El Elemento Hidrógeno
H
- El
más abundante del Universo (≈ 87%).
- En la Tierra también es el más abundante, en Nº de átomos (16%)
- Pero en masa, constituye el 0,76% de la Tierra (casi todo agua)
- 1 solo electrón + 1 protón  La química más simple posible?
- Veremos algunas especies: H - H+ - H– - H2 – H2+ - H3+ - EHx
- H2, el combustible del futuro?
-De paso, aprenderemos algo acerca de algunas
Espectroscopías
Espectroscopía Atómica. Líneas de Emisión del H
Identifique zonas UV, vis, IR
NIVELES DE ENERGÍA DEL
ÁTOMO DE HIDRÓGENO
En = - hcZ2R
n2
n = 1,2,3,…∞
Ecuación de Rydberg
R = me e4
8 h3c єo2
El diagrama, derivado del Modelo de Bohr, puede
verificarse a partir de los espectros de emisión (o
absorción) observados.
λ
Las energías de cada línea, para determinada
serie, pueden calcularse restando los
correspondientes valores de En para los niveles
inicial y final, ni y nf.
SERIE DE BALMER
La ecuación de Rydberg también se deriva de la
Mecánica Ondulatoria (E depende solo de n, y no de l, ml, ms)
Atomos hidrogenoides
Energía de los Orbitales
en el H y en el He+
En = – RZ2 / n2
Compare hidrogenoides
con Z = 3, 4, etc
ISÓTOPOS DEL HIDROGENO
Propiedades de Compuestos con Isotopos de H
MR (g/mol)
P EB.(K) DENSIDAD
HENLACE (kJ/mol)
H2
2.02
20.6
436
D2
4.03
23.9
443
T2
6.03
25.2
447
H 2O
18.14
373.2
1.0 g/mL
464
D 2O
20.02
374.6
1.1
469
Ver métodos de separación de isótopos: Propiedades que dependan de la masa
Energía del punto cero
- Las energías de disociación C-H y C-D son diferentes
- También lo son las fuerzas intermoleculares (ej.: H2O vs D2O, ver p.eb.)
Marcación Isotópica. Espectroscopía
INFRAROJA
P. Ej. la vibración fundamental para el H2 es 4159 cm–1, para el HD es
3630 cm–1 y para el D2 es 2990 cm–1.
Tritio
Alta atmósfera –
Explosiones
termonucleares
Reactores Nucleares
Decaimiento radiactivo (emisión beta–)
Enlace Covalente en el H2
CLOA (Combinación lineal de orbitales atómicos)
Enlace en el H2
LUMO
HOMO
Energía de Enlace = 436 KJ/mol
Espectroscopía electrónica (UV) – Transición HOMO  LUMO, 11,4 eV (109 nm)
OM LIGANTE
OJO: estas funciones no
Expresan Φ2, sino Φ…
o sea
Φmarron = ΦA + ΦB !!
(no son densidades de
Probabilidad)
OM ANTILIGANTE
Ahora:
Φmarron = ΦA – ΦB
Distribución de densidad electrónica. Formación de H2
a partir de H(A) y H(B)
(1) Para cada orbital, ΦA2 y ΦB2, separadamente (blanco, continuo)
(2) La semisuma (ΦA2 + ΦB2)/2 (blanco, discontinuo)
(3) El OM enlazante: (ΦA+ ΦB)2/2 (negro, discontinuo)
(4) El OM antienlazante: (ΦA – ΦB)2/2 (negro, continuo)
Identifique los términos de solapamiento!
OBTENCION INDUSTRIAL DE H2
OBTENCION INDUSTRIAL DE H2
(iv) Dehidrogenación de alcanos (petroquímica, naftas alto
octanaje)
CH3CH3(g)  CH2=CH2(g) + H2(g)
v) Reducción de agua por virutas de Fe, altas T
3 Fe(s) + 4 H2O(g)  Fe3O4(s) + 4 H2(g)
Para mejorar el rendimiento de H2
Obtención de H2 en el Laboratorio
• - Abrir el regulador del cilindro que contiene H2 licuado ☺ ☺ ☺
» (con cuidado!!!)
• - Electrolizar agua acidulada, o bien aprovechar la reacción de los
hidruros iónicos con el agua. En ambos casos, obtendrá alta pureza
(ecuaciones…)
• - Método más directo: reacción de metales electropositivos con
ácidos minerales (HCl, etc)
REACTIVIDAD
H2 O
H ID R U R O S
M E TA L E S A C TIV O S
M E TA L
O X ID O S M E TÁ L IC O S
H ID R O C A R B U R O S
S A TU R A D O S
H2
O2
HA LOGE NOS
HX
A ZU F R E (C A L O R )
H 2S
N ITR O G E N O
NH3
H ID R O C A R B U R O S N O S A TU R A D O S
C A TA L IZA D O R , A L TA
P R E S IÓ N
(CA TA LIZA DO R)
C O (C A TA L IZA D O R , A L TA
P R E S IÓ N )
C H3 OH
o
C H4 , C 2H6
(D E P E N D E D E L A S
C O N D IC IO N E S )
Usos del H2
O2
HIDROGENACIÓN HETEROGÉNEA SOBRE METALES
ADSORCIÓN DE HIDRÓGENO SOBRE NÍQUEL
HIDROGENACIÓN HOMOGÉNEA DE OLEFINAS
Cl
Rh
PPh3
PPh3
PPh3
CATALIZADOR DE WILKINSON
H2C=CH2 + H2 → CH3-CH3
Un Complejo de H2 !
La Reacción H2(ac) ↔ 2H+(ac) + 2e–
DIAGRAMA DE POURBAIX DEL AGUA
ZONAS DE ESTABILIDAD
Potenciales de reducción de H+/H2 y O2/H2O, en función del pH
2H+(ac) + 2e–

H2(g)
E = E0 – RT/2F ln[p(H2)/[H+]2] = – RT/F ln[p(H2)/[H+]] = 0.059 V x log[H+] = – 0.059 V x pH
Ubique en el Diagrama las cuplas metálicas redox que usó en el laboratorio y prediga
CELDAS DE COMBUSTIBLE
Una celda de combustible opera como una batería. Genera electricidad
combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente. El único producto es
agua.
Contiene dos electrodos: el O2 pasa por uno y el H2 por el otro. Cuando el H2
es ionizado en el ánodo, pierde electrones y forma H+. Los protones migran al
otro electrodo a través del electrolito, mientras que el electrón lo hace a través
de un material conductor, reduciendo al O2 en el cátodo. Este proceso
producirá agua, corriente eléctrica y calor.
HIDROGENASAS - catalizan reacción 2H+ + 2e– ↔ H2
METABOLISMO DEL HIDRÓGENO
EN EL SITIO ACTIVO DE LA HIDROGENASA
Sitio Activo propuesto en la Ni-Fe
hidrogenasa de Desulfovibriogigas
Reacciones en Cadena (ramificada)
Explosiones
•
•
Reacción global:
2 H2(g) + O2(g)  H2O(l)
Alta barrera cinética
•
Mecanismo de cadena:
–
Iniciación: H2  2H ( > 400ºC)
–
Propagación: H + O2  OH + O
O + H2  OH + H
•
•
–
•
•
Gfº = – 237,1 kJ/mol
(0,1% de H a 2000ºK!)
(se generan más portadores que los que se consumen)
Terminación: OH + H  H2O
Otro mecanismo posible? (ej.: choques?)
(ver aparte reacción H2 + Cl2)
ENERGÍA DE FORMACIÓN STANDARD (GIBBS) DE COMPUESTOS
BINARIOS DE HIDRÓGENO DE LOS BLOQUES S Y P (kJ/mol)
COMPUESTOS BINARIOS DE HIDRÓGENO (Hidruros)
1) Hidruros salinos – Grupos 1 y 2 (exc. Be)
- Anión hidruro, especie muy polarizable (Fajans)
- Enlace dominantemente iónico (exc. Li, Mg)
- Conducen la electricidad en sales fundidas
- (su electrólisis libera H2 en el ánodo)
- Inestables en agua: generan H2
2) Hidruros metálicos intersticiales
• - Inclusión de H en las redes de metales de transición d y f (ej.: Ti,
Ni, Pd, Pt, etc)
• - Conductores eléctricos
• - Catalizadores de reacciones de hidrogenación
• - Composición variable, ej. ZrHx (x = 1,30-1,75)
• - Almacenadores de H2 (ej. FeTiHx (x < 1,95). Tienen más H2/unidad
de volumen que el H2 líquido). Uso en propulsión automotriz
3) Hidruros
Covalentes
Moleculares
HIDRUROS –
Influencia de 
2-1,4
os
s
Incremento de la diferencia de electronegatividad, 
Un Hidruro de Boro: Diborano, B2H6
Enlace 3c – 2e–
Triángulo de van Arkel-Ketelaar
Descripción de compuestos según tipos de enlace:
Iónico, Covalente, Metálico
Haluros
Oxidos
Hidruros
Intermetálicos
Un complejo de Ir
con ligandos H– ?
Es IrIII-H–
o bien IrI-H+ ?
Ambigüedad de los
números de oxidación
Orbitales Moleculares
Formación de Enlace Covalente X-Y (diferentes electronegatividades)
OM del HF(g)
Construya un
diagrama similar
para el LiH(g)
Relaciones entre las entalpías de formación y de red para MH, con
propiedades atómicas de los metales alcalinos M
Construya un Ciclo termoquímico!
Puntos de ebullición
Hidruros de Grupos 14-17
Estructura del HF en fase sólida
↓
↑
Anión HF2– en la sal K[HF2]
Puentes Hidrogeno en el Hielo
O presenta
cordinación 4
Enlaces O-H…O
Asimétricos
Puentes de H en ADN
Espectroscopía RMN
Vale para núcleos con espin no nulo