Hidruro

En química , un hidruro es formalmente el anión de hidrógeno (H ⁻ ), un átomo de hidrógeno con dos electrones. ^[1] En el uso moderno, esto normalmente solo se usa para enlaces iónicos, pero a veces (y con más frecuencia en el pasado) se ha aplicado a todos los compuestos que contienen átomos de H unidos covalentemente . En este sentido amplio y potencialmente arcaico, el agua (H ₂ O) es un hidruro de oxígeno , el amoníaco es un hidruro de nitrógeno , etc. En compuestos covalentes, implica que el hidrógeno está unido a un elemento menos electronegativo . En tales casos, el centro H tiene carácter nucleofílico, que contrasta con el carácter prótico de los ácidos. El anión hidruro se observa muy raramente.

Casi todos los elementos forman compuestos binarios con hidrógeno , con la excepción de He , ^[2] Ne , ^[3] Ar , ^[4] Kr , ^[5] Pm , Os , Ir , Rn , Fr y Ra . ^{[6] [7] [8] [9]} También se han formado moléculas exóticas como el hidruro de positronio .

Los enlaces entre el hidrógeno y los otros elementos varían desde altamente iónicos a algo covalentes. Algunos hidruros, por ejemplo, los hidruros de boro , no se ajustan a las reglas clásicas de conteo de electrones y el enlace se describe en términos de enlaces multicéntricos, mientras que los hidruros intersticiales a menudo implican enlaces metálicos . Los hidruros pueden ser moléculas discretas , oligómeros o polímeros , sólidos iónicos , monocapas quimisorbidas , ^{[ cita requerida ]} metales a granel (intersticiales) u otros materiales. Si bien los hidruros reaccionan tradicionalmente como bases de Lewis o agentes reductores , algunos hidruros metálicos se comportan como donantes de átomos de hidrógeno y actúan como ácidos.

• Los hidruros, como el borohidruro de sodio , el hidruro de litio y aluminio , el hidruro de diisobutilaluminio (DIBAL) y el superhidruro , se utilizan habitualmente como agentes reductores en la síntesis química . El hidruro se añade a un centro electrofílico, normalmente carbono insaturado.
• Los hidruros, como el hidruro de sodio y el hidruro de potasio, se utilizan como bases fuertes en la síntesis orgánica . El hidruro reacciona con el ácido de Bronsted débil, liberando _H2 .
• Los hidruros, como el hidruro de calcio, se utilizan como desecantes , es decir, agentes secantes, para eliminar el agua residual de los disolventes orgánicos. El hidruro reacciona con el agua formando hidrógeno y sal de hidróxido . El disolvente seco se puede destilar o transferir al vacío desde el "recipiente para disolventes".
• Los hidruros son importantes en las tecnologías de baterías de almacenamiento, como las baterías de níquel-hidruro metálico . Se han estudiado diversos hidruros metálicos para su uso como medio de almacenamiento de hidrógeno para automóviles eléctricos alimentados con pilas de combustible y otros aspectos específicos de la economía del hidrógeno . ^[11]

• Los complejos de hidruro son catalizadores e intermediarios catalíticos en una variedad de ciclos catalíticos homogéneos y heterogéneos. Algunos ejemplos importantes incluyen los catalizadores de hidrogenación , hidroformilación , hidrosililación e hidrodesulfuración . Incluso ciertas enzimas, como la hidrogenasa , funcionan a través de intermediarios de hidruro. El portador de energía nicotinamida adenina dinucleótido reacciona como un donante de hidruro o un equivalente de hidruro.

Los aniones hidruros libres sólo existen en condiciones extremas y no se utilizan para soluciones homogéneas. En cambio, muchos compuestos tienen centros de hidrógeno con carácter hidródico.

Aparte del electruro , el ion hidruro es el anión más simple posible , formado por dos electrones y un protón . El hidrógeno tiene una afinidad electrónica relativamente baja , 72,77 kJ/mol, y reacciona exotérmicamente con los protones como una potente base de Lewis .

${\displaystyle {\ce {H- + H+ -> H2}}}$ ΔH = −1676 kJ/ mol

La baja afinidad electrónica del hidrógeno y la fuerza del enlace H–H ( Δ H _BE = 436 kJ/mol ) significa que el ion hidruro también sería un fuerte agente reductor.

${\displaystyle {\ce {H2 + 2e- <=> 2H-}}}$ E ^⊖ = −2,25 V

Según la definición general, cada elemento de la tabla periódica (excepto algunos gases nobles ) forma uno o más hidruros. Estas sustancias se han clasificado en tres tipos principales según la naturaleza de su enlace : ^[6]

• Hidruros iónicos , que tienen un carácter de enlace iónico significativo .
• Hidruros covalentes , que incluyen los hidrocarburos y muchos otros compuestos que se unen covalentemente a los átomos de hidrógeno.
• Hidruros intersticiales , que pueden describirse como poseedores de enlaces metálicos .

Si bien estas divisiones no se han utilizado universalmente, siguen siendo útiles para comprender las diferencias entre los hidruros.

Son compuestos estequiométricos del hidrógeno. Los hidruros iónicos o salinos están compuestos de hidruro unido a un metal electropositivo, generalmente un metal alcalino o alcalinotérreo . Los lantánidos divalentes como el europio y el iterbio forman compuestos similares a los de los metales alcalinotérreos más pesados. En estos materiales el hidruro se considera un pseudohaluro . Los hidruros salinos son insolubles en disolventes convencionales, lo que refleja sus estructuras no moleculares. Los hidruros iónicos se utilizan como bases y, ocasionalmente, como reactivos reductores en la síntesis orgánica . ^[12]

C6H5C ( O _{) CH3} + KH → _C6H5C ( _{O ) CH2K} + H2_​

Los disolventes típicos para tales reacciones son los éteres . El agua y otros disolventes próticos no pueden servir como medio para los hidruros iónicos porque el ion hidruro es una base más fuerte que el hidróxido y la mayoría de los aniones hidroxilo . En una reacción ácido-base típica se libera gas hidrógeno.

${\displaystyle {\ce {NaH + H2O -> H2_{(g)}{}+ NaOH}}}$

ΔH = −83,6 kJ/mol, ΔG = −109,0 kJ/mol

Los hidruros de metales alcalinos reaccionan a menudo con haluros metálicos. El hidruro de litio y aluminio (abreviado a menudo como LAH) surge de reacciones del hidruro de litio con cloruro de aluminio .

4 LiH + AlCl ₃ → LiAlH ₄ + 3 LiCl

Según algunas definiciones, los hidruros covalentes cubren todos los demás compuestos que contienen hidrógeno. Algunas definiciones limitan los hidruros a los centros de hidrógeno que reaccionan formalmente como hidruros, es decir, son nucleófilos, y los átomos de hidrógeno unidos a centros metálicos. Estos hidruros están formados por todos los no metales verdaderos (excepto los elementos del grupo cero) y los elementos como Al, Ga, Sn, Pb, Bi, Po, etc., que normalmente son de naturaleza metálica, es decir, esta clase incluye los hidruros de elementos del bloque p. En estas sustancias, el enlace hidruro es formalmente un enlace covalente muy parecido al enlace formado por un protón en un ácido débil . Esta categoría incluye hidruros que existen como moléculas discretas, polímeros u oligómeros, e hidrógeno que ha sido químicamente adsorbido a una superficie. Un segmento particularmente importante de hidruros covalentes son los hidruros metálicos complejos , poderosos hidruros solubles comúnmente utilizados en procedimientos sintéticos.

Los hidruros moleculares a menudo implican ligandos adicionales; por ejemplo, el hidruro de diisobutilaluminio (DIBAL) consta de dos centros de aluminio unidos por ligandos de hidruro. Los hidruros que son solubles en disolventes comunes se utilizan ampliamente en la síntesis orgánica. Particularmente comunes son el _borohidruro de sodio ( NaBH4 ) y el hidruro de litio y aluminio y reactivos impedidos como el DIBAL.

Los hidruros intersticiales se encuentran más comúnmente en metales o aleaciones. Se los denomina tradicionalmente "compuestos", aunque no se ajustan estrictamente a la definición de compuesto, y se parecen más a aleaciones comunes como el acero. En estos hidruros, el hidrógeno puede existir como entidades atómicas o diatómicas. El procesamiento mecánico o térmico, como el doblado, el golpe o el recocido, puede hacer que el hidrógeno se precipite de la solución por desgasificación. Su enlace generalmente se considera metálico . Estos metales de transición en masa forman hidruros binarios intersticiales cuando se exponen al hidrógeno. Estos sistemas suelen ser no estequiométricos , con cantidades variables de átomos de hidrógeno en la red. En ingeniería de materiales, el fenómeno de la fragilización por hidrógeno resulta de la formación de hidruros intersticiales. Los hidruros de este tipo se forman según uno de dos mecanismos principales. El primer mecanismo implica la adsorción de dihidrógeno, seguida de la ruptura del enlace HH, la deslocalización de los electrones del hidrógeno y, finalmente, la difusión de los protones en la red metálica. El otro mecanismo principal implica la reducción electrolítica del hidrógeno ionizado en la superficie de la red metálica, seguida también de la difusión de los protones en la red. El segundo mecanismo es responsable de la expansión temporal del volumen observada en ciertos electrodos utilizados en experimentos electrolíticos.

El paladio absorbe hasta 900 veces su propio volumen de hidrógeno a temperatura ambiente, formando hidruro de paladio . Este material se ha discutido como un medio para transportar hidrógeno para celdas de combustible vehiculares . Los hidruros intersticiales muestran cierta promesa como una forma de almacenamiento seguro de hidrógeno . Los estudios de difracción de neutrones han demostrado que los átomos de hidrógeno ocupan aleatoriamente los intersticios octaédricos en la red metálica (en una red fcc hay un agujero octaédrico por átomo de metal). El límite de absorción a presiones normales es PdH0.7, lo que indica que aproximadamente el 70% de los agujeros octaédricos están ocupados. ^[13]

Se han desarrollado muchos hidruros intersticiales que absorben y descargan hidrógeno fácilmente a temperatura ambiente y presión atmosférica. Por lo general, se basan en compuestos intermetálicos y aleaciones de solución sólida. Sin embargo, su aplicación aún es limitada, ya que son capaces de almacenar solo alrededor del 2 por ciento en peso de hidrógeno, insuficiente para aplicaciones automotrices. ^[14]

Los hidruros de metales de transición incluyen compuestos que pueden clasificarse como hidruros covalentes . Algunos incluso se clasifican como hidruros intersticiales ^{[ cita requerida ]} y otros hidruros puente. Los hidruros de metales de transición clásicos presentan un enlace simple entre el centro de hidrógeno y el metal de transición. Algunos hidruros de metales de transición son ácidos, por ejemplo, HCo(CO) ₄ y H ₂ Fe(CO) ₄ . Los aniones nonahidruro de potasio [ReH ₉ ] ²⁻ y [FeH ₆ ] ⁴⁻ son ejemplos de la creciente colección de hidruros metálicos homolépticos moleculares conocidos. ^[16] Como pseudohaluros , los ligandos hidruro son capaces de unirse con centros de hidrógeno polarizados positivamente. Esta interacción, llamada enlace de dihidrógeno , es similar al enlace de hidrógeno , que existe entre protones polarizados positivamente y átomos electronegativos con pares solitarios abiertos.

Los hidruros que contienen protio se conocen como prótidos .

Los hidruros que contienen deuterio se conocen como deuteruros . Algunos deuteruros, como el LiD , son combustibles de fusión importantes en armas termonucleares y moderadores útiles en reactores nucleares .

Los hidruros que contienen tritio se conocen como tritidos.

Existen compuestos aniónicos mixtos que contienen hidruro con otros aniones. Entre ellos se encuentran los hidruros de boruro, los carbohidruros , los hidridonitruros , los oxihidruros y otros.

Prótido , deuteruro y tritido se utilizan para describir iones o compuestos que contienen hidrógeno-1 enriquecido , deuterio o tritio , respectivamente.

En el sentido clásico, hidruro se refiere a cualquier compuesto que se forma con hidrógeno junto con otros elementos, en los grupos 1 a 16 (los compuestos binarios del hidrógeno ). La siguiente es una lista de la nomenclatura para los derivados de hidruro de los compuestos del grupo principal según esta definición: ^[9]

• metales alcalinos y alcalinotérreos : hidruro metálico
• Boro : borano , _BH3
• aluminio : alumano , AlH ₃
• galio : galano , _GaH3
• Indio : indigano , _InH3
• Talio : talano , _TlH3
• Carbono : alcanos , alquenos , alquinos y todos los hidrocarburos.
• silicio : silano
• germanio : germano
• estaño : estaño
• Plomo : plomada
• nitrógeno : amoniaco ("azano" cuando se sustituye ), hidrazina
• fósforo : fosfina (nota: "fosfano" es el nombre recomendado por la IUPAC )
• Arsénico : arsina (nota: "arsano" es el nombre recomendado por la IUPAC )
• antimonio : estibina (nota: "estibano" es el nombre recomendado por la IUPAC )
• bismuto : bismutina (nota: "bismuto" es el nombre recomendado por la IUPAC )
• helio : hidruro de helio (solo existe como ion)

De acuerdo con la convención anterior, los siguientes son "compuestos de hidrógeno" y no "hidruros": ^{[ cita requerida ]}

• oxígeno : agua ("oxidano" cuando se sustituye; sinónimo: óxido de hidrógeno), peróxido de hidrógeno
• azufre : sulfuro de hidrógeno ("sulfano" cuando está sustituido)
• Selenio : seleniuro de hidrógeno ("selano" cuando está sustituido)
• telurio : telururo de hidrógeno ("tellane" cuando está sustituido)
• polonio : polonuro de hidrógeno ("polano" cuando está sustituido)
• halógenos : haluros de hidrógeno

Ejemplos:

• hidruro de níquel : se utiliza en baterías NiMH
• Hidruro de paladio : electrodos en experimentos de fusión fría
• Hidruro de litio y aluminio : un potente agente reductor utilizado en química orgánica.
• Borohidruro de sodio : agente reductor selectivo especializado, almacenamiento de hidrógeno en pilas de combustible
• Hidruro de sodio : una base poderosa utilizada en química orgánica.
• diborano : agente reductor, combustible para cohetes, dopante de semiconductores, catalizador, utilizado en síntesis orgánica; también borano , pentaborano y decaborano
• Arsina : se utiliza para dopar semiconductores.
• Estibina : se utiliza en la industria de semiconductores .
• fosfina : se utiliza para fumigación
• Silano : muchos usos industriales, p. ej. fabricación de materiales compuestos y repelentes de agua.
• Amoniaco : refrigerante , combustible , fertilizante , muchos otros usos industriales.
• Sulfuro de hidrógeno : componente del gas natural , fuente importante de azufre.
• Químicamente, incluso el agua y los hidrocarburos podrían considerarse hidruros.

Todos los hidruros metaloides son altamente inflamables. Todos los hidruros no metálicos sólidos, excepto el hielo , son altamente inflamables. Pero cuando el hidrógeno se combina con halógenos produce ácidos en lugar de hidruros, y estos no son inflamables.

Según la convención de la IUPAC , por precedencia (electronegatividad estilizada), el hidrógeno se encuentra entre los elementos del grupo 15 y el grupo 16. Por lo tanto, tenemos NH ₃ , "hidruro de nitrógeno" (amoníaco), frente a H ₂ O, "óxido de hidrógeno" (agua). Esta convención a veces se rompe en el caso del polonio, que, debido a su metalicidad, se suele denominar "hidruro de polonio" en lugar del esperado "polónido de hidrógeno".

• Hidruro parental
• Hidrógeno (catión hidrógeno)
• Hidronio
• Protón
• Ion de hidrógeno
• Compresor de hidruro
• Superhidruros

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