Profundización

Elementos de la Tabla Periódica

 

Hidrógeno


Símbolo: H
Clasificación: No metal Grupo 1


Número Atómico: 1
Masa Atómica: 1,00794
Número de protones/electrones: 1
Número de neutrones (Isótopo 0-H): 0
Estructura electrónica: 1s1
Electrones en los niveles de energía: 1
Números de oxidación: -1, +1


Electronegatividad: 2,20
Energía de ionización (kJ.mol-1): 1310
Afinidad electrónica (kJ.mol-1): 73
Radio atómico (pm): 78
Radio iónico (pm) (carga del ion): 154 (-1), 0,00066 (+1)


Entalpía de fusión (kJ.mol-1): 0,06
Entalpía de vaporización (kJ.mol-1): 0,23


Punto de Fusión (ºC): -259,34
Punto de Ebullición (ºC): -252,87
Densidad (kg/m3): 0,08988; (0 ºC)
Volumen atómico (cm3/mol): 14,24
Estructura cristalina: Hexagonal
Color: Incoloro


Vida Media: Tiene dos isótopos naturales: 1-H (protio)(99,985%), 2-H (deuterio)(0,015%). Un isótopo inestable: 3-H (tritio) cuya vida media es de 12346 años. Se conocen otros tres isótopos inestables: 4-H, 5-H y 6-H.


Descubierto en: Londres, 1766
Descubierto por: Henry Cavendish
Fuentes: agua (electrólisis), petróleo, gas natural, coque.
Usos: Procesado de alimentos (hidrogenación de aceites), industria (reductor, síntesis de amoníaco (Proceso Haber), metanol, ácido clorhídrico y combinaciones orgánicas), combustible de cohetes. Soldadura autógena. Refrigerante en estado líquido. Células combustibles.

Aplicaciones

El hidrógeno reacciona con una gran variedad de elementos no metálicos. Se combina con nitrógeno en presencia de un catalizador formando amoníaco; con azufre formando sulfuro de hidrógeno; con cloro formando cloruro de hidrógeno y con oxígeno para formar agua. Para que se produzca la reacción entre oxígeno e hidrógeno a temperatura ambiente se necesita la presencia de un catalizador como el platino finamente dividido. Si se mezcla con aire u oxígeno y se prende, explota. También se combina con ciertos metales como sodio y litio, formando hidruros. Actúa como agente reductor de óxidos metálicos como el óxido de cobre, extrayendo el oxígeno y dejando el metal en estado puro. El hidrógeno reacciona con compuestos orgánicos insaturados formando los compuestos saturados correspondientes.

Se obtiene en el laboratorio por la acción de ácidos diluidos sobre los metales, como el cinc, y por electrólisis del agua. Industrialmente se producen grandes cantidades de hidrógeno a partir de los combustibles gaseosos. El hidrógeno se separa del vapor de agua, del gas natural y del gas de hulla, bien por licuación de los demás componentes del gas, bien por conversión catalítica del monóxido de carbono en dióxido de carbono, que resulta fácilmente extraíble.

El hidrógeno es un producto derivado importante en muchas reacciones de electrólisis (véase Electroquímica). Se emplean grandes cantidades de hidrógeno en la elaboración del amoníaco y en la síntesis de alcohol metílico. La hidrogenación de aceites para producir grasas comestibles, la de la hulla para producir petróleo sintético, y la que tiene lugar en el refinado del petróleo, requieren grandes cantidades de hidrógeno.

Es el gas menos pesado que existe y se ha utilizado para inflar globos y dirigibles. Sin embargo, arde fácilmente y varios dirigibles, como el Hindenburg, acabaron destruidos por incendios. El helio, que tiene un 92% de la capacidad de elevación del hidrógeno, y además no es inflamable, se emplea en su lugar siempre que es posible. Normalmente se almacena el hidrógeno en cilindros de acero bajo presiones de 120 a 150 atmósferas. También se usa el hidrógeno en sopletes para corte, fusión y soldadura de metales.

Propiedades y estado natural

Como la mayoría de los elementos gaseosos, el hidrógeno es diatómico (sus moléculas contienen dos átomos), pero a altas temperaturas se disocia en átomos libres. Sus puntos de ebullición y fusión son los más bajos de todas las sustancias, a excepción del helio. Su punto de fusión es de -259,2 °C y su punto de ebullición de -252,77 °C. A 0 °C y bajo 1 atmósfera de presión tiene una densidad de 0,089 g/l. Su masa atómica es 1,007. El hidrógeno líquido, obtenido por primera vez por el químico británico James Dewar en 1898 (véase Criogenia), es incoloro (excepto en capas gruesas, que tienen un aspecto azul pálido) y tiene una densidad relativa de 0,070. Si se deja evaporar rápidamente bajo poca presión se congela transformándose en un sólido incoloro.

El hidrógeno es una mezcla de dos formas diferentes, ortohidrógeno (los núcleos giran en paralelo) y parahidrógeno (los núcleos no giran en paralelo). El hidrógeno ordinario está compuesto de unas tres cuartas partes de ortohidrógeno y una cuarta parte de parahidrógeno. Los puntos de ebullición y fusión de ambas formas difieren ligeramente de los del hidrógeno ordinario. El hidrógeno puro puede obtenerse por adsorción del hidrógeno ordinario en carbón a una temperatura de -225 °C.

Se sabe que el hidrógeno tiene tres isótopos. El núcleo de cada átomo de hidrógeno ordinario está compuesto de un protón. El deuterio, que está presente en la naturaleza en una proporción de 0,02%, contiene un protón y un neutrón en el núcleo de cada átomo y tiene una masa atómica de dos. El tritio, un isótopo radiactivo e inestable, contiene un protón y dos neutrones en el núcleo de cada átomo y tiene una masa atómica de tres.

El hidrógeno en estado libre sólo se encuentra en muy pequeñas cantidades en la atmósfera, aunque en el espacio interestelar abunda en el Sol y otras estrellas, siendo de hecho el elemento más común en el Universo. En combinación con otros elementos se encuentra ampliamente distribuido en la Tierra, en donde el compuesto más abundante e importante del hidrógeno es el agua, H2O. El hidrógeno se halla en todos los componentes de la materia viva y de muchos minerales. También es parte esencial de todos los hidrocarburos y de una gran variedad de otras sustancias orgánicas. Todos los ácidos contienen hidrógeno; una de las características que define a los ácidos es su disociación en una disolución, produciendo iones hidrógeno (véase Ácidos y bases).


Curiosidades sobre el elemento: El hidrógeno se preparaba muchos años antes de que Cavendish lo reconociera como sustancia en 1776. El nombre se lo dió Lavoisier. Es elemento más ligero y abundante del Universo (más del 90% de los átomos y 3/4 partes de la masa total). Se formó pocos segundos después del "Big Bang" que se cree que fue el comienzo del universo. Se encuentra en el Sol y la mayoría de las estrellas y juega un importante papel en la reacción protón-protón y el ciclo del carbono-nitrógeno que aporta la energía del Sol y las estrellas y que forma (junto con el helio) elementos más pesados. Se piensa que es el componente principal de Júpiter y que en las profundidades del planeta la presión es tan grande que el hidrógeno sólido molecular está como hidrógeno metálico sólido. En la corteza terrestre existe en una proporción del 0,14% en peso. En 1973, científicos rusos obtuvieron hidrógeno metálico a 2,8 Mbar y 20 K. En el punto de transición, la densidad cambia de 1,08 a 1,3 g/cm3. En 1972, un grupo americano (Livermore, California) informó de un experimento similar en el que se lograba la transición a 2 Mbar. Este hidrógeno metálico puede ser metaestable. Podría ser superconductor a temperatura ambiente. En la Tierra se encuentra unido con el oxígeno formando agua y en los seres vivos. También se encuentra en el petróleo, carbón, gas natural,..... En la atmósfera hay menos de 1 ppm (en volumen), ya que la molécula H2 es tan ligera que escapa al espacio exterior.
El hidrógeno se prepara mediante:

Radiosonda

Elemento llevado a la atmósfera a través de un globo inflado por hidrógeno u otro gas liviano. Está provisto de dispositivos (sensores) que permiten determinar uno o varios parámetros meteorológicos (presión, temperatura, humedad y viento) y que, además, cuenta con un sistema de transmisión a un equipo ubicado en tierra.

Es un gas incoloro, inodoro e insípido. Poco soluble en agua (2,5 volúmenes/%): la molécula de hidrógeno es muy apolar. Se absorbe muy bien por los metales: el paladio absorbe hasta 850 veces su volumen de hidrógeno. El hidrógeno gas difunde fácilmente a través de los metales y del cuarzo. Es relativamente inerte, pero con un ligero aporte energético se disocia y el hidrógeno monoatómico resultante es muy reactivo: con el oxígeno lo hace de forma explosiva y llama azul pálida. Reacciona con otros muchos elementos: metales alcalinos, alcalinotérreos (excepto berilio), algunos metales del grupo d para formar hidruros metálicos; con los del grupo del nitrógeno forma amoníaco, fosfina,...; con los halógenos forma los halogenuros de hidrógeno,...

Es un reductor poderoso, que se utiliza para la obtención de metales a partir de sus óxidos o sulfuros disueltos en ácido sulfúrico y haciendo burbujear el gas: extracción hidrometalúrgica que consume aproximadamente 1/3 del hidrógeno producido y que sirve para obtener de cobre y otros metales.

El coste de producción de hidrógeno es superior al de los combustibles fósiles, pero en el futuro se podrían construir plantas productoras en las costas desde donde se trasladaría mediante "hidrógenoductos" a los lugares de consumo. Otras opciones para almacenamiento y transporte de hidrógeno es el empleo de hidruros salinos (compuestos de hidrógeno y un metal muy electropositivo, de los grupos s del Sistema Periódico menos berilio, que reducen el agua produciendo el hidrógeno) o hidruros metálicos (hidruros, intersticiales, conductores, de ciertos metales de la zona d del Sistema Periódico, que al ser calentados o tratados con un ácido liberan hidrógeno). La combustión del hidrógeno produce agua. Así se eliminarían los efectos contaminantes de las gasolinas, gas, etc., y, además, tiene la mayor entalpía específica de todos los combustibles conocidos.

El hidrógeno gas normal, en condiciones ordinarias, es una mezcla de dos clases de moléculas, orto y para-hidrógeno, que se diferencian en los espines de sus electrones y núcleos: paralelos (orto) y opuestos (para). A temperatura ambiente el 25% del hidrógeno es la forma para y al subir la temperatura esta forma aumenta su porcentaje. La forma orto no puede prepararse pura. Puesto que las dos formas se diferencian energéticamente, las propiedades físicas son algo diferentes: los puntos de fusión y ebullición del para-hidrógeno son, aproximadamente, 0,1ºC menores que los del hidrógeno normal.
El hidrógeno líquido (densidad = 70,8 g/cm3 en el punto de ebullición) se emplea como refrigerante y en estudios de superconductividad y combustible.

En estado gaseoso fundamentalmente se emplea en la síntesis de amoníaco (Proceso Haber), sustancia de partida para la producción de compuestos nitrogenados, y en la síntesis de otras sustancias: metanol, ácido clorhídrico y otras sustancias y en la hidrogenación de sustancias orgánicas (grasas y aceites), hidrodesalquilación, hidrocraqueo e hidrodesulfurización. Otros usos incluyen combustible de cohetes, soldadura, llenado de globos, células combustibles.

Es el único elemento cuyos isótopos reciben nombres diferentes: Protio (1-H), Deuterio (2-H) y Tritio (3-H). El protio es el isótopo normal. El tritio, fácilmente producido en los reactores nucleares, se usa en la bomba de hidrógeno. También se usa como agente radiactivo en la fabricación de pinturas luminosas y como trazador. El deuterio, como D2O (agua pesada) es un moderador de neutrones lentos; hay 1 átomo de deuterio por cada 6000 átomos de protio. Deuterio y tritio se usan como combustibles en reactores de fusión.