Fundamentos de Química Inorgánica: Hidruros, Gases Nobles y Reacciones Esenciales

Hidruros: Compuestos Binarios de Hidrógeno

Los hidruros son compuestos binarios formados por hidrógeno y otro elemento. Se clasifican principalmente en tres tipos:

Hidruros Salinos o Iónicos

• Presentan el ión hidruro (H^-) en su molécula.
• Se forman con los elementos más electropositivos, como los metales alcalinos y alcalinotérreos (excepto berilio y magnesio).
• Suelen ser sólidos blancos.
• Ejemplo: LiH (hidruro de litio).

Hidruros Covalentes

• Se forman compartiendo un par de electrones.
• Elementos como el boro (B), aluminio (Al) y galio (Ga) forman dímeros, mientras que el resto de los elementos forman monómeros.
• Todos sufren descomposición térmica para producir hidrógeno y el elemento correspondiente, según la reacción general:

  HX_n → ½H₂ + nX

• Ejemplo: HF (fluoruro de hidrógeno).

Hidruros Metálicos

• Sus propiedades varían significativamente según el elemento que acompañe al hidrógeno.
• No es posible generalizar sus características químicas debido a su diversidad.
• Ejemplo: HCu (hidruro de cobre).

Reacciones de Gases Nobles: El Caso del Xenón

La reactividad de los gases nobles se manifiesta en aquellos con menor potencial de ionización. Aunque el radón (Rn) debería ser el más reactivo, su naturaleza radiactiva lo hace inviable para estudios comunes. Por ello, el xenón (Xe) es el gas noble más estudiado en cuanto a la formación de compuestos.

Compuestos de Xenón con Flúor

Al calentar xenón y flúor (F₂), se obtiene una mezcla de tres compuestos, dependiendo de las condiciones de preparación:

• Difluoruro de Xenón (XeF₂):

  Xe(g) + F₂(g) (400ºC / 1 atm) → XeF₂(s)

• Tetrafluoruro de Xenón (XeF₄):

  Xe(g) + 2F₂(g) (600ºC / 6 atm) → XeF₄(s)

• Hexafluoruro de Xenón (XeF₆):

  Xe(g) + 3F₂(g) (300ºC / 60 atm) → XeF₆(s)

Otros Compuestos de Xenón

También se han sintetizado otros compuestos de xenón con oxígeno, como:

• XeO₄ (Tetraóxido de Xenón)
• XeOF₄ (Oxitetrafluoruro de Xenón)
• XeO₂F₂ (Dioxodifluoruro de Xenón)

Síntesis de Flúor: El Método de Moissan

El método de Moissan es un procedimiento clave para la obtención de flúor. Consiste en la mezcla de fluoruro de hidrógeno (HF) con fluoruro de potasio (KF) para reducir el punto de fusión de la mezcla:

HF + KF → KHF₂

El bifluoruro de potasio (KHF₂) resultante posee un punto de fusión bajo y se encuentra en estado líquido, permitiendo la disociación de iones K⁺, F^- y H⁺. Esto posibilita la aplicación de la electrólisis:

Proceso de Electrólisis

• Ánodo: Los iones fluoruro se oxidan para formar flúor gaseoso.

  F^- - e^- → ½F₂(g)

• Cátodo: Los iones potasio se reducen para formar potasio metálico.

  K⁺ + e^- → K(s)

De esta manera, se obtienen simultáneamente flúor y potasio. Es crucial tener en cuenta que el potasio es altamente reactivo y puede reaccionar con el HF para formar KF e hidrógeno:

HF(g) + K(s) → KF(s) + ½H₂(g)

Por lo tanto, es indispensable tomar precauciones para evitar el contacto entre el flúor y el hidrógeno producidos, debido a su alta reactividad.

Aplicaciones de Fluoruros en Higiene Bucal

El fluoruro de estaño (SnF₂) y el fluoruro de sodio (NaF) son ampliamente utilizados en la formulación de pastas de dientes debido a sus propiedades anticaries.

Reacciones con Halogenuros: Obtención de Ácido Clorhídrico

El cloruro de sodio (NaCl), conocido comúnmente como sal, reacciona con el ácido sulfúrico (H₂SO₄) para producir ácido clorhídrico (HCl) y sulfato de sodio (Na₂SO₄):

2 NaCl(s) + H₂SO₄(aq) → 2 HCl(g) + Na₂SO₄(aq)

Elementos del Grupo 16: Oxígeno y Azufre

Los elementos del grupo 16, también conocidos como calcógenos, presentan diferencias significativas en sus propiedades y formas alotrópicas estables.

Formas Alotrópicas Estables

• Primer elemento (Oxígeno): La molécula más estable es el oxígeno diatómico (O₂).
• Segundo elemento (Azufre): La forma alotrópica más estable es el azufre cíclico (S₈).

Diferencias Clave entre Oxígeno y Azufre

Las principales diferencias entre el oxígeno y el azufre incluyen:

• Tamaño atómico: El oxígeno posee un tamaño atómico significativamente menor en comparación con el azufre.
• Electronegatividad: El oxígeno presenta una electronegatividad considerablemente más alta que el azufre.
• Expansión de octeto: El oxígeno carece de la capacidad para formar octetos expandidos en sus estructuras de Lewis, a diferencia del azufre, que puede utilizar sus orbitales d vacíos.
• Puentes de hidrógeno: El oxígeno puede formar puentes de hidrógeno debido a su alta electronegatividad y pequeño tamaño, mientras que el azufre no lo hace.

Ejercicios de Reacciones Químicas

A continuación, se presentan algunas reacciones químicas completas:

• Formación de Ácido Disulfúrico:

  SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇

• Reacción de Cobre con Ácido Nítrico Concentrado:

  Cu(s) + 4 HNO₃(conc) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 H₂O(l) + 2 NO₂(g)

• Formación de Cloruro de Amonio:

  NH₃(g) + HCl(g) → NH₄Cl(s)

• Reacción de Potasio con Oxígeno:

  K(s) + O₂(g) → KO₂(s)

• Reacción de Cloro con Yoduro de Sodio:

  Cl₂(g) + 2 NaI(aq) → 2 NaCl(aq) + I₂(s)

El Ciclo del Ozono Estratosférico

El ozono (O₃) en la estratosfera se forma y destruye continuamente a través de reacciones naturales, manteniendo un equilibrio dinámico esencial para la vida en la Tierra.

Formación Natural del Ozono

El ozono se forma a partir de oxígeno molecular (O₂) mediante la absorción de radiación ultravioleta (UV) de alta energía:

1. Disociación del Oxígeno Molecular:

   O₂ + UV (240-300 nm) → O + O

2. Formación de Ozono: Los átomos de oxígeno libres reaccionan con moléculas de oxígeno molecular.

   O + O₂ → O₃

   La reacción neta de formación es:

   3 O₂ → 2 O₃

Destrucción Natural del Ozono

El ozono se destruye al absorber radiación ultravioleta, disociándose en oxígeno molecular y un átomo de oxígeno:

1. Disociación del Ozono:

   O₃ + UV (200-360 nm) → O₂ + O

2. Reacción con Átomos de Oxígeno: Un átomo de oxígeno libre reacciona con una molécula de ozono.

   O₃ + O → 2 O₂

   La reacción neta de destrucción es:

   2 O₃ → 3 O₂

Estos procesos naturales explican la formación y destrucción continua del ozono estratosférico, lo que permite el mantenimiento de su concentración en aproximadamente 8 ppm.

Reactividad del Fósforo Blanco (P₄)

El fósforo blanco (P₄) es un alótropo del fósforo con propiedades distintivas:

• Es un sólido apolar de color blanco.
• No conduce la electricidad.
• Puede encenderse espontáneamente en contacto con el aire (pirofórico), por lo que se almacena bajo agua para evitar su oxidación.

¿Por qué es tan reactivo?

Su extrema reactividad frente al oxígeno se debe a la tensión angular de los enlaces en su estructura tetraédrica (P₄). Los ángulos de enlace de 60° son mucho menores que los ángulos ideales de 109.5° para una hibridación sp³, lo que genera una gran inestabilidad y facilita la ruptura de los enlaces P-P.

Compuestos Producidos

Cuando el fósforo blanco reacciona con el oxígeno, se producen principalmente óxidos de fósforo, como el decóxido de tetrafósforo (P₄O₁₀), un sólido blanco que es un potente agente deshidratante.

Transformación Alotrópica

Cuando el fósforo blanco se calienta a aproximadamente 300 °C en ausencia de aire, se transforma en fósforo rojo, una forma alotrópica menos reactiva y más estable.

Aplicaciones del Agua Oxigenada (Peróxido de Hidrógeno)

El peróxido de hidrógeno (H₂O₂), comúnmente conocido como agua oxigenada, posee una amplia gama de aplicaciones debido a sus propiedades oxidantes y desinfectantes:

• Como blanqueante en la industria textil, de pastas de papel y pieles, así como en detergentes.
• Como desinfectante y en la restauración de obras de arte.
• Como antiséptico en el ámbito médico para la limpieza de heridas.
• En la industria, actúa como un potente oxidante en diversos procesos químicos.