Hidruro

En química, un hidruro es formalmente el anión de hidrógeno (H⁻). El término se aplica libremente. En un extremo, todos los compuestos que contienen átomos de H unidos covalentemente se denominan hidruros: el agua (H₂O) es un hidruro de oxígeno, el amoníaco es un hidruro de nitrógeno, etc. Para los químicos inorgánicos, los hidruros se refieren a compuestos e iones en los que el hidrógeno está unido covalentemente a un elemento menos electronegativo. En tales casos, el centro H tiene carácter nucleofílico, lo 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, Ne, Ar, Kr, Pm, Os, Ir, Rn, Fr y Ra. También se han fabricado moléculas exóticas como el hidruro de positronio.

Bonos

Los enlaces entre el hidrógeno y los otros elementos varían de altamente covalentes a algo covalentes. Algunos hidruros, p. 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, metales a granel (intersticiales) u otros materiales. Mientras que 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.

Aplicaciones

Tris(trimethylsilyl)silane es un ejemplo de un hidrato con un vínculo débil a H. Se utiliza como fuente de átomos de hidrógeno.

Hidromas de metal (por ejemplo H₂RhCl(PPh₃)₂ derivado del catalizador de Wilkinson) son intermediarios en la catalisis de hidrógeno.

• Los hidratos como sodio borohydride, hidrauro de aluminio de litio, hidrauro de diisobutilaluminio (DIBAL) y super hidratido, se utilizan comúnmente como agentes de reducción en la síntesis química. El hidrato se añade a un centro electrofílico, normalmente carbono insaturado.
• Los hidratos como el hidrato de sodio y el hidrato de potasio se utilizan como bases fuertes en la síntesis orgánica. El hidrato reacciona con el ácido Bronsted débil que libera H₂.
• Hidrides como el hidrato de calcio se utilizan como desiccantes, es decir, agentes de secado, para eliminar el agua de traza de disolventes orgánicos. El hidrato reacciona con agua formando hidrógeno y sal hidroxida. El disolvente seco puede ser destilado o transferido al vacío de la "pot solvente".
• Los Hydrides son importantes en las tecnologías de almacenamiento de baterías, como la batería de niquel-metal de hidratante. Se han examinado varios hidratos de metal para su uso como medio de almacenamiento de hidrógeno para automóviles eléctricos propulsados por células de combustible y otros aspectos específicos de una economía de hidrógeno.

• Los complejos de Hydride son catalizadores y intermediarios catalíticos en una variedad de ciclos catalíticos homogéneos y heterogéneos. Ejemplos importantes son la hidrogenación, hidroformilación, hidrosilación, catalizadores de hidrodesulfurización. Incluso ciertas enzimas, la hidrogenasa, operan a través de intermedios de hidrato. El portador de energía nicotinamide adenine dinucleotide reacciona como donante de hidratante o equivalente de hidrato.

Ion hidruro

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

Aparte del electruro, el ion hidruro es el anión más simple posible, que consta de 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 poderosa base de Lewis.

H2}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">H− − +H+restablecimiento restablecimiento H2{displaystyle {ce {H- + H+ H2}} H2}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/33a1a86d9d19f671f213d7f5aa1b04c79d2123c7" style="vertical-align: -1.005ex; width:17.241ex; height:3.176ex;"/>ΔH = −1676 kJ/mol

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

<math alttext="{displaystyle {ce {H2 + 2e- 2H-}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">H2+2e− − ↽ ↽ − − − − ⇀ ⇀ 2H− − {displaystyle {ce {H2 + 2e- }}}<img alt="{displaystyle {ce {H2 + 2e- 2H-}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5675c7201c9f32458798df2c7416b686f813c421" style="vertical-align: -1.005ex; width:19.182ex; height:3.343ex;"/>E = 2,25 V

Tipos de hidruros

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 sus enlaces:

• Hidramas iónicos, que tienen un importante carácter de unión iónica.
• Hidromas covalentes, que incluyen los hidrocarburos y muchos otros compuestos que se unen covalentemente a los átomos de hidrógeno.
• Hidroides intersticiales, que puede describirse como una unión metálica.

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

Hidruros iónicos

Estos son compuestos estequiométricos de hidrógeno. Los hidruros iónicos o salinos están compuestos por un hidruro unido a un metal electropositivo, generalmente un metal alcalino o un metal 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 síntesis orgánica.

C6H5C(O)CH2K{}+ H2}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">C6H5C()O)CH3acetophenone+KHpotasiohidrataciónrestablecimiento restablecimiento C6H5C()O)CH2K+H2{fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {f}}} {fn}}}}}} {fnMicrosoft}}}} {fnK}}}}}}}} {fanMicrosoft Sans Serif} {KH}-}- C6H5C(O)CH2K{}+ H2}} C6H5C(O)CH2K{}+ H2}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cc0f65db58a6d6b6f5eb6cc474cae34d5d46ef81" style="vertical-align: -1.005ex; width:53.217ex; height:7.009ex;"/>

Los solventes típicos para tales reacciones son los éteres. El agua y otros solventes 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. El hidrógeno gaseoso se libera en una típica reacción ácido-base.

H2_{(g)}{}+ NaOH}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">NaH+H2Orestablecimiento restablecimiento H2()g)+NaOH{displaystyle {ce {NaH + H2O -} H2_{(g)}{} {}+ NaOH}} H2_{(g)}{}+ NaOH}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/79239ee74aad094fd73cf5f7ac5996850c6cf901" style="vertical-align: -1.505ex; width:31.386ex; height:3.343ex;"/>

ΔH = −83,6 kJ/mol, ΔG = −109,0 kJ/mol

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

LiAlH4{}+ 3 LiCl}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">4LiHlitiohidratación+AlCl3restablecimiento restablecimiento LiAlH4+3LiCl{displaystyle {ce {\fnsets} AlCl3 LiAlH4{}+ 3 LiCl}}} LiAlH4{}+ 3 LiCl}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/32c94873390ace74b97b940d9efb0e30fa3245f6" style="vertical-align: -1.005ex; width:35.249ex; height:6.843ex;"/>

Hidruros covalentes

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 se unen a los 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, en esta clase se incluyen 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 se ha adsorbido químicamente en una superficie. Un segmento particularmente importante de hidruros covalentes son los hidruros metálicos complejos, potentes 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 solventes comunes se usan ampliamente en síntesis orgánica. Particularmente comunes son el borohidruro de sodio (NaBH₄) e hidruro de litio y aluminio y reactivos impedidos como DIBAL.

Hidruros intersticiales o hidruros metálicos

Hidruro de metal para aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno

Los hidruros intersticiales existen más comúnmente dentro de metales o aleaciones. Se denominan tradicionalmente "compuestos" aunque no se ajustan estrictamente a la definición de un compuesto, se asemejan más a las aleaciones comunes como el acero. En tales hidruros, el hidrógeno puede existir como entidades atómicas o diatómicas. El procesamiento mecánico o térmico, como el doblado, el golpeo o el recocido, puede hacer que el hidrógeno se precipite fuera de la solución por desgasificación. Su unión generalmente se considera metálica. Dichos metales de transición a granel 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 fragilización por hidrógeno resulta de la formación de hidruros intersticiales. Los hidruros de este tipo se forman según cualquiera de los dos mecanismos principales. El primer mecanismo implica la adsorción de dihidrógeno, seguido por la escisión del enlace H-H, la deslocalización de los electrones del hidrógeno y, finalmente, la difusión de los protones en la red metálica. El otro mecanismo principal consiste en la reducción electrolítica del hidrógeno ionizado en la superficie de la red metálica, seguida también por la difusión de los protones en la red. El segundo mecanismo es responsable de la expansión de volumen temporal observada de 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 ha sido discutido como un medio para transportar hidrógeno para celdas de combustible vehicular. 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 hueco octaédrico por átomo de metal). El límite de absorción a presiones normales es PdH0.7, lo que indica que aproximadamente el 70% de los huecos octaédricos están ocupados.

Se han desarrollado muchos hidruros intersticiales que absorben y descargan fácilmente hidrógeno 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.

Estructura [HRu]₆(CO)₁₈]⁻, un cúmulo de metal con un ligand de hidrato intersticial (pequeña esfera de turquesa en el centro).

Complejos de hidruros de metales de transición

Los hidruros de metales de transición incluyen compuestos que pueden clasificarse como hidruros covalentes. Algunos incluso se clasifican como hidruros intersticiales y otros hidruros puente. El hidruro de metal de transición clásico presenta 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 H₂Fe(CO)₄. Los aniones nonahidrodorhenato de potasio [ReH₉]²⁻ y [FeH₆]⁴⁻ son ejemplos de la creciente colección de metales homolépticos moleculares conocidos hidruros. Como pseudohaluros, los ligandos de 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.

Prótidos

Los hidruros que contienen protio se conocen como prótidos.

Deuterides

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

Tritides

Los hidruros que contienen tritio se conocen como tritides.

Compuestos aniónicos mixtos

Existen compuestos de aniones mixtos que contienen hidruro con otros aniones. Estos incluyen hidruros de boruro, carbohidruros, hidridonitruros, oxihidruros y otros.

Apéndice sobre nomenclatura

Protide, deuteride y tritide 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 forma de hidrógeno compuesto con otros elementos, que van de los grupos 1 a 16 (los compuestos binarios de hidrógeno). La siguiente es una lista de la nomenclatura para los derivados de hidruro de los compuestos del grupo principal de acuerdo con esta definición:

• metales alcalinos y alcalinos: hidrato de metal
• boron: borane, BH₃
• aluminio: alumana, AlH₃
• galelana, GaH₃
• indio: indigane, InH₃
• thallane, TlH₃
• carbono: alkanes, alkenes, alquinos y todos los hidrocarburos
• silicio: silana
• germanio: germano
• estannane
• plomo: fontanería
• nitrógeno: amoníaco ("azana" cuando se sustituye), hidroazina
• fósforo: fosfina (nota "fosfane" es el nombre recomendado del IUPAC)
• arsina (nota "arsane" es el nombre recomendado del IUPAC)
• antimonio: stibine (nota "stibane" es el nombre recomendado de IUPAC)
• bismut: bismuthine (nota "bismuthane" es el nombre recomendado del IUPAC)
• helio: helio hidratante (sólo existe como ión)

Según la convención anterior, los siguientes son "compuestos de hidrógeno" y no "hidruros":

• oxígeno: agua ("oxidano" cuando se sustituye; sinónimo: óxido de hidrógeno), peróxido de hidrógeno
• azufre: sulfuro de hidrógeno ("sulfane" cuando se sustituye)
• selenio: selenida de hidrógeno ("selana" cuando fue sustituida)
• dicurium: hidrogen telluride ("tellane" cuando fue sustituida)
• polonio: polonida de hidrógeno ("polane" cuando fue sustituida)
• halógenos: halides de hidrógeno

Ejemplos:

• hidrato de níquel: usado en baterías NiMH
• hidrato de palladio: electrodos en experimentos de fusión fría
• hidrato de aluminio de litio: un poderoso agente de reducción utilizado en química orgánica
• sodio borohydride: agente selectivo de reducción de la especialidad, almacenamiento de hidrógeno en células de combustible
• hidrato de sodio: una base poderosa utilizada en química orgánica
• diborane: agente de reducción, combustible para cohetes, dopant semiconductor, catalizador, utilizado en síntesis orgánica; también borane, pentaborane y decaborane
• arsine: utilizado para semiconductores de dopaje
• stibine: utilizado en la industria semiconductora
• fosfina: utilizada para fumigación
• silane: muchos usos industriales, por ejemplo, fabricación de materiales compuestos y repellentes de agua
• amoníaco: refrigerante, combustible, fertilizante, muchos otros usos industriales
• sulfuro de hidrógeno: componente de gas natural, fuente importante de azufre
• Químicamente, incluso agua e hidrocarburos podrían considerarse hidratos.

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

Convención de precedencia

Según la convención IUPAC, por precedencia (electronegatividad estilizada), el hidrógeno se encuentra entre los elementos del grupo 15 y 16. Por lo tanto, tenemos NH₃, "hidruro de nitrógeno" (amoníaco), versus H₂O, "óxido de hidrógeno" (agua). Esta convención a veces se rompe para el polonio, que debido a la metalicidad del polonio a menudo se denomina "hidruro de polonio" en lugar del esperado "polonido de hidrógeno".