El hidrógeno es el elemento químico más abundante en el mundo, al constituir aproximadamente el 75% de la materia y es el más ligero de la tabla periódica de los elementos; su de número atómico es 1, representado por el símbolo H y con una masa atómica de 1,00797. En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e insípido, compuesto de moléculas diatómicas. Cabe destacar que es uno de los constituyentes principales del agua y está distribuido de manera amplia no sólo en la tierra sino en todo el universo.
El hidrógeno forma compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en la mayoría de los compuestos orgánicos. Tiene un papel particularmente importante en la química ácido-base, en la que muchas reacciones implican el intercambio de protones (iones hidrógeno, H+) entre moléculas solubles. Puesto que es el único átomo neutro para el que se puede resolver analíticamente la ecuación de Schrödinger, el estudio de la energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fundamental hasta el punto de haber desempeñado un papel principal en el desarrollo de la mecánica cuántica.
Se dice que debido sus distintas y variadas propiedades, el hidrógeno no se puede encuadrar claramente en ningún grupo de la tabla periódica, aunque muchas veces se sitúa en el grupo 1 por poseer un solo electrón en la capa de valencia o capa superior.
El hidrógeno en la Tabla Periódica
Nombre: Hidrógeno
Símbolo químico: H
Número atómico: 1
Serie química: No metales
Grupo: 1
Período: 1
Bloque: S
Electronegatividad: 2.20
Masa atómica: 1.00794
Configuración electrónica: 1s1
1. a energía de ionización: 1312.0
Radio medio: 25 pm
Radio atómico (calc): 53 pm (Radio Bohr)
Radio covalente: 37 pm
Radio de van der Waals: 120 pm
Estado(s) de oxidación: 1, -1
Estado Ordinario: Gas
Óxido: Anfótero
Punto de función: 14,025 k (-259 Grados Celsius)
Punto de ebullición: 20,268 k (-253 Grados Celsius)
Punto de inflamación: 255 k (-18 Grados Celsius)
Hidrógeno elemental
El hidrógeno elemental es relativamente raro 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 que se necesita. Los mayores mercados del mundo disfrutan de la utilización del hidrógeno para el mejoramiento de combustibles fósiles (en el proceso de hidrocraqueo) y en la producción de amoníaco (principalmente para el mercado de fertilizantes). El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.
Descubrimiento y etimología del hidrógeno
El hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue el primero producido artificialmente y formalmente descrito por T. von Hohenheim (más conocido como Paracelso), que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes. Paracelso no era consciente de que el gas inflamable generado en estas reacciones químicas estaba compuesto por un nuevo elemento químico. En 1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reacción que se producía entre limaduras de hierro y ácidos diluidos, lo que resulta en la producción de gas hidrógeno. 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 más profundamente, en 1781, que el gas produce agua cuando se quema. Generalmente, se le da el crédito por su descubrimiento como un elemento químico. En 1783 el nombre Hidrógeno fue bautizado por Antoine Lavoisier, proviene del latín hydrogenium, y este del griego antiguo ὕδωρ (hydro): ‘agua’ y γένος-ου(genos): ‘generador’; es decir, «productor de agua».
Lavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos sobre conservación de la masa haciendo reaccionar un flujo de vapor con hierro metálico a través de un tubo de hierro incandescente calentado al fuego. El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898 al usar refrigeración regenerativa, y su invención se aproxima mucho a lo que conocemos hoy en día como termo. Produjo hidrógeno sólido al año siguiente. El deuterio fue descubierto en diciembre de 1931 por Harold Urey, y el tritio fue preparado en 1934 por Ernest Rutherford, Marcus Oliphant, y Paul Harteck. El agua pesada, que tiene deuterio en lugar de hidrógeno regular en la molécula de agua, fue descubierta por el equipo de Urey en 1932.
François Isaac de Rivaz construyó el primer dispositivo de combustión interna propulsado por una mezcla de hidrógeno y oxígeno en 1806. Edward Daniel Clarke inventó el rebufo de gas de hidrógeno en 1819. La lámpara de Döbereiner y la Luminaria Drummond fueron inventadas en 1823.
El llenado del primer globo con gas hidrógeno fue documentado por Jacques Charles en 1783. El hidrógeno proveía el ascenso a la primera manera confiable de viajes aéreos después de la invención del primer dirigible de hidrógeno retirado en 1852 por Henri Giffard. El conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de utilizar el hidrógeno en dirigibles rígidos, que más tarde fueron llamados zepelines, el primero de los cuales tuvo su vuelo inaugural en 1900. Los vuelos normales comenzaron en 1910, y para el inicio de la Primera Guerra Mundial, en agosto de 1914, se había trasladado a 35 000 pasajeros sin ningún incidente grave. Los dirigibles elevados con hidrógeno se utilizan como plataformas de observación y bombarderos durante la guerra.
La primera travesía transatlántica sin escalas fue hecha por el dirigible británico R34 en 1919. A partir de 1928, con el Graf Zeppelin LZ 127, el servicio regular de pasajeros prosiguió hasta mediados de la década de 1930 sin ningún incidente. Con el descubrimiento de las reservas de otro tipo de gas ligero en los Estados Unidos, este proyecto debió ser modificado, ya que el otro elemento prometió más seguridad, pero el Gobierno de Estados Unidos se negó a vender el gas a tal efecto. Por lo tanto, el H2fue utilizado en el dirigible Hindenburg, que resultó destruido en un incidente en vuelo sobre Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937. El incidente fue transmitido en vivo por radio y filmado. El encendido de una fuga de hidrógeno se atribuyó como la causa del incidente, pero las investigaciones posteriores señalaron a la ignición del revestimiento de tejido aluminizado por la electricidad estática.
Abundancia en la naturaleza del hidrógeno
Como ya mencionado anteriormente, es el elemento más abundante del mundo, suponiendo más del 75 % en materia normal por 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 núcleos de hidrógeno.
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.
Aplicaciones y usos del hidrógeno
El hidrógeno es un elemento químico que tiene diversos usos y aplicaciones, a principios del siglo XX debido a su ligereza se utilizó para llenar los dirigibles y los globos aerostáticos, pero se produjeron muchos accidentes ya que el hidrógeno es un gas muy inflamable. Para evitar estos problemas se comenzó a usar helio que, aunque es más pesado que el hidrógeno, no es inflamable.
Cabe destacar que el hidrógeno líquido, junto con el oxígeno, se utiliza para la propulsión de cohetes espaciales y últimamente se empiezan a considerar sus grandes posibilidades como fuente de energía para el futuro ya que su combustión produce vapor de agua y, por lo tanto, no es contaminante.
El punto triple del hidrógeno (la temperatura a la que los 3 estados, solido, líquido y gaseoso están en equilibrio) puede utilizarse para calibrar algunos termómetros.
El hidrógeno se utiliza para el procesar combustibles fósiles; para la producir amoníaco y ácido clorhídrico, como un agente hidrogenaste para producir metanol y convertir aceites y grasas saturadas; para detectar fugas en los envases de los alimentos; como refrigerante para rotor de generadores eléctricos; en su estado gaseoso para reducir muchos minerales metálicos y como un gas de protección en la soldadura de hidrógeno atómico.
Incluso el hidrógeno puede ser utilizado para crear agua (una sustancia cuya molécula está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O)).
En la electrónica, el hidrógeno se utiliza como gas de barrido durante las fases de depósito de silicio o de producción de circuitos impresos.
Hay dos razones principales por las que es deseable sustituir los combustibles fósiles por el hidrógeno:
- La combustión del hidrógeno no contamina, sólo produce como subproducto agua (reacción 1), mientras que los combustibles fósiles producen CO2 (reacción 2) que queda en la atmósfera como contaminante y es uno de los mayores responsables de lo que se denomina "efecto invernadero".
- Las reservas de combustibles fósiles se agotarán tarde o temprano, mientras que el hidrógeno permanecerá inagotable.
Ventajas y desventajas de sus usos:
Ventajas
- No produce: contaminación ni consume recursos naturales, se toma del agua y luego se oxida y se devuelve en el agua. No hay productos secundarios ni tóxicos de ningún tipo que puedan producirse en este proceso.
- Seguridad: Es más seguro que el combustible que está siendo reemplazado. Además de disiparse rápidamente en la atmósfera si se fuga, no es tóxico.
- Alta eficiencia: las celdas de combustible convierten la energía química directamente a electricidad con mayor eficiencia que ningún otro sistema de energía.
- Funcionamiento silencioso: en funcionamiento normal, la celda de combustible es casi absolutamente silenciosa.
- Modularidad: se puede elaborar las celdas de combustible en cualquier tamaño, tan pequeñas como para impulsar una carretilla de Golf o tan grandes como para generar energía para una comunidad. Esta modularidad permite aumentar la energía de los sistemas según los crecimientos de la demanda energética, reduciendo drásticamente los costos iniciales.
- Como no es un combustible primario entonces se incurre en un gasto para la obtención.
- Requiere de sistemas de almacenamientos costosos y aun poco desarrollados.
- Elevado gasto de energía en la licuefacción.
- Elevado precio del hidrógeno puro.
¿Cómo se almacena el hidrógeno?
Una de las aplicaciones más importantes del hidrógeno es su uso como almacenamiento de energía, éste es un punto clave para su introducción en el mercado y uno de los principales valor y ventaja que tiene como vector energético.
El hidrógeno se caracteriza por tener una alta densidad energética por unidad de masa pero su mayor problema es que ocupa mucho volumen.
Por esta razón existen diferentes formas de almacenamiento en diferente grado de desarrollo, entre ellos:
- Gas comprimido: Es la técnica más utilizada para suministrar hidrógeno hasta presiones de 700 bar. Es una técnica de disponibilidad general y de bajo coste. Sólo se almacenan cantidades relativamente pequeñas de H2 a 200 bares; el almacenamiento a alta presión (700 bar) está aún en fase desarrollo.
- Hidrógeno Líquido: Tecnología muy empleada y bien conocida, consiguiendo una buena densidad de almacenamiento. Se requieren temperaturas muy bajas y por ello un aislamiento mayor de lo normal, por lo que su coste puede ser elevado.
- Hidruros metálicos: Es un sistema muy seguro ya que el hidrógeno se almacena sobre un sólido (metal). La forma de los depósitos de almacenamiento puede adaptarse a las necesidades de cada aplicación. Al utilizarse metales para fijar el gas, los pesos se elevan considerablemente y su vida útil puede ser menor. Actualmente es una tecnología algo más cara.
- Hidruros químicos: Las reacciones de formación de hidruros reversibles son bien conocidas. Son sistemas compactos con reducido tamaño y necesitan de infraestructuras especiales.
- Estructuras de carbono: Se están estudiando distintas estructuras con base de carbono, entre las que se encuentran los nanotubos, que permiten una elevada densidad de almacenamiento de hidrógeno, siendo, además, muy ligeras. Actualmente están en fase de investigación y desarrollo.
Preparación del hidrógeno
Existen muchos métodos para obtenerlo. Industrialmente se suele obtener a partir del agua, por electrólisis, o recuperándolo del gas natural.
Cuando se obtiene por electrólisis del agua es necesario que ésta contenga sales en disolución con el objeto de aumentar su conductividad eléctrica. En el electrodo negativo, cátodo, se descargan los iones hidronio H3O+ en forma de hidrógeno atómico combinándose inmediatamente entre sí para formar las moléculas H2 que forman burbujas y se desprenden. Simultáneamente, en el electrodo positivo (ánodo) se desprende oxígeno.
Para obtener hidrógeno a partir del gas natural se comprime éste para separar los hidrocarburos ligeros, se le somete a un proceso de desecación para eliminar el agua y se separan el azufre y el nitrógeno. La mezcla resultante se refrigera con nitrógeno líquido y por último se procede a la separación gaseosa del monóxido de carbono y el hidrógeno.
En los laboratorios, para obtener pequeñas cantidades de hidrógeno, se suele tratar cinc con ácido clorhídrico diluido, proceso en el que se forma cloruro de cinc y se desprende hidrógeno: 2HCl + Zn = ZnCl2 + H2
Efectos ambientales y sobre la salud del hidrogeno
Cualquier efecto del hidrógeno sobre plantas o animales será debido a los ambientes deficientes de oxígeno. No se anticipa que tenga efectos adversos sobre las plantas, aparte de la helada producida en presencia de los gases de expansión rápida.
En la vida acuática actualmente no se dispone de evidencia sobre el efecto del hidrógeno.
Peligros químicos y físicos
El calentamiento puede provocar combustión violenta o explosión. Reacciona violentamente con el aire, oxígeno, halógenos y oxidantes fuertes provocando riesgo de incendio y explosión. Los catalizadores metálicos, tales como platino y níquel, aumentan enormemente estas reacciones.
El gas se mezcla bien con el aire, se forman fácilmente mezclas explosivas. El gas es más ligero que el aire.
Elevadas concentraciones en el aire provocan una deficiencia de oxígeno con el riesgo de inconsciencia o muerte. Comprobar el contenido de oxígeno antes de entrar en la habitación. No hay advertencia de olor si hay concentraciones tóxicas presentes. Medir concentraciones de hidrógeno con un detector de gas adecuado (un detector normal de gas inflamable no es adecuado para este propósito).
Efectos de la exposición al hidrógeno: Fuego: Extremadamente inflamable. Muchas reacciones pueden causar fuego o explosión. Explosión: La mezcla del gas con el aire es explosiva. Vías de exposición: La sustancia puede ser absorbida por el cuerpo por inhalación. Inhalación: Altas concentraciones de este gas pueden causar un ambiente deficiente de oxígeno. Los individuos que respiran esta atmósfera pueden experimentar síntomas que incluyen dolores de cabeza, pitidos en los oídos, mareos, somnolencia, inconsciencia, náuseas, vómitos y depresión de todos los sentidos. La piel de una víctima puede presentar una coloración azul. Bajo algunas circunstancias se puede producir la muerte. No se supone que el hidrógeno cause mutagénesis, embriotoxicidad, teratogenicidad o toxicidad reproductiva. Las enfermedades respiratorias pre-existentes pueden ser agravadas por la sobreexposición al hidrógeno. Riesgo de inhalación: Si se producen pérdidas en su contenedor, se alcanza rápidamente una concentración peligrosa.
Moléculas diatómicas de hidrógeno
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 singlete.
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", H3+, se encuentra en 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 bajísima densidad. El H3+ es uno de los iones más abundantes del universo, y juega un papel notable en la química del medio interestelar.
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