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 n = 1,2,3,…∞ n2 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. 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. λ 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 H2O 18.14 373.2 1.0 g/mL 464 D2O 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)

OM LIGANTE Φmarron = ΦA + ΦB !! 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 Distribución de densidad electrónica. Formación de H2 a partir de H(A) y H(B) Para cada orbital, ΦA2 y ΦB2, separadamente (blanco, continuo) La semisuma (ΦA2 + ΦB2)/2 (blanco, discontinuo) El OM enlazante: (ΦA+ ΦB)2/2 (negro, discontinuo) El OM antienlazante: (ΦA – ΦB)2/2 (negro, continuo) Identifique los términos de solapamiento!

Enlace del H2 LUMO HOMO Energía de Enlace = 436 KJ/mol Espectroscopía electrónica (UV) – Transición HOMO  LUMO, 11,4 eV (109 nm)

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 - Abra 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

Usos del H2 O2

HIDROGENACIÓN HETEROGÉNEA SOBRE METALES

ADSORCIÓN DE HIDRÓGENO SOBRE NÍQUEL

HIDROGENACIÓN HOMOGÉNEA DE OLEFINAS 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) Gfº = – 237,1 kJ/mol Alta barrera cinética Mecanismo: Iniciación: H2  2H ( > 400ºC) (0,1% de H a 2000ºK!) Propagación: H + O2  OH + O O + H2  OH + H (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

Ionicos Incremento de la diferencia de electronegatividad,  HIDRUROS – Influencia de  Incremento de la diferencia de electronegatividad,  EN 1,2-1,4 Ionicos MH M =Li Na,K, Rb,Cs MH2 Ca,Sr Ba

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-Hº ? 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)

Un Complejo de H2 !

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