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Agua, sulfuro de hidrógeno y seleniuro de hidrógeno, tres calcogenuros de hidrógeno simples

Los calcogenuros de hidrógeno (también hidruros de calcógeno o calcidas de hidrógeno ) son compuestos binarios de hidrógeno con átomos de calcógeno (elementos del grupo 16: oxígeno , azufre , selenio , telurio y polonio ). El agua , el primer compuesto químico de esta serie, contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno , y es el compuesto más común en la superficie de la Tierra. [1]

Calcogenuros de dihidrógeno [ editar ]

La serie más importante, incluida el agua, tiene la fórmula química H 2 X, donde X representa cualquier calcógeno. Por tanto, son triatómicos . Adoptan una estructura doblada y, como tales, son moléculas polares . El agua es un compuesto esencial para la vida en la Tierra en la actualidad [2] y cubre el 70,9% de la superficie del planeta. Los otros calcogenuros de hidrógeno suelen ser extremadamente tóxicos y tienen olores fuertes y desagradables que generalmente se asemejan a huevos o vegetales podridos. El sulfuro de hidrógeno es un producto común de la descomposición en ambientes pobres en oxígeno y, como tal, es una sustancia química responsable del olor a flatulencia . También es ungas volcánico . A pesar de su toxicidad, el cuerpo humano lo produce intencionalmente en dosis suficientemente pequeñas para usarlo como molécula de señalización .

El agua puede disolver los otros calcogenuros de hidrógeno (al menos aquellos hasta el telururo de hidrógeno), formando soluciones ácidas conocidas como ácidos hidrocalcogénicos . Aunque estos son ácidos más débiles que los ácidos hidrohálicos , siguen una tendencia similar de fuerza del ácido que aumenta con los calcógenos más pesados, y también se forman de manera similar (convirtiendo el agua en un ion hidronio H 3 O + y el soluto en un ion XH - ). Se desconoce si el hidruro de polonio forma una solución ácida en agua como sus homólogos más ligeros, o si se comporta más como un hidruro metálico (ver también astaturo de hidrógeno ).

CompuestoComo solución acuosaFórmula químicaGeometríap K amodelo
óxido de hidrógeno
hidruro de oxígeno
agua
(oxidano)		aguaH 2 OH2O 2D etiquetado.svg13.995Molécula de agua 3D.svg
sulfuro de hidrógeno
hidruro de azufre
(sulfano)		ácido hidrosulfúricoH 2 SHidrógeno-sulfuro-2D-dimensiones.svg7.0
seleniuro de hidrógeno
hidruro de selenio
(selane)		ácido hidrosolénicoH 2 Se3,89
telururo de hidrógeno
hidruro de telurio
(tellane)		ácido hidrotelúricoH 2 Te2.6
polonido de hidrógeno
hidruro de polonio
(polane)		ácido hidropolónicoH 2 Po?

hidruro de hígado de hígado de hidrógeno hidruro de hígado de morio
(livermorane)		ácido hidrolivermóricoH 2 Lv?

Algunas propiedades de los calcogenuros de hidrógeno son las siguientes: [3]

PropiedadH 2 OH 2 SH 2 SeH 2 TeH 2 Po
Punto de fusión (° C)0.0−85,6−65,7−51−35,3
Punto de ebullición (° C)100,0−60,3−41,3−436,1
−285,9+20,1+73.0+99,6?
Ángulo de enlace (H – X – H) (gas)104,45 °92,1 °91 °90 °90,9 ° (previsto) [4]
Constante de disociación (HX - , K 1 )1,8 × 10 −161,3 × 10 −71,3 × 10 −42,3 × 10 −3?
Constante de disociación (X 2− , K 2 )07,1 × 10 −151 × 10 −111,6 × 10 −11?
Comparación de los puntos de ebullición de los calcogenuros de hidrógeno y los haluros de hidrógeno ; se puede ver que el fluoruro de hidrógeno exhibe de manera similar efectos anómalos debido a los enlaces de hidrógeno. El amoníaco también se comporta mal de manera similar.

Muchas de las propiedades anómalas del agua en comparación con el resto de los calcogenuros de hidrógeno pueden atribuirse a los importantes enlaces de hidrógeno entre los átomos de hidrógeno y oxígeno. Algunas de estas propiedades son los altos puntos de fusión y ebullición (es un líquido a temperatura ambiente), así como la alta constante dieléctrica y la disociación iónica observable. Los enlaces de hidrógeno en el agua también dan como resultado grandes valores de calor y entropía de vaporización, tensión superficial y viscosidad. [5]

Los otros calcogenuros de hidrógeno son gases malolientes y altamente tóxicos. El sulfuro de hidrógeno se encuentra comúnmente en la naturaleza y sus propiedades en comparación con el agua revelan una falta de enlaces de hidrógeno significativos. [6] Dado que ambos son gases en STP, el hidrógeno se puede quemar simplemente en presencia de oxígeno para formar agua en un ambiente altamente exotérmico.reacción; una prueba de este tipo se puede utilizar en química para principiantes para probar los gases producidos por una reacción, ya que el hidrógeno se quemará con un estallido. El agua, el sulfuro de hidrógeno y el seleniuro de hidrógeno se pueden preparar calentando sus elementos constituyentes juntos por encima de 350 ° C, pero el telururo de hidrógeno y el hidruro de polonio no se pueden obtener mediante este método debido a su inestabilidad térmica; El telururo de hidrógeno se descompone en humedad, luz y temperaturas superiores a 0 ° C. El hidruro de polonio es inestable y, debido a la intensa radiactividad del polonio (que produce una autorradiólisis tras la formación), solo se pueden obtener trazas mediante el tratamiento de ácido clorhídrico diluido con magnesio recubierto de polonio.frustrar. Sus propiedades son algo distintas del resto de los calcogenuros de hidrógeno, ya que el polonio es un metal mientras que los otros calcógenos no lo son y, por lo tanto, este compuesto es intermedio entre un calcogenuro de hidrógeno normal o un haluro de hidrógeno como el cloruro de hidrógeno y un hidruro metálico como el estannano. . Como el agua, el primero del grupo, el hidruro de polonio también es líquido a temperatura ambiente. Sin embargo, a diferencia del agua, las fuertes atracciones intermoleculares que causan el punto de ebullición más alto son las interacciones de van der Waals , un efecto de las grandes nubes de electrones del polonio. [3]


Dicalcogenuros de dihidrógeno [ editar ]

Los dicalcogenuros de dihidrógeno tienen la fórmula química H 2 X 2 , y generalmente son menos estables que los monocalcogenuros, y comúnmente se descomponen en el monocalcogenuro y el calcógeno involucrados.

El más importante de ellos es el peróxido de hidrógeno , H 2 O 2 , un líquido azul pálido, casi incoloro, que tiene una volatilidad más baja que el agua y una densidad y viscosidad más altas. Es importante químicamente, ya que puede oxidarse o reducirse en soluciones de cualquier pH, puede formar fácilmente complejos de peroxometal y complejos de peroxoácido, así como sufrir muchas reacciones protón ácido / base. En su forma menos concentrada, el peróxido de hidrógeno tiene algunos usos domésticos importantes, como desinfectante o decoloración del cabello; las soluciones mucho más concentradas son mucho más peligrosas.

CompuestoFórmula químicaLongitud de enlaceModelo
peróxido de hidrógeno
(dioxidano)
H 2 O 2
disulfuro de hidrógeno
(disulfano)
H 2 S 2
diselenuro de hidrógeno [7]
(diselane)
H 2 Se 2
-
ditelurida de hidrógeno [8]
(ditellane)
H 2 Te 2
-

Algunas propiedades de los dicalcogenuros de hidrógeno son las siguientes:

PropiedadH 2 O 2H 2 S 2H 2 Se 2H 2 Te 2
Punto de fusión (° C)-0,43−89,6??
Punto de ebullición (° C)150,2 (se descompone)70,7??

Se ha examinado computacionalmente un isómero estructural alternativo de los dicalcogenuros, en el que ambos átomos de hidrógeno están unidos al mismo átomo de calcógeno, que también está unido al otro átomo de calcógeno. Estas estructuras de H 2 X + –X - son iluros . Esta forma isomérica de peróxido de hidrógeno, oxiagua , no se ha sintetizado experimentalmente. El isómero análogo del disulfuro de hidrógeno, el tiosulfóxido , ha sido detectado mediante experimentos de espectrometría de masas . [9]

Es posible que dos átomos de calcógeno diferentes compartan un dicalcogenuro, como en el tioperóxido de hidrógeno (H 2 SO); Los compuestos más conocidos de descripción similar incluyen ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ).

Calcogenuros de dihidrógeno superiores [ editar ]

Todos los calcogenuros de hidrógeno de cadena lineal siguen la fórmula H 2 X n .

Los polióxidos de hidrógeno más altos que el H 2 O 2 no son estables. [10] El trioxidano , con tres átomos de oxígeno, es un intermedio inestable transitorio en varias reacciones. Los dos siguientes en la serie del oxígeno, el tetróxido de hidrógeno y el pentóxido de hidrógeno , también se han sintetizado y se ha descubierto que son muy reactivos. Se ha examinado computacionalmente un isómero estructural alternativo del trioxidano, en el que los dos átomos de hidrógeno están unidos al oxígeno central de la cadena de tres oxígeno en lugar de uno en cada extremo. [11]

Más allá de H 2 S y H 2 S 2 , muchos polisulfanos superiores H 2 S n ( n = 3–8) se conocen como compuestos estables. [12] Presentan cadenas de azufre no ramificadas, lo que refleja la propensión del azufre a la catenaria. Comenzando con H 2 S 2 , todos los polisulfanos conocidos son líquidos a temperatura ambiente. H 2 S 2 es incoloro mientras que los otros polisulfanos son amarillos; el color se vuelve más rico a medida que aumenta n , al igual que la densidad, la viscosidad y el punto de ebullición. A continuación se proporciona una tabla de propiedades físicas. [13]

CompuestoDensidad a 20 ° C (g • cm −3 )Presión de vapor (mmHg)Punto de ebullición extrapolado (° C)
H 2 S1,363 (g • dm −3 )1740 (kPa, 21 ° C)-60
H 2 S 21.33487,770
H 2 S 31.4911.4170
H 2 S 41.5820,035240
H 2 S 51.6440,0012285
H 2 S 61,688??
H 2 S 71.721??
H 2 S 81.747??

Sin embargo, pueden oxidarse fácilmente y son todos térmicamente inestables, desproporcionando fácilmente al azufre y al sulfuro de hidrógeno, una reacción para la cual el álcali actúa como catalizador: [13]

H 2 S norte → H 2 S +n - 1/8S 8

También reaccionan con sulfito y cianuro para producir tiosulfato y tiocianato, respectivamente. [13]

Se ha examinado computacionalmente un isómero estructural alternativo del trisulfuro, en el que los dos átomos de hidrógeno están unidos al azufre central de la cadena de tres azufres en lugar de uno en cada extremo. [11] El ácido tiosulfuroso , un isómero ramificado del tetrasulfuro, en el que el cuarto azufre está unido al azufre central de una estructura lineal de trisulfuro de dihidrógeno ((HS) 2 S + –S - ), también se ha examinado computacionalmente. [14] El ácido tiosulfúrico , en el que dos átomos de azufre se ramifican del centro de una estructura lineal de trisulfuro de dihidrógeno, también se ha estudiado computacionalmente. [15]

Pueden existir hidruros de polonio superiores. [dieciséis]

Otros compuestos de hidrógeno-calcógeno [ editar ]

Agua pesada

Existen algunos compuestos calcogenuros monohidrógeno y otros se han estudiado teóricamente. Como compuestos radicales , son bastante inestables. Los dos más simples son el hidroxilo (HO) y el hidroperoxilo (HO 2 ). También se conoce el compuesto de ozonuro de hidrógeno (HO 3 ), [17] junto con algunas de sus sales de ozonuro de metales alcalinos (varios MO 3 ). [18] El análogo de azufre respectivo para hidroxilo es sulfanilo (HS) y HS 2 para hidroperoxilo.

HO -
H 2 O
H 3 O +

Uno o ambos átomos de protio en el agua pueden ser sustituidos por el isótopo deuterio , produciendo respectivamente agua semipesada y agua pesada , siendo este último uno de los compuestos de deuterio más famosos. Debido a la gran diferencia de densidad entre el deuterio y el protio regular , el agua pesada presenta muchas propiedades anómalas. El radioisótopo tritio también puede formar agua tritiada de la misma manera. Otro calcogenuro de deuterio notable es el disulfuro de deuterio . Telururo de deuterio (D 2Te) tiene una estabilidad térmica ligeramente mayor que el telururo de protio y se ha utilizado experimentalmente para métodos de deposición química de películas delgadas a base de telururo. [19]

El hidrógeno comparte muchas propiedades con los halógenos ; la sustitución del hidrógeno con halógenos puede resultar en compuestos de haluro de calcógeno como el difluoruro de oxígeno y el monóxido de dicloro , junto con otros que pueden ser imposibles con el hidrógeno como el dióxido de cloro .

Iones de hidrógeno [ editar ]

Uno de los iones de calcogenuro de hidrógeno más conocidos es el ión hidróxido y el grupo funcional hidroxi relacionado . El primero está presente en hidróxidos de metales alcalinos , alcalinotérreos y de tierras raras , formados por reacción del metal respectivo con agua. El grupo hidroxi aparece comúnmente en la química orgánica, como en los alcoholes . El grupo bisulfuro / sulfhidrilo relacionado aparece en sales hidrosulfuro y tioles , respectivamente.

El ion hidronio (H 3 O + ) está presente en soluciones ácidas acuosas, incluidos los propios ácidos hidrocalcogénicos, así como en agua pura junto con el hidróxido.

Referencias [ editar ]

  1. ^ "CIA - El libro de hechos del mundo" . Agencia Central de Inteligencia . Consultado el 18 de agosto de 2016 .
  2. ^ "Acerca del Decenio Internacional para la acción 'Agua, fuente de vida' 2005-2015" .
  3. ↑ a b Greenwood y Earnshaw, págs. 766–7.
  4. ↑ Sumathi, K .; Balasubramanian, K. (1990). "Estados electrónicos y superficies de energía potencial de H 2 Te, H 2 Po y sus iones positivos". Revista de Física Química . 92 (11): 6604–6619. Código Bibliográfico : 1990JChPh..92.6604S . doi : 10.1063 / 1.458298 .
  5. ^ Greenwood y Earnshaw, p. 623
  6. ^ Greenwood y Earnshaw, p. 682
  7. ^ Goldbach, Andreas; Saboungi, Marie-Louise; Johnson, JA; Cook, Andrew R .; Meisel, Dan (2000). "Oxidación de soluciones acuosas de poliselenuro. Un estudio de radiolisis de pulso mecanicista". J. Phys. Chem. Una . 104 (17): 4011–4016. Código Bibliográfico : 2000JPCA..104.4011G . doi : 10.1021 / jp994361g .
  8. ^ Hop, Cornelis ECA; Medina, Marco A. (1994). "H 2 Te 2 es estable en la fase gaseosa". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 1994 (116): 3163–4. doi : 10.1021 / ja00086a072 .
  9. ^ Gerbaux, Pascal; Salpin, Jean-Yves; Bouchoux, Guy; Flammang, Robert (2000). "Tiosulfóxidos (X 2 S = S) y disulfanos (XSSX): primera observación de tiosulfóxidos orgánicos". Revista Internacional de Espectrometría de Masas . 195/196: 239–249. Código Bibliográfico : 2000IJMSp.195..239G . doi : 10.1016 / S1387-3806 (99) 00227-4 .
  10. ^ Greenwood y Earnshaw, págs. 633-8
  11. ^ a b Dobado, JA; Martínez-García, Henar; Molina, José; Sundberg, Markku R. (1999). "Enlace químico en moléculas hipervalentes revisado. 2. Aplicación de la teoría de los átomos en las moléculas a Y 2 XZ e Y 2 XZ 2 (Y = H, F, CH 3 ; X = O, S, Se; Z = O, S) Compuestos". Mermelada. Chem. Soc . 121 (13): 3156–3164. doi : 10.1021 / ja9828206 .
  12. ^ R. Steudel "Polisulfanos inorgánicos H 2 S 2 con n> 1" en azufre elemental y compuestos ricos en azufre II (temas de la química actual) 2003, volumen 231, págs. 99-125. doi : 10.1007 / b13182
  13. ↑ a b c Greenwood y Earnshaw, p. 683
  14. ^ Laitinen, Risto S .; Pakkanen, Tapani A .; Steudel, Ralf (1987). "Estudio ab initio de hidruros de azufre hipervalentes como modelos intermedios en las reacciones de interconversión de compuestos que contienen enlaces azufre-azufre". Mermelada. Chem. Soc . 109 (3): 710–714. doi : 10.1021 / ja00237a012 .
  15. ^ Nishimoto, Akiko; Zhang, Daisy Y. (2003). "¿Hipervalencia en azufre? Estudios ab initio y DFT de las estructuras de tiosulfato y oxianiones de azufre relacionados". Letras de azufre . 26 (5/6): 171–180. doi : 10.1080 / 02786110310001622767 .
  16. ^ Liu, Yunxian; Duan, Defang; Tian, ​​Fubo; Li, Da; Sha, Xiaojing; Zhao, Zhonglong; Zhang, Huadi; Wu, Gang; Yu, Hongyu; Liu, Bingbing; Cui, Tian (2015). "Diagrama de fases y superconductividad de hidruros de polonio a alta presión". arXiv : 1503.08587 [ cond-mat.supr-con ].
  17. ↑ Cacace, F .; de Petris, G .; Pepi, F .; Troiani, A. (1999). "Detección experimental de trióxido de hidrógeno". Ciencia . 285 (5424): 81–82.
  18. ^ Wiberg 2001, p. 497
  19. ^ Xiao, M. & Gaffney, TR Precursores de telurio (Te) para hacer materiales de memoria de cambio de fase. (Patentes de Google, 2013) ( https://www.google.ch/patents/US20130129603 )

Bibliografía [ editar ]

  • Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.