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Hidrógeno
21/04/23
Recordando sobre el hidrógeno…
•Su número atómico el 1
•Es el elemento de MENOR peso molecular
•Tiene un solo electrón
•Su configuración electrónica es 1s1
•Es un NO METAL
•No pertenece a ningún grupo en particular
Por ello tiene un… comportamiento químico singular.
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Ubicación en la tabla periódica
Como los Alcalinos...tiene un electrón de valencia (ns1), A diferencia de lo Alcalinos... tiene poca tendencia a perder ese electrón , no tiene carácter metálico.
Como a los Halógenos…le falta un electrón para alcanzar configuración del gas noble.A diferencia de los Halógenos... muestra poca tendencia aceptar un electrón más , por su baja electronegatividad
Presenta gran tendencia a compartir su electrón en uniones covalentes.
Isótopos del hidrógeno
Protio o hidrógeno: es el más abundante (99,985 %). Deuterio (D): abundancia variable (0,015 %). Tritio (T): es poco abundante (1 en 1021 átomos de hidrógeno) y radiactivo.
Los tres isótopos difieren tanto en sus masas moleculares que las propiedades físicas y químicas son sensiblemente diferentes, lo que los vuelve útiles como marcadores moleculares (seguimiento de reacciones).
Agua pesada: Enriquecida en moléculas que con deuterio (2H), en lugar de hidrógeno 1H (protio). El agua pesada se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante en reactores nucleares. El deuterio es también un potencial combustible para la fusiónnuclear con fines comerciales.
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Abundancia relativa de Hidrógeno en la Tierra…¿Atómos o moles?
De todos los átomos que hay en la Tierra… el 16% son átomos de H, pero representan sólo el 0,9 % en peso.
En la superficie terrestre…Ocupa el el 3° lugar en abundancia considerando el % de átomos y el 15° lugar en cuanto a abundancia considerando el % en peso
La sustancia elemental hidrógeno es un gas diatómico H2.
En el Universo el H2 es el mas abundante de todos los elementos sin embargo
en la Tierra el H2 es poco abundante ya que la atracción gravitacional del planeta no es suficiente para retener moléculas tan livianas; por eso el H2 en la atmósfera se encuentra a nivel de trazas.
En la naturaleza el H aparece combinado.
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Reacción de formación de H2:
H.(g) + H.(g) H2 (g) Hº = -436.4 kJ/mol
En CNPT el H2 es un gas incoloro, inodoro, insípido y altamente inflamable.
Reacciona en presencia de aire en forma explosiva!
H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (g) DHº = -346.4 kJ/mol
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El H2 es la molécula más pequeña que se conoce…
Por sus escasas fuerzas intermoleculares y pequeño volumen molar, su comportamiento se aproxima al del gas ideal
• Gran facilidad de difusión y efusión.
• Buena conductividad calorífica.
• Solubilidad en agua, no afectada por la temperatura.
✔ punto de fusión normal: -258.9°C
✔ punto de ebullición normal: -256.6 °C
✔ temperatura crítica: -239,9°C
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En la naturaleza el H aparece combinado.
Estado de oxidación +1 Estado de oxidación -1HIDRUROS* con No Metales1) H combinado con elementos de mayor electronegatividad como los halógenos (F, Cl, Br, I) ó los del grupo VI A (O, S, Se).
Ej.: H2O, HF, HCl etc
Tipo de enlace: covalente polarEn solución acuosa se puede estabilizar la separación de cargas y transferirse el H+ (protón) a una molécula del solvente (aceptora) dando soluciones ácidas.
El NH3 da solución básica por su posibilidad de donar un par de electrones no compartido
2) Con los elementos de electronegatividad semejante a la del H , el hidruro es e insoluble en agua. Ej: CH4 , hidrocarburos, PH3, etc.
Tipo de enlace: covalente poco polar
HIDRUROS* Metálicos1) Combinado con elementos de menor electronegatividad tales como los alcalinos ó los alcalinotérreos, se forman compuestos iónicos. : P.ej.: NaH, CaH2 LiH, etc.
Tipo de enlace: covalente ionicoPero el hidruro H-1 se oxida espontáneamente al reaccionar con protones del agua (aun en presencia de humedad, ó con alcoholes ) dando una solución alcalina según:
H-1 + H2O OH- + H2 (g)
*Hidruro: Compuestos binarios entre H y otro elemento
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El hidruro más famoso…
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El agua…•La mayor parte del hidrógeno de la Tierra se encuentra combinado con oxígeno, en forma de agua.
•El agua que es el compuesto más importante de la biosfera, imprescindible para el sustento de la vida.
•Su capacidad de generar puentes de hidrógeno le otorga propiedades únicas.
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Ejemplos de propiedades del agua que le otorgan importancia biológica….
• Elevados puntos de fusión y ebullición: permiten que el agua se encuentre líquida a la temperatura ambiente.
• Alto calor específico: excepcional amortiguador y regulador de los cambios térmicos contribuye al mantenimiento de la temperatura corporal.
• Calor de vaporización elevado: permite eliminar, por medio de la transpiración, grandes cantidades de calor.
• Excelente disolvente de sustancias polares: reacciones químicas dentro de los seres vivos, transporte de nutrientes, excresión de sustancias, etc
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Comportamiento Redox
H+ + 1e- ↔ ½ H2 0,00 V
½ H2 + 1e- ↔ H- -2,30 V
H2O + 1e- ↔ ½ H2 + OH- -0,84 V
El H2 gaseoso es usado comúnmente como agente reductor, por ejemplo en metalurgia . Se oxida y el oxígeno suele ser el receptor final de sus electrones
HgO (s) + H2 (g) Hg (l) + H2O
Considerando la Tabla de potenciales electroquímicos y el electrodo estándar de hidrógeno:Los metales con potencial de reducción más negativo que el H , se oxidan y reducen al H, generando H2 (gas) de soluciones ácidas
Mg + 2HCl --> MgCl2 + H2
En el laboratorio se puede preparar con facilidad pequeñas cantidades de hidrógeno gaseoso por la reacción de zinc con ácido clorhídrico diluido.
Desplazamiento metálico
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
Obtención industrial de gas hidrógeno
•La conversión de metano (gas natural) : con vapor de agua sobre un catalizador según las siguientes reacciones endotérmicas:
•La extracción de gases de coque : Los gases de coque son un subproducto de la fabricación del coque metalúrgico. Su composición es de alrededor del 50% de H2, 25% de CH4; 10% de CO; 7% de N2, con etano, etileno, CO2 y H2S, etc.
•La electrólisis del agua.
2H2O(aq) 2H2(g) + O2(g)
Usos industriales de H2
• Síntesis del amoníaco (Proceso Haber-Bosh).
• Procesamiento de combustibles fósiles (cracking)
• Producción de metanol (CO + CO2 + H2 → CH3OH)
• Producción del ácido clorhídrico.
• Agente hidrogenante, particularmente en el incremento de la saturación de grasas y aceites insaturados.
• Como agente reductor para minerales metálicos.
• El uso del H2 tendría la ventaja de que las fuentes fósiles podrían usarse directamente para la obtención del gas.
• Usado como combustible produciría una combustión limpia con el agua como producto, eliminando las emisiones de CO2.
Otros compuestos del hidrógeno
El elemento hidrógeno se encuentra formando uniones covalentes en millones de compuestos orgánicos: Hidratos de carbono, aminoácidos, Proteínas, acidos grasos, alcoholes, ácidos organicos, ésteres, etc., etc, etc.
Todos los compuestos orgánicos y biológicos contienen H saturando sus valencias terminales.
El petróleo y el gas natural (provenientes de antigua materia orgánica) también contienen mezclas de hidrocarburos (compuestos de hidrógeno y carbono).
Frente a los no metales presenta el estado de oxidación +1Por lo tanto los carbonos ricos en H tienen estados de oxidación más negativos, están “más reducidos”
-4 0 +2 +4
CH4 CH2O HCOOH CO2
+reducido + oxidado
El concepto de acidez
• El concepto de acidez más fundamental y más abarcativo es el modelo de Lewis, donde ácido es una especie carente (y ávida) de electrones. El ión H+ del átomo de hidrógeno es la especie más ácida.
• Cuando está unido a elementos electronegativos (y capaces de soportar la carga negativa del electrón que deja el H) el H+ puede ionizarse e intercambiarse en equilibrio dinámico.
El H+ no existe como tal en solución acuosa. Al ser tan pequeño, su efecto polarizante es tan grande, que de inmediato se forma por lo menos el catión oxonio, H3O+ (ó mayores asociaciones)
Este es el punto de vista de Brönsted para la transferencia ácido – base AH + B BH+ + A-
con una constante de equilibrio Ka cuyo valor dependerá de las estabilidades relativas de los productos y reactivos
En solución acuosa
• Cuando se cumplen los múltiples equilibrios que pueden darse en una solución acuosa, además de el de autoionización del agua
queda definida una concentración de iones H3O+ en equilibrio y por lo tanto un
pH• Estos equilibrios son dinámicos y reversibles y frente a las alteraciones se
reorganizan . Al cumplir su tendencia termodinámica, cumplen el principio de Le Chatelier
•.
El pH del suelo
El material parental, según la roca que dio origen a dicho suelo y su grado de meteorización, presenta mayor ó menor número sitios ionizables que pueden presentar carga.
El contenido de MO del suelo aporta más sitios ionizados dependientes del pH
Intercambio catiónico ó aniónico?
Punto carga cero ó punto isoeléctrico
El pH en el suelo : fuentes de acidez
Las precipitaciones tienden a acidificar el suelo.
La mineralización de los residuos orgánicos genera amonio (NH4+).
La respiración microbiana genera CO2 y baja el pH
(recordar CO2 + H2O (H2CO3) CO3H- + H+)
La extracción de bases por los cultivos.
El uso de fertilizantes, los cuales pueden dejar residuos ácidos o alcalinos.
El pH del suelos disminuye en verano, y aumenta en invierno y principios de primavera
•Las propiedades físicas del suelo resultan más estables alrededor pH neutro.
•A pH muy ácido hay una intensa alteración de minerales y se libera aluminio. Por su tendencia a la hidrólisis se incorporan H+ a la disolución y la estructura se vuelve inestable. El Al+3, puede fijarse con más firmeza que el H+ al coloide por su mayor carga.
•El pH muy alcalino implica carbonato de sodio en la solución del suelo. Las arcillas se dispersan, se destruye la floculación y la estructura. Se generan malas condiciones desde el punto de vista físico (pobre permeabilidad al aire, al agua y a las raíces)
El pH y las propiedades físicas y químicas del suelo.
El pH y las propiedades nutritivas del suelo.
El pH es uno de los factores de que depende cuál especie química es mayoritaria, así puede ó no estar disponible un nutriente para las plantas
El grupo VI
Generalidades y elemento oxígeno
Propiedades periódicas del grupo VI AElemento
(símbolo)
Núm.
atómico
Masa atómica
Radio atómico (pm)
E. de 1° Ionización
(kJ/mol)
Carácter metálico
Electro-
Negati
vidad
Estados de oxidación
P. Fus (°C)
P.Ebull (°C)
Est. Físico
Abun-
dancia
Config electronica
Oxígeno
O
8 16,0 60 1313,9 No metal 3,5 -2, -1 -222,7 -182,8 Gas 46,60% 1s2 2s2 2p4
Azufre
S
16 32,06 88 999,6 No metal 2,5 -2,
+2,+4,+6
115,4 444,9 Sólido 0,052% (Ne)
3s2 3p4
Selenio
Se
34 78,96 103 941,0 No metal 2,4 -2,
+2, +4,+6
221,5 684,8 Sólido Trz (Ar) 3d10
4s2 4p6
Telurio
Te
52 127,6 123 869,3 No metal 2,1 -2,
+2,
+4,+6
449,7 998,0 Sólido Trz (Kr) 4d10
5s2 5p4
Polonio
Po
84 210 135 812,1 Metal 2,0 +2, +4 254,0 962,0 Sólido Trz. (Xe) 4f14
5d10
6s2 6p4
Abundancia comparativa del oxígeno
• Oxígeno, O: 46,60 %• Silicio, Si: 27,72 %• Aluminio, Al: 8,13 %• Hierro, Fe: 5,00 %• Calcio, Ca: 3,63 %• Sodio, Na: 2,83 %• Potasio, K: 2,59 %• Magnesio, Mg: 2,09 %• Otros: 1,41 %
Azufre, S : 0,052%
•El oxígeno es el elemento más abundante en corteza terrestre (46,6 %: formando parte de silicatos)• En los océanos 85,8 % (el 88,8 % del agua pura es oxigeno).• Es el segundo en la atmósfera, entre un 21-22 % del volumen y el 23,15 % del peso.• Es un elemento esencial para la vida (50% en la biosfera)
Sustancia elemental oxígeno: O2
Se presenta como gas diatómico.
Sus propiedades características son • Gran reactividad química: sin contar a los gases nobles
livianos, forma compuestos con todos los elementos, llamados “óxidos”.
• Paramagnetismo: es decir se orienta en un campo magnético (el oxígeno líquido y el sólido a temperaturas menores que -219 °C, presentan una coloración azulada y ambos son también paramagnéticos)
La comparación con la inercia química y diamagnetismo del N2 ….
Molécula de N2 Molécula de O2
2s2 2p4 2s2 2p4
2s2 2p3
2s2 2p3
Principales diferencias entre el oxígeno y el azufre
Según la configuración electrónica de los electrones de valencia, se esperaría que el oxígeno y el azufre sean parecidos.
Ambos elementos forman compuestos iónicos con metales electropositivos y compuestos covalentes similares.
Aún así existen diferencias importantes entre los compuestos de oxígeno y azufre
El azufre no forma enlaces doble S=S tan fuertes como los que forma el oxígeno. Existen compuestos que presentan enlaces dobles S=O y S=C como el SO2 y el CS2 pero estos enlaces dobles son más débiles que los equivalentes con oxígeno encontrados en las moléculas análogas de O3 y CO2.
El enlace sencillo S-S es muy fuerte (270 kJmol-1) comparado con el O-O simple (145 kJmol-1) tendencia a la catenación, o formación de compuestos con cadenas de enlaces S-S. El azufre es el elemento que sigue al carbono en su tendencia a la homocatenación (capacidad para formar compuestos con enlaces sencillos X-X-X extendidos) . La molécula de azufre es S8
• Compuestos de oxígeno y sus análogos de azufre
Na2O (óxido de sodio)- Na2S (sulfuro de sodio),
H2O (agua)-H2S (sulfuro de hidrógeno)
SO2 (dióxido de azufre)- O3 (ozono)
CO2 (dióxido de carbono)- CS2 (disulfuro de carbono)
OCN−(ión cianato), SCN− (ión tiocianato),
OC(NH2)2 (urea)- SC(NH2)2 (tiourea)
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A que se deben estas diferencias?
Tamaño: El Oxígeno es más pequeño que S
Ectronegatividad del azufre: 2.5 y de oxígeno 3.5
S: orbitales d de baja energía en la capa de valencia.
Iones y compuestos más comunes del oxígeno
Inorgánicos
El oxígeno puede formar compuestos binario con diferentes estados de oxidación :
Óxidos, contienen el ión O-2, estado de oxidación -2, aunque dado el pequeño tamaño del átomo sus uniones poseen un gran porcentaje de carácter covalente, aún con los elementos metálicos. Los más comunes y abundantes H2O y CO2
Peróxido, contiene el ión O2 -2, estado de oxidación -1Superóxido, contiene el ión O2 -1, estado de oxidación -1/2Ozónido, O3 -1 estado de oxidación -1/3
Con flúor, únicas combinaciones de oxígeno en estado de oxidación positivo:FOOF (F2O2): estado de oxidación +1.FOF (F2O): estado de oxidación +2.
Los óxidos de los metales alcalinos y de los metales alcalinotérreos son sólidos iónicos que tienen altos puntos de fusión.Los óxidos de los no metales son compuestos covalentes que generalmente existen como líquidos o gases a temperatura ambiente. El carácter ácido aumenta en la tabla de izquierda a derecha y a medida que se desciende en un grupo.
Na2O MgO Al2O3 SiO2 P4O10 SO3 Cl2O7
Iones y compuestos más comunes del oxígeno
Oxoácidos con no metales: generan aniones capaces de estabilizar la pérdida de hidrógeno y dan “ácidos fuertes”
SO4-2 NO3
-1
Orgánicos
Enlaces con C
simples (sp3): grupos alcohol, fenol, éter
dobles (sp2) : carbonilo, carboxilo, éster, amida
Reacciones del oxígeno
Por su tendencia a la reactividad , las reacciones de oxidación son prácticamente siempre espontáneas y exotérmicas.
• Las “combustiones” son oxidaciones, reacciones que usamos diariamente para proveernos calor, movimiento, etc.
Por ej. , la de los hidrocarburos CH4 + O2 CO2 + 2H2O
Agente oxidante en muchas reacciones inorgánicas y orgánicas.
• O2 es una de las sustancias más utilizadas en la industria : en la fabricación de acero reduce el contenido de C y de impurezas del Fe
• Se utiliza como agente blanqueador de la pulpa y el papel.• En medicina para superar dificultades respiratorias
El O2 es la sustancia oxidante final de los materiales orgánicos que denominamos “alimento” (Respiración: sirve a los organismos heterótrofos para tener la energía que les permite mantener la vida)
Fotosíntesis: proceso bioquímico que utiliza energía solar y sustancias inorgánicas para sintetizar sustancias orgánicas complejas
Ciclo del oxígeno
El oxígeno es vida
• El oxígeno es el elemento químico más abundante y esencial en los seres vivos. Es el elemento que capta los “equivalentes de reducción” al final de la cadena respiratoria por la que los “aerobios” consiguen la energía
• El oxígeno utilizable por los seres vivos está en la atmósfera. Su ciclo está muy unido al del carbono, por que el carbono es asimilado por las plantas (fotosíntesis) con devolución del oxígeno a la atmósfera, mientras que el proceso de respiración ocasiona el efecto contrario.
• La vida acuática, depende de la solubilidad del O2 atmosférico a 1 atm y T amb., que es alrededor de 9 ppm. A su vez, ese O2 lo consumirían los microorganismos en la fermentación de materia orgánica de esas aguas, dando condiciones anaerobias y muerte. Por eso se miden parámetros de control ecológico como DBO y DQO .
Toxicidad del Oxígeno
• La molécula de O2 debe su presencia en la atmósfera a la actividad fotosintética de primitivos organismos. Al principio debió ser una sustancia tóxica para la vida primitiva por su gran poder oxidante. Todavía ahora, una atmósfera de oxígeno puro produce daños irreparables en las células.
Pero el metabolismo celular, se adaptó a usar la molécula de oxígeno como agente oxidante de los alimentos , obteniendo así una nueva vía de energía mucho más eficiente que la anaeróbica.
• La oxidación de moléculas biológicas con O2 vía radicales libres provoca reacciones indiscriminadas que llevan a cáncer ó mutaciones, que los organismos combaten con antioxidantes (vitamina C, polifenoles, etc)
Anaerobiosis• La respiración anaeróbica (o anaerobia) es un proceso
biológico de oxidorreducción de monosacáridos, en el que el aceptor terminal de electrones es una molécula distinta del O2
• En ausencia de O2 (suelos inundados, aguas llenas de materia orgánica) mueren los organismos aerobios, viven los anaerobios estrictos ó facultativos
Procesos anaeróbicos
Bacterias desnitrificantes : aerobias facultativas
Desulfuvibrio : anaerobias estrictas
Metanogénicas
El ozono : forma alotrópica del oxígeno
• Otra parte del ciclo del oxígeno que tiene un notable interés para los seres vivos
de la superficie de la Tierra es su conversión en ozono.
• Las moléculas de O2, activadas por las radiaciones muy energéticas de onda corta, se rompen en átomos libres de oxígeno que reaccionan con otras moléculas de O2, formando O3 (ozono).
O2 hv 2O.
O. + O2 O3
• Esta reacción es reversible, de forma que el ozono, absorbiendo radiaciones ultravioletas vuelve a convertirse en O2.
El ozono • Estado alotrópico del oxígeno• Se halla en la atmósfera en muy pequeña cantidad• Se forma por acción de los rayos ultravioletas y/ó radiación sobre el oxígeno
del aire, formando la denominada capa de ozono• Su molécula está compuesta por tres átomos de oxígeno formada al disociarse
los 2 átomos que componen el gas de oxígeno. Cada átomo de oxígeno liberado se une a otra molécula de oxígeno (O2), formando moléculas de Ozono (O3).
3 O2 (g) 2 O3(g) Gº = 326.8 kj
• Debido a que la energía libre estándar de formación del ozono es una cantidad positiva grande (163.4 kj/mol), el ozono es menos estable que el oxígeno molecular.
El ozono es mejor oxidante en cualquier medio
Medio ácido O2 + 4 H+ + 4 e- 2 H2O 1.23 V
O3 + 2 H+ + 2 e- O2 + 2 H2O 2.07 V
Básico O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH- 0.40 V
O3 + H2O + 2 e- O2 + 2 OH- 1.24 V
Neutro O2 + 4 H+ (10-7 M) + 4 e- 2 H2O 0.81 V
O3 + 2 H+ (10-7M) + 2 e- O2 + 2 H2O 1.65 V
El ozono es mejor oxidante en cualquier medio
Usos del ozono en industria agroalimentaria:
• Desinfección del agua. • Depuración de aguas residuales. • Tratamiento de olores. • Higienización de equipos e instalaciones alimentarias. • Conservación de materias primas y productos alimentarios
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Capa de ozono
En la atmósfera el ozono se destruye a su vez por acción de la propia radiación ultravioleta, ya que la radiación con longitud de onda menor de 290 nm hace que se desprenda un átomo de oxígeno de la molécula de ozono.
Se forma así un equilibrio dinámico en el que ozono se forma y destruye , consumiéndose de esta forma la mayoría de la radiación de onda menor de 290 nm. Así, el ozono actúa como un filtro que no deja pasar dicha radiación perjudicial hasta la superficie de la tierra.
El equilibrio de ozono en la estratósfera se ve afectado por lapresencia de contaminantes, que suben hasta la altaatmósfera donde catalizan la destrucción del ozono másrápidamente de lo que se regenera, produciendo así elagujero de la capa de ozono.
Ejemplo de cómo un compuesto CFC puede descomponer ozono
• CFC (Compuesto clorofluorcarbonado) queda expuesto a la radiación UV de
longitud de onda 190-225 nm, suficiente para romper el enlace C-Cl y liberar
radicales Cl.
CF2Cl2 (g) + hv CF2Cl . (g) + Cl . (g)
• Los Cl. reaccionan con el ozono rápidamente y producen la siguiente cadena de
reacciones donde se descompone el ozono formando oxígeno en forma no
deseada para la zona de la estratósfera:
2 Cl. (g) + 2 O3 (g) 2 ClO. (g) + 2 O2 (g)
2 ClO. (g) + hv 2 Cl . (g) + 2 O. (g)
O. (g) + O. (g) O2 (g)
2 Cl. (g) + 2 O3 (g) + 2 ClO. (g) + 2 O2 (g) 2 Cl. (g) + 2 ClO. (g) + 2 O2 (g) + 2 O. (g)
Simplificando…
2 O3 (g) 3 O2 (g)
