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GRUPO 1

HIDRÓGENO

El hidrógeno es el elemento más abundante del Universo. Representa, en peso, el 92% de la materia conocida. En nuestro planeta es el 10º elemento más abundante en la corteza terrestre. Lo encontramos combinado en forma de agua (su compuesto más 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.

ACTIVIDAD 1 Completar el siguiente cuadro isotopo nombre

abundancia

Estabilidad

Es el más ligero de todos los gases, unas 14 veces más que el aire. Las bajas temperaturas de fusión y ebullición indican que sus atracciones intermoleculares son muy débiles. Debido a su configuración electrónica 1s1 puede presentar dos estados de oxidación:-1 y +1

Hidruros salinos : Son los que forma el hidrógeno con el grupo de los metales alcalinos y alcalinotérreos. En éstos el hidrógeno se encuentra totalmente como H-, ocupando los puntos que corresponden a aniones en la red iónica. Hidruros intersticialeso metálicos : los de metales de transición. En éstos, el hidrógeno se encuentra como- fundamentalmente, y en una pequeña proporción como H+ , ocupando los huecos octaédricos y tetraédricos respectivamente de la red metálica que resulta apenas alterada por ello. Son compuestos no estequiométricos.

ACTIVIDAD 2 Calcular mediante un ciclo de Born Haber la cantidad de calor que se debe suministrar a un mol hidruro de litio para que se descomponga en sus elementos.

ACTIVIDAD 3 ¿Qué volumen de gas medido en condiciones normales se obtendrá al disolver 48 g de hidruro de sodio en 500 ml de agua? ¿Cuál es el carácter ácido-base de la solución resultante?

El hidrógeno elemental existe a temperatura ambiente en forma de un gas incoloro, inodoro e insípido compuesto de moléculas diatómicas. Puesto que el H2 es no polar y tiene sólo dos electrones, las fuerzas de atracción entre las moléculas son extremadamente débiles. En consecuencia, el punto de fusión (-259ºC) y el punto de ebullición (-253ºC) son muy bajos. La energía de enlace H – H (463 kJ/mol) es alta para un enlace sencillo. OBTENCIÓN EN EL LABORATORIO El hidrógeno molecular gaseoso se obtiene en el laboratorio por los siguientes métodos: a) Reducción del H+: Teóricamente los metales cuyos P.N.R. son negativos, son capaces de reducir el protón de los ácidos liberando hidrógeno molecular gaseoso. En algunos casos, a pesar no metales- 2

que se verifica esta condición, surgen problemas de orden cinético, tal como ocurre para el hierro o bien de formación de compuestos poco solubles que detienen la reacción como sucede cuando se trata plomo con H2SO4. En este trabajo práctico se obtendrá hidrógeno gaseoso reduciendo protones de ácido clorhídrico con Zn metálico, reacción que no presenta ninguno de los inconvenientes señalados y que se representa mediante la siguiente ecuación: Zn (s) + 2 Cl - + 2 H   H 2(g) + ZnCl2(d) Existen metales con P.N.R. muy negativos que son capaces de liberar hidrógeno gaseoso del agua. Por ejemplo, del sodio (EºNa+/Na = -2,71v) reacciona con el agua según: H2O + Na(s) 1/2 H2(g) + Na+ + OHb) Acción de metales sobre soluciones alcalinas: Algunos metales como Zn, Al, etc. liberan hidrógeno de disoluciones de bases. Por ejemplo: 2H2O + Zn(s) + 2OH-  H2(g) + Zn(OH)42c) Oxidación de hidruros metálicos: Los hidruros metálicos reaccionan con el agua desprendiendo hidrógeno: H2O + H -  H2(g) + OH d) Electrólisis del agua: El proceso global que se verifica es: Energía eléctrica 2 H 2O    2 H 2 (g)  O 2 El hidrógeno es un gas combustible, cuyo producto de combustión en el aire es el agua. Si se mezcla hidrógeno con oxígeno, en determinadas proporciones, resulta una mezcla explosiva. Una de las propiedades químicas más importantes del hidrógeno es su poder reductor. Cuando se hace pasar una corriente de hidrógeno sobre óxidos metálicos a elevada temperatura, pueden obtenerse óxidos inferiores o metales libres. También pueden verificarse reducciones de aniones y elementos libres, tal como ocurre en la síntesis del amoníaco.

ACTIVIDAD 4 Plantear por el método ion electrón las cincos reacciones anteriores y justificar con su potencial.

ACTIVIDAD 5 Obtención de hidrógeno en el laboratorio TÉCNICA OPERATORIA Ver esquema del equipo. En un tubo de ensayo con tubuladura lateral seco, poner una pequeña cantidad de sulfato de plomo sólido. Colocar un tapón de goma atravesado por un tubo de vidrio acodado que llegue casi hasta el fondo del tubo, unir éste con el equipo productor de hidrógeno. Este último consiste en un frasco de 250ml en el que se coloca una granalla de cinc, provisto de un tapón de goma atravesado por una ampolla de decantación de 250ml y un tubo de desprendimiento. Armado el equipo y verificado el perfecto ajuste de todas las uniones, colocar en la ampolla de decantación 200 ml de ácido clorhídrico 3 M y comenzar a agregarlo sobre la granalla de cinc. Transcurrido el tiempo necesario para desalojar el aire contenido en el equipo (aproximadamente 5 a 6 minutos) de modo que se desprenda solo hidrógeno, recoger este gas en un tubo de ensayo

seco invertido sobre la salida lateral, taparlo con el pulgar y manteniéndolo invertido, ensayar la presencia de hidrógeno por medio de la llama del mechero. Calentar suavemente el sulfato de plomo hasta que adquiera un color grisáceo, dejar enfriar y desconectar el tubo de reacción. Agregar gotas de ácido clorhídrico 6M, tapar el tubo, agitar y colocar en la salida lateral un papel de filtro embebido en solución de nitrato de plomo. Cálculos y resultados: Interprete mediante reacciones químicas adecuadas los cambios observados y calcule o busque en tablas los datos termodinámicos necesarios para justificar los comportamientos.

ACTIVIDAD 6 Para la experiencia anterior: a- ¿Por qué es necesario desalojar el aire del equipo antes de iniciar el calentamiento del tubo conteniendo sulfato de plomo? b-¿Qué volumen de ácido clorhídrico 0,6 M se necesitará para que reaccionen totalmente 0,2g de cinc metálico?. ¿Qué volumen de hidrógeno gaseoso se obtendría si el rendimiento fuese del 95%? OBTENCIÓN EN LA INDUSTRIA Existen muchos métodos para obtenerlo Industrialmente 1- Proceso de Bosch: Cuando se calienta aproximadamente a 1200ºC, el carbono reacciona con vapor para producir una mezcla de H2 y CO gaseosos: C (s) + H2O (g) → CO (g) + H2 (g) Esta mezcla que se conoce como gas de agua, se usa como combustible industrial. En presencia de Fe2O3 y a 450 ºC el CO reacciona con el agua dando lugar a más hidrógeno y CO2. Este último se separa por disolución en agua a una presión de 26 atmósferas. 2-. Reforming: Se producen grandes cantidades de H2 (g) haciendo reaccionar metano, CH4 (el principal componente del gas natural) con vapor a 900 ºC en presencia de Ni(s) obteniéndose una mezcla de CO y H2. Posteriormente, al igual que en el caso anterior, esta mezcla se hace reaccionar con vapor de agua en presencia de hierro a 450 ºC para obtener CO2 e hidrógeno. 3- El de mayor pureza pero el más caro es por electrolisis del agua, reacción endotérmica donde la energía necesaria es suministrada por la corriente eléctrica. En la práctica se suelen someter a electrólisis soluciones alcalinas en cubas diseñadas para que los productos anódico y catódicos se obtengan separados.

ACTIVIDAD 7 En función de los dos primeros métodos conocidos en la industria para la producción de hidrógeno determine mediante cual de los dos procesos se obtiene un mayor volumen de hidrógeno gas, suponiendo que disponemos de: Un sólido de 1,61 kg de peso, constituido en un 100% de carbono. Un cilindro de 3 m3 de volumen, que contiene gas de los pantanos (100% metano). Dato: densidad metano = 0,716 g/l. Considerar que el rendimiento de las distintas operaciones es el ideal de 100% y las condiciones del gas a PTN.

Cuando el hidrógeno se une a no metales, debido a su elevada electronegatividad compartirá los electrones y se formarán otro tipo de hidruros: no metales- 4

"Hidruros" covalentes: los de los elementos del bloque p. Aquí el enlace es fundamentalmente covalente y los compuestos correspondientes denominados haluros, óxido, sulfuro, etc, poseen bajos puntos de fusión, por lo que a este grupo de "hidruros", también se les denomina volátiles. Los hidruros de Be y Mg representan la transición entre los de enlace iónico y los de enlace covalente.

ACTIVIDAD 8 ¿Cuál es la dependencia del potencial del par H+ /H2 con respecto al pH cuando la presión del hidrógeno es de una atm y la temperatura es de 25°C? Calcular el potencial del hidrógeno a pH=0; pH=7 y pH=14. Usos: Protio: El empleo más importante del hidrógeno es en la síntesis del amoniaco. La utilización del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de refinación del petróleo, como el rompimiento por hidrógeno (hydrocracking), y en el tratamiento con hidrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la manufactura de productos químicos orgánicos. Grandes cantidades de hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, y como un propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear. Deuterio: El deuterio es un isótopo estable del hidrogeno que ocurre naturalmente, siendo un electrón que orbita un núcleo de un protón y un neutrón, diferentemente del hidrogeno que es un simple par de electrón-protón. De este modo el deuterio tiene el mismo número atómico que el hidrogeno, pero es dos veces más pesado. En la naturaleza, los átomos de deuterio oscilan de 1 parte en 4.000 de átomos de hidrogeno (250 ppm) a 1 parte en 7.000 (140 ppm). Como sabemos, el agua (H₂O) es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Si sustituimos el hidrógeno por el deuterio (isótopo del hidrógeno, más pesado, al tener un neutrón en el núcleo) obtenemos el agua pesada u óxido de deuterio (D₂O). El agua pesada se encuentra presente, en pequeñas cantidades, mezclada con el agua normal. Esta diferencia en los elementos del núcleo modifica algunas de sus propiedades físicas, tales como la densidad, punto de fusión o el punto de ebullición.

ACTIVIDAD 9 Complete el siguiente cuadro Propiedad

D2O (agua pesada)

H2O (agua común)

Punto de fusión (°C) Punto de ebullición (°C) Densidad (a 20 °C, g/mL) pH (a 25 °C) En general, el agua de grifo de las ciudades que bebemos y con la cual nos bañamos contiene 1 gota de oxido de deuterio (D2O) para cada 6.000 gotas de H2O. La principal aplicación tecnológica del agua pesada ha sido como moderador en los procesos de fisión nuclear ya que tiene la propiedad de absorber los neutrones libres, por lo que se convirtió en una sustancia estratégica durante el desarrollo de los primeros reactores nucleares. Hoy en día ha perdido parte de su importancia, al utilizarse también como moderadores en las centrales nucleares otros materiales como el agua normal o el grafito. no metales- 5

La Empresa Neuquina de Servicios de Ingeniería (ENSI), conformada por la Comisión Nacional de Energía Atómica (C.N.E.A) y la Provincia del Neuquén, concluyó el proceso de puesta en marcha de la Planta Industrial de Agua Pesada (P.I.A.P) -en Arroyito- posicionando nuevamente al país entre el reducido grupo de naciones productoras de agua pesada. La principal demanda de agua pesada proviene de países que poseen Centrales nucleares de Potencia, con reactores del tipo PHWR (uranio natural/agua pesada). Estos son: Argentina, Canadá, República de Corea, Rumania, India y China. El requerimiento más importante es la carga inicial del reactor, y luego durante la operación existe una demanda para reposición de este insumo. Actualmente y hasta tanto se concreten ventas de nuevas Centrales nucleares con agua pesada en el mundo o se decida la terminación de Atucha II, la demanda actual proviene de la reposición de las Centrales existentes, reactores de investigación y laboratorios. Para estos fines la demanda promedio anual oscila alrededor de las 50/70 toneladas.

ACTIVIDAD 10 Indique los principales métodos para la producción industrial de agua pesada.

CUESTIONARIO 1 - ¿Pueden el potasio y el calcio liberar hidrógeno gaseoso en medio ácido, neutro o alcalino? Escribir las ecuaciones correspondientes y justificar. 2 - En base a las experiencias realizadas ¿Qué puede concluir acerca de la densidad del hidrógeno relativa al aire? 3 - ¿Por qué se calienta para que reaccione el hidrógeno con el sulfato de plomo, a pesar de ser este un proceso exotérmico (H = -76,24 kcal/mol)? 4 - ¿Qué reacción puede esperarse si se hace pasar una corriente de hidrógeno sobre óxido cúprico sólido caliente? 5 - ¿De dónde sale el tritio?¿ Cuáles son sus usos?

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GRUPO 16

OXÍGENO

El oxígeno es un elemento químico de número atómico 8 y representado por el símbolo O. Su nombre proviene de las raíces griegas (oxys) («ácido», literalmente «punzante», en referencia al sabor de los ácidos) y (-gonos) («productor», literalmente «engendrador»), porque en la época en que se le dio esta denominación se creía, incorrectamente, que todos los ácidos requerían oxígeno para su composición. Es el elemento más abundante de la corteza terrestre (constituye aproximadamente el 50 % del peso de la misma). Presenta distintos estados de oxidación: -2 (en compuestos iónicos y moleculares); -1 (en compuestos iónicos y moleculares); -1/2 (en compuestos iónicos) y 0 (en compuestos moleculares).

Compuesto Molecular: Sin duda el compuesto hidrogenado más importante es el agua. Es el líquido más abundante en la naturaleza. El agua es líquida a temperatura ambiente, incolora, inodora e insípida.

ACTIVIDAD 11 Con ayuda del apéndice de datos analice la conducta ácido-base y la conducta redox del agua. Compuesto Iónico:

ACTIVIDAD 12 Analice que ocurre al disolver un óxido iónico en agua e indique el carácter ácido-base de la solución resultante.

Enlace covalente Un peróxido es un compuesto que contiene un enlace sencillo oxígeno-oxígeno o el anión peróxido, O22-. El grupo -O-O- se llama el grupo peróxido o grupo peroxo. En contraste con los iones de óxido, los átomos de oxígeno en el ion peróxido tienen un estado de oxidación de -1. El peróxido más simple estable es el peróxido de hidrógeno, también llamado agua oxigenada. Es una sustancia líquida (Tfus=-0.43ºC y Teb=150ºC) con un punto de ebullición más alto que agua. A temperatura ambiente, es un líquido azul pálido casi incoloro y viscoso (consecuencia del enlace por puentes de hidrógeno, d = 1.44 g/ml). A concentraciones elevadas es extremadamente corrosiva y por tanto en esas condiciones debe ser utilizada con gran precaución. Es una sustancia más ácida que el H2O. El peróxido de hidrógeno es soluble en agua en todas proporciones. Usualmente se adquiere el agua oxigenada en solución acuosa de 100 volúmenes.

ACTIVIDAD 13 a) Plantear la geometría molecular del agua oxigenada indicando el valor de los ángulos b) Hallar la concentración de dicha agua 100 vol en mol/L y en g/L.

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ACTIVIDAD 14 a) ¿Cuál es el carácter ácido-base de las soluciones de agua oxigenada? b) Determine los rangos de pH en los que predominan las especies: agua oxigenada e ión hidroperóxido. c) Analice la conducta redox de las disoluciones de agua oxigenada en medio ácido y en medio alcalino.

Peróxidos inorgánicos se dividen en peróxido iónico y covalente. La primera clase contiene sobre todo los peróxidos de los metales alcalinos y alcalinotérreos, mientras que los peróxidos covalentes están representados por compuestos tales como peróxido de hidrógeno y ácido peroximonosulfúrico. En contraste con el carácter puramente iónica de peróxidos de metales alcalinos, los peróxidos de metales de transición tienen un carácter más covalente. Pocas reacciones se formulan generalmente para la sal de peróxido. En exceso de ácidos diluidos o agua que liberan peróxido de hidrógeno.

ACTIVIDAD 15 Analice que ocurre al disolver un peróxido iónico en agua e indique el carácter ácido-base de la solución que resulta.

ACTIVIDAD 16 ¿En cuál de las siguientes soluciones de agua oxigenada habrá mayor cantidad de gramos de soluto? a) 25 ml sol. de H2O2 0.25 M b) 30 ml sol de H2O2 0.18 M c) 20 ml sol. de H2O2 de 13 volúmenes Aplicaciones  Muchos peróxidos inorgánicos se utilizan para el blanqueo de textiles y papel y como un aditivo de blanqueo a los detergentes y productos de limpieza..  Peróxidos de metales alcalinos se pueden utilizar para la síntesis de peróxidos orgánicos  Como purificador de aguas.  Uso terapéutico: El agua oxigenada tiene varios usos como desinfectante de heridas.  También se usa en productos de belleza o en tintes.

Un superóxido o hiperóxido es un anión con fórmula O2−. Se forma cuando el oxígeno molecular gana un solo electrón. El ion O2− posee un electrón desapareado. Se considera que el oxígeno tiene un estado de oxidación de −1/2 .Los superóxidos iónicos, MO2, se forman por interacción de O2 con K, Rb o Cs, como sólidos cuyo color va del amarillo al naranja. El NaO2 puede obtenerse solo por reacción del Na2O2 con O2 a 300 atm y 500°C. El LiO2 no ha podido aislarse. Los superóxidos de los alcalinotérreos, Mg, Zn y Cd se presentan sólo en pequeñas concentraciones como disoluciones sólidas en los peróxidos.. Los superóxidos son agentes oxidantes muy poderosos. Reaccionan vigorosamente con el agua desprendiendo dioxígeno.

ACTIVIDAD 17 ¿Cuántos litros de oxígeno gas se obtendrán al disolver 100 gramos de superóxido de potasio en cantidad suficiente de agua? no metales- 8

En condiciones normales de presión y temperatura, dos átomos del elemento se enlazan para formar el dioxígeno, un gas azul muy pálido, inodoro e insípido con la fórmula O2. Este compuesto comprende una importante parte de la atmósfera y resulta necesario para sostener la vida terrestre. Otra forma (alótropo) del oxígeno, el ozono (O3), ayuda a proteger la biosfera de la radiación ultravioleta a gran altitud, en la llamada capa de ozono, pero es contaminante cerca de la superficie, donde es un subproducto del esmog. A altitudes aún mayores de la órbita baja terrestre, el oxígeno atómico tiene una presencia significativa y causa erosión en las naves espaciales.

ACTIVIDAD 18 Plantear las estructuras de Lewis y geometría molecular de los alótropos del oxígeno. El trioxígeno (O3) se conoce habitualmente como ozono y es un alótropo muy reactivo, dañino para el tejido pulmonar. El ozono se produce en la atmósfera superior cuando el O2 se combina con el oxígeno atómico a causa de la división del O2 por la radiación ultravioleta. Ya que el ozono es un poderoso absorbente en la región ultravioleta del espectro electromagnético, la capa de ozono de la atmósfera superior funciona como un escudo protector de la radiación que recibe el planeta. Cerca de la superficie terrestre, no obstante, es un contaminante. En estado líquido es de color de azul intenso. Es uno de los oxidantes más poderosos que se conocen, es por ello que posee una fuerte capacidad de desinfección y

esterilización. El ozono se emplea en la destrucción de olores, la esterilización del agua, el blanqueamiento de textiles o papel y en ciertas síntesis químicas. El ozono se produce habitualmente mediante potentes descargas eléctricas lanzadas en el aire o en el oxígeno.

ACTIVIDAD 19 Mediante un ciclo de Born Haber calcule la energía de enlace O-O en el ozono. En condiciones normales de presión y temperatura, el oxígeno es un gas pálidamente azul e inodoro con fórmula molecular O2, en el que dos átomos de oxígeno se enlazan con una configuración electrónica en estado triplete. Este enlace tiene un orden de enlace de dos y se suele simplificar en las descripciones como un enlace doble o como una combinación ...