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Hidrógeno e Hidruros

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Hidrógeno e Hidruros Hidrógeno e Hidruros Document Transcript

  • Na 2 S .9 H 2 O + ( n − 1) S + 2 HCl → 2 NaCl + H 2 S n S n Cl2 + 2 H 2 S → 2 HCl + H 2 S n − +2 Ca ( s ) + H 2 ( g ) → CaH 2 ( s ) CaH 2 ( s ) + 2 H 2O(l ) → Ca (OH ) 2 ( s ) + H 2 ( g ) 1
  • 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. 2
  • 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 3
  • 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. 4
  • 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. − 3 β 0 1 H  → −1 e + 23 He 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 5
  • 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: 14 7 N + 01 n → 12 6 3 C + 1H 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: 6 3 L i + 01 n → 1 H + 24 H e 3 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 6
  • 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 7
  • 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. 8
  • 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 9
  • 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. 10
  • 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, 11
  • con un ácido fuerte, como son el ácido sulfúrico, clorhídrico, entre otros. La siguiente ecuación química ilustra este proceso: Zn(s) + 2HCl(aq) → Zn2+ (aq) + 2Cl − (aq) + H2 (g) 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. 12
  • 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: calor C3H8(g) +3H2O(g)  3CO(g) +7H2 (g) Ni → calor CO( g) + H2O(g)  CO2 ( g) + H2 ( g) Fe2O3 → Una alternativa a este proceso es la gasificación de la hulla: Calor C (hulla) + H 2O( g )  CO( g ) + H 2 ( g ) Niquel → 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: C H 4 ( g ) + H 2O ( g ) → C O ( g ) + 3 H 2 ( g ) Gas natural C H 3C H 3 ( g ) → C H 2 C H 2 ( g ) + H 2 Petróleo C 3 H 6 ( g ) + H 2 O ( g ) → 6 H 2 ( g ) + 3C O ( g ) C ( s ) + H 2O ( g ) → C O ( g ) + H 2 ( g ) Carbón C O ( g ) + H 2O ( g ) → C O2 ( g ) + H 2 ( g ) 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 13
  • 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. H SO 2 H 2 O (l ) 24  2 H 2 ( g ) + O2 ( g ) electro´lisis → Finalmente, otra forma de obtener hidrógeno de forma efectiva a nivel industrial, para utilizarlo luego como combustible, es a partir de alcoholes: CH 3 OH + 1/2 O 2 ⇌ CO 2 + 2 H 2 CH 3 OH + H 2 O ⇌ CO 2 + 3 H 2 CH 3 OH ⇌ CO + 2 H 2 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. 14
  • 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: Fe ,Co , Ni mCO + (2m + 1) H 2  Cm H 2 m + 2 + mH 2O → Cu / ZnO CO + 2 H 2 → CH 3OH  Pd Pd CH 3 ≡ CH  CH 3CH = CH 2  CH 3CH 2CH 3 → → Como ejemplo específico tenemos: la obtención de metanol por hidrogenación y desulfuración en el caso de las refinerías de petróleo: CO + 2H 2 → C H 3O H 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 15
  • MO( s ) + H 2 ( g ) → M ( s ) + H 2O(l ) Como ejemplos más específicos podemos encontrar: F eO + H 2 → F e + H 2O 2 N O + 2 H 2 → N 2 + 2 H 2O 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. 16
  • 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 8 Extraído 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 17
  • produce un poco más de un voltio. Las celdas combustibles están formadas como se representa en el siguiente esquema: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. 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. 18
  • 2 H + 2 H → 3 H + 1 H ∆H= 3,8x108KJ 1 1 1 1 3 H + 2 H → 4 He + 1 n ∆H= 1,7x109KJ 1 1 2 0 6 2 ∆H= 2,2x109KJ 3 Li + 1 H → 2 24 H e 1 1 H + 11 H → 2 1 H + β + + 9 , 9 x1 0 7 K J / m o l 2 1 H + 11 H → 3 2 H e + e n e r g ia 3 3 4 2 He + 2 He → 2 H e + 2 11 H + e n e r g ia 4 11 H → 4 2 He + 2β − + e n e r g ia 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 19
  • 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. 20
  • 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 21
  • 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. 22
  • 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 23
  • 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: Ca ( s ) + H 2 ( g ) → CaH 2 ( s ) CaH 2 ( s ) + 2 H 2O(l ) → Ca (OH ) 2 ( s ) + H 2 ( g ) 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. 1 / 2H 2(g ) + e− → H − (ac) 2− 2− SO4 → S CO2 → C C aH 2 + H 2O → C a (O H ) 2 + H 2 L i H + A l C l3 → L i[ A l H 4 ] + 3 L i C l 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: 4 LiH + AlCl3 → LiAlH 4 + 3 LiCl Li + Al + 2 H 2 atm ,120 −:150 º C → LiAlH 4 Disolvente eter 250  24
  • 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: Na2 S.9H 2 O + (n − 1)S + 2HCl → 2 NaCl + H 2 Sn SnCl2 + 2H 2 S → 2HCl + H 2 Sn−+2 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. 25
  • • 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. Luz • Combinación directa: por ejemplo: H 2 + Cl2 → 2 HCl • Hidrólisis ácida de un compuesto binario del elemento con un metal activo, se utiliza generalmente ácido clorhídrico diluido: Mg 3 B 2 → B 2 H 6 Al 4 C 3 → CH 4 • Reducción de un haluro u óxido por un hidruro iónico o por un hidruro complejo: AsCl3 + LiAlH 4 → AsH 3 + .... 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. 26
  • 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 27
  • 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 28
  • 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: 29
  • 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: N aH + C O 2 → H C O O N a 13 4 NaH + Na SO → Na S + 4 NaOH Cotton, G. Wilkinson, F. 1996. “Química4inorgánica avanzada”. Editorial LIMUSA. México. 2 2 30
  • 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: 2SbH 3 → 2Sb + 3H 2 S iH 4 → Si + 2H 2 CH 4 + 2O 2 → C O 2 + 2 H 2O S iH 4 + 2 O 2 → 2 S iO 2 + 2 H 2O 2 H I + 1 / 2 O 2 → I 2 + H 2O Los hidruros presentan carácter ácido-básico según Bronsted y Lowry: Encontramos el comportamiento hidrúrico: A − H → A+ + : H − SiH 4 + 2 H 2O → 4 H 2 + SiO2 Por otro lado tenemos el comportamiento protónico: A − H → A− + H + GeH 4 + NH 3 → [ NH 4 ][GeH 3 ] A continuación la tabla muestra la entalpía de formación para distintos hidruros: 31
  • 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. 32
  • 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. 33
  • 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. 34
  • 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. Q B2 H 6  B4 H10 + B5 H 9 + B5 H11 + ... → 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. 35
  • 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: 3LiALH4 +4(CH5)2O: BF C2H5)2O→3LiF+3AlF +2BH6 +4(CH5)2O 2 3 (    3 2 2 2NaBH4 +(HPO )x →BH6 +2H2 +2NaPO 3 2 3 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. 36
  • 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: 37
  • 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. 38
  • 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. 39
  • 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. 40
  • 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. 41
  • 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. 42
  • 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=002 43 e5715-849b-47fd-89f1-43f65c9643b3&ID=162272 consultada el 25-09-10.
  • Babor, J. Ibarz, j. 1950. “Química general moderna”. Manuel Marin editor. Argentina. Douglas, B. 1970. “Conceptos y modelos de química inorgánica”. España. Editorial Revertè. Mackay,K. “Introducción a la química inorgánica moderna”. Editorial Revertè S.A. España. Sienko, M. Plane, R. “Química teórica y descriptiva”. Editorial Aguilar. España. Sienko,M. Plane,R. “Química Experimental”. Editorial Aguilar. España. Faraselli, L. “Practicas de química inorgánica: Tema 1”. Editorial Barreiro y Ramos S.A. Uruguay. Autores varios. “Química inorgánica I”. Universidad, Cátedra de Inorgánica. Chang,R. 2002. ”Química”.Editorial Mc Graw Hill. Colombia Baran, E. 1994. “Química bioinorgánica”. Editorial Mc Graw Hill. España. Esteban, J. “Formulación química”. Publicaciones FHER. España. Rogers, G. “Química inorgánica”. Editorial Mc Graw Hill. México. Cotton,G. Wilkinson, F. 1998. “Química Inorgánica básica”. Editorial LIMUSA. México. Cotton, G. Wilkinson, F. 1996. “Química inorgánica avanzada”. Editorial LIMUSA. México. Schaum, D. 1970. “Teoría y problemas de Química general “. Editorial Mc Graw Hill. Colombia. Masterton. Slowinski. Stanitski. 1989. “Química General Superior”. Editorial Mc Graw Hill. México Gutiérrez, E. 1994.“Química inorgánica”. Editorial Revertè. España Myers, J. Mahan, M. 1990. “Química. Curso universitario”. Editorial Addison- Wesley Iberoamericana. Estados Unidos. Huheey, J. Otros. 1997. “Química inorgánica. Principios de estructura y reactividad”. Editorial Oxford University Press Harla. México. 44
  • Fierro, J. Otros. “El hidrogeno: un vector energético no contaminante para automoción”. Documento pdf. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica. España. http://www.textoscientificos.com/imagenes/quimica/ebullicion-hidruros.gif consultada el 14/7/10. http://www.educabolivia.bo/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx?GUID=002e571 5-849b-47fd-89f1-43f65c9643b3&ID=162272 consultada el 25/09/10. http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/106/htm/sec_8. htm consultada el 25/09/10. http://news.bbc.co.uk/hi/spanish/science/newsid_4631000/4631149.stm consultada el 25/05/10. http://www.uam.es/docencia/museovir/web/Museovirtual/tperiodica/elementos2/h. htm consultada el 8/07/10 http://www.nrel.gov/hydrogen/proj_production_delivery.html consultad el 8/07/10 http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrógeno/obtencion.htm consultad el 8/07/10. http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/HYDROGEN/hydrogen.html consultada el 8/07/10. http://www.ite.educacion.es/w3/eos/MaterialesEducativos/mem2000/materia/web/ 1.htm consultada el 08/07/10. http://www.textoscientificos.com/quimica/hidrógeno consultada el 8/07/10 http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/hidrógeno consultada el 08/07/10 http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/hidrogeno/hidruros consultada el 10/08/10 http://ingenieria.udea.edu.co/investigacion/gea/ALMACENAMIENTO.html consultada el 10/08/10 http://www.lenntech.es/periodica/elementos/h.htm consultada el 10/08/10. http://www.motordehidrógeno.net/que-es-el-motor-de-hidrógeno consultada el 10/08/10. http://www.materia.coppe.ufrj.br/mirror/sarra/artigos/artigo10103/index.html consultada el 10/08/10. http://www.espinoso.org/biblioteca/OrigenUniverso.htm consultada el 10/08/10 http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrógeno/ventajas_inconvenientes.htm consultada el 10/08/10. 45
  • http://www.energiasostenible.net/almacenamiento_y_transporte_de_hidrog.htm consultada el 16/10/10 www.solvaychemicals.us consultada el 16/10/10 http://www.cientificosaficionados.com/reciclado/hidruro%20metalico.htm consultada el 16/10/10 http://www.educared.net/aprende/anavegar3/premiados/ganadores/b/1046/hidruro s.htm consultada el 16/10/10 http://www.quimicaweb.net/formulacioninorganica/paginas/hidruros.htm consultada el 16/10/10 http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=10449&cat=quimica consultada el 16/10/10. http://servicios.laverdad.es/cienciaysalud/6_3_44.html consultada el 16/10/10 http://www.escritoscientificos.es/trab1a20/carpetas/fhaber/proces01.htm consultada el 16/10/10. http://www.galeon.com/quimica3cch/Haber-Bosh.html consultada el 16/10/10. http://www.cienciateca.com consultada el 16/10/10 http://cocheseco.com/motores-de-hidrgeno-combustin-limpia-historia/ consultada el 16/10/10. http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/oxigeno/compuestos consultada el 14/10/10. Nota: las ecuaciones químicas representadas en este trabajo fueron realizadas por mí con el programa Mathtype 4.0. 46