conceptos basicos de la quimica

1. INTRODUCCIÓN
• El hidrógeno no es una fuente primaria de
energía ya que no se encuentra libre en la
naturaleza, y no es directamente
aprovechable. La mayor parte de el se la
obtiene de los combustibles fósiles
• Es un vector energético, es decir un portador
de energía.
• El hidrógeno tiene una densidad energética
en masa tres veces superior al de la gasolina.

2. Cavendish
demostró
en 1766
• Ataque de
H2SO4 a los
metales
hidrógeno era
un elemento
independiente
• Se combinaba
con el oxígeno
para formar el
agua
En 1781
Joseph
Priestley lo
llamó
• Gas inflamable
Antoine Laurent de
Lavoisier • Le dio el nombre
de Hidrógeno
APARICIÓN

3. Métodos de producción según el
combustible
Carbón
18%
Electrólisis
4%
Petróleo
30%
Gas natural
48%

4. MATERIAS PRIMAS Y PROCESOS PARA LA
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO

5. Ubicación del hidrógeno en la tabla
periódica
Periodo número: 1
Grupo número: 1 o 7
Sólo hay un elemento de la tabla periódica que no
pertenece a un grupo específico: el hidrógeno.

6. Isótopos del hidrógeno
Sus tres isótopos
difieren tanto en sus
masas molares que las
propiedades físicas y
químicas de los isótopos
muestran diferencias
apreciables.

7. Isotopos del hidrógeno
Protio Más ligero y abundante, no radioactivo I=1/2
Deuteri
o
Pesado no radioactivo y de abundancia variable
Aprox. 16/100 000
I= 1 Moderador en la industria de
energía nuclear
tritio
se produce por bombardeo con neutrones libres de
blancos de litio, boro o nitrógeno
I= ½ se forma en las capas altas de la
atmósfera debido a las reacciones
nucleares inducidas por rayos
cósmicos.
Utilizado como trazador por su
débil radiactividad, rápida
eliminación y no se concentra en
órganos vulnerables.
Combustible nuclear utilizado
para la obtención de energía
mediante la fusión nuclear

8. Propiedades físicas de los isótopos
isótopo Masa molar Teb (°K) Tf (°K) Energía de
enlace
H2 2.02 2.02 20.6 436
D2 4.03 4.03 23.9 443
T2 6.03 6.03 25.2 447
H2O 18 100° C 0 °C
D2O 20 101.4° C 3.8°C
Entonces :
Los O-D y O-T son más fuertes q ue de O-P. Por ejemplo, cuando se
electroliza agua para dar hidrógeno y oxígeno gaseosos, los enlaces
covalentes O-H se rompen más fácilmente que los anteriores

9. Isómeros de hidrógeno
• El hidrógeno tiene un momento de espín nuclear
de ½, la molécula de hidrógeno tiene dos
isómeros de espín:
• Orto-Hidrógeno que tiene espines paralelos y el
para-hidrógeno con espines antiparalelos. Su
existencia varia con la temperatura cerca de los
0°K sólo hay p-H2 y a temperatura normal existe
una combinación del 75% o-H2
• Esta mezcla es una gas muy difícil de licuar, muy
poco denso y que difunde con mucha facilidad

10. RMN
• El momento magnético de un núcleo está
determinado por el llamado espín nuclear,
que viene definido por el número cuántico de
espín. El espín nuclear de un átomo con
número par de neutrones y protones es cero,
y por tanto no poseen momento magnético.
Sin embargo, los átomos con un número
impar de protones o neutrones presentan un
espín distinto de cero y en consecuencia un
momento magnético.

11. PROTONES Y NEUTRONES CON RMN
TECNICA QUE ESTUDIO LOS NUCLEOS ATÓMICOS PARA DETERMINAR LAS
ESTRUCTURAS DE LOS COMPUESTOS ORGÀNICAS
Técnica usada en elementos con núcleos impares de protones o neutrones,
como el caso de:
En ausencia del campo magnético En presencia del campo magnético
Existe más núcleos

15. Frecuencia de la señal y la fuerza de
campo magnético medido en teslas

16. La RMN del protón detecta la
presencia de núcleos de H en un
compuesto

17. Hidrógeno como almacenamiento de
energía
• El hidrógeno es el sistema de almacenamiento de
energía por excelencia en el universo.
• Las estrellas relativamente jóvenes como nuestro
Sol, están compuestas mayoritariamente por
hidrógeno y se sustentan a sí mismas mediante
reacciones como:
1H + 1H 2H + β
1H + 2H 3He
3He + 3He 4He + 2
1H

18. Sus diferencias en las propiedades los hace útiles como marcadores

19. Efecto de la deuteración en las
propiedades físicas
H2 D2 H2O D2O
Punto de ebullición normal en °C. -252,8 -249,7 100,0 101,4
Entalpia media de enlace kJ/mol 436,0 443,3 463,5 470,9
O….D – O > O….H - O
El D2O es utilizado como moderador en la industria nuclear

20. Propiedades físicas
• Número atómico: 1
• Peso atómico: 1,0079
• Punto de fusión: 13,81°K
(-259,34°C o -434,81°F)
• Punto de ebullición: 20,28°K
(-252.87°C o -423,17°F)
• Densidad: 0,0008988 gr/ml
• Estado de agregación a
temperatura ambiente: Gas
• Clasificado como: no-metal

21. Propiedades físicas
• Se presenta en forma molecular, (H2) unidos por
un enlace covalente.
• Gas incoloro, inodoro e insípido a temperatura
ambiente. El hidrógeno común tiene un peso
molecular de 2.01594.
• El gas tiene una densidad de 0.071 g/l a 0 °C y 1
atm.
• El hidrógeno es fácilmente absorbido por ciertos
metales finamente divididos, siendo los
principales paladio, platino y oro. El hidrógeno
absorbido es muy activo químicamente.

22. Propiedades
• El hidrógeno es la sustancia más inflamable de todas
las que se conocen.
• El hidrógeno es un poco más soluble en disolventes
orgánicos que en el agua.
• Muchos metales absorben hidrógeno. La adsorción del
hidrógeno en el acero puede volverlo quebradizo, lo
que lleva a fallas en el equipo para procesos químicos.
• A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una
sustancia poco reactiva a menos que haya sido
activado de alguna manera; por ejemplo, por un
catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es
muy reactivo.

23. Propiedades
• Aunque por lo general es diatómico, el hidrógeno molecular se disocia a
temperaturas elevadas en átomos libres. El hidrógeno atómico es un
agente reductor poderoso, aun a la temperatura ambiente.
• Reacciona con los óxidos y los cloruros de muchos metales, entre ellos la
plata, el cobre, el plomo, el bismuto y el mercurio, para producir los
metales libres.
• Reduce a su estado metálico algunas sales, como los nitratos, nitritos y
cianuros de sodio y potasio.
• Reacciona con cierto número de elementos, tanto metales como no
metales, para producir hidruros, como el NaH, KH, H2S y PH3.
• El hidrógeno atómico produce peróxido de hidrógeno, H2O2, con oxígeno.
• Con compuestos orgánicos, el hidrógeno atómico reacciona para generar
una mezcla compleja de productos; con etileno, C2H4, por ejemplo, los
productos son etano, C2H6, y butano, C4H10.
• El calor que se libera cuando los átomos de hidrógeno se recombinan para
formar las moléculas de hidrógeno se aprovecha para obtener
temperaturas muy elevadas en soldadura de hidrógeno atómico.

24. Propiedades
• El hidrógeno reacciona con oxígeno para formar agua y esta reacción es
extraordinariamente lenta a temperatura ambiente; pero si la acelera un
catalizador, como el platino, o una chispa eléctrica, se realiza con violencia
explosiva.
• Con nitrógeno, el hidrógeno experimenta una importante reacción para
dar amoniaco.
• El hidrógeno reacciona a temperaturas elevadas con cierto número de
metales y produce hidruros.
• Los óxidos de muchos metales son reducidos por el hidrógeno a
temperaturas elevadas para obtener el metal libre o un óxido más bajo.
• El hidrógeno reacciona a temperatura ambiente con las sales de los
metales menos electropositivos y los reduce a su estado metálico. En
presencia de un catalizador adecuado.
• El hidrógeno reacciona con compuestos orgánicos no saturados
adicionándose al enlace doble.

25. Presencia en la naturaleza
• El hidrógeno en su forma atómica es la más abundante en el
Universo. Es muy reactivo. Representa, en peso, el 92% de la
materia conocida; del resto, un 7% es de He y solamente queda
un 1% para los demás elementos.
• En nuestro planeta es el 10mo elemento mas abundante en la
corteza terrestre , lo encontramos combinado en forma de
agua (su compuesto mas abundante; cubre el 80% de la
superficie del planeta), materia viva (hidratos de carbono y
proteínas; constituye el 70% del cuerpo humano), compuestos
orgánicos, combustibles fósiles (petróleo y gas natural), etc.
• Curiosamente, es poco abundante en la atmósfera terrestre
debido a que su reducida masa molecular hace difícil su
retención gravitatoria.
• Excepto en la estratósfera, donde se puede detectar en forma
atómica, el hidrógeno elemental se presenta siempre en forma
molecular H2 , que debido a la composición isotópica es una
mezcla de H2 y HD aunque existe trazas de D2

26. Especies iónicas en fase gaseosa:
H+, H¯, H2
+ y H3
+
La afinidad protónica del agua y la entalpía de
disolución del H+ en agua se estiman en los
siguientes valores:
• H+ (g) + H2O (g) → H3O+ (g); ΔH = -720 kJ/mol
• H+ (g) → H3O+ (ac); ΔH = 1090 kJ/mol
Las especies H2
+ y H3
+ no son de interés por su
química, más bien escasa, sino porque sirven de
sistemas modelo en las teorías de enlace. La
molécula de H2
+, que posee dos protones y un
electrón, es extremadamente inestable.

27. El ion hidruro
• El átomo de hidrógeno presenta afinidad por
los electrones según el proceso:
H(g) + e¯ → H¯(g) ; AE = -ΔH = 72 kJ/mol
• El ion H¯ tiene la misma configuración
electrónica que el He, pero es mucho menos
estable debido a que un único protón debe
controlar 2 electrones. Como consecuencia de
ello, el ion H¯ es muy deformable.

28. Anión (cargado negativamente)
Anión hidrógeno. Los aniones hidrógeno se forman
cuando adquiere electrones adicionales:
• Hidruro: nombre general referido al ion negativo
de algún isótopo de hidrógeno
• Deuteruro: 2H-, D-
• Tritiuro: 3H-, T-
• En química orgánica, un átomo de hidrógeno en
una molécula es a menudo nombrado
simplemente como un protón. El anión hidrógeno
juega un importante papel en física cuántica.

29. Catión (Cargado Positivamente)
Ion hidronio.
Cuando el hidrógeno pierde su electrón, se forman los siguientes cationes:
• Hidrón: nombre general referido al ion positivo de algún isótopo de hidrógeno (H+)
• Protón: 1H+ (más correctamente, el catión del protio)
• Deuterón : 2H+, D+
• Tritón : 3H+, T+
Además, los iones producidos por la reacción de estos cationes con agua, así como sus
hidratos son llamados iones hidrógeno:
• Ión hidrónio : H3O+
• Catión Zundel: H5O2
+
• Catión Eigen: H9O4
+
Los dos últimos desempeñan un papel importante en el salto de protones de acuerdo
con el método de Grotthuss.
En relación con los ácidos, los iones de hidrógeno normalmente se refieren al ión
hidronio.

30. Iones del hidrógeno
• Ion hidronio
H3O+
Los cationes se forman cuando el hidrógeno pierde su único electrón, cuando
estos cationes reaccionan con el agua, éstos producen iones de hidronio, lo cual
también es un ion de hidrógeno.
Los iones de hidronio e hidróxido están hidratados, igual que cualquier
otro ion en una solución basada en agua.

31. Iones del hidrógeno
• Ion Eigen: Estructura de Eigen
para el protón solvatado
• Ion Zundel: Estructura de Zundel
para el protón solvatado
H5O2
+
H9O4
+

32. Ion de hidrógeno aislado
Un átomo normal de hidrógeno tiene un protón que tiene
carga positiva y un electrón que tiene una carga negativa.
Es el átomo con el número atómico más bajo y es el primer
elemento de la tabla periódica. Esencialmente, el ion de
hidrógeno está compuesto por un protón. Por esta razón,
H+ es la forma habitual de representar un protón.
El núcleo desnudo de los iones de hidrógeno aislado es capaz
de unir y combinarse fácilmente con otras moléculas y
electrones. Debido a la tendencia de los iones de hidrógeno
para enlazar a otras partículas, sólo puede existir como
iones de hidrógeno aislados en estado gaseoso o en el
vacío, donde casi no hay ninguna otra partícula.

33. Usos
• Las sales, los ácidos y las bases contienen iones de hidrógeno. Esta
es la cantidad de iones de hidrógeno en una solución que
determina la acidez o la alcalinidad de la solución.
• Los iones de hidrógeno son, por lo tanto, útiles en la química
porque su presencia en una solución de medición permite a los
científicos determinar el pH de una solución. La escala del pH se
produjo cuando el científico danés Soren Peder Lauritz Sorensen
sugirió usar una escala logarítmica para denotar la concentración
de iones de hidrógeno en una solución.
• En el agua, los iones cargados positivamente son conocidos como
iones de hidrógeno y los iones negativos son conocidos como
iones de hidróxido. Cuando el pH de una solución cambia por
unidad de pH, esto significa que la concentración de iones de
hidrógeno en la solución se ha cambiado por un factor de diez

34. En biología
• Los iones de hidrógeno están involucrados en
muchas reacciones químicas en el cuerpo
humano. Las células tienen que mantener su
equilibrio de base ácida debido a que los cambios
en el pH pueden afectar la estructura de las
moléculas dentro de las células así como también
su reactividad. La sangre humana tiene un pH que
oscila entre 7.3 y 7.5; los seres humanos mueren
si su pH se sale de este rango y no se corrige. Los
iones de hidrógeno juegan un papel importante
en la cadena celular de transferencia de
electrones.

35. Propiedades químicas
Químicamente, el hidrogeno es capaz de combinarse con la mayoría de los
elementos cuando se tienen las condiciones adecuadas. 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 es:
H₂ + 1/2O₂ → H₂O + 68320 cal
La ecuación anterior nos indica la gran cantidad de energía desprendida por la
reacción.
Una propiedad muy importante del hidrógeno es su poder reductor. En efecto, a
altas temperaturas el hidrógeno reacciona con algunos óxidos reduciéndolos.
Este poder reductor, que se basa en la tendencia del hidrógeno a oxidarse al estado
de oxidación +1, tiene además aplicación en muchos procesos químicos.

36. Compuestos principales con el
hidrógeno
• El hidrógeno es constituyente de un número muy
grande de compuestos que contienen uno o más
de otros elementos.
• Esos compuestos incluyen el agua, los ácidos, las
bases, la mayor parte de los compuestos
orgánicos y muchos minerales.
• Los compuestos en los cuales el hidrógeno se
combina sólo con otro elemento se denominan
generalmente hidruros.

37. Activación del hidrógeno
El hidrógeno molecular no es reactivo, lo hace
lentamente con otras sustancias; a menos que,
suceda una activación como por ejemplo:
• Por disociación homolítica sobre una
superficie metálica o un complejo metálico.
• Por disociación hetereolítica sobre una
superficie o por un ion metálico.
• Por mecanismos vía radicales.

40. Mecanismos en cadena vía radicales
• Este tipo de mecanismo se da entre el H2 y los
halógenos, con las etapas siguientes:
1. Iniciación (disociación térmica o fotoquímica)
2. Los átomos radicalarios obtenidos actúan
como promotores de la reacción en cadena
en la etapa denominada propagación.
3. La recombinación de los radicales produce la
terminación de la cadena.

41. Ejemplo

42. Principales usos del hidrógeno
• El mayor uso industrial del hidrógeno es para
la síntesis del amoniaco mediante el proceso
de Haber-Bosch:
• La hidrogenación de enlaces carbono-carbono
insaturados en algunos compuestos
orgánicos. Un proceso de este tipo se utiliza
en la producción de margarina a partir de
grasas vegetales:

43. Principales usos del hidrógeno
• Para la producción de metanol que, a su vez,
es materia prima para la síntesis de otros
muchos compuestos importantes
(formaldehido, ácido acético, éter dimetílico,
etc.):
• Para la obtención de metales en la industria
metalúrgica
• Como combustible

44. ENLACES DE HIDRÓGENO
• Los compuestos de hidrógeno que se unen a
elementos que tengan al menos un par de
electrones sin compartir, generalmente se
unen mediante puentes hidrógeno, entre ellos
están el agua, el hielo y los clatratos.

46. Enlace puente hidrógeno
• Son un tipo especial de
enlace dipolo-dipolo.
• Se produce entre moléculas
muy polares que posean
átomos muy EN (F, O,N)
unidos al hidrógeno.
• La unión se establece entre
los pares del e- libres con el
átomo de hidrógeno
• Son fuerzas intermoleculares
muy intensas y permanentes

47. Variación de la Teb por presencia de
puentes hidrógeno
• Se puede observar en la gráfica los
puntos de ebullición de varios
compuestos que forma el hidrógeno
con algunos no metales
• Se observa que los puntos de
ebullición del HF, H2O y NH3 son
más altos de lo esperado, debido a
la formación de asociaciones
moleculares, a causa del puente
hidrógeno
• Fuerzas de este tipo están
presentes en alcoholes, azúcares,
ácidos orgánicos entre otros, y es la
causa de la relativamente altas
temperaturas de fusión y ebullición
de estos compuestos.

48. Compuestos que forma el hidrógeno con los
elementos de la tabla periódica
• Hidruros
– Tipos:

49. Son compuestos binarios del hidrógeno con los
elementos más electropositivos , son iónicos y
se caracteriza por tener su carga negativa
sobre el hidrógeno. Por ello, forman sólidos
no volátiles cristalinos y no conductores de la
electricidad
HIDRUROS SALINOS

50. Hidruros Moleculares

51. Fórmula Nombre tradicional IUPAC
13
Deficiente en e-
(3c,2e)
B2H6 DIBORANO DIBORANO
14
Precisos en electrones
(2c,2e)
CH4
SiH4
GeH4
SnH4
METANO
SILANO
GERMANO
ESTANANO
15
Ricos en e-
NH3
PH3
AsH3
SbH3
AMONIACO
FOSFAMINA
ARSENAMINA
ESTIBINA
AZANO
FOSFANO
ARSANO
ESTIBANO
16
Ricos en electrones
H2O
H2S
H2Se
H2Te
AGUA
AC. SULFHÍDRICO
AC. SELEHÍDRICO
AC. TELERHÍDRICO
OXIDANO
SULFANO
SELANO
TELANO
17
Ricos en e-
HF
HCl
HBr
HI
AC. FLUORHÍDRICO
AC. CLORHÍDRICO
AC. BROMHÍDRICO
AC. YODHÍDRICO
Hidruros metálicos

52. Propiedades de los hidruros Metálicos
• Se forman hidruros metálicos cuando el hidrógeno reacciona con
metales de transición. La naturaleza de estos compuestos es
compleja, y no son estequiometricos
• Son los electrones libres los que les confieren el lustre metálico y la
elevada conductividad eléctrica a estos compuestos.
• La densidad del hidruro metálico suele ser menor que la del metal
puro a causa de cambios estructurales en la red cristalina metálica y
los compuestos casi siempre son quebradizos.
• La conductividad eléctrica de los hidruros metálicos suele ser más
baja que la del metal progenitor.
• Casi todos los hidruros metálicos se pueden preparar calentando el
metal con hidrógeno a presión elevada y altas temperaturas, el
hidrógeno se libera otra vez como gas.
• Muchas aleaciones ((Ni5La) pueden absorber y liberar cantidades
copiosas de H. Sus densidades de protones exceden incluso al H(l),
propiedad que los hace muy interesantes por la posibilidad de
usarlos para almacenar hidrógeno.
•
Leer más: http://www.monografias.com/trabajos34/hidrogeno/hidrogeno.shtml#ixzz47VAuFnhv

53. PROPIEDADES DE LOS HIDRUROS
METÁLICOS

57. Propiedades Tipo de hidruro y ejemplo
• Elementos metálicos del bloque s (con excepción del Be) y algunos de los
bloques d y f.
• No hay evidencias de direccionalidad en el enlace.
• Todos ellos son sustancias sólidas (no volátiles), eléctricamente aislantes y
cristalinas
• Metales pertenecientes a los bloques d y f.
• Son sólidos
• Mantienen las propiedades de conductividad eléctrica de los metales de los
que proceden.
• Muchos son compuestos no estequiométricos
Elemento no metálico e hidrógeno: AHn
• Generalmente son moléculas discretas y de pequeño tamaño
• Fuerzas de van de Waals (o eventualmente enlace de H)
• Suelen ser gases a temperatura ambiente
• Hidruros derivados de los moleculares.
• Compuestos con elementos donde el H actúa como un ligando más

58. Puntos normales de ebullición de los
hidruros del bloque p

59. Reacciones de ruptura

67. Molécula de hidrógeno

68. Formas de producir industrialmente el
hidrógeno
Entre ellas tenemos:
• La conversión de metano (gas natural) que, hoy en día, suministra el tonelaje más
importante, o sea, alrededor del 70%
• La extracción de gases de coque.
• La electrolisis del agua.
La conversión del metano se puede efectuar con vapor de agua sobre un catalizador según
las reacciones endotérmicas siguientes:
CH4 + H2O(g) CO + H2 reformación de vapor
C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) gas de agua
CO + H2O(g) CO2 + H2
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 un
poco de etano, etileno, CO2 y H2S, etc.. Después de la eliminación de las impurezas
empleando métodos químicos con la ayuda absorbentes apropiados, o físicamente por
licuefacción parcial, se utiliza la mezcla de H2―N2 después del ajuste de las proporciones
para la síntesis del amoníaco. Asimismo es posible quemar ese gas a fin de recuperar
energía.

69. Electrólisis
Electrólisis de agua
en soluciones acuosas permite obtener hidrógeno puro pero de alto costo.
Por ejemplo:
• en Noruega, se lo práctica con soluciones de un 30% de hidróxido de sodio
o de potasio, aproximadamente aplicando un potencial de 2.2 V, a una
temperatura de de 100° C, 4.7 kWh por m3 de H2.
• La electrolisis de soluciones de cloruro de sodio también produce en el
cátodo H2, subproducto de Cl2.
• En soluciones de ácido sulfúrico, la electrólisis produce H2 y O2
El hidrógeno se puede almacenar en estado líquido o en estado gaseoso
comprimido entre 150 o 200 bar, en tubos de acero. En algunos caso, es
posible transportarlo a través de gaseoductos.

70. Obtención en el laboratorio
Existen aparatos que
permiten regular el
desprendimiento del gas
obtenido:
A) Aparato de Kipp
B) Voltámetro de
Hofmann, usado en la
eletrólisis del agua.
• A)
• B)

71. Reacciones que permiten la obtención
de hidrógeno en el laboratorio
•

72. Propiedades químicas