Hidrógeno

Hidrógeno - Helio H Li       Tabla completa
General
Nombre, símbolo, número	Hidrógeno, H, 1
Serie química	Metales
Grupo, periodo, bloque	1, 1 , s
Densidad, dureza Mohs	0,08988 kg·m-3, -
Apariencia	Incoloro
Propiedades atómicas
Masa atómica	1,00794(7) u
Radio medio†	25 pm
Radio atómico calculado	53 pm (Radio de Bohr)
Radio covalente	37 pm
Radio de Van der Waals	120 pm
Término del estado fundamental	2S1/2
Configuración electrónica	1s1
Estados de oxidación (óxido)	1, -1 (anfótero)
Estructura cristalina	Hexagonal
Propiedades físicas
Estado de la materia	gas
Punto de fusión	14,025 K
Punto de ebullición	20,268 K
Punto de inflamabilidad	255 K
Punto de autoignición	773 - 844 K
Entalpía de vaporización	0,44936 kJ·mol-1
Entalpía de fusión	0,05868 kJ·mol-1
Presión de vapor	209 Pa a 23 K
Punto triple	13,8033 K ; 7,042·103 Pa
Punto crítico	23,97 K ; 1,293·106 Pa
Velocidad del sonido	1270 m·s-1 a 298,15 K
Solubilidad en agua	1,7 mg·l-1 a 293,15 K
Viscosidad	8,6·10-5 P a 273,15 K
Tensión superficial	2,438·10-3 N·m-1 a 18,65 K
Información diversa
Electronegatividad	2,2 (Pauling) 2,2 (Allred y Rochow)
Calor específico	1,4304·104 J·kg-1·K-1
Calor de fusión	(H2) 0,117  kJ·mol−1
Calor de vaporización	(H2) 0,904  kJ·mol−1
Constante dieléctrica	1,00026 a 273,15 K
Conductividad eléctrica	sin datos
Coeficiente de expansión térmica	0,00366 K-1 a 293,15 K
Conductividad térmica	0,1815 W·m-1·K-1
Potencial de ionización	1312 kJ·mol-1
E0(2H+ + e- → H2)	0,000 V
Isótopos más estables
iso. AN (%) Periodo de semidesintegración MD ED (MeV) PD 1H 99,985 H es estable con 0 neutrones 2H 0,012 H es estable con 1 neutrón 3H 0,003 12,33 años β- 0,019 3He
Valores en el SI y en condiciones normales (0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario. †Calculado a partir de distintas longitudes de enlace covalente, metálico o iónico.

El hidrógeno es un elemento químico representado por el símbolo H y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H₂) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. Con una masa atómica de 1,00794(7) u, el hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 75% de la materia del universo.​

En su ciclo principal, las estrellas están compuestas por hidrógeno en estado de plasma. El hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrolisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.

Sus principales aplicaciones industriales son el refinado de combustibles fósiles (por ejemplo, el hidrocracking) y la producción de amoníaco (usado principalmente para fertilizantes).

El isótopo del hidrógeno más común en la naturaleza, conocido como protio, tiene un solo protón y ningún neutrón. En los compuestos iónicos, el hidrógeno puede adquirir carga positiva (convirtiéndose en un catión compuesto únicamente por el protón) o negativa (convirtiéndose en un anión conocido como hidruro).

El hidrógeno puede formar compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. Desempeña un papel particularmente importante en la química ácido - base, en la que muchas reacciones conllevan el intercambio de protones entre moléculas solubles. Puesto que es el único átomo neutro para el cual la ecuación de Schrödinger puede ser resuelta analíticamente, el estudio de la energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fundamental para el desarrollo de la Mecánica Cuántica.

Nomenclatura

Hidrógeno, del latín "hydrogenium", y éste del griego antiguo ὕδωρ (hydor): "agua" y γένος-ου(genos): "generador".

La palabra hidrógeno puede referirse a varios conceptos:

1. El nombre del elemento químico.
2. Un átomo abundante en el espacio, pero casi ausente por completo en la Tierra por su tendencia a dimerizar.
3. Una molécula diatómica (H₂) que se encuentra en trazas en la atmósfera terrestre. Los químicos tienden a referirse a esta molécula como dihidrógeno​, o molécula de hidrógeno, para distinguirla de la forma atómica o del hidrógeno presente en otros compuestos.
4. El constituyente atómico presente en todos los compuestos orgánicos, agua y otros muchos compuestos químicos.

Las formas elementales del hidrógeno no deberían confundirse con el hidrógeno que forma parte de otros compuestos químicos. Hernanem

Historia

Descubrimiento del H₂

El hidrógeno diatómico gaseoso, H₂, fue formalmente descrito por primera vez por T. Von Hohenheim (más conocido como Paracelso, 1493 - 1541) que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes. Paracelso no era consciente de que el gas inflamable generado en estas reacciones químicas se trataba de un nuevo elemento químico. En 1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reacción que se producía entre limaduras de hierro y ácidos diluidos, y que generaba hidrógeno gaseoso.​ En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, identificando el gas producido en la reacción metal - ácido como "aire inflamable" y descubriendo que la combustión del gas generaba agua. Cavendish tropezó con el hidrógeno cuando experimentaba con ácidos y mercurio. Aunque asumió erróneamente que el hidrógeno era un componente liberado por el mercurio y no por el ácido, fue capaz de describir con precisión varias propiedades fundamentales del hidrógeno. Tradicionalmente, se considera a Cavendish el descubridor de este elemento. En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrógeno (en francés Hydrogène, del griego υδρώ, agua y γένος-ου, generador) cuando comprobó (junto a Laplace) el descubrimiento de Cavendish de que la combustión del gas generaba agua.

Uno de los primeros usos que se dio al hidrógeno gaseoso fue como gas de relleno para globos aerostáticos y, más tarde, otras aeronaves. El hidrógeno gaseoso se obtenía por reacción entre el ácido sulfúrico y el hierro metálico. La alta y rápida inflamabilidad del hidrógeno gaseoso se dejó patente en la tragedia del dirigible Hindenburg en 1937, que se incendió cuando aterrizaba provocando la muerte de 35 personas. Debido a esta peligrosidad que presentaba el hidrógeno gaseoso, fue reemplazado posteriormente en globos y aeronaves por el helio gaseoso, un gas inerte.

El hidrógeno puede inflamarse rápidamente en el aire. Esto es lo que sucedió en el desastre del Hindenburg, el 6 de mayo de 1937.

Papel del hidrógeno en la Teoría Cuántica

Gracias a su estructura atómica relativamente simple, consistente en un solo protón y un solo electrón, el átomo de hidrógeno junto con su espectro de absorción ha sido un punto central en el desarrollo de la Teoría de la Estructura Atómica. Además, la consiguiente simplicidad de la molécula de hidrógeno diatómico y el correspondiente catión H₂⁺, permitió una comprensión más completa de la naturaleza del enlace químico, que continuó poco después con el tratamiento mecano - cuántico del átomo de hidrógeno, que había sido desarrollado a mediados de la década de 1920.

Uno de los primeros efectos cuánticos que fue explícitamente advertido (pero no entendido en ese momento) fue una observación de Maxwell en la que estaba involucrado el hidrógeno, medio siglo antes de que se estableciera completamente la Teoría Mecano - Cuántica. Maxwell observó que el calor específico del H₂, inexplicablemente, se desviaba del correspondiente a un gas diatómico por debajo de la temperatura ambiente y comenzaba a parecerse cada vez más al correspondiente a un gas monoátomico a temperaturas muy bajas. De acuerdo con la Teoría Cuántica, este comportamiento resulta del espaciamiento de los niveles energéticos rotacionales (cuantizados), que se encuentran particularmente separados en el H₂ debido a su pequeña masa. Estos niveles tan separados impiden el reparto equitativo de la energía calorífica para generar movimiento rotacional en el hidrógeno a bajas temperaturas. Los gases diatómicos compuestos de átomos pesados no poseen niveles energéticos rotacionales tan separados y, por tanto, no presentan el mismo efecto que el hidrógeno.​

Abundancia

NGC 604, una enorme región de hidrógeno ionizado en la Galaxia del Triángulo

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, suponiendo más del 75% en masa y más del 90% en número de átomos.​ Este elemento se encuentra en abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes. Las nubes moleculares de H₂ están asociadas a la formación de las estrellas. El hidrógeno también juega un papel fundamental como combustible de las estrellas por medio de las reacciones de fusión nuclear entre protones.

En el universo, el hidrógeno se encuentra principalmente en su forma atómica y en estado de plasma, cuyas propiedades son bastante diferentes a las del hidrógeno molecular. Como plasma, el electrón y el protón del hidrógeno no se encuentran ligados, por lo que presenta una alta conductividad eléctrica y una gran emisividad (origen de la luz emitida por el Sol y otras estrellas). Las partículas cargadas están fuertemente influenciadas por los campos eléctricos y magnéticos. Por ejemplo, en los vientos solares las partículas interaccionan con la magnetosfera terrestre generando corrientes de Birkeland y el fenómeno de la aurora.

Bajo condiciones ordinarias en la Tierra, el hidrógeno existe como gas diatómico, H₂. Sin embargo, el hidrógeno gaseoso es extremadamente poco abundante en la atmósfera de la Tierra (1 ppm en volumen), debido a su pequeña masa que le permite escapar al influjo de la gravedad terrestre más fácilmente que otros gases más pesados. Aunque los átomos de hidrógeno y las moléculas diatómicas de hidrógeno abundan en el espacio interestelar, son difíciles de generar, concentrar y purificar en la Tierra. El hidrógeno es el decimoquinto elemento más abundante en la superficie terrestre​ La mayor parte del hidrógeno terrestre se encuentra formando parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el agua.​ El hidrógeno gaseoso es producido por algunas bacterias y algas, y es un componente natural de las flatulencias. El metano es una fuente de enorme importancia para la obtención del hidrógeno.

El átomo de hidrógeno

Niveles energéticos electrónicos

Archivo:Energy levels of hydrogen atom.png

Representación de los niveles energéticos del átomo de hidrógeno.

El nivel energético del estado fundamental electrónico de un átomo de hidrógeno es 13,6 eV, que equivale a un fotón del ultravioleta de, aproximadamente, 92 nm.

Los niveles energéticos del hidrógeno pueden calcularse con bastante precisión empleando el modelo atómico de Bohr, que considera que el electrón orbita alrededor del protón de forma análoga a la orbita terrestre alrededor del Sol. Sin embargo, la fuerza electromagnética hace que el protón y el electrón se atraigan, de igual modo que los planetas y otros cuerpos celestes se atraen por la fuerza gravitatoria. Debido al carácter discreto del momento angular postulado en los inicios de la Mecánica Cuántica por Bohr, el electrón en el modelo de Bohr sólo puede orbitar a ciertas distancias permitidas alrededor del protón y, por extensión, con ciertos valores de energía permitidos. Una descripción más precisa del átomo de hidrógeno viene dada mediante un tratamiento puramente mecano - cuántico que emplea la ecuación de Schrödinger o la formulación equivalente de las integrales de camino de Feynman para calcular la densidad de probabilidad del electrón. El tratamiento a través de la hipótesis de De Broglie (dualidad onda - partícula) al electrón reproduce resultados químicos (tales como la configuración del átomo de hidrógeno) de manera más natural que el modelo de partículas de Bohr, aunque la energía y los resultados espectrales son los mismos. Si en la construcción del modelo se emplea la masa reducida del núcleo y del electrón (como se haría en problema de dos cuerpos en la Mecánica Clásica), se obtiene una mejor formulación para los espectros del hidrógeno, y los desplazamientos espectrales correctos para el deuterio y el tritio. Pequeños ajustes en los niveles energéticos del átomo de hidrógeno, que corresponden a efectos espectrales reales, pueden determinarse usando la Teoría Mecano - Cuántica completa, que corrige los efectos de la Relatividad Especial (ver ecuación de Dirac), y computabilizando los efectos cuánticos originados por la producción de partículas virtuales en el vacío y como resultado de los campos eléctricos (ver Electrodinámica Cuántica).

En el hidrógeno gaseoso, el nivel energético del estado electrónico fundamental está dividido a su vez en otros niveles de estructura hiperfina, originados por el efecto de las interacciones magnéticas producidas entre los espines del electrón y del protón. La energía del átomo cuando los espines del protón y del electrón están alineados es superior que cuando los espines no lo están. La transición entre esos dos estados puede tener lugar mediante la emisión de un fotón a través de una transición de dipolo magnético. Los radiotelescopios pueden detectar la radiación producida en este proceso, lo que sirve para crear mapas de distribución del hidrógeno en la galaxia.

Isótopos

El protio, el isótopo más común del hidrógeno, tiene un protón y un electrón. Es el único isótopo estable que no posee neutrones.

El hidrógeno posee tres isótopos naturales que se denotan como ¹H, ²H y ³H. Otros isótopos altamente inestables (del ⁴H al ⁷H) han sido sintetizados en laboratorio, pero nunca observados en la naturaleza.​​

• ¹H es el isótopo más común del hidrógeno con una abundancia de más del 99,98%. Debido a que el núcleo de este isótopo está formado por un solo protón se le ha bautizado como protio, nombre que a pesar de ser muy descriptivo, es poco usado.

• ²H, el otro isótopo estable del hidrógeno, es conocido como deuterio y su núcleo contiene un protón y un neutrón. El deuterio representa el 0,0026% o el 0,0184% (según sea en fracción molar o fracción atómica) del hidrógeno presente en la Tierra, encontrándose las menores concentraciones en el hidrógeno gaseoso, y las mayores (0,015% o 150 ppm) en aguas oceánicas. El deuterio no es radiactivo, y no representa un riesgo significativo de toxicidad. El agua enriquecida en moléculas que incluyen deuterio en lugar de hidrógeno ¹H (protio), se denomina agua pesada. El deuterio y sus compuestos se emplean en marcado no radiactivo en experimentos y también en disolventes usados en espectroscopía ¹H - RMN. El agua pesada se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante en reactores nucleares. El deuterio es también un potencial combustible para la fusión nuclear con fines comerciales.

• ³H se conoce como tritio y contiene un protón y dos neutrones en su núcleo. Es radiactivo, desintegrándose en ³₂He⁺ a través de una emisión beta. Posee un periodo de semidesintegración de 12,33 años.​ Pequeñas cantidades de tritio se encuentran en la naturaleza por efecto de la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos. También ha sido liberado tritio por la realización de pruebas de armamento nuclear. El tritio se usa en reacciones de fusión nuclear, como trazador en Geoquímica Isotópica, y en dispositivos luminosos auto - alimentados. Antes era común emplear el tritio como radiomarcador en experimentos químicos y biológicos, pero actualmente se usa menos.

El hidrógeno es el único elemento que diferentes nombres comunes para cada uno de sus isótopos (naturales). Durante los inicios de los estudios sobre la radiactividad, a algunos isótopos radiactivos pesados les fueron asignados nombres, pero ninguno de ellos se sigue usando). Los símbolos D y T (en lugar de ²H y ³H) se usan a veces para referirse al deuterio y al tritio, pero el símbolo P corresponde al fósforo y, por tanto, no puede usarse para representar al protio. La IUPAC declara que aunque el uso de estos símbolos sea común, no es lo aconsejado.

Formas elementales moleculares

Las primeras trazas observadas en una cámara de burbujas de hidrógeno líquido en el Bevatron.

Existen dos tipos distintos de moléculas diatómicas de hidrógeno que difieren en la relación entre los espines de sus núcleos:​

• Orto - hidrógeno: los espines de los dos protones se encuentran paralelos y conforman un estado triplete.

• Para - hidrógeno: los espines de los dos protones se encuentran antiparalelos y conforman un estado singulete.

En condiciones normales de presión y temperatura el hidrógeno gaseoso contiene aproximadamente un 25% de la forma para y un 75% de la forma orto, también conocida como "forma normal".​ La relación del equilibrio entre orto - hidrógeno y para - hidrógeno depende de la temperatura, pero puesto que la forma orto es un estado excitado, y por tanto posee una energía superior, es inestable y no puede ser purificada. A temperaturas muy bajas, el estado de equilibrio está compuesto casi exclusivamente por la forma para. Las propiedades físicas del para - hidrógeno puro difieren ligeramente de las de la forma normal (orto).​ La distinción entre formas orto / para también se presenta en otras moléculas o grupos funcionales que contienen hidrógeno, tales como el agua o el metileno.

La interconversión no catalizada entre el para - hidrógeno y el orto - hidrógeno se incrementa al aumentar la temperatura; por esta razón, el H₂ condensado rápidamente contiene grandes cantidades de la forma orto que pasa a la forma para lentamente.​ La relación orto / para en el H₂ condensado es algo importante a tener en cuenta para la preparación y el almacenamiento del hidrógeno líquido: la conversión de la forma orto a la forma para es exotérmica y produce el calor suficiente para evaporar el hidrógeno líquido, provocando la pérdida del material licuado. Catalizadores para la interconversión orto / para, tales como compuestos de hierro, son usados en procesos de refrigeración con hidrógeno.​

Una forma molecular llamada "hidrógeno molecular protonado" o H₃⁺, se encuentra el medio interestelar, donde se genera por la ionización del hidrógeno molecular provocada por los rayos cósmicos. También se ha observado en las capas superiores de la atmósfera de Júpiter. Esta molécula es relativamente estable en el medio del espacio exterior debido a las bajas temperaturas y a la densidad. El H₃⁺ es uno de los iones más abundantes del universo, y juega un papel notable en la química del medio interestelar.​

Propiedades físicas y químicas

Las características de solubilidad y de adsorción del hidrógeno con varios metales son muy importantes en la metalurgia (algunos metales pueden sufrir debilitamiento por hidrógeno) y en el desarrollo de formas seguras de almacenamiento para su uso como combustible. El hidrógeno es muy soluble en muchos compuestos formados por metales de las tierras raras y metales de transición​, y puede disolverse tanto en metales cristalinos como en metales amorfos.​. La solubilidad del hidrógeno en los metales esta influenciada por las distorsiones locales y las impurezas de la red cristalina del metal.​

Combustión

En la imagen se aprecia la diferencia entre la llama de hidrógeno (en los motores de la lanzadera, casi invisible) y las llamas de otros combustibles (en los cohetes propulsores laterales).

El hidrógeno gaseoso es muy inflamable y arde en concentraciones muy bajas en aire (4% de H₂). La entalpía de combustión del hidrógeno es – 286 kJ/mol, y la reacción de combustión es la siguiente:

2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l) + 572 kJ/mol

Cuando se mezcla con oxígeno en un amplio rango de proporciones el hidrógeno explota. En el aire, el hidrógeno arde violentamente. Las llamas de oxígeno e hidrógeno puro son casi invisibles al ojo humano, como se constata al ver lo tenues que son las llamas de los motores principales de las lanzaderas espaciales (en contraposición a lo fácilmente visibles que son las llamas de los cohetes impulsores de las lanzaderas). Por este motivo, es difícil detectar visualmente si un escape de hidrógeno está ardiendo. Las llamas que se aprecian en las fotos del dirigible Hindenburg son llamas de hidrógeno coloreadas por el material de la cubierta de la aeronave, que contenía carbono y polvo de aluminio pirofórico, así como otros materiales combustibles.​ (Independientemente de la causa de este incendio, es claro que se produjo la ignición del hidrógeno, ya que en ausencia de este gas la cubierta del dirigible habría tardado horas en quemarse).​ Otra característica de los fuegos alimentados por hidrógeno es que las llamas tienden a ascender rápidamente con el gas a través del aire (algo que también se puede apreciar en las fotografías del accidente del Hindeburg), causando menos daños que los fuegos alimentados por hidrocarburos. Por ejemplo, dos tercios de los pasajeros del dirigible sobrevivieron al incendio, y muchas de las muertes que se produjeron fueron por caídas al vacío y por la combustión de gasolina.​

El H₂ reacciona directamente con otros elementos oxidantes. Puede producirse una reacción espontánea y violenta a temperatura ambiente en presencia de cloro o flúor, con la formación de los correspondientes halogenuros de hidrógeno: cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno.

Compuestos

Compuestos covalentes y orgánicos

A pesar de que el H₂ no es muy reactivo en condiciones normales, forma multitud de compuestos con la mayoría de los elementos químicos. Se conocen millones de hidrocarburos, pero no se generan por la reacción directa del hidrógeno elemental con el carbono (aunque la producción del gas de síntesis seguida del proceso Fischer - Tropsch para sintetizar hidrocarburos parece ser una excepción pues comienza con carbón e hidrógeno elemental generado in situ). El hidrógeno puede formar compuestos con elementos más electronegativos, tales como los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo) o los calcógenos (oxígeno, azufre, selenio); en estos compuestos, el hidrógeno adquiere carga parcial positiva. Cuando se encuentra unido al flúor, al oxígeno o al nitrógeno, el hidrógeno puede participar en una modalidad de enlace no covalente llamado "enlace de hidrógeno" o "puente de hidrógeno", que es fundamental para la estabilidad de muchas moléculas biológicas. El hidrógeno puede también formar compuestos con elementos menos electronegativos, tales como metales o semi - metales, en los cuales adquiere carga parcial negativa. Estos compuestos se conocen como hidruros.

El hidrógeno forma una enorme variedad de compuestos con el carbono. Debido a su asociación con los seres vivos, estos compuestos se denominan compuestos orgánicos; el estudio de sus propiedades es la finalidad de la Química Orgánica, y el estudio en el contexto de los organismos vivos se conoce como Bioquímica. Atendiendo a algunas definiciones, los compuestos "orgánicos" sólo requieren la presencia de carbono para ser denominados así (ahí tenemos el clásico ejemplo de la urea). Sin embargo, la mayoría de estos compuestos también contienen hidrógeno y, puesto que es el enlace carbono - hidrógeno el que proporciona a estos compuestos muchas de sus principales características, se hace necesario mencionar el enlace carbono - hidrógeno en algunas definiciones de la palabra "orgánica" en Química. (Estas recientes definiciones no son perfectas, sin embargo, ya que un compuesto indudablemente orgánico como la urea no podría ser catalogado como tal atendiendo a ellas).

En la Química Inorgánica, los hidruros pueden servir también como ligandos puente que unen dos centros metálicos en un complejo de coordinación. Esta funciones particularmente común en los elementos del grupo 13, especialmente en los boranos (hidruros de boro) y en los complejos de aluminio, así como en los clústers de carborano.​

Algunos ejemplos de compuestos covalentes u orgánicos importantes con hidrógeno son: amoniaco (NH₃), hidracina (N₂H₄), agua (H₂O), peróxido de hidrógeno (H₂O₂), sulfuro de hidrógeno (H₂S), etc.

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^-). La existencia del anión hidruro, propuesta por G. N. Lewis en 1916 para los hidruros iónicos del grupo I y II, fue demostrada por Moers en 1920 con la electrolisis del hidruro de litio (LiH) fundido, que producía una cantidad estequiométrica de hidrógeno en el ánodo.​ Para los hidruros de metales de otros grupos, el término es bastante erróneo, considerando la baja electronegatividad del hidrógeno. Una excepción en los hidruros del grupo II es el BeH₂, que es polimérico. En el tetrahidruroaluminato(III) de litio, el anión AlH₄^- posee sus centros hidrúricos firmemente unidos al aluminio(III). Aunque los hidruros pueden formarse con casi todos los elementos del grupo principal, el número y combinación de posibles compuestos varía mucho; por ejemplo, existen más de 100 hidruros binarios de boro conocidos, pero solamente uno de aluminio.​ El hidruro binario de indio no ha sido identificado aún, aunque existen complejos mayores.​

"Protones" y ácidos

Representación del ion hidronio (H₃O⁺), en la que se puede apreciar la condensación de carga negativa en el átomo de oxígeno, y el carácter positivo de los átomos de hidrógeno.

La oxidación del H₂ formalmente origina el protón, H⁺. Esta especie es fundamental en el tema de los ácidos, aunque el término "protón" se usa imprecisamente para referirse al hidrógeno catiónico, denotado H⁺. Un protón aislado H⁺ no puede existir en disolución debido a su fuerte tendencia a atraer átomos o moléculas con electrones. Para evitar la cómoda, aunque incierta, idea del protón aislado solvatado en disolución, en las disoluciones ácidas acuosas se considera la presencia del ion hidronio (H₃O⁺) organizado en clústers para formar la especie H₉O₄⁺.​ Otros iones oxonio están presentes cuando el agua forma disoluciones con otros disolventes..​

Aunque exótico en la Tierra, uno de los iones más comunes en el universo es el H₃⁺, conocido como hidrógeno molecular protonado o catión hidrógeno triatómico.​

Obtención y producción

El H₂ se obtiene en laboratorios de Química y de Biología, a menudo como subproducto de otras reacciones; en la industria se obtiene para la hidrogenación de sustratos insaturados; y en la naturaleza como medio para expeler equivalentes reductores en las reacciones bioquímicas.

Síntesis en laboratorio

En el laboratorio, el H₂ suele obtenerse por la reacción de ácidos con metales, tales como el zinc.

Zn + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H₂

En el caso del aluminio, no sólo se genera H₂ cuando es tratado con un ácido, sino que también lo hace cuando se le trata con una base:

2 Al + 6 H₂O → 2 Al(OH)₃ + 3 H₂

La electrolisis del agua es un método simple de producir hidrógeno, aunque el gas resultante posee necesariamente menos energía de la requerida para producirlo. Una corriente de bajo voltaje atraviesa el agua, formándose oxígeno gaseoso en el ánodo e hidrógeno gaseoso en el cátodo. Generalmente, cuando se produce hidrógeno que va a ser almacenado se emplea un cátodo de platino o de algún otro metal inerte. Por el contrario, si el hidrógeno va a ser consumido in situ, es necesaria la presencia de oxígeno para que se produzca la combustión y se procura que ambos electrodos (tanto ánodo como cátodo) sean de metal inerte (si se empleara un metal no inerte, por ejemplo el hierro, éste se oxidaría y disminuiría la cantidad de oxígeno que se desprende). La máxima eficiencia teórica (electricidad empleada frente al valor energético del hidrógeno generado) es de entre un 80% y un 94%.​

2H₂O(aq) → 2H₂(g) + O₂(g)

En el año 2007 se descubrió que una aleación de aluminio y galio en forma de pastilla añadida al agua puede emplearse para obtener hidrógeno.​ El proceso también produce óxido de aluminio(III), pero el galio (que posee un elevado precio), que previene la formación de una capa de óxido en la superficie de la pastilla, puede reutilizarse. Este descubrimiento tiene importantes implicaciones en la economía del hidrógeno, ya que éste puede sintetizarse in situ fácilmente y no necesita ser transportado.

Síntesis industrial

El hidrógeno puede obtenerse de distintas maneras, pero las más económicas implican su extracción a partir de hidrocarburos. El hidrógeno comercial se produce generalmente mediante el reformado con vapor del gas natural.​ Este proceso consiste en la reacción de una corriente de vapor de agua con metano para originar monóxido de carbono e hidrógeno, a una temperatura de entre 700 ºC y 1100 ºC.

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

Esta reacción está favorecida a bajas presiones, sin embargo, se lleva a cabo a altas presiones (20 atm) ya que el H₂ de alta presión es el producto más comercializable. La mezcla producto se conoce como "gas de síntesis" porque a menudo se usa directamente para la producción de metanol y otros compuestos relacionados. A parte del metano, pueden usarse otros hidrocarburos para generar el gas de síntesis con distintas proporciones de los componentes productos. Una de las complicaciones que se presenta en esta tecnología altamente optimizada es la formación de coque o carbón:

CH₄ → C + 2 H₂

Para evitarlo, el reformado con vapor suele emplear un exceso de H₂O.

Puede recuperarse hidrógeno adicional en este proceso a partir del monóxido de carbono, mediante una reacción de desplazamiento del agua gaseosa, especialmente con un catalizador de óxido de hierro. Esta reacción también se emplea industrialmente como fuente de dióxido de carbono:​

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Otros métodos importantes para la producción de H₂ incluyen la oxidación parcial de hidrocarburos:

CH₄ + 0.5 O₂ → CO + 2 H₂

y la reacción del carbón, que puede servir como preludio a la reacción de desplazamiento mencionada anteriormente:​

C + H₂O → CO + H₂

Muchas veces el hidrógeno es producido y consumido en el mismo proceso industrial, sin necesidad de ser separado. En el proceso Haber - Bosch para la síntesis de amoníaco (el quinto compuesto más producido industrialmente en el mundo), el hidrógeno se obtiene a partir del gas natural.

El hidrógeno también se produce en cantidades significativas como un subproducto en la mayoría de los procesos petroquímicos de cracking con vapor y reformado. La electrolisis de la salmuera para obtener cloro también genera hidrógeno como subproducto.

Síntesis biológica

Micrografía mostrando los cloroplastos en un tejido vegetal. Las hidrogenasas presentes en estos orgánulos son capaces de generar H₂ gaseoso.

El hidrógeno es un producto de algunos tipos de metabolismo anaeróbico y es generado por muchos microorganismos, generalmente a través de reacciones catalizadas por enzimas que contienen hierro o níquel, llamadas hidrogenasas. Estas enzimas catalizan la reacción redox reversible entre el H₂ y sus dos protones y dos electrones. La evolución del hidrógeno gaseoso tiene lugar en la transferencia de equivalentes reductores (producidos durante el metabolismo del piruvato) al agua.​

La separación del agua, en la que ésta se descompone en sus protones, electrones y oxígeno, tiene lugar en las reacciones de la fase luminosa del metabolismo de los organismos fotosintéticos. Algunos de esos organismos -incluyendo el alga Chlamydomonas reinhardtii y las cianobacterias- han evolucionado desarrollando un segundo paso en las reacciones de las fase oscura en el que los protones se reducen para formar H₂ gaseoso por la acción de hidrogenasas especializadas en los cloroplastos.​ Se han realizado esfuerzos para modificar genéticamente las hidrogenasas bacterianas para sintetizar H₂ gaseoso de manera eficiente incluso en presencia de oxígeno.​

Existen otras rutas poco frecuentes, aunque mecanísticamente interesantes, para la producción de H₂ en la naturaleza. La nitrogenasa genera aproximadamente un equivalente de H₂ por cada equivalente de N₂ reducido a amoníaco. Algunas fosfatasas reducen fosfitos a H₂.

Aplicaciones

En la industria química y petroquímica se requieren grandes cantidades de H₂. La aplicación principal del H₂ es para el procesamiento (refinado) de combustibles fósiles, y en la síntesis de amoníaco. Los procesos fundamentales que consumen H₂ en una planta petroquímica son la hidrodesalquilación, la hidrodesulfurización y el hidrocraking.​ El H₂ posee otros muchos usos como agente hidrogenante, particularmente en el incremento de la saturación de grasas y aceites insaturados (que se encuentran en productos como la margarina), y en la producción de metanol. Es empleado también en la manufactura del ácido clorhídrico, y como agente reductor para minerales metálicos.

Aparte de sus usos como reactivo, el H₂ posee muchas aplicaciones en Física e Ingeniería. Se usa para el escudo de gas en métodos de soldadura tales como la soldadura con hidrógeno atómico. El H₂ se emplea como refrigerante en generadores eléctricos en las estaciones eléctricas, ya que es el gas con mayor conductividad térmica. El H₂ líquido se usa en la investigación criogénica, incluyendo el estudio de la superconductividad. Puesto que el H₂ es más ligero que el aire (posee una densidad poco mayor a la quinceava parte de la del aire) fue usado como gas de relleno para globos aerostáticos y aeronaves. Sin embargo, este uso fue abandonado tras el desastre del Hindenburg que evidenció la peligrosidad del hidrógeno cuando es usado para estos fines. No obstante, aún se sigue usando para inflar globos sonda meteorológicos.

Los isótopos del hidrógeno también tienen sus aplicaciones particulares. El deuterio (²H) posee aplicaciones en el campo de la fisión nuclear, como moderador para frenar neutrones, y también tiene aplicaciones en reacciones de fusión nuclear. Los compuestos de deuterio tienen usos en Química y Biología, sobre todo en los estudios de efectos isotópicos. El tritio (³H), generado en los reactores nucleares, se usa en la producción de bombas de hidrógeno, como radiomarcador en Ciencias Biológicas, y como fuente de radiación en pinturas luminiscentes.

La temperatura de equilibrio del punto triple del hidrógeno es un punto fijo definido en la escala de temperaturas ITS-90.

El spin o giro de la molécula de hidrógeno puede ser alineado homogéneamente mediante ondas de radiofrecuencia. Esta propiedad es el fundamento de la resonancia magnética nuclear, dispositivo de obtención de imágenes que es capaz de recoger información en función de la diferente velocidad de recuperación del spin original de las moléculas de hidrógeno (presentes en el agua) de los diferentes tejidos de un ser vivo.

El hidrógeno como portador de energía

Prototipo de vehículo alimentado con hidrógeno.

El hidrógeno no es una fuente de energía, excepto en el hipotético contexto de las plantas comerciales de fusión nuclear alimentadas por deuterio o tritio, una tecnología que actualmente se encuentra lejos de ser desarrollada. La energía del Sol proviene de la fusión nuclear del hidrógeno, sin embargo, es un proceso complicado de conseguir en la Tierra. El hidrógeno elemental obtenido de fuentes solares, biológicas o eléctricas cuesta mucha más energía para producirlo de la que se obtiene de su combustión. El hidrógeno puede generarse a partir de fuentes fósiles (como el metano) gastando menos energía de la que se obtiene, pero se trata de fuentes no renovables que, además son fuentes energéticas por sí mismas.

Se ha hablado mucho del hidrógeno molecular como posible portador de energía. El uso del H₂ tendría la ventaja de que las fuentes fósiles podrían usarse directamente para la obtención del gas (a partir de metano, por ejemplo). El H₂ usado en los medios de transporte produciría una combustión limpia en la que el único producto sería el agua, eliminando por completo las emisiones de CO₂.

Sin embargo, los costes para la infraestructura necesaria para llevar a cabo un conversión completa a una economía del hidrógeno serían sustanciales.​ Además, la densidad energética del hidrógeno líquido o gaseoso (dentro de unas presiones prácticas) es significativamente menor que los combustibles tradicionales.

Véase también

Ácido-base Agua Antihidrógeno Biocombustible Bomba de hidrógeno Celda de hidrógeno

Deuterio Economía del hidrógeno Electrolisis Energía del futuro Enlace de hidrógeno Fórmula de Rydberg

Gas natural Hidrocarburo Hidrogenera Hidrógeno diatómico (gas) Metano Potencial Hidrógeno

Pila de combustible Serie de Lyman Tecnologías del hidrógeno Vehículo de hidrógeno Vehículo eléctrico Vehículo híbrido

Bibliografía adicional

• Shriver, D.F; Atkins, P.W; Langford, C.H. "Química Inorgánica. Vol. 1" Segunda edición. Reverté. 1997 ISBN 84-291-7004-9
• Greenwood, N.N; Earnshaw, A. "Chemistry of the Elements" Second edition. Butterworth - Heinemann. 1997 ISBN 0750633654
• Cotton, F.A.; Wilkinson, G. "Advanced Inorganic Chemistry: a comprehensive text" Fourth edition. John Wiley & Sons. 1980. ISBN 0471027758
• Gutiérrez Ríos, E. "Química Inorgánica" Reverté. 1994. ISBN 8429172157

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Hidrógeno.
• Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre hidrógeno.
• WebElements.com
• EnvironmentalChemistry.com
• Es Elemental
• Imágenes del Átomo de Hidrógeno
• El hidrógeno como combustible
• Vehículos impulsados por motor de hidrógeno