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La fisica y quimica

22.2: Hidrógeno

 

Habilidades para desarrollar

 

  • Describir las propiedades físicas y químicas del hidrógeno y predecir su reactividad.
  •  

 

 

Ahora pasamos de una visión general de las tendencias periódicas a una discusión de los elementos del bloque s, primero enfocándonos en el hidrógeno, cuya química es lo suficientemente distinta e importante para ser discutida en una categoría propia. La mayoría de las versiones de la tabla periódica colocan el hidrógeno en la esquina superior izquierda inmediatamente encima del litio, lo que implica que el hidrógeno, con una configuración electrónica 1s 1 , es miembro del grupo 1. De hecho, la química del hidrógeno no se parecen mucho a los metales del Grupo 1. De hecho, algunas versiones de la tabla periódica colocan el hidrógeno sobre el flúor en Grupo 17 porque la adición de un solo electrón a un átomo de hidrógeno completa su capa de valencia.

 

 

Aunque el hidrógeno tiene una configuración electrónica ns 1 , su química no se parece a la de los metales Grupo 1 .

 

 

Isótopos de hidrógeno

 

El hidrógeno, el elemento más abundante en el universo, es la fuente última de todos los demás elementos mediante el proceso de fusión nuclear. La tabla ( PageIndex {1} ) “Los isótopos del hidrógeno” compara los tres isótopos del hidrógeno, todos los cuales contienen un protón y un electrón por átomo. El isótopo más común es protio ( 1 H o H), seguido de deuterio ( 2 H o D), que tiene un neutrones adicionales. El isótopo más raro del hidrógeno es tritio ( 3 H o T), que se produce en la atmósfera superior por una reacción nuclear cuando los rayos cósmicos golpean el nitrógeno y otros átomos; luego se lava en los océanos por la lluvia. El tritio es radiactivo, decayendo a 3 Él con una vida media de solo 12.32 años. En consecuencia, la atmósfera y los océanos contienen solo un nivel muy bajo de tritio en estado estacionario. El término hidrógeno y el símbolo H normalmente se refieren a la mezcla natural de los tres isótopos.

 

 

Tabla ( PageIndex {1} ): Los isótopos del hidrógeno
Protium Deuterio Tritio
símbolo ( mathrm {_1 ^ 1H} ) ( mathrm {_1 ^ 2H} ) ( mathrm {_1 ^ 3H} )
neutrones 0 1 2
masa (amu) 1.00783 2.0140 3.01605
abundancia (%) 99,9885 0,0115 ~ 10 −17
vida media (años) 12.32
punto de ebullición de X 2 (K) 20,28 23,67 25
punto de fusión / punto de ebullición de X 2 O (° C) 0,0 / 100,0 3.8 / 101.4 4.5 /?

 

Las diferentes masas de los tres isótopos de hidrógeno hacen que tengan diferentes propiedades físicas. Así, H 2 , D 2 y T 2 difieren en sus puntos de fusión, puntos de ebullición, densidades y calores de fusión y vaporización. En 1931, Harold Urey y sus colegas descubrieron el deuterio evaporando lentamente varios litros de hidrógeno líquido hasta que quedó un volumen de aproximadamente 1 ml. Cuando ese líquido restante se vaporizó y se examinó su espectro de emisión, observaron nuevas líneas de absorción además de las identificadas previamente como originarias del hidrógeno. La abundancia natural de tritio, en contraste, es tan baja que no podría ser detectada por experimentos similares; fue preparado por primera vez en 1934 por una reacción nuclear.

 

 

Harold Urey (1893–1981)

 

Urey ganó el Premio Nobel de Química en 1934 por su descubrimiento del deuterio ( 2 H). Urey nació y se educó en la zona rural de Indiana. Después de obtener una licenciatura en zoología de la Universidad de Montana en 1917, Urey cambió de dirección profesional. Obtuvo su doctorado en química en Berkeley con G. N. Lewis y posteriormente trabajó con Niels Bohr en Copenhague. Durante la Segunda Guerra Mundial, Urey fue director de investigación de guerra para el Proyecto Atom Bomb en la Universidad de Columbia. En años posteriores, su investigación se centró en la evolución de la vida. En 1953, él y su estudiante graduado, Stanley Miller, demostraron que los compuestos orgánicos, incluidos los aminoácidos, podían formarse al pasar una descarga eléctrica a través de una mezcla de compuestos que se cree que están presentes en la atmósfera de la Tierra primitiva.

 

 

Debido a que el punto de ebullición normal de D 2 O es 101.4 ° C (en comparación con 100.0 ° C para H 2 O), se puede usar evaporación o destilación fraccionada para aumentar la concentración de deuterio en una muestra de agua mediante la eliminación selectiva del H más volátil 2 O. Así, los cuerpos de agua que no tienen salida, como el Gran Lago Salado y el Mar Muerto, que mantienen su nivel únicamente por evaporación, tienen concentraciones significativamente más altas de agua deuterada que el lago o el agua de mar con al menos una salida. Una forma más eficiente de obtener agua altamente enriquecida en deuterio es mediante la electrólisis prolongada de una solución acuosa. Debido a que un deuterón (D + ) tiene el doble de masa que un protón (H + ), se difunde más lentamente hacia la superficie del electrodo. En consecuencia, el gas desprendido en el cátodo se enriquece en H, la especie que se difunde más rápidamente, favoreciendo la formación de H 2 sobre D 2 o HD. Mientras tanto, la solución se enriquece en deuterio. El agua rica en deuterio se llama agua pesada porque la densidad de D 2 O (1.1044 g / cm 3 a 25 ° C) es mayor que la de H 2 [19459041 ] O (0,99978 g / cm 3 ). El agua pesada fue un componente importante de los primeros reactores nucleares.

 

Debido a que los deuterones se difunden mucho más lentamente, D 2 O no soportará la vida y en realidad es tóxico si se administra a mamíferos en grandes cantidades. El paso limitante de la velocidad en muchas reacciones importantes catalizadas por enzimas implica la transferencia de protones. La transferencia de D + es muy lenta en comparación con la de H + porque los enlaces a D se rompen más lentamente que los de H, por lo que se altera el delicado equilibrio de las reacciones en la célula. No obstante, el deuterio y el tritio son herramientas de investigación importantes para los bioquímicos. Al incorporar estos isótopos en posiciones específicas en moléculas seleccionadas, donde actúan como marcadores o trazadores, los bioquímicos pueden seguir el camino de una molécula a través de un organismo o una célula. Los trazadores también se pueden usar para proporcionar información sobre el mecanismo de las reacciones enzimáticas.

 

Unión en hidrógeno y compuestos que contienen hidrógeno

 

La configuración electrónica del hidrógeno 1s 1 indica un solo electrón de valencia. Debido a que el orbital 1 tiene una capacidad máxima de dos electrones, el hidrógeno puede formar compuestos con otros elementos de tres maneras (Figura ( PageIndex {1} )):

 

  1. Perdiendo su electrón para formar un protón (H + ) con un orbital 1s vacío. El protón es un ácido de Lewis que puede aceptar un par de electrones de otro átomo para formar un enlace par de electrones. En las reacciones ácido-base, el protón siempre se une a un par solitario de electrones en un átomo en otra molécula para formar un enlace covalente polar. Si el único par de electrones pertenece a un átomo de oxígeno de una molécula de agua, el resultado es el ion hidronio (H 3 O + ).
  2. Aceptar un electrón para formar un ion hidruro (H ), que tiene un orbital 1s 2 lleno. El hidrógeno reacciona con metales relativamente electropositivos, como los metales alcalinos (grupo 1) y los metales alcalinotérreos (grupo 2), para formar hidruros iónicos, que contienen cationes metálicos e iones H .
  3. Compartiendo su electrón con un electrón en otro átomo para formar un enlace de par de electrones. Con un orbital 1s medio lleno 1 , el átomo de hidrógeno puede interactuar con orbitales individualmente ocupados en otros átomos para formar un enlace de par de electrones covalente o polar covalente, dependiendo de la electronegatividad del otro átomo
  4.  

 

Figura ( PageIndex {1} ): Tres tipos de enlaces en compuestos de hidrógeno. Debido a su configuración electrónica de 1s 1 y al hecho de que el orbital 1s no puede acomodar más de dos electrones, el hidrógeno puede (a) unirse a otros elementos al perder un electrón para formar un protón, que puede aceptar un par de electrones de un átomo más electronegativo para formar un enlace covalente polar; (b) obtener un electrón de un metal electropositivo para formar un ion hidruro, dando como resultado un hidruro iónico; o (c) comparta su orbital 1s medio lleno con un orbital medio lleno en otro átomo para formar un enlace de pares de electrones covalente o polar covalente.

 

El hidrógeno también puede actuar como un puente entre dos átomos. Un ejemplo familiar es el enlace de hidrógeno , una interacción electrostática entre un hidrógeno unido a un átomo electronegativo y un átomo que tiene uno o más pares de electrones solitarios (Figura ( PageIndex {2} )). Un ejemplo de este tipo de interacción es la red de enlace de hidrógeno que se encuentra en el agua (Figura ( PageIndex {2} )). El hidrógeno también puede formar un enlace de tres centros (o enlace deficiente en electrones) , en el que un hidruro une dos átomos electropositivos. Los compuestos que contienen hidrógeno unido al boro y elementos similares a menudo tienen este tipo de unión. Las unidades B – H – B que se encuentran en los hidruros de boro no pueden describirse en términos de enlaces de pares de electrones localizados.

 

Figura ( PageIndex {2} ): El enlace de hidrógeno. El enlace covalente entre el hidrógeno y un elemento muy electronegativo, como el nitrógeno, el oxígeno o el flúor, es altamente polar. La carga positiva parcial resultante en H le permite interactuar con un par solitario de electrones en otro átomo para formar un enlace de hidrógeno, que generalmente es una disposición lineal de los tres átomos, con el átomo de hidrógeno colocado asimétricamente entre los dos átomos más pesados.

 

Debido a que el átomo de H en el medio de tal unidad puede acomodar un máximo de solo dos electrones en su orbital 1s, la unidad B – H – B puede describirse como que contiene un hidruro que interactúa simultáneamente con sp vacío 3 orbitales en dos átomos de boro (Figura ( PageIndex {3} )). En estos enlaces, solo se usan dos electrones de enlace para mantener juntos tres átomos, lo que los convierte en enlaces deficientes en electrones. Encontró un fenómeno similar en la discusión del enlace π en el ozono y el ion nitrito. Recuerde que en ambos casos, utilizamos la presencia de dos electrones en un orbital molecular π que se extiende sobre tres átomos para explicar el hecho de que las dos distancias de enlace O-O en el ozono y las dos distancias de enlace N-O en nitrito son las mismas , que de otro modo solo puede explicarse mediante el uso de estructuras de resonancia.

 

Figura ( PageIndex {3} ): un enlace de tres centros utiliza dos electrones para unir tres átomos. En la unidad B – H – B que se muestra, un hidruro, con un orbital 1s lleno, interactúa simultáneamente con híbridos sp 3 vacíos en los átomos de boro de dos unidades BH 3 para dar tres orbitales moleculares. Los dos electrones de enlace ocupan el orbital de enlace de energía más baja (σ), manteniendo así los tres átomos juntos.

 

 

El hidrógeno puede perder su electrón para formar H + , aceptar un electrón para formar H , compartir su electrón, enlace de hidrógeno o formar un enlace de tres centros.

 

 

Síntesis, reacciones y compuestos de hidrógeno

 

La primera preparación conocida de hidrógeno elemental fue en 1671, cuando Robert Boyle disolvió hierro en ácido diluido y obtuvo un producto gaseoso incoloro e inodoro. El hidrógeno finalmente se identificó como un elemento en 1766, cuando Henry Cavendish demostró que el agua era el único producto de la reacción del gas con el oxígeno. Las propiedades explosivas de las mezclas de hidrógeno con aire no se descubrieron hasta principios del siglo XVIII; causaron parcialmente la espectacular explosión del dirigible Hindenburg lleno de hidrógeno en 1937 (Figura ( PageIndex {4} )). Debido a su masa molecular extremadamente baja, el gas hidrógeno es difícil de condensar en un líquido (punto de ebullición = 20.3 K), y el hidrógeno sólido tiene uno de los puntos de fusión más bajos conocidos (13.8 K).

 

Figura ( PageIndex {4} ): Las propiedades explosivas del hidrógeno. Cuando se mezcla con aire y se enciende con una chispa, el gas hidrógeno puede explotar. La fotografía muestra el dirigible alemán Hindenburg en llamas en Lakehurst, Nueva Jersey, en 1937, después de que su compartimento de hidrógeno se incendió accidentalmente como consecuencia de una descarga eléctrica que provocó que la piel inflamable del dirigible se incendiara.

 

La forma más común de producir pequeñas cantidades de gas hidrógeno altamente puro en el laboratorio fue descubierta por Boyle: haciendo reaccionar un metal activo (M), como hierro, magnesio o zinc, con ácido diluido:

 

[M _ {(s)} + 2H ^ + _ {(aq)} rightarrow H_ {2 (g)} + M ^ {2 +} _ {(aq)} label {21.1} ]

 

El gas hidrógeno también se puede generar haciendo reaccionar metales como el aluminio o el zinc con una base fuerte:

 

[ mathrm {Al (s)} + mathrm {OH ^ – (aq)} + mathrm {3H_2O (l)} rightarrow frac {3} {2} mathrm {H_2 (g) } + mathrm {[Al (OH) _4] ^ – (aq)} label {21.2} ]

 

Los limpiadores de drenaje comerciales sólidos como Drano utilizan esta reacción para generar burbujas de gas que ayudan a romper las obstrucciones en una tubería de drenaje. El gas hidrógeno también se produce al hacer reaccionar los hidruros iónicos con agua. Sin embargo, debido a que los hidruros iónicos son caros, esta reacción generalmente se usa solo para fines especializados, como la producción de gas HD haciendo reaccionar un hidruro con D 2 O:

 

[MH _ {(s)} + D_2O (l) rightarrow HD _ {(g)} + M ^ + (aq) + OD ^ −_ {(aq)} label {21.3} ] [19459003 ]

 

A escala industrial, H 2 se produce a partir de metano mediante reformado catalítico con vapor, un método utilizado para convertir hidrocarburos en una mezcla de CO y H 2 conocido como síntesis gas o gas de síntesis. El proceso se lleva a cabo a temperaturas elevadas (800 ° C) en presencia de un catalizador de níquel:

 

[ mathrm {CH_4 (g)} + mathrm {H_2O (g)} xrightarrow { mathrm {Ni}} mathrm {CO (g)} + mathrm {3H_2 (g)} label {21.4} ]

 

La mayoría de los elementos en la tabla periódica forman compuestos binarios con hidrógeno, que se denominan colectivamente hidruros. Los hidruros binarios a su vez pueden clasificarse en una de tres formas, cada una con sus propias propiedades características. Los hidruros covalentes contienen hidrógeno unido a otro átomo a través de un enlace covalente o un enlace covalente polar. Los hidruros covalentes son generalmente sustancias moleculares que son relativamente volátiles y tienen bajos puntos de fusión. Los hidruros iónicos contienen el ion hidruro como el anión con cationes derivados de metales electropositivos. Como la mayoría de los compuestos iónicos, generalmente son sólidos no volátiles que contienen redes tridimensionales de cationes y aniones. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los compuestos iónicos, a menudo se descomponen en H 2 (g) y el metal original después del calentamiento. Los hidruros metálicos están formados por hidrógeno y metales menos electropositivos, como los metales de transición. Las propiedades de los hidruros metálicos suelen ser similares a las del metal original. En consecuencia, los hidruros metálicos se ven mejor como metales que contienen muchos átomos de hidrógeno presentes como impurezas intersticiales.

 

 

Los hidruros covalentes son relativamente volátiles y tienen bajos puntos de fusión; Los hidruros iónicos son generalmente sólidos no volátiles en una estructura reticular.

 

 

Resumen y conclusión clave

 

El hidrógeno puede perder un electrón para formar un protón, ganar un electrón para formar un ion hidruro, o formar un enlace covalente o un enlace de pares de electrones covalentes polares. Los tres isótopos de hidrógeno: protio ( 1 H o H), deuterio ( 2 H o D) y tritio ( 3 H o T), tienen Diferentes propiedades físicas. El deuterio y el tritio pueden usarse como trazadores, sustancias que permiten a los bioquímicos seguir el camino de una molécula a través de un organismo o una célula. El hidrógeno puede formar compuestos que contienen un protón (H + ), un ion hidruro (H ), un enlace de par de electrones a H, un enlace de hidrógeno o un centro de tres enlace (o enlace deficiente en electrones), en el que dos electrones se comparten entre tres átomos. El gas hidrógeno puede generarse haciendo reaccionar un metal activo con ácido diluido, haciendo reaccionar Al o Zn con una base fuerte, o industrialmente mediante reformado catalítico con vapor, que produce gas de síntesis o gas de síntesis.