compuestos iónicos en su mayoría, dando lugar a
formas catiónicas variadas como el H3O+, el NH4
+, entre otros ejemplos. En el caso de los
hidruros, podemos decir que, la naturaleza de estos compuestos es variada, existen
hidruros covalentes, iónicos, metálicos, entre otros. Muchos de ellos presentan aplicaciones
importantes. Como estudio de un hidruro, podemos tomar como ejemplos los Boranos y el
peróxido de hidrógeno como un ejemplo específico de hidruros.
En cuanto a otras propiedades del átomo del elemento hidrógeno, podemos
mencionar: su punto de ionización es 1309 KJ/mol, su electronegatividad según la escala de
Pauling es 2,1, siendo su afinidad electrónica -77KJ/mol. Su radio iónico para la especie H-
es 1,53Å y para la especie H+ es 0,000015Å. Su punto de fusión es alrededor de 14,1K y
su punto de ebullición es 20, 4 K en condiciones normales. Esto nos indica la gran debilidad
de las fuerzas intermoleculares entre las moléculas de hidrógeno. Por lo cual, usualmente el
hidrógeno no es muy reactivo, puesto que se lo encuentra normalmente formando
moléculas consigo mismo y el enlace covalente H-H es muy difícil de romper por su
estabilidad. A temperaturas de 4000K recién el 60% de las moléculas de hidrógeno se
4
encuentran disociadas, siendo su calor de disociación 431,7KJ/mol. La reacción más
poderosa en la que participa es con el oxígeno, siendo de esta forma muy inflamable.
Dichas moléculas presentan disociación homolítica en superficies metálicas y
heterolítica en superficie metálica o por la presencia de iones metálicos. La mayor
peculiaridad es que existen en realidad dos clases de hidrógeno molecular: para-hidrógeno
y orto- hidrógeno, dependiendo del momento magnético de cada átomo del elemento
hidrógeno que compone la molécula. Finalmente podemos decir, que el Hidrógeno es un
elemento no metálico, que en ciertas condiciones de presión y temperatura, como las que
se dan en el planeta Júpiter, se puede observar como este se comporta como metal.
Luego de realizada esta breve introducción del tema desarrollaré acerca de el
Hidrógeno, su descubrimiento, usos, características, propiedades, aplicaciones y
particularidades, entre otras cosa. Por otro lado, luego de lo anterior, desarrollaré Hidruros,
aplicando parte de lo expresado en la parte anterior acerca del Hidrógeno, mencionando
qué son, sus características y clasificación, tanto como las aplicaciones y ejemplos de
estos.
5
Boyle, tanto como Lémery, habían logrado obtener este gas, e incluso a Lémery le
exploto un balón lleno de este, pero es recién Cavendish, en 1766, el primer científico en
plantear su existencia. Este científico logra demostrar que el gas desprendido al actuar el
ácido sulfúrico sobre el hierro era un elemento nuevo. Este era combustible y al principio se
le atribuyó su origen al metal y no al ácido. Se le denominó gas inflamable, hasta que este
mismo científico probó que al combinarlo con oxígeno producía agua. Llega a escribir cerca
de 20 artículos al respecto de esta reacción y de este misterioso gas inflamable,
presentándolos a la Royal Society de Londres. Lavoasier, es quien, años más tarde,
basándose en su capacidad de formar agua, le denomina Hidrógeno, es decir, generador de
agua. Luego recién por 1932, Harold Clayton Urey, científico de la Universidad de
Columbia, descubre el primer isótopo de este elemento, el Deuterio. Hay aproximadamente
un átomo de deuterio cada 6500 átomos de Hidrógeno. Dos años después, Marcus Oliphant
descubre el Tritio, sintetizándolo artificialmente mediante una transmutación nuclear. Sus
nombres significan primero, segundo, tercero, en latín.
Con respecto a los isótopos del Hidrógeno, podemos decir que el más abundante y
estable es el protio, y el más inestable y escaso es el tritio, su vida media es de 12 años,
desintegrándose por emisión beta negativa para dar un átomo del elemento helio. Por cada
átomo de deuterio hay aproximadamente 6500 de protio.
Un importante uso del deuterio es la fabricación de su óxido, es decir el agua pesada:
D2O. Se la puede extraer del agua común por electrólisis. Esto se debe a que el catión
hidrógeno, al poseer una masa menor que la del catión deuterio, se desplaza más rápido al
electrodo negativo que este último, por eso la concentración de deuterio aumenta en la
muestra durante una electrolisis. El aumento de la concentración de deuterio, hace que el
agua sea más pesada por unidad de volumen que lo normal, por lo que de ahí surge el
nombre de agua pesada. Ésta provoca deshidratación, puesto que a nivel de los procesos
biológicos, se demora más su difusión por las células, entre otros efectos que, con el
3 0 3
1 1 2H e Heβ −
−→ +
6
tiempo, perjudica al organismo. En la industria, se la utiliza en los reactores nucleares como
moderador. Tanto el deuterio como el tritio, se puede emplear en el estudio y guía de las
reacciones químicas, por ejemplo mediante la deuteriación y la tritiación.
Para el caso de tritio, podemos mencionar, que su óxido de tritio es considerado el agua
superpesada. Se utiliza el tritio como trazador biológico y como sustituto del radio. Además,
se lo puede utilizar para formar la aleación de magnesio o aluminio que hay dentro de los
reactores nucleares para aportar neutrones para las reacciones.
El tririo puede formarse de acuerdo a las siguientes reacciones:
En esta ecuación química está representado un proceso que ocurre a nivel
atmosférico superior. Los rayos cósmicos bombardean los átomos de nitrógeno de ésta
produciendo dichos productos. El tritio precipita luego en forma de lluvia formando diversos
compuestos, pero los estudios revelan que es muy poca su cantidad en tierra y en el
océano. Pero, también podemos obtenerlo dentro de reactores, el proceso se representa
mediante la siguiente ecuación química:
Retomando las características del Hidrógeno resulta fundamental mencionar su doble
naturaleza, ya que, si bien usualmente se le sitúa en la tabla periódica en el grupo alcalino,
se lo podría colocar en el grupo de los halógenos. Comparte propiedades similares con
átomos de estos dos grupos, ya que posee un solo electrón como el litio, pero le falta otro
para completar su nivel de energía ya adquirir la configuración electrónica estable del gas
noble más próximo, al igual que los halógenos. Exhibe también, propiedades metálicas,
pero a su vez, su electronegatividad es más similar a la de los halógenos que a la de los
metales alcalinos. Su comportamiento, dado dicho valor, es similar al del estado anfótero.
Por otro lado, dada su electronegatividad, puede ser clasificado también, dentro del grupo
14 de la Tabla. De esta forma es que se justifica el hecho que aparezca representado
separado del primer grupo de la tabla periódica.
Debido a lo expuesto anteriormente, y a su elevada energía de ionización de
1312KJ/mol, se justifica que actúe con dos números de oxidación fundamentales: +1 y -1,
pudiéndose combinar con metales y no metales. Generalmente, el hidrógeno en el estado
de oxidación +1, va ha estar formando enlaces covalentes con otros átomos debido a dicho
valor elevado de electronegatividad y su alta polarización. Por el contrario, cuando se
14 1 12 3
7 0 6 1N n C H+ → +
6 1 3 4
3 0 1 2Li n H He+ → +
7
encuentre en estado de oxidación -1, debido a su baja afinidad electrónica y a su pequeño
radio de 0,32Å, provoca que al agregarle otro electrón, este sufra una gran repulsión
electrónica aumentando su radio a 2,08Å. La energía de formación del anión H- no se libera
mucha energía, por lo que usarlo para formar compuestos genera productos inestables
porque no hay mucha energía para formarlos y los calores de formación serian positivos. El
ión hidruro es considerado una base de Lewis, mientras que el catión hidrógeno puede
considerarse un ácido de Lewis. En el primer caso el orbital 1s se encuentra lleno, siendo
esta igual a la configuración electrónica del Helio, y en el caso del catión hidrógeno quedan
vacíos.
Cabe destacar por último que el Hidrógeno puede formar, debido a diversas
interacciones los llamados puentes de hidrógeno y enlaces de hidrógeno. Nuevos estudios
cristalográficos han arrojado ciertos datos que permiten proponer reglas para la formación
de estos. Por ejemplo, ciertas geometrías contribuyen a su formación y características, al
igual que ciertas energías de algunas configuraciones.
A pesar de que se lo usan como sinónimos, son interacciones distintas. El enlace de
hidrógeno para algunos químicos es considerado una interacción dipolo-dipolo muy fuerte,
pero otros piensan que es una interacción bastante diferente como para considerarlo como
una interacción distinta. En este último caso se debe a su similitud con un enlace covalente,
pero con ciertas características de interacción dipolo-dipolo. Se lo puede definir como:
“existe un enlace de hidrógeno cuando un átomo de hidrógeno está enlazado a otros dos o
más átomos”. (Huheey, 1997). Su naturaleza aun está en estudio, ya que no pude ser
simplemente un enlace covalente, debido a que el hidrógeno solo posee un orbital 1s
incompleto con poca energía. Uno de dichos enlaces será covalente y el o los otros serán
similares pero más débiles y “largos” (muchas veces son interacciones electroestáticas
debido a dipolos). El caso mas común es en donde el hidrógeno establece este enlace con
átomos muy electronegativos cercanos como el átomo del elemento oxigeno. El puente de
hidrógeno está presente en los compuestos llamados boranos y es una interacción débil. La
existencia del puente de hidrógeno, del enlace de hidrógeno, como la formación de los
conocidos compuestos no estequiométricos de hidrógeno, está relacionada con la
8
particularidad del átomo del elemento hidrógeno de no poseer capas electrónicas que
escuden a los electrones que posee de la carga nuclear.
Es posible observar la alteración que produce el enlace de Hidrógeno en una
molécula. Por ejemplo, si observamos el punto de fusión y ebullición y lo comparamos con
sustancias de naturaleza similar, podremos observar que estos puntos son mayores a los
esperados, puesto que este enlace debe ser roto para que ocurra la fusión o ebullición. La
siguiente figura muestra este efecto:1
A nivel molecular, el enlace de hidrógeno permite que la distancia entre este átomo y
el otro con el cual se enlaza sea pequeña, mucho menor de la esperada, se superponen
radios de Van der Waals. Podemos apreciarlo en la tabla colocada a continuación. En esta
1 Rogers, G. “Química inorgánica”. Editorial Mc Graw Hill. México.
9
tabla, se muestran las distancias calculadas mediante los radios de Van der Waals y las
distancias observadas experimentalmente. 2
Ejemplo A…B (Calc.) A….B (Obs.) H…B (Calc.) H….B (Obs.)
F-H-F 270 240 260 120
O-H….O 280 270 260 170
C-H…O 300 320 260 230
O-H…N 290 280 270 190
Por lo expresado anteriormente, entonces, se debe de estudiar si un átomo del
elemento hidrógeno esta estableciendo un enlace con otro átomo cercano, o simplemente
están muy cerca y las interacciones electroestáticas distorsionan levemente sus orbitales
más externos.
Existen dos grandes tipos de enlace de hidrógeno: el simétrico, formado cuando se
unen al átomo del elemento hidrógeno otros dos por medio de enlaces fuertes como por
ejemplo el FHF- o el representado en la imagen. Por otro lado, está el asimétrico, es la
forma más común, donde hay un enlace covalente común y otro débil entre el átomo del
elemento hidrógeno y dos átomos más. Esto produce que la distancias entre los átomos
que se enlazan al hidrógeno a este sea distinta, X--H------Y. No se conocen con exactitud
las razones de porque se da uno u otro. Puesto que existen FHF- con enlaces de hidrógeno
asimétricos.
3
Un claro ejemplo de los efectos del enlace de hidrógeno es el agua. La molécula de
agua al ser polar, dada la electronegatividad del oxígeno comparada con la de los átomos
de elemento hidrógeno, y al presentar una geometría angular de 104,5º de enlace, forma
estos enlaces con moléculas adyacentes de la siguiente forma: 4
2 Huheey, J. Otros. 1997. “Química inorgánica. Principios de estructura y reactividad”. Editorial Oxford University Press Harla. México.
3 Rogers, G. “Química inorgánica”. Editorial Mc Graw Hill. México.
4 Chang,R. 2002. ”Química”.Editorial Mc Graw Hill. Colombia
10
Podemos apreciar en color rojo el átomo del elemento oxígeno y en gris los de
hidrógeno. Las líneas punteadas son los enlaces de hidrógeno, el cual mide 1,8Å
aproximadamente. Este enlace es el responsable del elevado punto de fusión y ebullición
del agua comparada con otras sustancias similares, de su gran tensión superficial y de que
el hielo flote en el agua líquida. En otras sustancias, la forma sólida no flota en la forma
líquida dado sus densidades. Incluso los enlaces de hidrógeno del agua, permiten que el
hielo ocupe un mayor volumen que la misma cantidad de agua líquida. Por esto, al
congelarse el agua se expande en vez de contraerse.
Esta forma de enlace de hidrógeno es intermolecular, pero también existe la
intramolecular en ciertos compuestos orgánicos. En muchas reacciones de estos
compuestos, los enlaces de hidrógeno intermolecular se convierten en intramolecular, ya
que la entropía les favorece. Los compuestos orgánicos con estos enlaces de hidrógeno
intramolecular son más solubles en compuestos orgánicos y presentan puntos de ebullición
y de fusión más bajos que los isómeros de estos que presentan enlace de hidrógeno
intermolecular.
11
La evidencia que se ha presentado para demostrar la existencia de estos enlaces de
hidrógeno, va más allá de curvas de punto de ebullición o el estudio de sustancia como el
agua. Abarca también el campo del estudio de:
• Difracción de rayos X: Si bien el hidrógeno no es un buen dispersor de estos
rayos, ciertos compuestos de este si lo son. En dichos casos se a observado
que las distancias H-Y, son menores que la suma de los radios de Van deer
Waals, lo que demuestra la presencia de un enlace débil, el enlace de
hidrógeno.
• Difracción de electrones y difracción de neutrones: estas técnicas han
permitido determinar las estructuras de compuestos que presentan estos
enlaces.
• Infrarrojo: Existe una desviación característica del infrarrojo del enlace H-X, la
cual ayuda a determinar, no solo su presencia, sino su fuerza, dependiendo
del desplazamiento observado del infrarrojo. Esta técnica ha demostrado la
debilidad y por ende, presencia del enlace de Hidrógeno en ciertos
compuestos.
• Estudios entrópicos: A bajas temperaturas, ciertos estudios para determinar la
entropía de ciertos compuestos han arrojado como resultado la presencia de
estos enlaces débiles. Estos estudios permitieron comprender mejor las
formas simétricas y asimétricas de este enlace.
Con respecto al puente de Hidrógeno, como ya expresé antes, se da principalmente
en los compuestos denominados Boranos, los cuales son hidruros. Estos compuestos serán
estudiados en detalle más adelante en este trabajo. La naturaleza de este puente aun no es
comprendida completamente, pero se puede explicar a través de la mecánica quántica y los
orbitales atómicos y moleculares tricéntricos. De esta forma se puede mencionar al puente
de Hidrógeno como un “enlace” deslocalizado tricéntrico. Para compuestos más complejos,
dichos orbitales pueden ser multicéntricos, de más de 4 centros. Las estructuras de los
puentes de hidrógeno pueden apreciarse bien en las representaciones de los boranos, las
cuales serán trabajadas más adelante.
A nivel industrial, tanto como en las investigaciones de laboratorio, el Hidrógeno es
comúnmente obtenido a partir de una reacción entre un metal, como es el hierro o el zinc,
12
con un ácido fuerte, como son el ácido sulfúrico, clorhídrico, entre otros. La siguiente
ecuación química ilustra este proceso:
La siguiente imagen muestra un dispositivo utilizado para efectuar la recolección de
Hidrógeno a partir de la reacción del Zinc con el ácido clorhídrico.
5
6
El esquema b es una representación de la lámpara filosófica, la cual es la llama del
hidrógeno que se obtiene y se hace pasar por un tubo de gran calibre con un orifico
pequeño por donde sale el gas hidrógeno obtenido. Es necesario colocar un tubo de ensayo
para hacer que este gas se acumule (figura a), luego se le retira (figura b) acercando una
llama débil. Si, a su vez, se le agrega un tubo largo de dos orificios a dicha llama, se notará
5 Extraído de: Faraselli, L. “Practicas de química inorgánica: Tema 1”. Editorial Barreiro y Ramos S.A. Uruguay. 6 Extraído de: Faraselli, L. “Practicas de química inorgánica: Tema 1”. Editorial Barreiro y Ramos S.A. Uruguay.
2
2( ) 2 ( ) ( ) 2 ( ) ( )Zn s HCl aq Zn aq Cl aq H g+ −+ → + +
13
que se producen distintos tonos, por ende, esta experiencia recibe el nombre de armónica
química. Los sonidos son producto de los cambios de corriente en el aire del tubo debido a
la variación de la llama amarillenta debido al sodio del vidrio y otros componentes de este.
A su vez, también en la industria se destaca el proceso catalítico de reformado de
vapor de hidrocarburos, como método de obtención de Hidrógeno: En este proceso se
mezcla vapores de gas natural o petróleo con vapor de agua sobre un catalizador de níquel,
formándose el syngas o gas de síntesis, el cual, es una mezcla gaseosa de monóxido de
carbono e hidrógeno molecular. Luego, se produce la reacción de desplazamiento del gas
de agua, donde un átomo del elemento oxigeno se transfiere de un reactivo al otro,
ajustándose de esta forma la composición del syngas:
Una alternativa a este proceso es la gasificación de la hulla:
Otras formas de obtenerlo son a partir del petróleo, del gas natural y del carbón
mediante las siguientes ecuaciones respectivamente que tienen que ver con procesos de
craking de estos hidrocarburos:
Por otro lado, el hidrógeno se puede obtener también, a partir de la electrólisis del
agua. Es decir, a través del rompimiento de los enlaces oxígeno-hidrógeno de la molécula
de agua por medio del pasaje de electricidad a través de electrodos. De esta forma se
puede obtener en uno de ellos el hidrógeno gaseoso y en el otro el oxígeno. A nivel
3 8 2 2( ) 3 ( ) 3 ( ) 7 ( )calor
NiCH g HO g CO g H g+ → +
2 32 2 2( ) ( ) ( ) ( )calor
Fe OCO g H O g CO g H g+ → +
2 2( ) ( ) ( ) ( )Calor
NiquelC hulla H O g CO g H g+ → +
4 2 2
3 3 2 2 2
3 6 2 2
2 2
2 2 2
( ) ( ) ( ) 3 ( )
( ) ( )
( ) ( ) 6 ( ) 3 ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
CH g H O g CO g H g
CH CH g CH CH g H
C H g H O g H g CO g
C s H O g CO g H g
CO g H O g CO g H g
+ → +
→ +
+ → +
+ → +
+ → +
Gas natural
Petróleo
Carbón
14
industrial no se usa este proceso, con excepción de aquellos usos industriales donde se
necesite poca cantidad de este gas, debido a que no es rentable: se obtiene muy poco
hidrógeno y se consume mucha energía. Pero sí se puede utilizar a nivel de laboratorios de
educación como un método fácil de obtención de hidrógeno. En los liceos se utiliza para
explicar e ilustrar este fenómeno de electrólisis. En el anexo de este trabajo se incluye una
técnica para realizar la electrólisis del agua en secundaria.
Finalmente, otra forma de obtener hidrógeno de forma efectiva a nivel industrial, para
utilizarlo luego como combustible, es a partir de alcoholes:
Como primera aplicación importante del hidrógeno podemos mencionar el proceso de
Haber, para la producción de amoniaco. En este proceso se mezclan hidrógeno molecular
con nitrógeno molecular para obtener amoníaco. Es esencial para la producción a nivel
industrial del amoníaco, puesto que es el método más sencillo de producción y muy
eficiente. Se emplean catalizadores para acelerar la reacción, se utilizan por ejemplo catión
hierro III, oxido de aluminio o de potasio, entre otros. Se pueden modificar las condiciones
de temperatura o presión, para favorecer la reacción, dado que es un equilibrio químico, por
lo cual está afectado por el principio de Le Châtelier.
2 4
2 2 2´2 ( ) 2 ( ) ( )H SO
electro lisisH O l H g O g→ +
3 2 2 2
3 2 2 2
3 2
CH OH + 1/2 O CO + 2 H
CH OH + H O CO + 3 H
CH OH CO + 2 H
⇌
⇌
⇌
15
Una posibilidad de producir en la industria este proceso es:7
Por otro lado, el hidrógeno se usa en la industria de alimentos principalmente para
hidrogenar aceites y obtener grasas sólidas como mantecas, margarinas, entre otros
productos. Puesto que, si el aceites es bajo en colesterol, también lo será el producto
obtenido luego de hidrogenarlo. En dicho proceso se hidrogenan los dobles y triples
enlaces.
Otras aplicaciones de la hidrogenación en la industria son:
� La síntesis de hidrocarburos , de metanol, entre otras:
Como ejemplo específico tenemos: la obtención de metanol por hidrogenación y
desulfuración en el caso de las refinerías de petróleo:
� La obtención de un metal a partir del óxido de este, esto se debe a el gran poder
reductor del átomo del elemento Hidrógeno. La ecuación general es:
7 http://www.galeon.com/quimica3cch/Haber-Bosh.html consultada el 16/10/10
, ,
2 2 2 2
/
2 3
3 3 2 3 2 3
(2 1)
2
Fe Co Ni
m m
Cu ZnO
Pd Pd
mCO m H C H mH O
CO H CH OH
CH CH CH CH CH CH CH CH
++ + → +
+ →
≡ → = →
2 32C O H C H O H+ →
16
Como ejemplos más específicos podemos encontrar:
En otras industrias como la metalúrgica, se utiliza el Hidrógeno atómico, el cual es
muy reactivo y no demora mucho en convertirse en hidrógeno molecular, para las
soldaduras cuando se producen las recombinaciones de los átomos en la superficie del
metal, devolviendo el calor de disociación y a su vez, originando un medio que permite la
protección contra la oxidación.
La industria moderna ha confeccionado diversos motores a base de hidrógeno. No
solo los usan para cohetes, sino también para autos menos contaminantes. Actualmente
varias motores funcionan a Hidrógeno, no solo para automóviles, sino también para
ómnibus. Varias compañías reconocidas del medio automotriz, han diseñado y
experimentado con estos motores. Aunque aun no son comunes, se espera que se abra
una nueva línea de mercado en el futuro con estos autos y ómnibus menos contaminantes.
El principal problema que se tuvo que solucionar fue como almacenar el hidrógeno de forma
segura y funcional. Las soluciones fueron los hidruros, recipientes que permitían generar
altas presiones y contenedores con carbono activo que presente nanotubos. En estos
últimos, el hidrógeno se almacena dentro de estos de forma eficiente. Los motores actuales
más eficientes son los de combustión externa de los cohetes espaciales, estos contienen el
hidrógeno en tanques y por convección circula por dentro de estos hacia el sitio donde se
produce la combustión.
2 2( ) ( ) ( ) ( )MO s H g M s H O l+ → +
2 2
2 2 22 2 2
F eO H Fe H O
NO H N H O
+ → +
+ → +
17
8
9
Existen también las baterías de hidrógeno. Estas fueron diseñadas por Grove en
1839. En 1960, recién son investigadas y desarrolladas a fondo por la NASA para sus
cohetes espaciales y sistemas eléctricos. Aún, hoy en día, están en fase de
experimentación, ya que se deben diseñar dispositivos seguros para evitar incendios. Cabe
recordar cuando el hidrógeno se utilizaba para los globos aerostatitos, ocurrieron serios
accidentes que llevaron a cambiar este gas por el helio, pero, como se ha demostrado, son
un buen sustituto no contaminante de las pilas convencionales. Este tipo de baterías o
celdas combustible como son llamadas también, ya se las puede encontrar en la industria
de celulares, computadoras, diversos electrodomésticos que precisan una fuente eficiente
de energía. En un futuro se habla de motores en base a estas celdas, ya que como residuo
producen agua y ningún contaminante. Su funcionamiento se basa en celdas individuales
que consisten en un electrodo positivo de hidrógeno donde ocurre la oxidación de este y
otro electrodo, el negativo, donde ocurre la reducción del oxígeno. Dichas celdas se pueden
colocar juntas apiladas formando así una batería para obtener más voltaje, cada una
8Extraído de: http://cocheseco.com/motores-de-hidrgeno-combustin-limpia-historia/ consultada el 16/10/10
9 Extraído de: http://cocheseco.com/motores-de-hidrgeno-combustin-limpia-historia/ consultada el 16/10/10
18
produce un poco más de un voltio. Las celdas combustibles están formadas como se
representa en el siguiente esquema:10
Una aplicación muy distinta a las ya mencionadas del hidrógenos es la fusión
nuclear, que ha dado que hablar en los últimos años. Existen varios prototipos para
construir reactores nucleares que fusionen átomos de hidrógeno para dar helio y energía.
Esta es suficiente para lograr abastecer a varias ciudades grandes por meses. A su vez,
son una importante alternativa a los reactores de fisión, los cuales contaminan y no son
completamente seguros. En el Sol, este proceso de fusión es natural debido a la presión
generada por la gravedad y las altas temperaturas. Es la energía de esta reacción la que
nos mantiene con vida y permite el desarrollo de la vida cotidiana. El problema que surge es
como reproducir dicho fenómeno aquí en la Tierra. Para un reactor de fusión se están
estudiando las siguientes reacciones:
10 Imagen, texto y ecuaciones en recuadro amarillo extraído de: http://www.cienciateca.com consultado el 16/10/10.
Esquema de la estructura y funcionamiento de una pila de combustible. El hidrógeno fluye hacia el ánodo donde un catalizador como el platino facilita su conversión en electrones y protones (H+). Estos atraviesan la membrana electrolítica para combinarse con el oxígeno y los electrones en el lado del cátodo (una reacción catalizada también por el platino). Los electrones, que no pueden atravesar la membrana de electrolito, fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo y alimentan nuestros dispositivos eléctricos.
19
Un ejemplo de reactor nuclear es el TOKAMAK, es de origen ruso. Utiliza grandes
capos magnéticos para dar un confinamiento al plasma y lograr con este las grandes
temperaturas para la fusión de hidrógeno. Dichos campos magnéticos los genera por
grandes imanes y el efecto Toroidal que ejerce el mismo dispositivo que conforma el reactor
y el principio físico del confinamiento inercial colabora a generar las temperaturas
necesarias para que ocurra dicho proceso nuclear. Los problemas que enfrentan son los de
rentabilidad, aun es muy costoso todo el proceso y no es muy eficiente.
Otro ejemplo de reactor nuclear es el ITER, es el reactor de fusión nuclear
internacional, ubicado en Francia. Actualmente está en fase experimental y de construcción.
Se utilizaran campos magnéticos circulares para logara un confinamiento del plasma y para
lograr que este llegue a las temperaturas requeridas para desencadenar la fusión nuclear
del hidrógeno. Se espera este finalizado para el 2030 aproximadamente.
Los reactores nucleares de este tipo mencionado anteriormente, generan desechos.
Por más que se hable de la fusión nuclear como una alternativa no contaminante, siempre
se produce contaminación. Esta última se produce por sus propios componentes que,
dados estos procesos a tan altas temperaturas y con la liberación de radiación, son
activados y volviéndose radiactivos algunos de ellos. Este es uno de los problemas que se
deben solucionar para que estos procesos sean mas rentables y menso contaminantes.
Algunos científicos dicen, que estos desechos durarían menos en volverse inertes que los
desechos de los reactores nucleares de fisión, por lo que sería menos contaminantes. El
2 2 3 1
1 1 1 1
3 2 4 1
1 1 2 0
6 2 4
3 1 22
H H H H
H H H e n
L i H H e
+ → +
+ → +
+ →
∆H= 3,8x108KJ ∆H= 1,7x109KJ ∆H= 2,2x109KJ
1 1 2 7
1 1 1
2 1 3
1 1 2
3 3 4 1
2 2 2 1
1 4
1 2
9 , 9 1 0 /
2
4 2
H H H x K J m o l
H H H e en erg ia
H e H e H e H en erg ia
H H e en erg ia
β
β
+
−
+ → + +
+ → +
+ → + +
→ + +
20
problema es que aún el tiempo por el cual permanecerían como desechos contamianates
sería de miles de años antes de alcanzar dicho estado inerte.
Debemos observar por último, el detalle de que la fusión nuclear ya se había logrado
en la Tierra mucho antes que se originaran proyectos de reactores de fusión para la
industria, sino que se habían pensado con fines experimentales, pero más aun con fines
bélicos: las bombas H o termonucleares. Estas bombas son las denominadas también
limpias, ya que son en base a la fusión nuclear. La cual libera la misma cantidad destructiva
de energía, incluso aun más que las otras bombas nucleares, pero no esparce residuos
radiactivos, solo los provenientes de los dispositivos internos de fisión nuclear para generar
la temperatura para desatar la fusión. A su vez, puede volver radiactivos ciertos materiales
de la zona. Las ventajas de esta bomba era que se necesitaba menos materiales para su
confección y con poco “combustible” se obtenía un mayor rendimiento que con las bombas
de fisión.
La primer bomba termonuclear es estallar fue Mike en 1951 en las islas Marshall de
Estados Unidos. Luego durante la guerra fría, se desarrollaron distintos prototipos de estas
bombas, incluso combinándolas: bombas de fisión-fusión-fisión. En este tipo de bombas
una explosión nuclear causada por la fisión desencadenaba una fusión que a su vez
desencadenaría otra fisión. Para la primera fisión se utilizaba un dispositivo de Uranio 238,
este al producir la fisión nuclear lograba la temperatura necesaria para producir la fusión
nuclear, se utilizaba tritio y deuterio para esta. El producto de esta fusión nuclear era helio y
neutrones lo suficientemente acelerados como para producir una fisión nuclear de Uranio
238 ubicado en la cara interna de la cubierta exterior de la bomba. Estas bombas triplicaban
el poder destructivo de las bombas nucleares comunes, ya que esparcía muchos restos
radioactivos aparte de tener la energía de tres reacciones nucleares a la vez.
Hoy en día, podemos hablar, teniendo en cuenta algunos de los usos del hidrógeno
ya mencionados, de una economía basada en el hidrógeno como combustible. En el
esquema se plantea una posible forma de llevar esta idea a cabo: 11
11 Esquema extraído de Rogers, G. “Química inorgánica”. Editorial Mc Graw Hill. México.
21
La fuente de Hidrógeno para este esquema podría ser basada en la conversión del
crudo en hidrogeno gaseoso, lo cual no es muy conveniente si se trata de abandonar el uso
de petróleo, la utilización de la energía solar en un proceso fotoquímico de disociación del
agua en hidrógeno y oxígeno, o emplear energía calorífica en diversos ciclos que permitan
dicho proceso de separación de la molécula de agua en sus elementos constituyentes.
Uno de los problemas de esta idea es la rentabilidad de estos procesos: Por ejemplo,
sin un buen catalizador, el proceso fotoquímico de producción de hidrógeno no es rentable,
dicho catalizador ideal aun no ha sido encontrado. A su vez, se obtienen como producto en
muchas de la reacciones del esquema propuesto anteriormente, dióxido de carbono, el cual
es un gas de invernadero. Los científicos han ideado diseños experimentales en la
actualidad, que implicarían la combustión del hidrógeno de forma directa para evitar dichos
gases. Por ejemplo se piensa realizarlo de forma directa en motores que resistan las altas
temperaturas o con sistemas de enfriamiento, o mediante catalizadores como el platino, el
cual permite que la reacción se lleve a cabo a temperaturas más bajas. Se están
desarrollando mejores dispositivos, para el caso de lo motores de hidrógeno, las celdas
22
combustible, dada la necesidad de sustituir al petróleo por fuentes energéticas más baratas
y menos contaminantes. Como cuestión final queda hablar del transporte y almacenamiento
del hidrógeno: existen varias respuestas:
� Puede ser comprimido a altas presiones para ser enviado por tuberías en estado
líquido o en distintos dispositivos similares a garrafas.
� Se pueden usar hidruros para su almacenamiento. Como hablaré más adelante, es
fácil utilizar el hidrógeno y ciertos elementos para obtener hidruros, que luego son
sencillos de descomponer para nuevamente obtener hidrógeno, pero con un mayor
nivel de pureza. Luego estos podrían ser transportados por camiones especiales,
para evitar accidentes.
Finalmente, cabe destacar que: las aplicaciones del hidrógeno no solo son a nivel
industrial, sino también a nivel biológico. El hidrógeno, interviene en varios procesos
naturales esenciales, como son la fotosíntesis, el metabolismo de bacterias anaerobias,
entre otros usos a nivel de reacciones metabólicas, como la reducción del monóxido de
carbono a dióxido de carbono, necesario en ciertas bacterias acetogénicas. Existen
enzimas como la hidrogenada y las deshidrogenasas que permiten la hidrogenación o
dehidrogenación de diversas moléculas en reacciones químicas. Por ejemplo, contribuyen a
los procesos de fijación del nitrógeno, ayuda en la degradación de la biomasa por
fermentación a metano, entre otros procesos. Podemos decir que estas clases de enzima,
contribuyen al consumo o generación de hidrógeno gaseoso. Estas enzimas contienen
núcleos de hierro y azufre, existiendo también aquellas con Níquel y otros elementos, por lo
que se determina que no hay una única clase de estas enzimas. Incluso, existen
hidrogenasas que catalizan las reacciones en una sola dirección, habiendo también otras
que lo hacen en ambas.
23
Son compuestos binarios, donde el átomo del elemento Hidrógeno actúa con número
+1 y en otros casos con número de oxidación -1. Las propiedades de estos compuestos son
muy diversas, por lo que podemos encontrar diferentes clases: existen los hidruros
covalentes, donde el átomo del elemento hidrógeno actúa con número de oxidación +1 y
por lo tanto tiende a formar enlaces covalentes, y los hidruros iónicos, donde actúa con -1
formándose un enlace iónico. En este último caso, reacciona con elementos químicos de los
grupos 1A y 2A: algunos son inestables, conducen la corriente eléctrica, frente a una
electrolisis el electrodo positivo recolecta hidrógeno. Todas estas características prueba la
naturaleza iónica de estos hidruros.
Son en su mayoría compuestos de hidrógeno y elementos de los grupos 1A y 2A.
Aunque, podemos observar que ciertos elementos del grupo 2A forman hidruros anfóteros,
con más rasgos covalentes que iónicos, pero igual se los integra dentro de este grupo. Por
ejemplo el hidruro de magnesio y el de berilio.
En general los hidruros iónicos no suelen formarse del contacto directo entre el
elemento y el hidrógeno, ya que se precisan temperaturas cercanas a los 700ºC, habiendo
excepciones donde basta con temperaturas de 150ºC. Estos hidruros son conocidos
también como hidruros salinos por presentar propiedades similares a estas, presentando en
general propiedades similares a las de los compuestos iónicos.
Estos hidruros presentan propiedades como ser sólidos cristalinos con altos puntos
de fusión, conducen la electricidad en estado fundido, produciendo en el ánodo H2. Su
24
estabilidad y solubilidad en ciertas sustancias dependen de las estructuras que presenten y
de las condiciones en que se encuentren, por ejemplo, temperatura, presión, medio, entre
otras.
En la industria, son utilizados principalmente como transportadores y purificadores de
hidrógeno. Es fácil de formarlos y luego, es fácil también liberar el hidrógeno de estos. Las
siguientes ecuaciones ilustran estos procesos:
Otros usos que se le atribuyen a estos hidruros es el de reductores, utilizándolos
también para secar gases y solventes así como para sintetizar otros hidruros, y otras
sustancias.
Una particularidad de los hidruros iónicos es la formación de hidruros complejos. Por
ejemplo el LiAlH4. Al fundir conducen corriente eléctrica liberando hidrógeno gaseoso en el
ánodo. Los hidruros iónicos no complejos también conducen corriente eléctrica fundidos
obteniéndose también hidrógeno molecular en el ánodo. Los hidruros complejos, en
especial el LiAlH4, son reductores poderosos. Dicho hidruro complejo es utilizado
frecuentemente en reacciones orgánicas. Se lo puede obtener de las formas:
2 2
2 2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( )
Ca s H g CaH s
CaH s H O l Ca OH s H g
+ →
+ → +
2
2 2
4
2
2 2 2 2
3 4
1 / 2 ( ) ( )
( )
[ ] 3
H g e H a c
S O S
C O C
C aH H O C a O H H
L iH A lC l L i A lH L iC l
− −
− −
+ →
→
→
+ → +
+ → +
3 4
:
2 4250 ,120 150º
4 3
2 Disolvente eter
atm C
LiH AlCl LiAlH LiCl
Li Al H LiAlH−
+ → +
+ + →
25
Se puede llamar a estos hidruros moleculares por existir generalmente en forma de
moléculas. Estos hidruros se forman en general por contacto del hidrógeno con elementos
del grupo 6A y 7A, aunque existen de otros elementos de los grupos 13, 14, 15, 16 e incluso
con los de transición. Por ejemplo, el fluor se combina de forma violenta con el hidrógeno,
liberando mucha energía en el proceso; con el cloro pueden ocurrir explosiones si se
expone a la luz. Comúnmente, a los hidruros del grupo 17, se les denominan haluros de
hidrógeno si son gaseosos e hidrácidos si son acuosos. Estos pertenecen a la categoría de
ácidos por estar dentro de la definición de estos. Es decir, un ácido según Brosted y Lowry
es una sustancia capas de ceder un protón al medio en que se encuentra. A su vez,
presentan propiedades de ácidos, incluso alguno de ellos son fuertes, su ionización es
completa siendo de esta forma electrolitos fuertes. Como ejemplo de hidruros de nitrógeno
y fósforo tenemos al amoníaco y la fosfina. Con respecto a los de transición, aun no son
bien comprendidos.
Otros ejemplos de hidruros covalentes pueden ser: la arsina AsH3, estibina SbH3,
bismutina BiH3, el metano CH4, junto con ciertos hidrocarburos, hidruros de silicio, entre
otros. Incluso, el peróxido de hidrógeno puede ser visto como un hidruro covalente. En
algunos de estos casos, el hidrógeno pude adquirir la configuración electrónica de un gas
noble: el Helio.
Una particularidad de estos hidruros son los polisulfanos. Estos son hidruros de
azufre concatenados. Responden a la fórmula H2Sn, siendo n=2 a 8. Se fabrican
industrialmente mediante las reacciones:
Podemos encontrar que los hidruros covalentes se pueden clasificar en tres grandes
categorías: deficiente en electrones, justos en electrones y ricos en electrones:
• Con deficiencia electrónica: el átomo central no completa el octeto, encontramos en
este grupo los hidruros del grupo 13 de la tabla periódica.
2 2 2
2 2 2 2
.9 ( 1) 2 2
2 2
n
n n
Na S H O n S HCl NaCl H S
S Cl H S HCl H S −+
+ − + → +
+ → +
26
• Con el número justo de electrones: sin electrones no enlazantes en el átomo central,
encontramos los hidruros del grupo 14 de la tabla periódica.
• Con exceso de electrones : el átomo central presenta pares de electrones no
enlazantes. En este grupo encontramos los hidruros de los grupos 15, 16,17 de la
tabla periódica.
En general, existen diversas formas de prepararlos, incluso aquellos hidruros que
pertenecen a este grupo pero que en realidad tienen propiedades intermedias o no son bien
entendidos todavía.
• Combinación directa: por ejemplo:
• Hidrólisis ácida de un compuesto binario del elemento con un metal activo, se
utiliza generalmente ácido clorhídrico diluido:
• Reducción de un haluro u óxido por un hidruro iónico o por un hidruro
complejo:
Finalmente, podemos decir que, con respecto a sus propiedades químicas, pueden
ser grandes agentes reductores o bien pueden ser relativamente inertes. El agua, tanto
como el oxígeno o los halógenos pueden provocar que aumente su fuerza como agente
reductor. Por otro lado, tenemos también que los hidruros de elementos poco
electronegativos, no se autoionizan en fase líquida, pero si en presencia de un solvente
ionizante como el agua. Los hidruros covalentes con pares de electrones sin compartir
pueden cederlos a moléculas aceptoras para formar complejos de coordinación. Por último
podemos mencionar que presentan la propiedad de concatenación en algunos casos.
En cuanto a sus propiedades físicas, son en general, en condiciones normales,
gases o líquidos volátiles. Por lo usual a medida que se incrementa la masa molecular de
estos, se eleva su punto de ebullición y de fusión. Las excepciones se deben a la presencia
del enlace de hidrógeno en estos compuestos.
2 2 2LuzH Cl HCl+ →
3 2 2 6
4 3 4
Mg B B H
Al C CH
→
→
3 4 3 ....AsCl LiAlH AsH+ → +
27
Como ejemplo de estudio de un hidruro covalente tenemos al:
Peróxido de Hidrógeno:
Conocido mejor como agua oxigenada, es un líquido a temperatura ambiente similar
al agua en aspecto y algunas propiedades físicas, ya que es por ejemplo, menos densa. Es
un excelente solvente ionizante. Se descompone fácilmente en presencia de muchas
sustancias y metales pesados principalmente. Presenta un gran poder oxidante, por lo que
se lo utiliza mucho en la industria como oxidante.
Su estructura es oblicua de cadena y presenta una débil barrera a la rotación interna
entorno al enlace O-O. Dicho enlace mide aproximadamente 1,49Å y los enlaces H-O
0,97Å. Presenta una cantidad mayor de enlaces de hidrógeno, dad su estructura y
naturaleza. Su punto de fusión es de -0,41ºC y su punto de ebullición es de 152,1ºC.
12
La síntesis del peroxido de hidrógeno puede realizarse mediante la autooxidación de
un alquil antraquinol en solventes orgánicos como los alquilbencenos. Otro proceso puede
ser la oxidación del isopropanol. Antiguamente se usaba la oxidación electrolítica del acido
sulfúrico o soluciones de acido sulfúrico-sulfato amonico para, en ambos casos, obtener
acido peroxodisulfurico que es hidrolizado para obtener el peróxido de hidrógeno. Al final de
este trabajo, como anexo, se presenta una práctica de laboratorio para realizar la síntesis
de peroxido de hidrógeno de forma fácil. La cual puede ser realizada a nivel liceal en
bachillerato con los requerimientos de seguridad necesarios.
Los principales usos del peróxido de hidrógeno en la industria es como oxidante en la
síntesis de otros compuestos, como blanqueador: de textiles, algodón, pulpa de papel,
cabello, manchas en distintas prendas o superficies, de pinturas, y de ciertos alimentos.
Principalmente, en nuestra vida cotidiana, lo reconocemos como componente de productos
de limpieza y desinfectantes. Presenta un gran espectro germicida, no solo destruyendo los
12 Imagen extraída de http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/oxigeno/compuestos consultada el14/10/10
28
organismos patógenos anaerobios principalmente, sino que también inhibiendo su
crecimiento. Puede ser utilizado como desodorantes, jabones bactericidas y en productos
de enjuague bucal, entre otros.
Con respecto a los peligros que presenta podemos enumerar los siguientes:
� Corrosivo.
� Su ingestión en grandes cantidades puede ser letal
� Causa daños severos a la vista en caso de contacto, produciendo incluso ceguera.
� Puede ser explosivo si se los mezcla con ciertas sustancias orgánicas en ciertas
condiciones ambientales.
� Puede provocar quemaduras en heridas o piel si se coloca en demasía esta
sustancia.
� Su descomposición produce suficiente energía como para iniciar la combustión de
ciertas sustancias inflamables.
Estos hidruros no son bien comprendidos en la actualidad y son de composición
variable. Son llamados metálicos porque poseen propiedades metálicas como la conducción
de corriente eléctrica, son quebradizos, pero otro nombre que se les da puede ser hidruros
de metales de transición o intersticiales. Antiguamente se pensaba que los átomos del
elemento hidrógeno ocupaba los intersticios en una red metálica, pero la evidencia
demostró que no siempre era así. En la mayoría de estos hidruros los átomos del elemento
hidrógeno se posicionan en huecos tetraédricos en las redes metálicas cúbicas compactas.
Pero, cabe mencionar que hay excepciones. Sus propiedades son en general, similares
también a las de las aleaciones. El hidrógeno disuelto se difunde por el metal, conservando
sus propiedades reductoras.
Generalmente son formados por elementos de doble transición y algunos de
transición como el lactano y el actino. Algunos de estos hidruros son no estequiométricos, lo
que indica que el electrón del átomo del elemento hidrógeno contribuye al enlace metálico.
Esta característica hace que estos hidruros sean muy inestables y en algunos casos no
hayan sido detectados aún. Unos ejemplos pueden ser: TiH1,7, PdH0,65, LaH1,86 y UH3,
precursor de sales de uranio usadas en reactores nucleares. Otros son usados para fabricar
metalurgias en polvo ya que descomponen fácilmente a altas temperaturas. Debido a que
29
se pueden formar estos compuestos no estequiométricos se les puede llamar también a
estos hidruros no estequiométricos.
Los hidruros metálicos sirven para purificar fácilmente el hidrógeno y obtener metales
finamente divididos. Esto se debe a que el metal de transición se hidrogena fácilmente
(excepto por el níquel y el cromo) eliminándose de esta forma las impurezas y a altas
temperaturas descomponen fácilmente, liberando el hidrógeno purificado fácilmente. Con
respecto a obtener metales finamente divididos, se puede atribuir este fenómeno a que los
hidruros se originan en forma de granalla, un polvo fino que puede ser pulverizado
fácilmente. La reacción de formación de estos es fácil de producir puesto que se produce de
forma directa entre el metal y el hidrógeno. También es fácil separarlos a altas
temperaturas, obteniéndose así hidrógeno más puro y un polvo fino del metal.
Los hidruros intermediarios son aquellos que poseen naturaleza intermedia entre
hidruros iónicos y covalentes. En algunas clasificaciones, los autores, los clasifican dentro
de las categorías de hidruros iónicos o covalentes. Son conocidos también como hidruros
anfóteros. Estos hidruros se forman con ciertos elementos del grupo 2A y algunos del
bloque d. Como ejemplos tenemos: MgH2, ZnH2, CdH2, (BeH2)n. En el último caso son
hidruros poliméricos que presentan puentes de hidrógeno. Otro ejemplo es el (AlH3)n
deficiente en electrones.
Como forma de resumen d estas cuatro categorías de hidruros, la siguiente imagen muestra
la tabla periódica indicando que clase de hidruros forman los distintos elementos químicos:
30
13
En general, los hidruros son estables, se necesita una diferencia de
electronegatividad de 0,5 unidades para logarlo. Pero, no obstante, tenemos algunos
inestables que se descomponen fácilmente. Estos últimos, son aquellos formados por
átomos de elementos con electronegatividades similares a la del átomo del elemento
hidrógeno.
Son también sus propiedades físicas, no solamente químicas, las que permite
clasificarlos en los tres grupos anteriores. Algunos de estos pueden formarse en estado
gaseoso a altas temperaturas, siendo también muy polares como el hidruro de litio.
Al disolver ciertos hidruros en sales como el cloruro de litio, se puede obtener por
electrólisis hidrógeno, en el ánodo. Es por esta razón que determinados hidruros son
llamados hidruros salinos. En general, son hidruros formados por elementos muy
electropositivos como los elementos de los grupos IA y IIA, ya que la formación del anión
hidruro no es favorable termodinámicamente. Esta inestabilidad es también la responsable
que estos tipos de hidruros sean buenos reductores. Incluso puede reducir al agua o
cualquier otro donante de protones a hidrógeno, siendo, por lo usual, reacciones rápidas.
Podemos tomar como ejemplo las reacciones:
13 Cotton, G. Wilkinson, F. 1996. “Química inorgánica avanzada”. Editorial LIMUSA. México. 2 4 24 4NaH Na SO Na S NaOH+ → +
2NaH CO HCOONa+ →
31
Podemos destacar que: los hidruros covalentes, son en general estables, excepto
aquellos formados por metales pesados como el Pb, de los cuales solo se ha detectado
indicios de sus hidruros. Los hidruros covalentes tienden a ser ácidos en su mayoría. En
cambio, por su parte los hidruros iónicos son en general bases fuertes.
Los hidruros, en especial lo moleculares, pueden reaccionar con oxígeno para
obtener diferentes sustancias como agua, óxidos o elementos en estado molecular, pueden
también descomponer si se someten a ciertas temperaturas:
Los hidruros presentan carácter ácido-básico según Bronsted y Lowry:
Encontramos el comportamiento hidrúrico:
Por otro lado tenemos el comportamiento protónico:
A continuación la tabla muestra la entalpía de formación para distintos hidruros:
3 2
4 2
4 2 2 2
4 2 2 2
2 2 2
2 2 3
2
2 2
2 2 2
2 1 / 2
S b H S b H
S iH S i H
C H O C O H O
S iH O S iO H O
H I O I H O
→ +
→ +
+ → +
+ → +
+ → +
4 2 2 2
:
2 4
A H A H
SiH H O H SiO
+ −− → +
+ → +
4 3 4 3[ ][ ]
A H A H
GeH NH NH GeH
− +− → +
+ →
32
14
La siguiente tabla muestra las propiedades de algunos hidruros llamados boranos, sobre los
cuales se trabajará más adelante:
14 Cotton, G. Wilkinson, F. 1996. “Química inorgánica avanzada”. Editorial LIMUSA. México.
33
15
Un ejemplo de aplicación es el transporte de hidrógeno y catálisis de procesos de
hidrogenación. Algunos hidruros son solventes del hidrógeno, formando sustancias frágiles,
con brillo metálico, duras y conductoras de electricidad, permitiendo la purificación y el
transporte de hidrógeno. Puesto que, se puede liberar fácilmente el hidrógeno con una
mayor pureza, mediante procesos sencillos como ya mencioné antes, por medio de su
descomposición a través de calor, entre otros procesos. Ejemplos de hidruros que
produzcan esto son: hidruro de uranio, hidruros de paladio, hidruros de cobre, entre otros.
La acción catalítica mencionada de algunos hidruros se debe a que el hidrógeno al
disolverse en dichos metales aceleran las reacciones, si las comparamos con las que
15 Cotton, G. Wilkinson, F. 1996. “Química inorgánica avanzada”. Editorial LIMUSA. México.
34
utilizan el hidrógeno molecular. Un ejemplo de estos procesos es la hidrogenación de los
aceites para dar grasas saturadas.
Por su parte tenemos ciertos hidruros complejos (como el LiAlH4) y otros como el
organoestaño, son útiles en química orgánica para realizar la reducción de distintos
compuestos, para sintetizar otros. Esta reacción involucra radicales libres. Otra aplicación
de los hidruros complejos, así como de algunos simples como es el caso de los metálicos,
son las pilas y las baterías. Las más conocidas son las pilas níquel-hidruro metálico, las
cuales son muy efectivas, recargables con bajo nivel de efecto memoria, es decir con cada
recarga no disminuye mucho la potencia que puede entregar. No son muy contaminantes,
son de alta durabilidad, pero no funcionan en temperaturas muy bajas.
Aplicaciones para casos más específicos podemos hablar del: hidruro de sodio: el
cual es utilizado como base en la síntesis de varios compuestos orgánicos. A parte, se lo
puede utilizar como catalizador, reductor, como desecativo, entre otras cosas. Comúnmente
se lo utiliza en la industria farmacéutica en perfumes, teñidos, entre otras cosas. Otro
ejemplo muy utilizado en la síntesis orgánica es el hidruro de litio, el cual es un reductor
muy eficiente y estable. Los hidruros conocidos como hidrácidos, utilizados en una amplia
gama de industrias para diversas síntesis orgánicas e inorgánicas y reacciones de análisis
químico. Por otro lado encontramos el peroxido de hidrógeno y todas sus aplicaciones a
nivel farmacéutico, bactericidas, desinfectantes, del cual ya hablamos con anterioridad.
Los párrafos anteriores nos demuestran que dada las grandes variaciones en la
naturaleza y estructura de los hidruros así como en ciertas propiedades de estos, existen
diferentes aplicaciones para estos. Pero hay que recordar que algunas son similares, por
ejemplo su utilización en la síntesis de compuestos orgánicos ya sea por sus propiedades
catalíticas o reductoras.
35
Son formados, en general, por reacciones como la del boruro de magnesio con
ácidos. Son una serie de compuestos de boro e hidrógeno, pudiéndose algunos convertir en
otros boranos por acción del calor: por ejemplo el diborano que a temperaturas 100 a 250 º
C se descompone en otros diferentes. En general los boranos son difíciles de comprender,
puesto que las estructuras en general y sus propiedades no han sido comprendidas y
explicadas completamente. El principal investigador de estos fue Stock, junto a su grupo de
científicos. La nomenclatura de estos compuestos establece que se utilizan prefijos griegos
apara indicar la cantidad de átomos del elemento boro y el numero de átomos del elemento
hidrógeno se lo representa con números arábicos entre paréntesis luego del nombre, la
terminación usada es borano. Por ejemplo pentaborano (11). El número de átomos del
elemento hidrógeno se puede omitir si solo hay un compuesto Bn.
El más sencillo de ellos sería el trihidruro de boro, BH3, pero no a sido descubierto, si
se conocen series de diboranos hasta incluso octadecaboranos, B18H22. La molécula es
estable, a pesar de que el número de electrones parezca insuficiente para ello. Incluso, la
estructura del diborano, no puede escribirse solo con enlaces de valencias simples. Son
compuestos deficiencia electrónica, el número de orbitales atómicos de baja energía supera
el número de electrones de valencia.
Los boranos se descomponen en boro e hidrógeno si son calentados en ausencia de
aire, en cambio con agua se obtiene ácido bórico. Son volátiles e inflamables con el aire
originando compuestos cuya composición aun no está bien determinada. La excepción a
todas estas propiedades son el B9H15 y el B10H14, estos compuestos son muy estables y no
son ni volátiles, no combustionan en presencia del aire y se hidrolizan lentamente. Son unos
de los boranos más estables que se conocen.
2 6 4 10 5 9 5 11 ...QB H B H B H B H→ + + +
36
En general su estructura molecular y enlace es muy especial: tomemos como
ejemplo el diborano:
16
El diborano fue sintetizado por primera vez por pirólisis del tetraborato obtenido a
través de la hidrólisis ácida del boruro de magnesio MgB2. Actualmente se lo prepara a nivel
industrial por diversos procesos:
El diborano, como ya mencionamos de forma general para los boranos, es un
compuesto con deficiencia electrónica, es decir, el número de orbitales atómicos de baja
energía es mayor al de electrones de enlace de valencia. Su estructura nos muestra que los
dos átomos del elemento Boro y cuatro de los átomos del elemento Hidrógeno están en el
mismo plano, mientras que los dos restantes átomos de dicho elemento establecen puentes
entre los dos átomos del elemento boro. Dicho enlace B-H-B es un enlace de par
electrónico de tres centros, los dos electrones de cada enlace puente están comprendidos
16 Autores varios. “Química inorgánica I”. Universidad, Cátedra de Inorgánica.
2 5 24 2 5 2 3 3 2 6 2 5 2( )
4 3 2 6 2 3
3 4( ) : 3 3 2 4( )
2 ( ) 2 2
CH O
x
LiALH CH O BF LiF AlF BH CH O
NaBH HPO BH H NaPO
+ → + + +
+ → + +
37
en las zonas cercanas a los dos átomos del elemento Boro y al del elemento Hidrógeno.
Este enlace es el denominado puente de hidrógeno y fue propuesto por Longuet-Higgins,
luego de muchas investigaciones. Este enlace aparece en todos los diboranos y existen
compuestos donde los puentes son formados por otros elementos como los halógenos,
pero no son Boranos. En general, con boranos más complejos aparecen varios enlaces B-
H-B, y enlaces simples B-B. En general, la estructura de los borohidruros contiene un ión M+
y el anión BH4-.
Para el caso del diborano: B2H6, el modelo de los orbitales moleculares predice una
estructura donde 4 de los 6 átomos de hidrógeno son coplanarios con los dos de boro
uniéndose por enlaces sigma convencionales, mientras que los otros dos están
posicionados por encima y por debajo de dicho plano en una perpendicular trazada por el
centro de la molécula. Estos últimos presentan un enlace plátano, y abarcan tres átomos
cada uno de los elementos: dos de boro y uno de hidrógeno que establece un puente entre
estos. Estos dos átomos son estructuralmente y químicamente distintos de los otros cuatro,
según los estudios realizados.
Los estudios de las estructuras de lo boranos fue llevada a cabo por Stock, junto con
un grupo importante de químicos. Cuanto más grandes son los boranos más compleja es su
estructura. En algunos casos los enlaces tricéntricos no solo son B-H-B, sino también B-B-
B, llegándose a plantear el caso de enlaces policéntricos, incluso con más de cinco centros
en los boranos más complejos. Por ejemplo la siguiente imagen nos muestra este
fenómeno:
38
17
Para las estructuras moleculares encontramos tres tipos para boranos y
heteroboranos poliédricos:
• Moléculas closo: formadas por un poliedro cerrado con caras triangulares. Por
ejemplo BnHn2-, entre otros.
• Moléculas nido: las estructuras no están cerradas. Se puede decir que se originan
por la eliminación del vértice más alto conectado a una estructura closo.
• Moléculas arachno: se forman por la eliminación del átomo más alto conectado en la
cara más abierta del cúmulo nido.
• Moléculas hypho: son similares a las anteriores pero más abiertas, son muy pocas y
complicadas de describir e interpretar.
17 Cotton, G. Wilkinson, F. 1996. “Química inorgánica avanzada”. Editorial LIMUSA. México.
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La siguiente imagen muestra estos tipos de moléculas y como a partir de las closo (parte
izquierda) se obtienen las restantes:
18
18 Cotton, G. Wilkinson, F. 1996. “Química inorgánica avanzada”. Editorial LIMUSA. México.
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El principal uso para los Boranos es combustibles. Su combustión espontánea con el
aire libera mucha energía, la cual sería la suficiente como para desarrollar vehículos o
aparatos que se alimentaran de esta. También se puede producir explosivos de diversas
magnitudes, dada esta propiedad de combustión.
Otro de las principales aplicaciones de los Boranos en la industria es la síntesis de
diversos compuestos, mediante diversas reacciones químicas, en especial en la química
orgánica. Por ejemplo se pueden utilizar como agregados de ciertos combustibles para
mejorar su rendimiento y efectividad, para obtener alquilboranos, los cuales se emplean en
diversas reacciones.
El problema principal de los boranos en su gran toxicidad. Por lo cual su utilización
queda muy reducida a la industria de la síntesis orgánica y de diversos procesos químicos
como ya lo mencionamos. Es difícil encontrarlos en la vida cotidiana. Sin embargo para el
futuro, esto podría cambiar, dadas las investigaciones del premio de la American Chemicals
Society Frederic Hawthorne, el cual ha recibido el premio Nobel. Este científico descubrió
que los metalcarboboranos, son una buena fuente de energías para las nanomáquinas.
Estas pueden ser utilizadas con diversos fines como la construcción a nivel molecular de
diversos materiales, se proyectan que puedan combatir el cáncer desde dentro de la
persona enferma, entre otras aplicaciones de la nanotecnología.
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El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, es el primero en ser
creado y a partir de este se generaron los demás, de acuerdo a las teorías actuales de
cosmología. Forma tantos diversos compuestos que sus propiedades, usos y formas de
obtención, son numerosas. En la actualidad, el hidrógeno puede ser incluso la solución para
reducir la contaminación y el efecto invernadero, ya que como vimos, utilizarlo como
combustible, no genera gases contaminantes. Para otros procesos, aun debe de ser
perfeccionado, ya que si se producen.
Para el estudio más específico de un tipo de compuestos del hidrógeno elegí los
hidruros, de los cuales observamos sus peculiaridades y curiosidades. A través de los
mismos podemos ver como aun hay campos en la química del hidrógeno donde aun hay
dudas y detalles por resolver, tanto a nivel de composición, como de estructura, enlace y
otros puntos como los compuestos no estequimétricos y los enlaces multicentros. Dada
también la gran variedad de hidruros, se pueden clasificar en diversos grupos, donde
comparten grandes similitudes en sus propiedades existiendo también ciertas diferencias
importantes entre estos.
Finalmente como forma de cierre, seguimos un paso más y estudiamos los Boranos y
el peróxido de hidrógeno, como un caso aún más específico de compuestos de hidrógeno
que a su vez son hidruros. De esta forma, observamos mejor sus propiedades y
particularidades, como es el hecho que presentan puente de hidrógeno y varios tipos de
enlaces multicentros para el caso de los boranos y para el caso del peróxido de hidrógeno,
su estructura y propiedades que se nos escapan a pesar de encontrarlo tan frecuentemente
en nuestra vida cotidiana.
De esta forma, se logra el objetivo de trabajar el hidrogeno y en especifico los
compuestos de este denominados hidruros, estudiando ciertos hidruros con cierta
profundidad, para observar en mayor detalle como son algunos de los compuestos de este
elemento, pudiéndose determinar sus particularidades, sus misterios, sus aplicaciones, su
naturaleza, entre otras cosas. Si bien, se podría logara una mayor profundización en cada
uno de los títulos presentados en este trabajo, se logra dar una visión genérica, básica, con
cierto grado de profundidad de dichos tópicos.
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Obtención de Peroxido de Hidrógeno:
Objetivos:
• Preparar una pequeña cantidad de peróxido de hidrógeno.
Materiales: Matraz de Erlenmeyer de 100mL. Varilla de vidrio. Balanza. Papel de filtro.
Cuentagotas. Dispositivo para proporcionar un baño frío para el matraz.
Sustancias: Peróxido de Bario sólido, agua destilada, ácido sulfúrico diluido,
permanganato de potasio 0,001M.
Procedimiento:
• Lea atentamente las fichas de seguridad de las sustancias a utilizar y como
manipularlas.
• Reúna todos los materiales necesarios y todas las sustancias necesarias.
• Medir 3g de Peróxido de bario en la balanza utilizando papel de filtro.
• Verter los 3g en un matraz de Erlenmeyer de 100mL.
• Añadir 50mL de agua destilada al matraz.
• Colocar en un baño frío el matraz.
• Agregar con cuenta gotas 2mL de ácido sulfúrico diluido.
• Retirar el matraz del baño frío.
• Filtrar el precipitado formado.
• Añadir el sobrenadante con cuenta gotas, solución acidificada de permanganato de
potasio 0,001M, hasta que se produzca completamente la reacción.
• Limpiar los materiales usados y disponer adecuadamente las sustancias.
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Electrólisis del agua: una forma de obtención de
Hidrógeno.
Objetivo:
• Producir una pequeña cantidad de hidrógeno.
• Observar un ejemplo del fenómeno denominado hidrólisis.
Materiales: Batería, recipiente de electrólisis, cables conductores, electrodos conectados,
2 probetas, un mechero.
Sustancias: agua, hidróxido de sodio en solución diluida.
Procedimiento:
• Verter agua con un poco de solución de hidróxido de sodio diluido en el recipiente de
electrólisis.
• Llenar las dos probetas completamente con agua e hidróxido de sodio en solución
diluida.
• Colocar a las probetas los electrodos.
• Invertir las probetas dentro del recipiente de electrólisis, sin dejar caer el contenido
de estas. Asegurar que los electrodos estén bien colocados dentro de las probetas.
• Con cuidado, conectar los electrodos mediante los cables conductores a la batería.
• Observar lo que ocurre.
• Cuando se halla desalojado de 8 a 9 mL de solución de cada probeta, desconectar
los cables de la batería.
• Sin invertir las probetas retirarlas en el siguiente orden:
o Primero la que se encontraba en el electrodo negativo. Acercar al orificio de
esta, con cuidado, la llama pequeña de un mechero. Anotar observaciones.
o Segundo la que se encontraba en el electrodo positivo: acercar con cuidado al
orificio de esta un fósforo con solo una brasa, sin llama. Anotar observaciones.
Una alternativa a usar probetas sería utilizar tubos de ensayo como muestra la figura: Imagen extraída de: http://www.educabolivia.bo/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx?GUID=002e5715-849b-47fd-89f1-43f65c9643b3&ID=162272 consultada el 25-09-10.
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Nota: las ecuaciones químicas representadas en este trabajo fueron realizadas por mí con
el programa Mathtype 4.0.
