Hidrógeno

Este artículo trata sobre un elemento quí-mico. Para la molécula (H2), formada pordos átomos de hidrógeno, véase Dihidrógeno.22

Representación animada de un átomo de deuterio, uno de losisótopos del hidrógeno.

El hidrógeno (en griego, 'creador de agua') es unelemento químico de número atómico 1, representadopor el símbolo H. Con una masa atómica del 1,00794(7) u, es el más ligero de la tabla de los elementos. Porlo general, se presenta en su forma molecular, formandoel gas diatómico (H2) en condiciones normales. Este gases inflamable, incoloro, inodoro, no metálico e insolubleen agua.[1]

El elemento hidrógeno, por poseer distintas propiedades,no se encuadra claramente en ningún grupo de la tablaperiódica, siendo muchas veces colocado en el grupo 1(o familia 1A) por poseer solo un electrón en la capa devalencia (o capa superior).El hidrógeno es el elemento químico más abundante,constituyendo aproximadamente el 75% de la materia vi-sible del universo.[2][nota 1] En su secuencia principal, lasestrellas están compuestas principalmente por hidrógenoen estado de plasma. El hidrógeno elemental es relativa-mente raro en la Tierra y es producido industrialmentea partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano.La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene “insitu”, es decir, en el lugar y en el momento en el quese necesita. Los mayores mercados en el mundo disfru-tan de la utilización del hidrógeno para el mejoramientode combustibles fósiles (en el proceso de hidrocraqueo)y en la producción de amoníaco (principalmente para elmercado de fertilizantes). El hidrógeno puede obtenerse

a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero re-sulta un método mucho más caro que la obtención a partirdel gas natural.[3]

El isótopo del hidrógeno que posee mayor ocurrencia, co-nocido como protio, está formado por un único protóny ningún neutrón. En los compuestos iónicos, puede te-ner una carga positiva (convirtiéndose en un catión lla-mado hidrón, H+, compuesto únicamente por un protón,a veces en presencia de 1 o 2 neutrones); o carga negati-va (convirtiéndose en un anión conocido como hidruro,H-). También se pueden formar otros isótopos, como eldeuterio, con un neutrón, y el tritio, con dos neutrones. En2001, fue creado en el laboratorio el isótopo 4H y, a par-tir de 2003, se sintetizaron los isótopos 5H hasta 7H.[4][5]El hidrógeno forma compuestos con la mayoría de loselementos y está presente en el agua y en la mayoría delos compuestos orgánicos. Posee un papel particularmen-te importante en la química ácido - base, en la quemuchasreacciones involucran el intercambio de protones (ioneshidrógeno, H+) entre moléculas solubles. Puesto que esel único átomo neutro para el cual la ecuación de Schrö-dinger puede ser resuelta analíticamente, el estudio de laenergía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fun-damental tuvo un papel principal en el desarrollo de lamecánica cuántica.La solubilidad y características de hidrógeno con diver-sos metales son muy importantes en la metalurgia (pues-to que muchos metales pueden sufrir fragilidad en supresencia)[6] y en el desarrollo de formas seguras de al-macenarlo para su uso como combustible.[7] Es altamentesoluble en diversos compuestos que poseen tierras rarasy metales de transición,[8] y puede ser disuelto tanto enmetales cristalinos como amorfos.[9] La solubilidad delhidrógeno en los metales está influenciada por las distor-siones locales o impurezas en la estructura cristalina delmetal.[10]

1 Etimología

Hidrógeno, del latín "hydrogenium", y éste del griego an-tiguo ὕδωρ (hydro): “agua” y γένος-ου(genos): “genera-dor”.La palabra hidrógeno puede referirse tanto al átomo dehidrógeno (descrito en este artículo), como a la molécu-la diatómica (H2) que se encuentra a nivel de trazas enla atmósfera terrestre. Los químicos tienden a referirse aesta molécula como dihidrógeno,[11] molécula de hidró-

1

2 2 HISTORIA

geno, o hidrógeno diatómico, para distinguirla del átomodel elemento, que no existe de forma aislada en las con-diciones ordinarias.

2 Historia

2.1 Descubrimiento del hidrógeno y uso

Dirigible Hindenburg, 1936.

El hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue el primero pro-ducido artificialmente y formalmente descrito por T. VonHohenheim (también conocido como Paracelso, 1493-1541) que lo obtuvo artificialmente mezclando metalescon ácidos fuertes. Paracelso no era consciente de queel gas inflamable generado en estas reacciones químicasestaba compuesto por un nuevo elemento químico. En1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reacciónque se producía entre limaduras de hierro y ácidos dilui-dos, o que resulta en la producción de gas hidrógeno.[12]En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocerel hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, iden-tificando el gas producido en la reacción metal - ácidocomo “aire inflamable” y descubriendo más profunda-mente, en 1781, que el gas produce el agua cuando sequema. a él Generalmente se le da el crédito por su des-cubrimiento como un elemento químico.[13][14] En 1783,Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidró-geno, (del griego υδρώ (hydro), agua y γένος-ου (genes)generar)[15] cuando él y Laplace reprodujeron el descu-brimiento de Cavendish, donde se produce agua cuandose quema hidrógeno.[14]

Lavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos sobreconservación de la masa haciendo reaccionar un flujo devapor con hierro metálico a través de un tubo de hierroincandescente calentado al fuego. La oxidación anaerobiade hierro por los protones de agua a alta temperatura pue-de ser representada esquemáticamente por el conjunto delas siguientes reacciones:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Muchos metales tales como circonio se someten a unareacción similar con agua lo que conduce a la producciónde hidrógeno.El hidrógeno fue licuado por primera vez por James De-war en 1898 al usar refrigeración regenerativa y su in-vención es se aproxima mucho a lo que conocemos hoyen día como termo.[14] Produjo hidrógeno sólido al añosiguiente.[14] El deuterio fue descubierto en diciembre de1931 por Harold Urey, y el tritio fue preparado en 1934por Ernest Rutherford, Marcus Oliphant, y Paul Har-teck.[13] El agua pesada, que tiene deuterio en lugar dehidrógeno regular en la molécula de agua fue descubiertopor el equipo de Urey en 1932.[14]

François Isaac de Rivaz construyó el primer dispositivode combustión interna propulsado por una mezcla de hi-drógeno y oxígeno en 1806. Edward Daniel Clarke inven-tó el rebufo de gas de hidrógeno en 1819. La lámpara deDöbereiner y la Luminaria Drummond fueron inventadasen 1823.[14]

El llenado del primer globo con gas hidrógeno, fue docu-mentado por Jacques Charles en 1783.[14] El hidrógenoproveía el ascenso a la primera manera confiable de via-jes aéreos después de la invención del primer dirigible dehidrógeno retirado en 1852 por Henri Giffard.[14] El con-de alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea deutilizar el hidrógeno en dirigibles rígidos, que más tardefueron llamados zepelines; el primero de los cuales tuvosu vuelo inaugural en 1900.[14] Los vuelos normales co-menzaron en 1910 y para el inicio de la Primera GuerraMundial, en agosto de 1914, se habían trasladado 35.000pasajeros sin ningún incidente grave. Los dirigibles le-vantados con hidrógeno se utilizan como plataformas deobservación y bombarderos durante la guerra.[16]

La primer travesía transatlántica sin escalas fue hecha porel dirigible británicoR34 en 1919. Con el lanzamiento delGraf Zeppelin en 1920, el servicio regular de pasajerosprosiguió hasta mediados de la década de 1930 sin ningúnincidente. Con el descubrimiento de las reservas de otrotipo de gas ligero en los Estados Unidos este proyecto de-bió ser modificado, ya que el otro elemento prometió másseguridad, pero el gobierno de Estados Unidos se negó avender el gas a tal efecto. Por lo tanto, H2 fue utilizadoen el dirigible Hindenburg, el cual fue destruido en unincidente en vuelo sobre Nueva Jersey el 6 de mayo de1937.[14] El incidente fue transmitido en vivo por radio yfilmado. El encendido de la fuga de hidrógeno se atribu-yó como la causa del incidente, pero las investigacionesposteriores señalaron a la ignición del el revestimiento detejido aluminizado por la electricidad estática.

3

2.2 Papel del hidrógeno en la Teoría Cuán-tica

Las líneas del espectro de emisiones de hidrógeno en la regiónvisible. Estas son las cuatro líneas visibles de la serie de Balmer.

Gracias a su estructura atómica relativamente simple,consistente en un solo protón y un solo electrón para elisótopo más abundante (protio), el átomo de hidrógenoposee un espectro de absorción que pudo ser explica-do cuantitativamente lo que supuso un punto central delmodelo atómico de Bohr que sirvió como un hito en eldesarrollo la Teoría de la Estructura Atómica. Además,la consiguiente simplicidad de la molécula de hidrógenodiatómico y el correspondiente catión dihidrógeno, H2

+,permitió una comprensión más completa de la naturale-za del enlace químico, que continuó poco después con eltratamiento mecano - cuántico del átomo de hidrógeno,que había sido desarrollado a mediados de la década de1920 por Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg.Uno de los primeros efectos cuánticos que fue explícita-mente advertido (pero no entendido en ese momento) fueuna observación de Maxwell en la que estaba involucra-do el hidrógeno, medio siglo antes de que se establecieracompletamente la Teoría Mecano - Cuántica. Maxwellobservó que el calor específico del H2, inexplicablemen-te, se desviaba del correspondiente a un gas diatómicopor debajo de la temperatura ambiente y comenzaba aparecerse cada vez más al correspondiente a un gas mo-noatómico a temperaturas muy bajas. De acuerdo con laTeoría Cuántica, este comportamiento resulta del espa-ciamiento de los niveles energéticos rotacionales (cuanti-zados), que se encuentran particularmente separados enel H2 debido a su pequeña masa. Estos niveles tan sepa-rados impiden el reparto equitativo de la energía calorí-fica para generar movimiento rotacional en el hidrógenoa bajas temperaturas. Los gases diatómicos compuestosde átomos pesados no poseen niveles energéticos rotacio-nales tan separados y, por tanto, no presentan el mismoefecto que el hidrógeno.[17]

3 Abundancia

El hidrógeno es el elemento químico más abundante deluniverso, suponiendo más del 75 % en materia normalpor masa y más del 90 % en número de átomos.[18] Esteelemento se encuentra en abundancia en las estrellas y losplanetas gaseosos gigantes. Las nubes moleculares de H2

están asociadas a la formación de las estrellas. El hidró-geno también juega un papel fundamental como combus-tible de las estrellas por medio de las reacciones de fusiónnuclear entre núcleos de hidrógeno.

NGC 604, una enorme región de hidrógeno ionizado en laGalaxia del Triángulo.

En el universo, el hidrógeno se encuentra principalmenteen su forma atómica y en estado de plasma, cuyas propie-dades son bastante diferentes a las del hidrógeno molecu-lar. Como plasma, el electrón y el protón del hidrógenono se encuentran ligados, por lo que presenta una altaconductividad eléctrica y una gran emisividad (origen dela luz emitida por el Sol y otras estrellas). Las partículascargadas están fuertemente influenciadas por los camposeléctricos y magnéticos. Por ejemplo, en los vientos so-lares las partículas interaccionan con la magnetosfera te-rrestre generando corrientes de Birkeland y el fenómenode las auroras.Bajo condiciones normales de presión y temperatura, elhidrógeno existe como gas diatómico, H2. Sin embargo,el hidrógeno gaseoso es extremadamente poco abundanteen la atmósfera de la Tierra (1 ppm en volumen), debi-do a su pequeña masa que le permite escapar al influjode la gravedad terrestre más fácilmente que otros gasesmás pesados. Aunque los átomos de hidrógeno y las mo-léculas diatómicas de hidrógeno abundan en el espaciointerestelar, son difíciles de generar, concentrar y purifi-car en la Tierra. El hidrógeno es el decimoquinto elemen-to más abundante en la superficie terrestre[19] La mayorparte del hidrógeno terrestre se encuentra formando partede compuestos químicos tales como los hidrocarburos oel agua.[20] El hidrógeno gaseoso es producido por algu-nas bacterias y algas, y es un componente natural de lasflatulencias. El metano es una fuente de enorme impor-tancia para la obtención del hidrógeno.

4 Propiedades

4 4 PROPIEDADES

4.1 Combustión

La Turbina principal del transbordador espacial quema hidró-geno líquido con oxígeno puro, produciendo una llama casi invi-sible

El gas hidrógeno (dihidrógeno[21]) es altamente inflama-ble y quema en las concentraciones de 4 % o más H2 enaire.[22] la entalpía de combustión de hidrógeno es −286kJ/mol;[23] él quema de acuerdo con la siguiente ecuaciónbalanceada.

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286kJ/mol)[24]

Cuando se mezcla con oxígeno a través de una variedadde proporciones, de hidrógeno explota por ignición. Elhidrógeno quema violentamente en el aire, ignición au-tomáticamente en la temperatura de 560 °C.[25] Llamasde hidrógeno-oxígeno puros queman en la gama del colorultravioleta y son casi invisibles a simple vista, como lodemuestra la debilidad de la llama de las turbinas princi-pales del transbordador espacial (a diferencia de las lla-mas fácilmente visibles del cohete acelerador del sólido).Así que se necesita un detector de llama para detectar siuna fuga de hidrógeno está quemando. La explosión deldirigible Hindenburg era un caso infame de combustiónde hidrógeno, a causa se debatida, pero los materialescombustibles en la piel de la aeronave fueron responsa-bles del color de las llamas.[26] Otra característica de losfuegos de hidrógeno es que las llamas tienden a ascenderrápidamente con el gas en el aire, como se ilustra por lasllamas del Hindenburg, causando menos daño que fuegosde hidrocarburos. Dos terceras partes de los pasajeros delHindenburg sobrevivieron al incendio, y muchas de lasmuertes que se produjeron fueron de caída o quema delcombustible diesel.[27]

H2 reacciona directamente con otros elementos oxidan-tes. Una reacción espontánea y violenta puede ocurrir atemperatura ambiente con cloro y flúor, formando los ha-luros de hidrógeno correspondientes: Cloruro de hidró-geno y fluoruro de hidrógeno.[28]

4.2 Niveles energéticos electrónicos

Representación de los niveles energéticos del átomo de hidrógeno.

Los primeros orbitales del átomo de hidrógeno (números cuánti-cos principales y azimutales).

El nivel energético del estado fundamental electrónicode un átomo de hidrógeno es −13,6 eV, que equivalea un fotón ultravioleta de, aproximadamente, 92 nm delongitud de onda.Los niveles energéticos del hidrógeno pueden calcularsecon bastante precisión empleando el modelo atómico deBohr, que considera que el electrón orbita alrededor del

4.3 Formas elementales moleculares 5

protón de forma análoga a la órbita terrestre alrededor delSol. Sin embargo, la fuerza electromagnética hace que elprotón y el electrón se atraigan, de igual modo que losplanetas y otros cuerpos celestes se atraen por la fuerzagravitatoria. Debido al carácter discreto (cuantizado) delmomento angular postulado en los inicios de la MecánicaCuántica por Bohr, el electrón en el modelo de Bohr so-lo puede orbitar a ciertas distancias permitidas alrededordel protón y, por extensión, con ciertos valores de ener-gía permitidos. Una descripción más precisa del átomo dehidrógeno viene dada mediante un tratamiento puramen-te mecano - cuántico que emplea la ecuación de onda deSchrödinger o la formulación equivalente de las integralesde camino de Feynman para calcular la densidad de pro-babilidad del electrón cerca del protón.[29] El tratamientodel electrón a través de la hipótesis de De Broglie (duali-dad onda - partícula) reproduce resultados químicos (ta-les como la configuración del átomo de hidrógeno) demanera más natural que el modelo de partículas de Bohr,aunque la energía y los resultados espectrales son los mis-mos. Si en la construcción del modelo se emplea la masareducida del núcleo y del electrón (como se haría en elproblema de dos cuerpos en Mecánica Clásica), se obtie-ne una mejor formulación para los espectros del hidró-geno, y los desplazamientos espectrales correctos para eldeuterio y el tritio. Pequeños ajustes en los niveles energé-ticos del átomo de hidrógeno, que corresponden a efectosespectrales reales, pueden determinarse usando la TeoríaMecano - Cuántica completa, que corrige los efectos dela Relatividad Especial (ver ecuación de Dirac), y compu-tando los efectos cuánticos originados por la producciónde partículas virtuales en el vacío y como resultado de loscampos eléctricos (ver Electrodinámica Cuántica).En el hidrógeno gaseoso, el nivel energético del estadoelectrónico fundamental está dividido a su vez en otrosniveles de estructura hiperfina, originados por el efecto delas interacciones magnéticas producidas entre los espinesdel electrón y del protón. La energía del átomo cuandolos espines del protón y del electrón están alineados essuperior que cuando los espines no lo están. La transiciónentre esos dos estados puede tener lugar mediante la emi-sión de un fotón a través de una transición de dipolo mag-nético. Los radiotelescopios pueden detectar la radiaciónproducida en este proceso, lo que sirve para crear mapasde distribución del hidrógeno en la galaxia.

4.3 Formas elementales moleculares

Existen dos tipos distintos de moléculas diatómicas de hi-drógeno que difieren en la relación entre los espines de susnúcleos:[30] En la forma de orto-hidrógeno, los espines delos dos protones son paralelas y forman un estado triplete,en forma de para-hidrógeno, los spins son antiparalelas yforman un singular. En condiciones normales de presióny temperatura el hidrógeno gaseoso contiene aproxima-damente un 25 % de la forma para y un 75 % de la formaorto, también conocida como “forma normal”.[31] La re-

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

lación del equilibrio entre orto - hidrógeno y para - hidró-geno depende de la temperatura, pero puesto que la formaorto es un estado excitado, y por tanto posee una energíasuperior, es inestable y no puede ser purificada. A tempe-raturas muy bajas, el estado de equilibrio está compuestocasi exclusivamente por la forma para. Las propiedadesfísicas del para - hidrógeno puro difieren ligeramente delas de la forma normal (orto).[32] La distinción entre for-mas orto / para también se presenta en otras moléculas ogrupos funcionales que contienen hidrógeno, tales comoel agua o el metileno.La interconversión no catalizada entre el para - hidrógenoy el orto - hidrógeno se incrementa al aumentar la tem-peratura; por esta razón, el H2 condensado rápidamentecontiene grandes cantidades de la forma orto que pasa ala forma para lentamente.[33] La relación orto / para enel H2 condensado es algo importante a tener en cuentapara la preparación y el almacenamiento del hidrógenolíquido: la conversión de la forma orto a la forma para esexotérmica y produce el calor suficiente para evaporar elhidrógeno líquido, provocando la pérdida del material li-cuado. Catalizadores para la interconversión orto / para,tales como compuestos de hierro, son usados en procesosde refrigeración con hidrógeno.[34]

Una forma molecular llamada "hidrógeno molecular pro-tonado", H3

+, se encuentra en el medio interestelar, don-de se genera por la ionización del hidrógeno molecularprovocada por los rayos cósmicos. También se ha obser-vado en las capas superiores de la atmósfera de Júpiter.

6 4 PROPIEDADES

Esta molécula es relativamente estable en el medio del es-pacio exterior debido a las bajas temperaturas y a la bají-sima densidad. El H3

+ es uno de los iones más abundantesdel universo, y juega un papel notable en la química delmedio interestelar.[35]

4.4 Hidrógeno metálico

Si bien se suele catalogar al hidrógeno como no me-tal, a altas temperaturas y presiones puede comportar-se como metal. En marzo de 1996, un grupo de cientí-ficos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore in-formó de que habían producido casualmente, durante unmicrosegundo y a temperaturas de miles de kelvins y pre-siones de más de un millón de atmósferas (> 100 GPa),el primer hidrógeno metálico identificable.[36]

4.5 Compuestos

4.5.1 Compuestos covalentes y orgánicos

A pesar de que el H2 no es muy reactivo en condicionesnormales, forma multitud de compuestos con la mayoríade los elementos químicos. Se conocen millones de hi-drocarburos, pero no se generan por la reacción directadel hidrógeno elemental con el carbono (aunque la pro-ducción del gas de síntesis seguida del proceso Fischer -Tropsch para sintetizar hidrocarburos parece ser una ex-cepción pues comienza con carbón e hidrógeno elemen-tal generado in situ). El hidrógeno puede formar com-puestos con elementos más electronegativos, tales comolos halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo) o los calcógenos(oxígeno, azufre, selenio); en estos compuestos, el hidró-geno adquiere carga parcial positiva debido a la polari-dad del enlace covalente. Cuando se encuentra unido alflúor, al oxígeno o al nitrógeno, el hidrógeno puede par-ticipar en una modalidad de enlace no covalente llamado"enlace de hidrógeno" o “puente de hidrógeno”, que esfundamental para la estabilidad demuchas moléculas bio-lógicas. El hidrógeno puede también formar compuestoscon elementos menos electronegativos, tales como meta-les o semi - metales, en los cuales adquiere carga parcialnegativa. Estos compuestos se conocen como hidruros.El hidrógeno forma una enorme variedad de compues-tos con el carbono. Debido a su presencia en los seresvivos, estos compuestos se denominan compuestos orgá-nicos; el estudio de sus propiedades es la finalidad de laQuímica Orgánica, y el estudio en el contexto de los or-ganismos vivos se conoce como Bioquímica. Atendien-do a algunas definiciones, los compuestos “orgánicos” re-quieren la presencia de carbono para ser denominados así(ahí tenemos el clásico ejemplo de la urea) pero no todoslos compuestos de carbono se consideran orgánicos (esel caso del monóxido de carbono, o los carbonatos metá-licos. La mayoría de los compuestos orgánicos tambiéncontienen hidrógeno y, puesto que es el enlace carbono-

hidrógeno el que proporciona a estos compuestos muchasde sus principales características, se hace necesario men-cionar el enlace carbono-hidrógeno en algunas definicio-nes de la palabra “orgánica” en Química. (Estas recien-tes definiciones no son perfectas, sin embargo, ya que uncompuesto indudablemente orgánico como la urea no po-dría ser catalogado como tal atendiendo a ellas).En la Química Inorgánica, los hidruros pueden servirtambién como ligandos puente que unen dos centros me-tálicos en un complejo de coordinación. Esta función esparticularmente común en los elementos del grupo 13,especialmente en los boranos (hidruros de boro) y enlos complejos de aluminio, así como en los clústers decarborano.[20]

Algunos ejemplos de compuestos covalentes importantesque contienen hidrógeno son: amoniaco (NH3), hidracina(N2H4), agua (H2O), peróxido de hidrógeno (H2O2),sulfuro de hidrógeno (H2S), etc.

4.5.2 Hidruros

A menudo los compuestos del hidrógeno se denominanhidruros, un término usado con bastante inexactitud. Pa-ra los químicos, el término “hidruro” generalmente im-plica que el átomo de hidrógeno ha adquirido carga par-cial negativa o carácter aniónico (denotado como H-). Laexistencia del anión hidruro, propuesta por G. N. Lewisen 1916 para los hidruros iónicos del grupo 1 (I) y 2 (II),fue demostrada por Moers en 1920 con la electrolisis delhidruro de litio (LiH) fundido, que producía una cantidadestequiométrica de hidrógeno en el ánodo.[37] Para los hi-druros de metales de otros grupos, el término es bastanteerróneo, considerando la baja electronegatividad del hi-drógeno. Una excepción en los hidruros del grupo II esel BeH2, que es polimérico. En el tetrahidruroaluminato(III) de litio, el anión AlH4

- posee sus centros hidrúricosfirmemente unidos al aluminio (III).Aunque los hidruros pueden formarse con casi todos loselementos del grupo principal, el número y combinaciónde posibles compuestos varía mucho; por ejemplo, exis-ten más de 100 hidruros binarios de boro conocidos, perosolamente uno de aluminio.[38] El hidruro binario de in-dio no ha sido identificado aún, aunque existen complejosmayores.[39]

4.5.3 “Protones” y ácidos

La oxidación del H2 formalmente origina el protón, H+.Esta especie es fundamental para explicar las propieda-des de los ácidos, aunque el término “protón” se usa im-precisamente para referirse al hidrógeno catiónico o ionhidrógeno, denotado H+. Un protón aislado H+ no puedeexistir en disolución debido a su fuerte tendencia a unirsea átomos o moléculas con electrones mediante un enlacecoordinado o enlace dativo. Para evitar la cómoda, aun-que incierta, idea del protón aislado solvatado en disolu-

4.6 Isótopos 7

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

ción, en las disoluciones ácidas acuosas se considera lapresencia del ion hidronio (H3O+) organizado en clústerspara formar la especie H9O4

+.[40] Otros iones oxonio es-tán presentes cuando el agua forma disoluciones con otrosdisolventes.[41]

Aunque exótico en la Tierra, uno de los iones más comu-nes en el universo es el H3

+, conocido como hidrógenomolecular protonado o catión hidrógeno triatómico.[42]

4.6 Isótopos

e

p n

e

p

e

nnp

H1

1 H2

1 H3

1

水素 重水素 三重水素

Protio, deuterio y tritio.

Tubo de descarga lleno de hidrógeno puro.

El isótopo más común de hidrógeno no posee neutrones,existiendo otros dos, el deuterio (D) con uno y el tritio (T),

Tubo de descarga lleno de deuterio puro.

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

radiactivo con dos. El deuterio tiene una abundancia na-tural comprendida entre 0,0184 y 0,0082 % (IUPAC). Elhidrógeno es el único elemento químico que tiene nom-bres y símbolos químicos distintos para sus diferentes isó-topos.El hidrógeno también posee otros isótopos altamenteinestables (del 4H al 7H), que fueron sintetizados en el la-boratorio, pero nunca observados en la naturaleza.[43][44]

• 1H,co-no-cidoco-moprotio,es elisó-topomásco-múndelhi-dró-genocon

8 4 PROPIEDADES

unaabun-dan-ciademásdel99,98%.De-bidoa queelnú-cleodeesteisó-topoestáfor-ma-doporunsolopro-tónse lehabau-tiza-doco-mopro-tio,nom-breque apesardesermuydes-crip-tivo,espocousa-do.

• ²H,elotroisó-topoesta-

bledelhi-dró-geno,esco-no-cidoco-modeuterioy sunú-cleocon-tieneunpro-tóny unneu-trón.Eldeu-teriore-pre-sentael0,0026%o el0,0184%(se-gúnseaenfracciónmo-lar ofrac-ciónató-mi-ca)delhi-dró-genopre-senteen laTie-rra,en-con-

4.6 Isótopos 9

trán-doselasme-norescon-cen-tra-cio-nesen elhi-dró-genoga-seo-so, ylasma-yores(0,015% o150ppm)enaguasoceá-ni-cas.Eldeu-teriono esra-diac-tivo,y nore-pre-sentaunries-gosig-nifi-cati-vo detoxi-ci-dad.Elaguaenri-que-cidaenmo-lécu-

lasquein-clu-yendeu-terioenlugardehi-dró-geno1H(pro-tio),sede-no-minaaguape-sada.Eldeu-terioy suscom-pues-tosseem-pleanenmar-cadonora-diac-tivoenex-peri-men-tos ytam-biénendi-sol-ven-tesusa-dosenespectroscopia1H -RMN.

10 4 PROPIEDADES

Elaguapesa-da seuti-lizaco-momo-dera-dordeneu-tro-nes yrefri-ge-ranteenreactoresnu-clea-res.Eldeu-terioestam-biénunpo-ten-cialcom-bus-tibleparalafusiónnu-clearconfinesco-mer-cia-les.

• ³H seco-noceco-motritioycon-tieneun

pro-tón ydosneu-tro-nesen sunú-cleo.Esra-diac-tivo,de-sin-te-grán-doseen³2He+a tra-vésdeunaemisiónbeta.Po-seeunperiododese-mi-de-sin-te-gra-ciónde12,33años.[20]Pe-que-ñascan-tida-desdetritioseen-cuen-tranen lana-tura-lezapor

4.6 Isótopos 11

efec-to dela in-ter-ac-cióndelosrayoscós-mi-cosconlosgasesat-mos-féri-cos.Tam-biénhasidolibe-radotritioporlarea-liza-cióndeprue-basdear-ma-men-tonu-clear.Eltritioseusaenreac-cio-nesdefu-siónnu-clear,co-motra-za-

dorenGeoquímicaIso-tópi-ca,y endis-posi-tivoslu-mi-no-sosauto- ali-men-ta-dos.An-teseraco-múnem-pleareltritioco-mora-dio-mar-ca-dorenex-peri-men-tosquí-mi-cos ybio-lógi-cos,peroac-tual-men-te seusame-nos.

El hidrógeno es el único elemento que posee diferentesnombres comunes para cada uno de sus isótopos (natura-les). Durante los inicios de los estudios sobre la radiacti-

12 6 PRODUCCIÓN

vidad, a algunos isótopos radiactivos pesados les fueronasignados nombres, pero ninguno de ellos se sigue usan-do. Los símbolos D y T (en lugar de ²H y ³H) se usan aveces para referirse al deuterio y al tritio, pero el símbo-lo P corresponde al fósforo y, por tanto, no puede usarsepara representar al protio. La IUPAC declara que aunqueel uso de estos símbolos sea común, no es lo aconsejado.

5 Reacciones biológicas

H2 es un producto de algunos tipos de metabolismo anae-róbico y es producido por diversos microorganismos, porlo general a través de reacciones catalizadas por enzimasque contienen hierro o níquel llamadas hidrogenasas. Es-tas enzimas catalizan la reacción redox reversible entreH2 y sus componentes, dos protones y dos electrones. Lacreación de gas de hidrógeno ocurre en la transferencia dereducir equivalentes producidos durante la fermentacióndel piruvato al agua.[45]

La separación del agua, en la que el agua se descom-pone en sus componentes, protones, electrones y oxí-geno ocurre durante la fase clara en todos los organis-mos fotosintéticos. Algunas organizaciones - incluyendoel alga Chlamydomonas reinhardtii y cianobacteria - evo-lucionaron un paso más en la fase oscura en el que losprotones y los electrones se reducen para formar gas deH2 por hidrogenasas especializadas en el cloroplasto.[46]Se realizaron esfuerzos para modificar genéticamente lashidrogenasas de cianobacterias para sintetizar de maneraeficiente el gas H2 incluso en la presencia de oxígeno.[47]También Se realizaron esfuerzos con algas modificadasgenéticamente en un biorreactor.[48]

6 Producción

El gas H2 es producido en los laboratorios de quími-ca y biología, muchas veces como un subproducto de ladeshidrogenación de sustratos insaturados; y en la natura-leza como medio de expulsar equivalentes reductores enreacciones bioquímicas.

6.1 Laboratorio

En el laboratorio, el gas H2 es normalmente preparadopor 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 tra-tamiento con bases:2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al(OH)4- + 3 H2

La electrólisis del agua es un método simple de producirhidrógeno. Una corriente eléctrica de bajo voltaje fluye a

través del agua, y el oxígeno gaseoso se forma en el ánodo,mientras que el gas hidrógeno se forma en el cátodo. Tí-picamente, el cátodo está hecho de platino u otro metalinerte (generalmente platino o grafito), cuando se produ-ce hidrógeno para el almacenamiento. Si, sin embargo,el gas se destinara a ser quemado en el lugar, es deseableque haya oxígeno para asistir a la combustión, y entonces,ambos electrodos pueden estar hechos de metales inertes(se deben evitar los electrodos de hierro, ya que consu-men oxígeno al sufrir oxidación). La eficiencia máximateórica (electricidad utilizada vs valor energético de hi-drógeno producido) es entre 80 y 94 %.[49]

2H2O₍ₐ ₎ → 2H2(g) + O2₍ ₎En 2007, se descubrió que una aleación de aluminio ygalio en forma de gránulos añadida al agua podía utilizar-se para generar hidrógeno. El proceso también producealúmina, pero se puede reutilizar el galio, que previene laformación de una película de óxido en los gránulos. Estotiene importantes implicaciones para la potenciales eco-nomía basada en el hidrógeno, ya que se puede produciren el lugar y no tiene que ser transportado.[50]

6.2 Industrial

El hidrógeno puede ser preparado por medio de variosprocesos, pero económicamente, el más importante con-siste en la extracción de hidrógeno a partir de hidrocar-buros. El hidrógeno comercial producido en masa es nor-malmente producido por la reformación catalítica de gasnatural.[51] A altas temperaturas (700-1100 °C), el vaporreacciona con metano para producir monóxido de car-bono y H2.CH4 + H2O → CO + 3 H2

Esta reacción es favorecida a bajas presiones, pero es sinembargo conducida a altas presiones (20 atm) porque elH2 a altas presiones es el producto mejor comercializa-do. La mezcla producida se la conoce como "gas de sín-tesis", ya que muchas veces se utiliza directamente parala producción de metanol y compuestos relacionados. Sepueden usar otros hidrocarburos, además de metano, pa-ra producir gas de síntesis con proporciones variables delos productos. Una de las muchas complicaciones paraesta tecnología altamente optimizada es la formación decarbono:CH4 → C + 2 H2

Por consiguiente, el reformación catalítica se hace típi-camente con exceso de H2O. El hidrógeno adicional sepuede recuperar del vapor usando monóxido de carbonoa través de la reacción de desplazamiento del vapor deagua, especialmente con un catalizador de óxido de hie-rro. Esta reacción es también una fuente industrial comúnde dióxido de carbono:[51]

CO + H2O → CO2 + H2

Otros métodos importantes para la producción de H2 in-

6.5 Ocurrencia geológica: la reacción de serpentinización 13

cluyen la oxidación parcial de hidrocarburos:[52]

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

y la reacción de carbón, que puede servir como un pre-ludio para la “reacción de desplazamiento” descrita ante-riormente

[51]

C + H2O → CO + H2

El hidrógeno es a veces producido y consumido por elmismo proceso industrial, sin ser separado. En el procesode Haber para la producción de amoníaco, se gene-ra hidrógeno a partir de gas natural.[53] Otro procesoque produce hidrógeno como producto secundario es laelectrólisis de salmuera para producir cloro.[54]

6.3 Termoquímicos solares

Existen más de 200 ciclos termoquímicos que pueden serutilizados para la separación del agua, alrededor de unadocena de estos ciclos, tales como el ciclo de óxido dehierro, ciclo del óxido cerio (III)-óxido cerio(IV), ciclode óxido zinc-zinc, ciclo del azufre-yodo, ciclo del cobre-cloro, ciclo híbrido del azufre están bajo investigacióny en fase de prueba para producir hidrógeno y oxígenoa partir de agua y calor sin utilizar electricidad.[55] Unnúmero de laboratorios (incluyendo Francia, Alemania,Grecia, Japón y Estados Unidos) están desarrollando mé-todos termoquímicos para producir hidrógeno a partir deenergía solar y agua.[56]

6.4 Corrosión anaerobia

En condiciones anaeróbicas, las aleaciones de hierro yacero se oxidan lentamente por los protones de agua con-comitante reducidos en hidrógeno molecular (H2). Lacorrosión anaeróbica de hierro conduce primero a la for-mación de hidróxido ferroso (óxido verde) y se puededescribir mediante la siguiente reacción:

Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2

A su vez, bajo condiciones anaeróbicas, el hidróxido fe-rroso (Fe(OH)2 ) puede ser oxidado por los protones deagua para formar magnetita e hidrógeno molecular. Esteproceso se describe por la reacción de Schikorr:

3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2

hidróxido ferroso→magnetita + agua + hidró-geno

La magnetita así cristalizada (Fe3O4) es termodinámica-mente más estable que el hidróxido ferroso (Fe(OH)2 ).

Este proceso ocurre durante la corrosión anaeróbica dehierro y acero en aguas subterráneas sin oxígeno y en sue-los reducidos por debajo del nivel freático.

6.5 Ocurrencia geológica: la reacción deserpentinización

En ausencia de oxígeno atmosférico (O2), en condicionesgeológicas profundas que prevalezcan lejos de atmósfe-ra de la Tierra, el hidrógeno (H2) se produce durante elproceso del serpentinización por la oxidación anaeróbi-ca de protones del agua (H+) del silicato ferroso (Fe2+)presente en la red cristalina de la fayalita (Fe2SiO4, elhierro olivino). La reacción correspondiente que condu-ce a la formación de magnetita (Fe3O4), cuarzo SiO2) ehidrógeno (H2) es la siguiente:

3 Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3H2

fayalita + agua→magnetita + cuarzo + hidró-geno

Esta reacción se parece mucho a la reacción de Schikorrobservada en la oxidación anaeróbica del hidróxido fe-rroso en contacto con el agua.

6.6 Formación en transformadores

De todos los gases de fallo formados en transformadoreseléctricos, el hidrógeno es el más común y se genera bajola mayoría de condiciones de fallo, por lo que, la forma-ción de hidrógeno es una primer indicio de problemasgraves en el ciclo de vida del transformador.[57]

7 Aplicaciones

Se necesitan grandes cantidades de H2 en las indus-trias del petróleo y química. Una aplicación adicionalde H2 es de tratamiento (“mejoramiento”) de combus-tibles fósiles, y en la producción de amoníaco. Los prin-cipales consumidores de H2 en una planta petroquími-ca incluyen hidrodesalquilación, hidrodesulfuración, y dehidrocraqueo. H2 también tiene varios otros usos impor-tantes. El H2 se utiliza como un agente de hidrogenizante,particularmente en el aumento del nivel de saturación delas grasas y aceites insaturados (que se encuentran en ar-tículos como la margarina) y en la producción demetanol.Del mismo modo es la fuente de hidrógeno en la fabrica-ción de ácido clorhídrico. El H2 también se utiliza comoagente reductor de minerales metálicos.[58]

Además de su uso como un reactivo, H2 tiene am-plias aplicaciones en la física y la ingeniería. Se utili-za como gas de protección en los métodos de soldaduratales como la soldadura de hidrógeno atómico.[59][60]

14 10 SEGURIDAD Y PRECAUCIONES

H2 se utiliza como un enfriador de generadores encentrales eléctricas, porque tiene la mayor conductividadtérmica de todos los gases. H2 líquido se utiliza enla investigaciones criogénicas, incluyendo estudios desuperconductividad.[61] Dado que el H2 es más ligero queel aire, teniendo un poco más de 1/15 de la densidad delaire, fue ampliamente utilizado en el pasado como gas deelevación en globos aerostáticos y dirigibles.[62]

En aplicaciones más recientes, se utiliza hidrógeno pu-ro o mezclado con nitrógeno (a veces llamado forminggas) como gas indicador para detectar fugas. Las apli-caciones pueden ser encontradas en las industrias au-tomotriz, química, de generación de energía, aeroes-pacial y de telecomunicaciones.[63] El hidrógeno es unaditivo alimentario autorizado (E 949) que permite laprueba de fugas de paquetes, entre otras propiedadesantioxidantes.[64]

Los isótopos más raros de hidrógeno también poseenaplicaciones específicas para cada uno. El deuterio(hidrógeno-2) se utiliza en aplicaciones de la fisión nu-clear como un moderador para neutrones lentos, y enlas reacciones de fusión nuclear.[14] Los compuestos dedeuterio tienen aplicaciones en la química y biologíaen los estudios de los efectos isotópicos.[65] El Tritio(hidrógeno-3), producido en los reactores nucleares, seutiliza en la producción de bombas de hidrógeno,[66] co-mo un marcador isotópico en las ciencias biológicas,[67]como una fuente de radiación en pinturas luminosas.[68]

La temperatura de equilibrio del punto triple de hidró-geno es un punto fijo definido en la escala de temperaturaITS−90 a 13,8033 Kelvin.[69]

8 Portador de energía

El hidrógeno no es una fuente de energía,[70] excepto enel contexto hipotético de las centrales nucleares de fu-sión comerciales que utilizan deuterio o tritio, una tecno-logía actualmente lejos de desarrollo.[71] La energía delsol proviene de la fusión nuclear del hidrógeno, pero es-te proceso es difícil de lograr de forma controlable en laTierra.[72] El hidrógeno elemental de fuentes solares, bio-lógicas, o eléctricas requieren más energía para crear loque es obtenido al quemarlo, por lo que, en estos casos,sirve el hidrógeno como portador de energía, como unabatería. Se puede obtener a partir de fuentes fósiles (talescomo metano), pero estas fuentes son insustentables.[70]

La densidad de energía por unidad de volumen tanto delhidrógeno líquido como del gas de hidrógeno comprimi-do en cualquier presión posible es significativamente me-nor que aquella de fuentes de combustible tradicionales,aunque la densidad de energía por unidad de masa decombustible sea más alta.[70] Sin embargo, el hidrógenoelemental ha sido ampliamente discutido en el contextode la energía, como un posible portador de energía futuraa gran escala de la economía.[73] Por ejemplo, el secuestro

de CO2 seguido de captura y almacenamiento de carbonopodría realizarse al punto de producción de H2 a partirde combustibles fósiles.[74] El hidrógeno utilizado en eltransporte se quemaría relativamente limpio, con algunasemisiones de NOx,[75] pero sin emisiones de carbono.[74]Sin embargo, los costos de infraestructura asociados conla conversión total a una economía del hidrógeno podríaser sustancial.[76]

9 Industria de semiconductores

El hidrógeno es empleado para saturar enlaces rotos desilicio amorfo y carbono amorfo que ayuda a la estabi-lización de las propiedades del material.[77] Es tambiénun potencial donante de electrones en diferentes materia-les óxidos, incluyendo ZnO,[78][79] SnO2, CdO, MgO,[80]ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3,SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4, y SrZrO3.[81]

10 Seguridad y precauciones

La explosión en el dirigible Hindenburg.

El hidrógeno genera diversos riesgos para la seguridadhumana, de potenciales detonaciones e incendios cuan-do se mezcla con el aire al ser un asfixiante en su formapura, libre de oxígeno.[82] Además, el hidrógeno líquidoes un criogénico y presenta peligros (tales como congela-ción) asociados con líquidos muy fríos.[83] El elemento sedisuelve en algunos metales y, además de fuga, pueden te-ner efectos adversos sobre ellos, tales como fragilizaciónpor hidrógeno.[84] La fuga de gas de hidrógeno en el ai-re externo puede inflamarse espontáneamente. Por otraparte, el fuego de hidrógeno, siendo extremadamente ca-liente, es casi invisible, y por lo tanto puede dar lugar aquemaduras accidentales.[85]

Aunque incluso interpretar los datos de hidrógeno (inclu-yendo los datos para la seguridad) es confundido por di-versos fenómenos. Muchas de las propiedades físicas yquímicas del de hidrógeno, dependen de la tasa de para-

15

hidrógeno/orto-hidrógeno (por lo general llevar a días osemanas a una temperatura determinada para llegar a latasa de equilibrio por el cual los resultados suelen apare-cer. los parámetros de detonación de hidrógeno, como lapresión y temperatura crítica de fundición, dependen engran medida de la geometría del recipiente.[82]

11 Véase también

12 Nota

[1] Sin embargo, la mayor parte de la masa del universo noestá en la forma de bariones o elementos químicos. Véasemateria oscura y energía oscura.

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• Interacciones cuadripolares en SrZrO3

18 15 ENLACES EXTERNOS

15 Enlaces externos• Wikiquote alberga frases célebres de o sobreHidrógeno. Wikiquote

• Wikimedia Commons alberga contenido multi-media sobre HidrógenoCommons.

• Wikcionario tiene definiciones y otra informa-ción sobre hidrógeno.Wikcionario

• WebElements.com

• EnvironmentalChemistry.com

• Es Elemental

• Modelo del átomo de hidrógeno en escala

• Cálculos Básicos de Hidrógeno en la MecánicaCuántica

• Asociación Nacional de Hidrógeno

• Actualidad sobre el uso del hidrógeno en coches

• Imágenes del Átomo de Hidrógeno

• El hidrógeno como combustible

• El hidrógeno, el combustible del futuro

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16 Texto e imágenes de origen, colaboradores y licencias

16.1 Texto• Hidrógeno Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno?oldid=85102784 Colaboradores:Maveric149, ELWilly, Joseaperez,

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16.2 Imágenes• Archivo:Atomo_hidrogeno.gif Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fd/Atomo_hidrogeno.gif Licencia: CC BY

3.0 Colaboradores: Trabajo propio Artista original: Xaquito• Archivo:Capa_electrónica_001_Hidrógeno.svg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/33/Capa_electr%C3%

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• Archivo:Emission_spectrum-H.png Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Emission_spectrum-H.png Licen-cia: Public domain Colaboradores: Created using the Balmer formula:

<img class='mwe-math-fallback-image-inline tex' alt='\lambda\ = B\left(\frac{m^2}{m^2 - n^2}\right) =B\left(\frac{m^2}{m^2 - 2^2}\right)' src='//upload.wikimedia.org/math/5/2/0/520bc019d7bda6b91269248755d56696.png' />

Where

<img class='mwe-math-fallback-image-inline tex' alt='\lambda' src='//upload.wikimedia.org/math/e/0/5/e05a30d96800384dd38b22851322a6b5.png' /> is the wavelength.B is a constant with the value of 3.6456×10−7 m or 364.56 nm.n is equal to 2m is an integer such that m > n.

The lines <img class='mwe-math-fallback-image-inline tex' alt='m=3,4,5,6' src='//upload.wikimedia.org/math/7/0/f/70fc03e2de4fb35ff3c58b61a8e025ef.png' /> are plotted horizontally and coloured to match their respective wavelengths. Artistaoriginal:Merikanto

• Archivo:Energy_levels_of_hydrogen_atom.png Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/Energy_levels_of_hydrogen_atom.png Licencia: CC BY 2.5 Colaboradores: Trabajo propio Artista original: Created by Dorottya Szam

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20 16 TEXTO E IMÁGENES DE ORIGEN, COLABORADORES Y LICENCIAS

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16.3 Licencia de contenido• Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0