NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS IÓNICAS E IMPORTANCIA DEL HIDRÓGENO

NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS IÓNICAS E IMPORTANCIA DEL HIDRÓGENO

El hidrógeno y sus isótopos.

El hidrogeno es el más sencillo de los elementos conocidos, su forma atómica más común solo contiene un protón y un electrón, de hecho, éste cuenta con tres isótopos, es decir, sus números atómicos son iguales, pero el número de neutrones es distinto, así, los isotopos del hidrógeno son de gran importancia en el campo de la química, se conocen al hidrogeno, también llamado protio (1H ), deuterio, símbolo D (2H) y tritio, símbolo T (3H), de manera que, las abundancias naturales de los isotopos estables del hidrogeno son: hidrogeno, 99.985% y deuterio 0,015%, el tritio es radiactivo con una vida media aproximada de 12,5 años.

Si bien las propiedades químicas de los distintos isótopos son iguales, algunas propiedades físicas y el comportamiento en determinados procesos, donde los denominados efectos isotópicos son importantes surgen diferencia entre los mismos, por ello, éste elemento presenta proporcionalmente una mayor diferencia de masa entre sus isotopos, en consecuencia el deuterio duplica la masa del protio, de igual modo, el punto de ebullición del deuterio molecular (D2) es unos 3K mayor que el hidrogeno molecular (H2).

Por consiguiente, las sustancias que contienen deuterio, se distinguen de las protio, debido a que son menos volátiles, porque tienen mayor peso molecular, lo que a su vez genera un mayor pH, incluso por la diferencia de masa atómica, que se manifiesta en una energía de disociación influye la constante de equilibrio, la cual Chang R. (2010) define:

“Mediante un cociente, cuyo numerador se obtiene multiplicando las concentraciones de equilibrio de los productos, cada una de las cuales esta elevada a una potencia igual a su coeficiente estequiométrico en la ecuación balanceada. El denominador se obtiene aplicando este mismo procedimiento para las concentraciones de equilibrio de los reactivos” (p.618).

Cabe destacar, que las energías de los enlaces E–D y E–T son ligeramente mayores que las del enlace E-H (donde E: elemento), de allí que el nivel vibracional inferior de un enlace E-D se sitúa por debajo del de un enlace E-H y esto trae como consecuencia que su entalpía de enlace sea más elevada, esto se traduce en que la energía de activación de las reacciones en las que esté involucrada la ruptura de un enlace E–H aumentarán en el caso de una sustitución por deuterio o tritio.

En efecto, a lo antes dicho se le conoce con el nombre de efecto isotópico cinético, estas provocan que las reacciones que involucran isótopos diferentes se produzcan a velocidades diferentes, por ejemplo cuando se electroliza unas solución acuosa se libera el isotopo más liviano del hidrogeno más rápidamente que el deuterio, , por su parte, el H2 reacciona unas 13 veces más rápidamente con la molécula de cloro que con la de deuterio, por su parte, velocidad de reacción en la que esté implicado la ruptura o formación de enlace C-H es de 6 a 10 veces mayor que la correspondiente a C-D.

Por otro lado, el agua deuterada (D2O) se electroliza más lentamente que el agua no deuterada, la electrolisis o las destilación según Ernesto de Alcañiz J. (2013) “son técnicas tradicionales del enriquecimiento del agua en deuterio ya que durante las misma el residuo se enriquece en agua deuterada” (p.104).

De la misma manera, el óxido de deuterio o agua pesada (D2O), utilizada como disolvente, altera notablemente las velocidades de reacción de las delicadas y perfectamente interreguladas reacciones bioquímicas puesto que favorece un intercambio masivo de H por D. Además, el agua pesada es incapaz de mantener la vida ya que su velocidad de difusión a través de las membranas celulares es mucho menor que la del agua normal, por lo que mueren deshidratadas.

Propiedades químicas del hidrógeno.

El hidrogeno solo existe en su estado atómico a temperaturas muy elevadas, por lo general, el hidrogeno elemental es una molécula diatómica, producto de una reacción exotérmica entre átomos de H:

                [pic 1][pic 2]

Por consiguiente, el hidrógeno en estado gaseoso, no es demasiado reactivo, quizás esto sea debido a la elevada energía de enlace covalente que posee, H-H = -436 kJ/mol, este tipo de enlace es más fuerte que los enlaces que forma él, con la gran parte de los demás elementos no metálicos.

Cabe recordar que, solamente cuando las energías de enlace de los productos son símiles a la de los reactivos, o incluso mayores, es únicamente cuando es posible que se produzcan reacciones espontáneas, análogamente, el hidrogeno se encuentra formando un gran número de enlaces covalentes. Por otro lado, es capaz de combinarse con la mayoría de los elementos cuando se tienen las condiciones adecuadas, incluso, es el único que tiene la capacidad de formar enlaces por puente de hidrogeno.

Al mismo tiempo, se parece a los metales alcalinos en que puede oxidarse hasta el ion H+, que existe en forma hidratada en las disoluciones acuosas, por otra parte, se parece a los halógenos ya que forma el ion ioduro (), con una carga negativa, que es isoelectrónico del helio (1s2). En el mismo orden de ideas, puede reaccionar con los halógenos, disminuyendo la rapidez de dichas reacciones, conforme se desciende en el grupo, particularmente, la reacción del hidrógeno con el flúor es bastante violenta; dando como producto el fluoruro de hidrógeno.[pic 3]

Por otra parte, el hidrogeno tiene gran afinidad con el oxígeno, con el cual se combina en frío muy lentamente, pero en presencia de una llama o de una chispa eléctrica lo hace casi instantáneamente con explosión. Por esto, las mezclas de hidrógeno y aire deben manejarse con mucha precaución. La reacción indica la gran cantidad de energía desprendida: 

        [pic 4][pic 5]

Por su parte, una propiedad muy importante del hidrógeno es su poder reductor, en efecto, a altas temperatura el hidrógeno reacciona con algunos óxidos reduciéndolos. Este poder reductor, que se base en la tendencia del hidrógeno a oxidarse al estado de oxidación +1, tiene además aplicación en muchos procesos químicos, por ello, cuando se produce a altas temperaturas, el dihidrógeno reduce a algunos óxidos metálicos al metal básico. Así, por ejemplo, el óxido de cobre (II) se ve reducido a cobre metálico:

[pic 6]

Por añadidura, el hidrogeno reacciona con muchos no metales, por ejemplo cuando de combina con el nitrógeno, se produce de manera muy lenta, sin catalizador, se genera el amoniaco, como indica la siguiente reacción:

[pic 7]

Además, Cuando se encuentra en presencia de un catalizador (que suelen ser paladio, o platino), el dihidrógeno reduce a triples y dobles enlaces de carbono-carbono, para así, dejar los enlaces sencillos, como por ejemplo, el C2H4 (etano), reduciéndose a C2H6:

[pic 8]

En este sentido, la reducción con dihidrógeno, se usa en la conversión de las grasas líquidas no saturadas (aceites de consumo), que poseen mucha cantidad de dobles enlaces carbono-carbono, en grasas sólidas saturadas, o parcialmente saturadas (como las margarinas), las cuales contienen menor cantidad de dobles enlaces carbono-carbono.

Fuentes de obtención del hidrógeno.

La producción de hidrógeno se realiza mediante diversos métodos que requieren la separación del hidrógeno de otros elementos químicos como el carbono (en los combustibles fósiles) y el oxígeno (del agua), para ello se emplea el procedimiento de laboratorio y el de la industria.

Cabe señalar que un método de laboratorio busca la obtención de un determinado compuesto en pequeñas cantidades y con un grado de pureza máximo, sin importar el costo ni el número de procesos (etapas) que se necesiten para lograr el objetivo buscado. Por oposición, un método apto para la industria es aquel que permite obtener una gran cantidad del compuesto, en el menor tiempo posible y con el menor número de pasos y el menor consumo de energía, aunque para lograr ese objetivo se obtenga un producto con un grado de pureza menor.

En consecuencia, los métodos empleados en el laboratorio son los siguientes:

1. Reacción de ácidos diluidos con metales:

Todos los metales que están por encima del hidrogeno en la tabla de potenciales (Ereduc<0) reaccionan con H2SO4 y HCl diluidos para dar H2.

[pic 9]

Existen metales con potenciales normales de reducción muy negativos que son capaces de liberar hidrogeno gaseoso del agua. Por ejemplo, el sodio (E° Na/Na(s) = -2,71 v) reacciona con el agua según:

[pic 10]

1. Electrolisis de soluciones acuosas diluidas de álcalis y ácidos:

En el cátodo se produce la reacción siguiente mientras que en el ánodo, la reacción depende de la composición de la solución y de la naturaleza de los electrodos utilizados.

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