GENERALIDADES DE LOS

ELEMENTOS NO METÁLICOS

De los 118 elementos conocidos, sólo 25 son no metálicos. A

diferencia de los metales, la química de estos elementos es muy
diversa. A pesar de que representan un número muy reducido,
la mayoría de los elementos esenciales para los sistemas
biológicos son no metales (H, C, N, P, O, S, Cl y I). En este grupo
también se incluyen los elementos menos reactivos, los gases
nobles. Las propiedades únicas del hidrógeno lo dejan aparte
del resto de los elementos de la tabla periódica. Toda una rama
de la química, la química orgánica, se basa en los compuestos
del carbono. En este capítulo estudiaremos los elementos no
metálicos. Haremos énfasis en las propiedades químicas
importantes y en la función de los no metales y sus compuestos
en los procesos industriales, químicos y biológicos.
PROPIEDADES GENERALES DE
LOS NO METALES
• Algunos no metales son gases en estado elemental: hidrógeno, oxígeno,
nitrógeno, flúor, cloro y los gases nobles.
• Sólo uno, el bromo, es líquido. Todos los demás no metales son sólidos a
temperatura ambiente. A diferencia de los metales, los elementos no
metálicos son malos conductores del calor y la electricidad, y pueden tener
números de oxidación tanto positivos como negativos.
• Un pequeño grupo de elementos, llamados metaloides, tienen propiedades
características tanto de metales como de no metales. Los metaloides boro,
silicio, germanio y arsénico son elementos semiconductores.
• Los no metales son más electronegativos que los metales. La
electronegatividad de los elementos aumenta de izquierda a derecha a lo
largo de cualquier periodo y de abajo arriba en cualquier grupo de la tabla
periódica. A excepción del hidrógeno, los no metales se concentran en la
parte superior derecha de la tabla periódica
• Los compuestos que se forman por la combinación entre metales
y no metales tienden a ser iónicos, formando un catión metálico y
un anión no metálico.
• La química de algunos elementos no metálicos comunes e
importantes: hidrógeno, carbono (grupo 4A), nitrógeno y fósforo
(grupo 5A), oxígeno y azufre (grupo 6A), y fl úor, cloro, bromo y
yodo (grupo 7A).
HIDRÓGE
NO
 SIGNIFICADO DEL HIDROGENO

SIGNIFICADO ETIMOLOGICO
Hidrógeno, del latín "hydrogenium", y éste del griego
antiguo ὕδωρ (hydro): "agua" y γένος-ου(genos): "generador".
"generador de agua"
 DESCUBRIMIENTO

El hidrógeno fue descubierto inicialmente en 1766 por el químico

inglés Henry Cavendish. El fue la primera persona en darse cuenta de
que el gas del hidrógeno era una sustancia en si misma más que una
combinación de sustancias.

Cavendish también fue la primera persona en 
describir el agua de la manera que la 
conocemos ahora, H2O, que es hidrógeno 
mezclado con oxígeno.
ESTADO NATURAL DEL HIDROGENO

El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido, en estado libre sólo

se encuentra en muy pequeñas cantidades en la atmósfera, aunque
se estima que el 90% del universo visible esta compuesto de
hidrógeno.
Es el elemento más abundante del universo, lo cual tiene su lógica, porque es
el más sencillo. En las estrellas, como nuestro sol, se encuentra en forma de
moléculas y átomos individuales, formando un plasma de núcleos y electrones
en la parte externa y el denominado hidrógeno metálico, en su núcleo,
sometido a una intensa presión gravitacional. Algo parecido hay en el interior
de Júpiter o Saturno. También encontramos hidrógeno en el espacio
interestelar, en forma, por ejemplo, de radiaciones cósmicas, formadas, entre
otras cosas, por núcleos de hidrógeno.
Universo

Estrellas H2 y H

Espacio interestelar H
El hidrógeno es el más sencillo de los elementos conocidos; su
forma atómica más común sólo contiene un protón y un electrón.
Sin embargo, el hidrógeno sólo existe en estado atómico a
temperaturas muy elevadas. Por lo general, el hidrógeno
elemental es una molécula diatómica, producto de una reacción
exotérmica entre átomos de H:
H( g) + H(g)  H2(g) ΔH° 52436.4 kJ/mol

El hidrógeno molecular es un gas incoloro, inodoro y no es tóxico.

Tiene un punto de ebullición de 2252.9°C (20.3 K) a 1 atm.
El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo;
constituye aproximadamente 70% de la masa total del mismo.
• Es el décimo elemento en abundancia en la corteza terrestre,
donde se encuentra combinado con otros elementos. A diferencia
de Júpiter y Saturno, la Tierra no tiene una fuerza gravitacional
tan grande como para retener las ligeras moléculas de H2, por lo
que el hidrógeno no forma parte de la atmósfera terrestre.
• La configuración electrónica del estado fundamental del H es 1s1.
Se parece a los metales alcalinos en que puede oxidarse hasta el
ion H1, que existe en forma hidratada en las disoluciones acuosas.
Por otra parte, el hidrógeno se parece a los halógenos, ya que
forma el ion hidruro (H2), con una carga negativa, que es
isoelectrónico del helio (1s2). El hidrógeno se encuentra formando
un gran número de compuestos covalentes. Es el único que tiene
la capacidad de formar enlaces por puente de hidrógeno
• El hidrógeno gaseoso tiene una importante función en los procesos industriales.
• Casi el 95% del hidrógeno que se produce tiene algún uso cautivo, es decir, se
produce en la planta o cerca de ella, donde se utiliza para procesos industriales,
como es el caso de la síntesis de amoniaco. En escala industrial se prepara
mediante la reacción entre propano (del gas natural y también como subproducto
de la refinación del petróleo) y vapor de agua en presencia de un catalizador, a
900°C:

C3H8(g) + 3H2O(g) --- 3CO(g) + 7H2(g)

En otro proceso, el vapor de agua se pasa sobre un lecho de coque calentado al rojo:

C(s) + H2O(g) ------- CO(g) + H2(g)

•
• La mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno gaseosos producida en
esta reacción se conoce por lo regular como gas de agua . Durante
muchos años se utilizó el gas de agua como combustible, ya que tanto
el CO como el H2 se queman en el aire, pero debido a que el CO es
venenoso, el gas de agua se sustituyó por gases naturales, como
metano y propano.
• Se puede preparar con facilidad pequeñas cantidades de hidrógeno en
el laboratorio a partir de la reacción de zinc con ácido clorhídrico
diluido.
Zn(s) + 2HCl(ac) -- ZnCl2(ac) + H2(g)

• El hidrógeno gaseoso también se puede producir a partir de la reacción

entre un metal alcalino o un metal alcalinotérreo (Ca o Ba) y agua, pero
estas reacciones son demasiado violentas para utilizarse en la
preparación de hidrógeno gaseoso en el laboratorio. El hidrógeno
gaseoso muy puro se puede obtener por electrólisis del agua , pero este
método consume demasiada energía para practicarlo en gran escala.
 COMPUESTOS DEL HIDROGENO
COMPUESTO ORGANICOS Y COVATENTE
A pesar de que el H2 no es muy reactivo en condiciones normales, forma
multitud de compuestos con la mayoría de los elementos químicos.
Hidruros
A menudo los compuestos del hidrógeno se denominan hidruros, un
término usado con bastante inexactitud. Para los químicos, el término
"hidruro" generalmente implica que el átomo de hidrógeno ha
adquirido carga parcial negativa o carácter aniónico (denotado como H -).
"Protones" y ácidos
La oxidación del H2 formalmente origina el protón, H+. Esta especie es
fundamental para explicar las propiedades de los ácidos, aunque el
término "protón" se usa imprecisamente para referirse al hidrógeno
catiónico o ion hidrógeno, denotado H+.
 HIDRUROS BINARIOS

Los hidruros binarios son compuestos que contienen hidrógeno y otro

elemento, ya sea metálico o no metálico. De acuerdo con su estructura y
propiedades, estos hidruros se dividen en tres tipos:
1)iónicos,
Los hidruros iónicos se forman cuando el hidrógeno molecular se
combina directamente con cualquier metal alcalino o alguno de los
metales alcalinotérreos, Ca, Sr o Ba:
Li( s) + H2(g) ---- 2LiH(s)
Todos los hidruros iónicos son sólidos que tienen los altos puntos de
fusión característicos de los compuestos iónicos. En estos compuestos
el anión es el ion hidruro H2, que es una base de Brønsted muy fuerte.
Acepta con facilidad un protón de un donador de protones como el
agua:
H 2(ac) + H2O(l) ---- OH2(ac) + H2(g)
Debido a su alta reactividad con el agua, los hidruros iónicos se utilizan
con frecuencia para eliminar residuos de agua de los disolventes
orgánicos.

HIDRUROS COVALENTES
En los hidruros covalentes, el átomo de hidrógeno está unido de
manera covalente a otro elemento. Hay dos tipos de hidruros
covalentes : los que contienen unidades moleculares discretas , como
CH4 y NH3, y los que tienen estructuras poliméricas complejas , como
(BeH2)x y (AlH3)x, donde x es un número muy grande.

A medida que se desciende en cualquier grupo, los compuestos

cambian de covalentes a iónicos. Por ejemplo, en el grupo 2A, el BeH2
y MgH2 son covalentes, pero CaH2, SrH2 y BaH2 son iónicos.
 HIDRUROS INTERSTICIALES

El hidrógeno molecular forma un gran número de hidruros

con los metales de transición. En algunos de estos
compuestos la relación de átomos de hidrógeno y de
átomos metálicos no es constante. Este tipo de
compuestos se denomina hidruros intersticiales. Por
ejemplo, la fórmula del hidruro de titanio puede variar de
TiH1.8 a TiH2, según las condiciones.

Muchos de los hidruros intersticiales tienen propiedades

metálicas como la conductividad eléctrica. Sin embargo,
se sabe que el hidrógeno está unido al metal en estos
compuestos, a pesar de que a menudo la naturaleza
exacta del enlace no es clara.
Las propiedades físicas y químicas de estos compuestos
cambian de iónicas a covalentes a lo largo de un periodo.
 ISÓTOPOS DEL HIDRÓGENO

El hidrógeno tiene tres isótopos : 1H (hidrógeno ), 2H (deuterio,

símbolo D) y 3H (tritio , símbolo T). Las abundancias naturales de
los isótopos estables del hidrógeno son: hidrógeno, 99.985% y
deuterio 0.015%. El tritio es un isótopo radiactivo con una vida
media aproximada de 12.5 años.
PROTIO
1 H DEUTERIO
1 D TRITIO
1 T
1
H 2
H 3
H
PESO 1.0078 2.0141 3.0160
ATÓMICO
ABUNDANCIA 99.98 0.015 10-17
RELATIVA (%)
SPIN NUCLEAR 1/2 1 1/2

P.F. EN E2 (°C) -259.04 -254.27 -252.38

P.Eb. EN E2 (°C) -252.61 -249.73 -247.96
E. Dis. (kJ/mol) 438.88 443.35 446.90
 ISOTOPOS DEL HIDROGENO

El isótopo más común de hidrógeno no posee neutrones,

existiendo otros dos, el deuterio (D) con uno y
el tritio (T), radiactivo con dos. El deuterio tiene una
abundancia natural comprendida entre 0,0184 y 0,0082%
(IUPAC). El hidrógeno es el único elemento químico que
tiene nombres y símbolos químicos distintos para sus
diferentes isótopos.
 HIDROGENACIÓN
La hidrogenación es la adición de hidrógeno a compuestos que contienen
enlaces múltiples, en especial enlaces CPC y CP OC. Una reacción de
hidrogenación sencilla es la conversión de etileno en etano:

La hidrogenación es un proceso muy importante en la industria de los alimentos.

Los aceites vegetales tienen un gran valor nutritivo, pero algunos se deben
hidrogenar antes de utilizarse, debido a su mal sabor y a sus estructuras
moleculares inapropiadas (es decir, tienen demasiados enlaces CPC).
La hidrogenación disminuye el número de enlaces dobles en la molécula pero no
los elimina por completo. Si se eliminaran todos los enlaces dobles, el aceite se
volvería duro y quebradizo. En condiciones controladas es posible preparar
aceites y margarinas adecuados para cocinar por medio de la hidrogenación de
aceites vegetales extraídos de la semilla de algodón, maíz y soya.
 OBTENCION EN EL LABORATORIO

En el laboratorio, el gas H2 es normalmente preparado por la

reacción de ácidos con metales tales como el zinc, por
medio del aparato de Kipp.
Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2
El aluminio también puede producir H2 después del
tratamiento con bases:
2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al(OH)4- + 3 H2
En 2007, se descubrió que una aleación de aluminio
y galio en forma de gránulos añadida al agua podía
utilizarse para generar hidrógeno.
Hidrógeno: obtención
OBTENCIÓN A ESCALA DE
LABORATORIO

•M + H+ Mn+ + H2
Zn + HCl ZnCl2 + H2
Na en agua

•M + OH- M(OH)n + H2
Al + NaOH Na[Al(OH)4] + H2

•M + H2O M(OH)n + H2
Na + H2O NaOH + H2

•H- + H2O OH- + H2 Fe en HCl

LiH + H2O LiOH + H2
 Hidrógeno: obtención

ELECTROLISIS DEL AGUA

CAT(-) 2 H+ + 2e- H2

ANOD(+) 2 OH- - 2e- 1/2O2 + H2O

Electrolito: NaOH 25% 2-2.5V electrodos de Ni ó Fe
0.2% producción mundial de H2
energía solar
Mejor: FC FC*

H2O + FC* H2 + O2 + FC
 Hidrógeno: obtención

OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL

•REDUCCIÓN DE AGUA CON COQUE

1200ºC
H2O(g) + C H2 + CO (+ N2 gas de síntesis)
2C + O2 2CO
Fe2O3
H2O + CO CO2 + H2

CO2 + K2CO3(aq) 2KHCO3(aq)

Problemas: presencia de S escasez de C

OBTENCION EN LA INDUSTRIA
El hidrógeno puede ser preparado por medio de varios
procesos, pero económicamente, el más importante
consiste en la extracción de hidrógeno a partir de
hidrocarburos. El hidrógeno comercial producido en masa
es normalmente producido por la reformación
catalítica de gas natural. A altas temperaturas (700-1100 °
C), el vapor reacciona con metano para producir monóxido
de carbono y H2.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
 Hidrógeno: obtención

OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL

•REDUCCIÓN DE AGUA CON HIDROCARBUROS

Ni
CH4 (GAS NATURAL) + H2O CO + H2
P T

•OXIDACIÓN PARCIAL DE FUEL-OIL

P T
OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL

•REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS

R-CH2-CH2-CH2-CH2-R 2 R-CH=CH2 + H2

•PROCESO CLORO-ÁLCALI: SUBPRODUCTO

IMPORTANTE
 LA ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO
El hidrógeno gaseoso podría reemplazar la gasolina de los
automóviles (por supuesto, después de una enorme modifi
cación del motor) o se podría utilizar con oxígeno gaseoso en
celdas de combustible para producir electricidad.
Una de las principales ventajas del uso de hidrógeno gaseoso
en estas formas, sería que las reacciones no producirían
contaminantes; así, el producto final en un motor que funciona
con hidrógeno o en una celda de combustible es agua, igual
que en la combustión del hidrógeno gaseoso en el aire:

2H + 2(g) ---- O2(g) + 2H2O(l)

El éxito de la economía del hidrógeno dependería de qué
tan barata resultara la producción de hidrógeno gaseoso y de
las difi cultades de su almacenamiento.
 USOS y APLICACIONES DEL HIDROGENO
Se usa como combustible alterno de algunos coches, se usa también para
reducir minerales metálicos a su estado metálico elemental en
siderurgia, se le usa también en la llama de algunos sopletes. En
alimentos se puede usar para hidrogenar grasas y convertirlas en solidas.

En laboratorio se puede usar en experimentos que requieran de

bajísimas temperaturas y en bombas atómicas también ha tenido
aplicaciones como en la bomba A de grandísimo poder.
Se usa un isotopo de hidrogeno llamado deuterio para fines de marcar un
átomo en una molécula y poder saber el producto de una reacción
química.

También puede usarse para llenar globos aerostáticos de investigación

 Lanzadera espacial:
500000 l de O2 líquido
y 1.5 millones de l de
H2 líquido

Hindenburg, ardiendo en 1937

Atolón de Bikini,
1954

BMW Mini, con hidrógeno

Usos actuales: Naves espaciales, submarinos, autobuses,
industria militar.
Usos inminentes: Ordenadores portátiles, móviles, PDA,
cámaras digitales, generadores portátiles, motos,
vehículos híbridos, pequeñas fuentes de energía fijas.
Usos futuros: Coches eléctricos, fuentes de energía fijas de
gran potencia.
1) Las pilas de hidrógeno son eficientes, ya que transforman el hidrógeno y el
oxígeno directamente en electricidad y agua sin ninguna combustión durante
el proceso. La eficiencia del proceso se sitúa entre el 50 y el 60%, que equivale
aproximadamente al doble de la eficiencia del motor de explosión.
Teóricamente, se puede llegar al 100%.

2) Las pilas de hidrógeno son limpias, porque no producen ninguna emisión,

sólo la producción de agua pura. Al contrario que el motor de explosión, la
pila de hidrógeno no emite ni dióxido de azufre (que contribuye a la lluvia
ácida), ni tampoco óxidos de nitrógeno (que contribuyen a la creación del
smog) ni ningún tipo de partícula contaminante.

3) Las pilas de hidrógeno son muy silenciosas, ya que no tienen ningún

mecanismo móvil, aunque tienen un sistema de bomba y ventilador, así pues
la producción de electricidad es bastante silenciosa. Muchas instalaciones,
como por ejemplo los hoteles, pueden sustituir la ingeniería diesel por pilas
de hidrógeno como suplemento al poder energético o bien como reservas de
energía en caso de apagón.
4) Las pilas de combustible son modulares, se pueden colocar juntas para
conseguir la cantidad de energía necesaria. La pila de hidrógeno puede
producir energía en un amplio margen desde pocos vatios a unos cuantos
megavatios.

5) Las pilas de hidrógeno no son peligrosas para el medio ambiente, no

producen sustancias tóxicas, ya que el único desecho del proceso es el
agua (o bien agua y dióxido de carbono en el caso de las pilas de
metanol).

6) Las pilas de hidrógeno nos dan la oportunidad de poder obtener una

gran cantidad de energía a partir de fuentes sostenibles: el agua y el aire.

7) La pila de hidrógeno deberá tener una aceptación en el mercado para

tener éxito. Esta aceptación depende claramente del precio de las pilas,
la duración y precisión y la accesibilidad al precio del combustible.
Comparado con el precio de las actuales alternativas, como por ejemplo
la ingeniería del diesel y las baterías, las pilas de hidrógeno son
realmente caras. Para ser competitivas, deben ser producidas con un
bajo costo.
8) Desarrollo de infraestructuras para el mercado. Casi no existen
infraestructuras para este tipo de
combustibles. Es por ello que debemos confiar en las actividades de las
compañías petroleras
y de gas para que ellos las introduzcan. Sólo si los conductores son
capaces de obtener el combustible
a un precio razonable, serán desarrolladas nuevas aplicaciones para el
motor.

9) Políticas adecuadas. Son necesarias políticas orientadas al desarrollo

de esta tecnología. Las actuales leyes y regulaciones ambientales
extremadamente rigurosas han reforzado la investigación en este
campo.

10) El catalizador. Actualmente el platino es el componente clave de la

pila de hidrógeno. El platino es un recurso natural escaso; la mayoría de
sus fuentes están en Suráfrica, Rusia y Canadá. La escasez de platino es
clave en el desarrollo de la pila de hidrógeno. Es necesaria una
búsqueda de nuevos catalizadores.
Hidrógeno: usos y
aplicaciones

https://www.youtube.com/watch?v=lbD8nn4-BZU
https://www.youtube.com/watch?v=yJ9265P5NqQ