Hidrógeno

El hidrógeno es el elemento químico de símbolo H y número atómico 1. El hidrógeno es el elemento más ligero. En condiciones estándar, el hidrógeno es un gas de moléculas diatómicas que tienen la fórmula H ₂. Es incoloro, inodoro, insípido, no tóxico y altamente combustible. El hidrógeno es la sustancia química más abundante en el universo y constituye aproximadamente el 75% de toda la materia normal. Estrellas como el Sol están compuestas principalmente de hidrógeno en estado de plasma. La mayor parte del hidrógeno en la Tierra existe en formas moleculares como el agua y los compuestos orgánicos. Para el isótopo más común de hidrógeno (símbolo H), cada átomo tiene un protón, un electrón y ningún neutrón.

En el universo primitivo, la formación de protones, los núcleos de hidrógeno, ocurrió durante el primer segundo después del Big Bang. La aparición de átomos de hidrógeno neutro en todo el universo se produjo unos 370.000 años después, durante la época de la recombinación, cuando el plasma se había enfriado lo suficiente como para que los electrones permanecieran unidos a los protones.

El hidrógeno no es metálico, excepto a presiones extremadamente altas, y forma fácilmente un enlace covalente simple con la mayoría de los elementos no metálicos, formando compuestos como el agua y casi todos los compuestos orgánicos. El hidrógeno juega un papel particularmente importante en las reacciones ácido-base porque estas reacciones generalmente involucran el intercambio de protones entre moléculas solubles. En los compuestos iónicos, el hidrógeno puede tomar la forma de una carga negativa (es decir, un anión) donde se conoce como hidruro, o como una especie cargada positivamente (es decir, un catión) indicada por el símbolo H. El catión H es simplemente un protón (símbolo p) pero su comportamiento en soluciones acuosas y en compuestos iónicos implica la detección de su carga eléctrica por moléculas polares cercanas o aniones. Dado que el hidrógeno es el único átomo neutro para el que se puede resolver analíticamente la ecuación de Schrödinger, el estudio de su enlace energético y químico ha jugado un papel clave en el desarrollo de la mecánica cuántica.

El gas hidrógeno se produjo artificialmente por primera vez a principios del siglo XVI mediante la reacción de ácidos sobre metales. En 1766-1781, Henry Cavendish fue el primero en reconocer que el gas hidrógeno era una sustancia discreta y que produce agua cuando se quema, propiedad por la que más tarde se le nombró: en griego, hidrógeno significa "formador de agua".

La producción industrial proviene principalmente del reformado con vapor de gas natural, reformado de petróleo o gasificación de carbón. Un pequeño porcentaje también se produce utilizando métodos más intensivos en energía, como la electrólisis del agua. La mayor parte del hidrógeno se usa cerca del sitio de su producción, siendo los dos usos más importantes el procesamiento de combustibles fósiles (por ejemplo, hidrocraqueo) y la producción de amoníaco, principalmente para el mercado de fertilizantes. El hidrógeno es problemático en la metalurgia porque puede fragilizar muchos metales, lo que complica el diseño de tuberías y tanques de almacenamiento.

Propiedades

Combustión

El gas hidrógeno (dihidrógeno o hidrógeno molecular) es altamente inflamable:2 H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2 H ₂ O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

La entalpía de combustión es −286 kJ/mol.

El gas hidrógeno forma mezclas explosivas con el aire en concentraciones de 4 a 74 % y con cloro a 5 a 95 %. Las reacciones explosivas pueden desencadenarse por chispas, calor o luz solar. La temperatura de autoignición del hidrógeno, la temperatura de ignición espontánea en el aire, es de 500 °C (932 °F).

Fuego

Las llamas de hidrógeno-oxígeno puro emiten luz ultravioleta y, con una mezcla alta de oxígeno, son casi invisibles a simple vista, como lo ilustra la débil columna del motor principal del transbordador espacial, en comparación con la columna altamente visible de un propulsor de cohetes sólidos del transbordador espacial, que utiliza un compuesto de perclorato de amonio. La detección de una fuga de hidrógeno en llamas puede requerir un detector de llamas; tales fugas pueden ser muy peligrosas. Las llamas de hidrógeno en otras condiciones son azules, parecidas a las llamas azules de gas natural. La destrucción del dirigible Hindenburg fue un ejemplo notorio de combustión de hidrógeno y la causa aún se debate. Las llamas visibles en las fotografías fueron el resultado de compuestos de carbono en la piel de la aeronave quemándose.

Reactivos

El H ₂ no es reactivo en comparación con elementos diatómicos como los halógenos o el oxígeno. La base termodinámica de esta baja reactividad es el enlace HH muy fuerte, con una energía de disociación de enlace de 435,7 kJ/mol. La base cinética de la baja reactividad es la naturaleza no polar del H ₂ y su débil polarizabilidad. Reacciona espontáneamente con cloro y flúor para formar cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno, respectivamente. La reactividad del H ₂ se ve fuertemente afectada por la presencia de catalizadores metálicos. Así, mientras que las mezclas de H ₂ con O ₂ o aire se queman fácilmente cuando se calientan a por lo menos 500 C por una chispa o llama, no reaccionan a temperatura ambiente en ausencia de un catalizador.

Niveles de energía de electrones

El nivel de energía del estado fundamental del electrón en un átomo de hidrógeno es −13,6 eV, lo que equivale a un fotón ultravioleta de aproximadamente 91 nm de longitud de onda.

Los niveles de energía del hidrógeno se pueden calcular con bastante precisión utilizando el modelo de Bohr del átomo, que conceptualiza el electrón como "orbitando" al protón en analogía con la órbita de la Tierra del Sol. Sin embargo, el electrón y el protón atómico se mantienen unidos por la fuerza electromagnética, mientras que los planetas y los objetos celestes se mantienen unidos por la gravedad. Debido a la discretización del momento angular postulada por Bohr en la mecánica cuántica temprana, el electrón en el modelo de Bohr solo puede ocupar ciertas distancias permitidas del protón y, por lo tanto, solo ciertas energías permitidas.

Una descripción más precisa del átomo de hidrógeno proviene de un tratamiento puramente mecánico cuántico que utiliza la ecuación de Schrödinger, la ecuación de Dirac o la formulación integral de trayectoria de Feynman para calcular la densidad de probabilidad del electrón alrededor del protón. Los tratamientos más complicados permiten los pequeños efectos de la relatividad especial y la polarización del vacío. En el tratamiento de la mecánica cuántica, el electrón en un átomo de hidrógeno en estado fundamental no tiene ningún momento angular, lo que ilustra cómo la "órbita planetaria" difiere del movimiento de los electrones.

Isómeros de espín

El H ₂ molecular existe como dos isómeros de espín, es decir, compuestos que difieren únicamente en los estados de espín de sus núcleos. En la forma de ortohidrógeno, los espines de los dos núcleos son paralelos, formando un estado triplete de espín que tiene un espín molecular total ; en la forma de parahidrógeno, los espines son antiparalelos y forman un estado de espín singulete que tiene espín . La relación de equilibrio de orto- a para-hidrógeno depende de la temperatura. A temperatura ambiente o más cálida, el hidrógeno gaseoso en equilibrio contiene alrededor del 25 % de la forma para y el 75 % de la forma orto. La forma orto es un estado excitado, con mayor energía que la forma para en 1.455 kJ/mol,y se convierte a la forma para en el transcurso de varios minutos cuando se enfría a baja temperatura. Las propiedades térmicas de las formas difieren porque difieren en sus estados cuánticos rotacionales permitidos, lo que da como resultado diferentes propiedades térmicas, como la capacidad calorífica.

La relación orto a para en H ₂ es una consideración importante en la licuefacción y almacenamiento de hidrógeno líquido: la conversión de orto a para es exotérmica y produce suficiente calor para evaporar la mayor parte del líquido si no se convierte primero en parahidrógeno durante el proceso. proceso de enfriamiento Los catalizadores para la interconversión orto-para, como el óxido férrico y los compuestos de carbón activado, se utilizan durante el enfriamiento con hidrógeno para evitar esta pérdida de líquido.

Etapas

• Hidrógeno gaseoso
• Hidrógeno líquido
• aguanieve de hidrógeno
• Hidrógeno sólido
• Hidrógeno metálico
• Hidrógeno plasmático

Compuestos

Compuestos orgánicos y covalentes

Si bien el H ₂ no es muy reactivo en condiciones estándar, forma compuestos con la mayoría de los elementos. El hidrógeno puede formar compuestos con elementos más electronegativos, como los halógenos (F, Cl, Br, I) o el oxígeno; en estos compuestos el hidrógeno adquiere una carga positiva parcial. Cuando se une a un elemento más electronegativo, particularmente flúor, oxígeno o nitrógeno, el hidrógeno puede participar en una forma de enlace no covalente de fuerza media con otro elemento electronegativo con un par solitario, un fenómeno llamado enlace de hidrógeno que es crítico para la estabilidad de muchos moléculas biológicas. El hidrógeno también forma compuestos con elementos menos electronegativos, como metales y metaloides, donde adquiere una carga negativa parcial. Estos compuestos a menudo se conocen como hidruros.

El hidrógeno forma una gran variedad de compuestos con el carbono llamados hidrocarburos, y una variedad aún mayor con los heteroátomos que, debido a su asociación general con los seres vivos, se denominan compuestos orgánicos. El estudio de sus propiedades se conoce como química orgánica y su estudio en el contexto de los organismos vivos se conoce como bioquímica. Según algunas definiciones, solo se requiere que los compuestos "orgánicos" contengan carbono. Sin embargo, la mayoría de ellos también contienen hidrógeno, y debido a que es el enlace carbono-hidrógeno el que le da a esta clase de compuestos la mayoría de sus características químicas particulares, los enlaces carbono-hidrógeno son necesarios en algunas definiciones de la palabra "orgánico" en química.Se conocen millones de hidrocarburos, y generalmente se forman por vías complicadas que rara vez involucran hidrógeno elemental.

El hidrógeno es altamente soluble en muchas tierras raras y metales de transición y es soluble tanto en metales nanocristalinos como amorfos. La solubilidad del hidrógeno en los metales está influenciada por distorsiones locales o impurezas en la red cristalina. Estas propiedades pueden ser útiles cuando el hidrógeno se purifica al pasar por discos de paladio calientes, pero la alta solubilidad del gas es un problema metalúrgico que contribuye a la fragilización de muchos metales y complica el diseño de tuberías y tanques de almacenamiento.

Hidruros

Los compuestos de hidrógeno a menudo se denominan hidruros, un término que se usa de manera bastante vaga. El término "hidruro" sugiere que el átomo de H ha adquirido un carácter negativo o aniónico, denominado H, y se usa cuando el hidrógeno forma un compuesto con un elemento más electropositivo. La existencia del anión hidruro, sugerido por Gilbert N. Lewis en 1916 para los hidruros salinos de los grupos 1 y 2, fue demostrada por Moers en 1920 mediante la electrólisis del hidruro de litio fundido (LiH), produciendo una cantidad estequiométrica de hidrógeno en el ánodo. Para hidruros que no sean metales del grupo 1 y 2, el término es bastante engañoso, considerando la baja electronegatividad del hidrógeno. Una excepción en el grupo 2 de hidruros es BeH₂, que es polimérico. En hidruro de litio y aluminio, el AlH₄el anión lleva centros hídricos firmemente unidos al Al(III).

Aunque se pueden formar hidruros con casi todos los elementos del grupo principal, el número y combinación de posibles compuestos varía ampliamente; por ejemplo, se conocen más de 100 hidruros de borano binarios, pero solo un hidruro de aluminio binario. Aún no se ha identificado el hidruro de indio binario, aunque existen complejos más grandes.

En química inorgánica, los hidruros también pueden servir como ligandos puente que unen dos centros metálicos en un complejo de coordinación. Esta función es particularmente común en los elementos del grupo 13, especialmente en los boranos (hidruros de boro) y los complejos de aluminio, así como en los carboranos agrupados.

Protones y ácidos

La oxidación del hidrógeno elimina su electrón y da H, que no contiene electrones y un núcleo que generalmente se compone de un protón. Por eso H.a menudo se llama un protón. Esta especie es fundamental para la discusión de los ácidos. Según la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry, los ácidos son donantes de protones, mientras que las bases son aceptores de protones.

Un protón desnudo, H, no puede existir en solución o en cristales iónicos debido a su imparable atracción hacia otros átomos o moléculas con electrones. Excepto a las altas temperaturas asociadas con los plasmas, estos protones no pueden eliminarse de las nubes de electrones de los átomos y las moléculas, y permanecerán adheridos a ellas. Sin embargo, el término 'protón' a veces se usa de forma vaga y metafórica para referirse al hidrógeno cargado positivamente o catiónico unido a otras especies de esta manera, y como tal se denota " H"sin ninguna implicación de que ningún protón individual exista libremente como especie.

Para evitar la implicación del "protón solvatado" desnudo en la solución, a veces se considera que las soluciones acuosas ácidas contienen una especie ficticia menos improbable, denominada "ion hidronio" (H₃O). Sin embargo, incluso en este caso, dichos cationes de hidrógeno solvatados se conciben de manera más realista como organizados en grupos que forman especies más cercanas a H₉O₄. Otros iones de oxonio se encuentran cuando el agua está en solución ácida con otros solventes.

Aunque exótico en la Tierra, uno de los iones más comunes en el universo es el H₃ion, conocido como hidrógeno molecular protonado o catión trihidrógeno.

Isótopos

El hidrógeno tiene tres isótopos naturales, denotadosH,H yH. _ Otros núcleos altamente inestables (h aH) se han sintetizado en el laboratorio pero no se han observado en la naturaleza.

• H es el isótopo de hidrógeno más común, con una abundancia de más del 99,98%. Debido a que el núcleo de este isótopo consta de un solo protón, se le da el nombre formal protium descriptivo pero rara vez utilizado. Es único entre todos los isótopos estables por no tener neutrones; vea diproton para una discusión de por qué otros no existen.
• H, el otro isótopo de hidrógeno estable, se conoce como deuterio y contiene un protón y un neutrón en el núcleo. Se cree que todo el deuterio del universo se produjo en la época del Big Bang y ha perdurado desde entonces. El deuterio no es radiactivo y no representa un peligro de toxicidad significativo. El agua enriquecida en moléculas que incluyen deuterio en lugar de hidrógeno normal se denomina agua pesada. El deuterio y sus compuestos se utilizan como marcador no radiactivo en experimentos químicos y en disolventes paraEspectroscopía de H -NMR. El agua pesada se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante para reactores nucleares. El deuterio también es un combustible potencial para la fusión nuclear comercial.
• H se conoce como tritio y contiene un protón y dos neutrones en su núcleo. Es radiactivo, se descompone en helio-3 a través de la desintegración beta con una vida media de 12,32 años. Es tan radiactivo que puede usarse en pintura luminosa, lo que lo hace útil en cosas como relojes. El vidrio evita que salga la pequeña cantidad de radiación. Pequeñas cantidades de tritio se producen naturalmente por la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos; el tritio también se ha liberado durante las pruebas de armas nucleares. Se utiliza en reacciones de fusión nuclear,como trazador en geoquímica de isótoposy en dispositivos de iluminación autoalimentados especializados. El tritio también se ha utilizado en experimentos de marcado químico y biológico como radiomarcador.

Único entre los elementos, se asignan nombres distintos a sus isótopos de uso común en la actualidad. Durante los primeros estudios de la radiactividad, varios isótopos radiactivos pesados ​​recibieron sus propios nombres, pero tales nombres ya no se usan, excepto el deuterio y el tritio. Los símbolos D y T (en lugar deH yH) a veces se usan para deuterio y tritio, pero el símbolo P ya se usa para fósforo y, por lo tanto, no está disponible para protio. En sus pautas de nomenclatura, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) permite cualquiera de D, T,H, yH para ser utilizado, aunqueH ySe prefieren H.

El exótico átomo muonio (símbolo Mu), compuesto por un antimuón y un electrón, también puede considerarse un radioisótopo ligero de hidrógeno. Porque los muones se descomponen con la vida2,2 µs, el muonio es demasiado inestable para exhibir una química observable. No obstante, los compuestos de muonio son casos de prueba importantes para la simulación cuántica, debido a la diferencia de masa entre el antimuón y el protón, y la nomenclatura de la IUPAC incorpora compuestos hipotéticos como el cloruro de muonio (MuCl) y el muonuro de sodio (NaMu), análogos al cloruro de hidrógeno y al sodio. hidruro respectivamente.

Historia

Descubrimiento y uso

En 1671, Robert Boyle descubrió y describió la reacción entre las limaduras de hierro y los ácidos diluidos, que da como resultado la producción de hidrógeno gaseoso. En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el gas de hidrógeno como una sustancia discreta, nombrando al gas de una reacción metal-ácido "aire inflamable". Especuló que el "aire inflamable" era de hecho idéntico a la sustancia hipotética llamada "flogisto" y descubrió en 1781 que el gas produce agua cuando se quema. Por lo general, se le atribuye el mérito del descubrimiento del hidrógeno como elemento. En 1783, Antoine Lavoisier le dio al elemento el nombre de hidrógeno (del griego ὑδρο- hydro que significa "agua" y -γενής genes que significa "antiguo").cuando él y Laplace reprodujeron el hallazgo de Cavendish de que se produce agua cuando se quema hidrógeno.

Lavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos sobre la conservación de la masa haciendo reaccionar un flujo de vapor con hierro metálico a través de un tubo de hierro incandescente calentado al fuego. La oxidación anaerobia del hierro por los protones del agua a alta temperatura se puede representar esquemáticamente mediante el conjunto de reacciones siguientes:1) Fe + H2O _→ FeO + _H22) Fe + 3 H ₂ O → Fe ₂ O ₃ + 3 H ₂3) Fe + 4 H ₂ O → Fe ₃ O ₄ + 4 H ₂

Muchos metales, como el circonio, experimentan una reacción similar con el agua que conduce a la producción de hidrógeno.

El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898 mediante el uso de refrigeración regenerativa y su invención, el matraz de vacío. 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, Mark Oliphant y Paul Harteck. El agua pesada, que consiste en deuterio en lugar de hidrógeno regular, fue descubierta por el grupo de Urey en 1932. François Isaac de Rivaz construyó el primer motor de Rivaz, un motor de combustión interna impulsado por una mezcla de hidrógeno y oxígeno en 1806. Edward Daniel Clarke inventó la cerbatana de gas hidrógeno en 1819. La lámpara y el centro de atención de Döbereiner se inventaron en 1823.

El primer globo lleno de hidrógeno fue inventado por Jacques Charles en 1783. El hidrógeno proporcionó el impulso para la primera forma confiable de transporte aéreo después de la invención en 1852 de la primera aeronave impulsada por hidrógeno por Henri Giffard. El conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de los dirigibles rígidos levantados por hidrógeno que luego se llamaron Zeppelins; el primero de los cuales tuvo su vuelo inaugural en 1900. Los vuelos regulares comenzaron en 1910 y al estallar la Primera Guerra Mundial en agosto de 1914, habían transportado 35.000 pasajeros sin incidentes graves. Las aeronaves impulsadas por hidrógeno se utilizaron como plataformas de observación y bombarderos durante la guerra.

La primera travesía transatlántica sin escalas la realizó el dirigible británico R34 en 1919. El servicio regular de pasajeros se reanudó en la década de 1920 y el descubrimiento de reservas de helio en los Estados Unidos prometió una mayor seguridad, pero el gobierno de los EE. UU. se negó a vender el gas para este fin.. Por lo tanto, se usó H _{2 en el dirigible} Hindenburg, que fue destruido en un incendio en el aire sobre Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937.El incidente fue transmitido en vivo por radio y filmado. Se supone ampliamente que la ignición de la fuga de hidrógeno es la causa, pero investigaciones posteriores apuntaron a la ignición del revestimiento de tela aluminizado por la electricidad estática. Pero el daño a la reputación del hidrógeno como gas elevador ya estaba hecho y cesaron los viajes comerciales en dirigibles de hidrógeno. El hidrógeno todavía se usa, con preferencia al helio no inflamable pero más caro, como gas de elevación para globos meteorológicos.

En el mismo año, el primer turbogenerador enfriado por hidrógeno entró en servicio con hidrógeno gaseoso como refrigerante en el rotor y el estator en 1937 en Dayton, Ohio, por Dayton Power & Light Co.; Debido a la conductividad térmica y a la muy baja viscosidad del hidrógeno gaseoso, por lo tanto, menor arrastre que el aire, este es el tipo más común en su campo hoy en día para generadores grandes (típicamente de 60 MW y más grandes; los generadores más pequeños generalmente se enfrían con aire).

La batería de hidrógeno de níquel se usó por primera vez en 1977 a bordo del satélite de tecnología de navegación 2 (NTS-2) de la Marina de los EE. UU. Por ejemplo, la ISS, Mars Odyssey y Mars Global Surveyor están equipadas con baterías de níquel-hidrógeno. En la parte oscura de su órbita, el telescopio espacial Hubble también funciona con baterías de níquel-hidrógeno, que finalmente se reemplazaron en mayo de 2009, más de 19 años después del lanzamiento y 13 años después de su vida útil prevista.

Papel en la teoría cuántica

Debido a su estructura atómica simple, que consta únicamente de un protón y un electrón, el átomo de hidrógeno, junto con el espectro de luz que produce o absorbe, ha sido fundamental para el desarrollo de la teoría de la estructura atómica. Además, estudio de la correspondiente simplicidad de la molécula de hidrógeno y del correspondiente catión H₂trajo la comprensión de la naturaleza del enlace químico, que siguió poco después de que se desarrollara el tratamiento mecánico cuántico del átomo de hidrógeno a mediados de la década de 1920.

Uno de los primeros efectos cuánticos que se notó explícitamente (pero no se entendió en ese momento) fue una observación de Maxwell que involucraba hidrógeno, medio siglo antes de que llegara la teoría mecánica cuántica completa. Maxwell observó que la capacidad calorífica específica del H ₂ se aleja inexplicablemente de la de un gas diatómico por debajo de la temperatura ambiente y comienza a parecerse cada vez más a la de un gas monoatómico a temperaturas criogénicas. De acuerdo con la teoría cuántica, este comportamiento surge del espaciamiento de los niveles de energía rotacional (cuantificados), que están particularmente espaciados en H ₂por su poca masa. Estos niveles ampliamente espaciados inhiben la distribución equitativa de la energía térmica en el movimiento de rotación en el hidrógeno a bajas temperaturas. Los gases diatómicos compuestos por átomos más pesados ​​no tienen niveles tan espaciados y no exhiben el mismo efecto.

Antihidrógeno (H) es la contraparte de antimateria del hidrógeno. Consiste en un antiprotón con un positrón. El antihidrógeno es el único tipo de átomo de antimateria que se ha producido a partir de 2015.

Prevalencia y distribución cósmica

El hidrógeno, como H atómico, es el elemento químico más abundante en el universo, y constituye el 75 por ciento de la materia normal en masa y más del 90 por ciento en número de átomos. (Sin embargo, la mayor parte de la masa del universo no está en forma de materia del tipo de elemento químico, sino que se postula que se presenta como formas de masa aún no detectadas, como la materia oscura y la energía oscura). Este elemento se encuentra en gran abundancia en estrellas y planetas gigantes gaseosos. Las nubes moleculares de H ₂ están asociadas con la formación de estrellas. El hidrógeno juega un papel vital en el suministro de energía a las estrellas a través de la reacción protón-protón en el caso de estrellas con muy poca o aproximadamente 1 masa del Sol y el ciclo CNO de fusión nuclear en el caso de estrellas más masivas que nuestro Sol.

Estados

En todo el universo, el hidrógeno se encuentra principalmente en los estados atómico y de plasma, con propiedades muy distintas de las del hidrógeno molecular. Como plasma, el electrón y el protón del hidrógeno no están unidos entre sí, lo que da como resultado una conductividad eléctrica y una emisividad muy altas (que producen la luz del Sol y otras estrellas). Las partículas cargadas están altamente influenciadas por campos magnéticos y eléctricos. Por ejemplo, en el viento solar interactúan con la magnetosfera terrestre dando lugar a las corrientes de Birkeland y la aurora.

El hidrógeno se encuentra en el estado atómico neutral en el medio interestelar porque los átomos rara vez chocan y se combinan. Son la fuente de la línea de hidrógeno de 21 cm a 1420 MHz que se detecta para sondear el hidrógeno primordial. Se cree que la gran cantidad de hidrógeno neutro que se encuentra en los sistemas Lyman-alfa amortiguados domina la densidad bariónica cosmológica del universo hasta un corrimiento al rojo de z = 4.

Bajo condiciones ordinarias en la Tierra, el hidrógeno elemental existe como gas diatómico, H ₂. El gas hidrógeno es muy raro en la atmósfera terrestre (1 ppm por volumen) debido a su peso ligero, lo que le permite escapar de la atmósfera más rápidamente que los gases más pesados. Sin embargo, el hidrógeno es el tercer elemento más abundante en la superficie terrestre, principalmente en forma de compuestos químicos como hidrocarburos y agua.

Una forma molecular llamada hidrógeno molecular protonado (H₃) se encuentra en el medio interestelar, donde se genera por ionización del hidrógeno molecular de los rayos cósmicos. Este ion también se ha observado en la atmósfera superior del planeta Júpiter. El ion es relativamente estable en el entorno del espacio exterior debido a la baja temperatura y densidad. H₃es uno de los iones más abundantes del universo y juega un papel destacado en la química del medio interestelar. El hidrógeno triatómico neutro H ₃ solo puede existir en forma excitada y es inestable. Por el contrario, el ion molecular de hidrógeno positivo (H₂) es una molécula rara en el universo.

Producción

H₂se produce en laboratorios de química y biología, a menudo como subproducto de otras reacciones; en la industria para la hidrogenación de sustratos insaturados; y en la naturaleza como un medio para expulsar equivalentes reductores en reacciones bioquímicas.

Electrólisis del agua

La electrólisis del agua es un método simple para producir hidrógeno. Se hace correr una corriente a través del agua y se forma oxígeno gaseoso en el ánodo mientras que se forma hidrógeno gaseoso en el cátodo. Por lo general, el cátodo está hecho de platino u otro metal inerte cuando se produce hidrógeno para almacenamiento. Sin embargo, si el gas se va a quemar en el sitio, es deseable que el oxígeno ayude a la combustión, por lo que ambos electrodos estarían hechos de metales inertes. (El hierro, por ejemplo, se oxidaría y, por lo tanto, disminuiría la cantidad de oxígeno emitido). La eficiencia máxima teórica (electricidad utilizada frente al valor energético del hidrógeno producido) está en el rango de 88 a 94%.2 horas₂O (l) → 2H₂(g) + O₂(gramo)

Pirólisis de metano

La producción de hidrógeno mediante la pirólisis de metano de gas natural es un proceso de un solo paso que no produce gases de efecto invernadero. Desarrollar la producción en volumen utilizando este método es la clave para permitir una reducción de carbono más rápida mediante el uso de hidrógeno en procesos industriales, transporte de camiones pesados ​​eléctricos con celdas de combustible y en la generación de energía eléctrica con turbinas de gas. La pirólisis de metano se realiza teniendo metano CH₄burbujeó a través de un catalizador de metal fundido que contenía níquel disuelto a 1340 K (1070 ° C; 1950 ° F). Esto hace que el metano se descomponga en hidrógeno gaseoso y carbono sólido, sin otros subproductos.CH₄(g) → C(s) + 2H₂(g) ΔH° = 74 kJ/mol

El carbón sólido de calidad industrial puede venderse como materia prima de fabricación o depositarse permanentemente en vertederos; no se libera a la atmósfera y no provoca la contaminación de las aguas subterráneas en los vertederos. La pirólisis de metano está en desarrollo y se considera adecuada para la producción comercial de hidrógeno a granel. La producción en volumen se está evaluando en la planta piloto de "pirólisis de metano a escala" de BASF. La investigación continúa en varios laboratorios, incluido el Laboratorio de metal líquido de Karlsruhe (KALLA) y el laboratorio de ingeniería química de la Universidad de California - Santa Bárbara.

Otros métodos industriales

El hidrógeno a menudo se produce al hacer reaccionar agua con metano y monóxido de carbono, lo que provoca la eliminación de hidrógeno de los hidrocarburos a temperaturas muy altas, y el 48 % de la producción de hidrógeno proviene del reformado con vapor. Luego, el vapor de agua reacciona con el monóxido de carbono producido por el reformado con vapor para oxidarlo a dióxido de carbono y convertir el agua en hidrógeno. El hidrógeno a granel comercial generalmente se produce mediante el reformado con vapor de gas natural con liberación de gases de efecto invernadero atmosférico o con captura utilizando CCS y mitigación del cambio climático. El reformado con vapor también se conoce como el proceso de Bosch y se usa ampliamente para la preparación industrial de hidrógeno.

A altas temperaturas (1000–1400 K, 700–1100 °C o 1300–2000 °F), el vapor (vapor de agua) reacciona con metano para producir monóxido de carbono y H₂.CH₄+ H₂O → CO + 3H₂

Esta reacción se ve favorecida a bajas presiones pero, no obstante, se lleva a cabo a altas presiones (2,0 MPa, 20 atm o 600 inHg). Esto se debe a que H a alta presión₂es el producto más comercializable, y los sistemas de purificación de adsorción por oscilación de presión (PSA) funcionan mejor a presiones más altas. La mezcla de productos se conoce como "gas de síntesis" porque a menudo se usa directamente para la producción de metanol y compuestos relacionados. Los hidrocarburos distintos del metano se pueden utilizar para producir gas de síntesis con proporciones de productos variables. Una de las muchas complicaciones de esta tecnología altamente optimizada es la formación de coque o carbón:CH₄→ C + 2H₂

En consecuencia, el reformado con vapor generalmente emplea un exceso de H₂O. Se puede recuperar hidrógeno adicional del vapor mediante el uso de monóxido de carbono a través de la reacción de cambio de gas de agua, especialmente con un catalizador de óxido de hierro. Esta reacción también es una fuente industrial común de dióxido de carbono:CO + H₂O → CO₂+ H₂

Otros métodos importantes para CO y H₂producción incluyen la oxidación parcial de hidrocarburos:2 canales₄+ O₂→ 2CO + 4H₂

y la reacción del carbón, que puede servir como preludio de la reacción de desplazamiento anterior:C + H₂O → CO + H₂

En ocasiones, el hidrógeno se produce y consume en el mismo proceso industrial, sin separarse. En el proceso Haber para la producción de amoniaco se genera hidrógeno a partir de gas natural. La electrólisis de la salmuera para producir cloro también produce hidrógeno como coproducto.

Metal-ácido

Muchos metales reaccionan con el agua para producir H₂, pero la tasa de evolución del hidrógeno depende del metal, el pH y la presencia de agentes de aleación. Más comúnmente, la evolución de hidrógeno es inducida por ácidos. Los metales alcalinos y alcalinotérreos, aluminio, zinc, manganeso y hierro reaccionan fácilmente con ácidos acuosos. Esta reacción es la base del aparato de Kipp, que una vez se usó como fuente de gas de laboratorio:Zn + 2H→ zinc+ H₂

En ausencia de ácido, la evolución de H₂es más lento Debido a que el hierro es un material estructural ampliamente utilizado, su corrosión anaeróbica tiene importancia tecnológica:Fe + 2H₂O → Fe(OH)₂+ H₂

Muchos metales, como el aluminio, reaccionan lentamente con el agua porque forman capas pasivadas de óxidos. Sin embargo, una aleación de aluminio y galio sí reacciona con el agua. A pH alto, el aluminio puede producir H₂:2 Al + 6 H₂O + 2OH→ 2Al(OH)₄+ 3 horas₂

Algunos compuestos que contienen metales reaccionan con ácidos para desarrollar H₂. En condiciones anaeróbicas, el hidróxido ferroso (Fe(OH)₂) puede ser oxidado por los protones del agua para formar magnetita y H₂. Este proceso es descrito por la reacción de Schikorr:3Fe (OH)₂→ Fe₃O₄+ 2H₂O + H₂

Este proceso ocurre durante la corrosión anaeróbica del hierro y el acero en aguas subterráneas libres de oxígeno y en la reducción de suelos por debajo del nivel freático.

Termoquímico

Se pueden usar más de 200 ciclos termoquímicos para dividir el agua. Muchos de estos ciclos, como el ciclo del óxido de hierro, el ciclo del óxido de cerio (IV) y el ciclo del óxido de cerio (III), el ciclo del zinc-óxido de zinc, el ciclo del azufre-yodo, el ciclo del cobre-cloro y el ciclo híbrido del azufre, han sido evaluados por su potencial comercial. para producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua y calor sin usar electricidad. Varios laboratorios (incluso en Francia, Alemania, Grecia, Japón y EE. UU.) están desarrollando métodos termoquímicos para producir hidrógeno a partir de energía solar y agua.

Reacción de serpentinización

En condiciones geológicas profundas que prevalecen lejos de la atmósfera terrestre, el hidrógeno (H₂) se produce durante el proceso de serpentinización. En este proceso, los protones de agua (H) son reducidos por iones ferrosos (Fe) proporcionados por fayalita (Fe₂SiO₄). La reacción forma magnetita (Fe₃O₄), cuarzo (Si O₂) e hidrógeno (H₂):3 fe₂SiO₄+ 2H₂O → 2Fe₃O₄+ 3 SiO₂+ 3 horas₂fayalita + agua → magnetita + cuarzo + hidrógeno

Esta reacción se parece mucho a la reacción de Schikorr observada en la oxidación anaeróbica del hidróxido ferroso en contacto con el agua.

Aplicaciones

Industria petroquímica

Grandes cantidades de H₂se utilizan en la "mejora" de los combustibles fósiles. Consumidores clave de H₂incluyen hidrodesalquilación, hidrodesulfuración e hidrocraqueo. Muchas de estas reacciones se pueden clasificar como hidrogenólisis, es decir, la ruptura de enlaces al carbono. Es ilustrativa la separación del azufre de los combustibles fósiles líquidos:RSR + 2 H ₂ → H ₂ S + 2 RH

Hidrogenación

Hidrogenación, la adición de H₂a varios sustratos se lleva a cabo a gran escala. La hidrogenación de N2 para producir amoníaco mediante el proceso Haber-Bosch consume un pequeño porcentaje del presupuesto energético de toda la industria. El amoníaco resultante se utiliza para suministrar la mayor parte de las proteínas consumidas por los seres humanos. La hidrogenación se utiliza para convertir grasas y aceites no saturados en grasas y aceites saturados. La principal aplicación es la producción de margarina. El metanol se produce por hidrogenación del dióxido de carbono. Es igualmente la fuente de hidrógeno en la fabricación de ácido clorhídrico. H₂también se utiliza como agente reductor para la conversión de algunos minerales en metales.

Refrigerante

El hidrógeno se usa comúnmente en centrales eléctricas como refrigerante en generadores debido a una serie de propiedades favorables que son el resultado directo de sus moléculas diatómicas ligeras. Estos incluyen baja densidad, baja viscosidad y el calor específico y la conductividad térmica más altos de todos los gases.

Portador de energía

El hidrógeno no es un recurso energético como combustible de combustión porque no existe una fuente natural de hidrógeno en cantidades útiles. La energía del Sol proviene de la fusión nuclear del hidrógeno, pero este proceso es difícil de lograr de manera controlable en la Tierra. El hidrógeno elemental de fuentes solares, biológicas o eléctricas requiere más energía para fabricarse que la que se obtiene al quemarlo, por lo que en estos casos el hidrógeno funciona como un portador de energía, como una batería. El hidrógeno se puede obtener de fuentes fósiles (como el metano), pero estas fuentes no son sostenibles.

La densidad de energía por unidad de volumen tanto del hidrógeno líquido como del hidrógeno gaseoso comprimido a cualquier presión practicable es significativamente menor que la de las fuentes de combustible tradicionales, aunque la densidad de energía por unidad de masa de combustible es mayor. Sin embargo, el hidrógeno elemental ha sido ampliamente discutido en el contexto de la energía, como un posible futuro portador de energía a escala económica. Por ejemplo CO₂el secuestro seguido de la captura y el almacenamiento de carbono podría llevarse a cabo en el punto de H₂producción a partir de combustibles fósiles. El hidrógeno utilizado en el transporte se quemaría de forma relativamente limpia, con algunas emisiones de _NOx, pero sin emisiones de carbono. Sin embargo, los costos de infraestructura asociados con la conversión total a una economía de hidrógeno serían sustanciales. Las celdas de combustible pueden convertir el hidrógeno y el oxígeno directamente en electricidad de manera más eficiente que los motores de combustión interna.

La industria de semiconductores

El hidrógeno se emplea para saturar los enlaces rotos ("colgantes") de silicio amorfo y carbono amorfo que ayudan a estabilizar las propiedades del material. También es un potencial donante de electrones en varios materiales de óxido, incluidos ZnO, SnO ₂, CdO, MgO, ZrO ₂, HfO ₂, La ₂ O ₃, Y ₂ O ₃, TiO ₂, SrTiO ₃, LaAlO ₃, SiO ₂, Al ₂ O ₃, ZrSiO ₄, HfSiO ₄ y SrZrO ₃.

Propulsor de cohetes

El hidrógeno líquido y el oxígeno líquido juntos sirven como combustible criogénico en cohetes de propulsante líquido, como en los motores principales del transbordador espacial.

Nicho y usos en evolución

• Gas de protección: El hidrógeno se utiliza como gas de protección en métodos de soldadura como la soldadura con hidrógeno atómico.
• Investigación criogénica: Liquid H ₂ se utiliza en la investigación criogénica, incluidos los estudios de superconductividad.

• Levantamiento flotante: Porque H₂es más liviano que el aire, tiene solo el 7% de la densidad del aire, una vez fue ampliamente utilizado como gas de elevación en globos y aeronaves.
• Detección de fugas: puro o mezclado con nitrógeno (a veces llamado gas formador), el hidrógeno es un gas trazador para la detección de fugas diminutas. Las aplicaciones se pueden encontrar en las industrias automotriz, química, de generación de energía, aeroespacial y de telecomunicaciones. El hidrógeno es un aditivo alimentario autorizado (E 949) que permite realizar pruebas de fugas en los envases de alimentos, además de tener propiedades antioxidantes.

• Moderación de neutrones: el deuterio (hidrógeno-2) se utiliza en aplicaciones de fisión nuclear como moderador para frenar los neutrones.
• Combustible de fusión nuclear: El deuterio se utiliza en reacciones de fusión nuclear.
• Marcado isotópico: los compuestos de deuterio tienen aplicaciones en química y biología en estudios de efectos isotópicos en las velocidades de reacción.

• Propulsor de cohetes: la NASA ha investigado el uso de propulsor de cohetes hecho de hidrógeno atómico, boro o carbono que se congela en partículas sólidas de hidrógeno molecular que se suspenden en helio líquido. Al calentarse, la mezcla se vaporiza para permitir que las especies atómicas se recombinen, calentando la mezcla a alta temperatura.
• Usos del tritio: El tritio (hidrógeno-3), producido en reactores nucleares, se usa en la producción de bombas de hidrógeno, como marcador isotópico en las biociencias y como fuente de radiación beta en pintura radioluminiscente para instrumentos y señalización de emergencia.

Reacciones biológicas

El H ₂ es un producto de algunos tipos de metabolismo anaeróbico y es producido por varios 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 H ₂ y su componente dos protones y dos electrones. La creación de gas hidrógeno ocurre en la transferencia de equivalentes reductores producidos durante la fermentación del piruvato al agua. El ciclo natural de producción y consumo de hidrógeno por parte de los organismos se denomina ciclo del hidrógeno. El hidrógeno es el elemento más abundante en el cuerpo humano en términos de número de átomos del elemento, pero es el tercer elemento más abundante en masa, porque el hidrógeno es muy ligero. H ₂ocurre en el aliento de los humanos debido a la actividad metabólica de los microorganismos que contienen hidrogenasa en el intestino grueso. La concentración en personas en ayunas y en reposo suele ser inferior a 5 partes por millón (ppm), pero puede ser de 50 ppm cuando las personas con trastornos intestinales consumen moléculas que no pueden absorber durante las pruebas diagnósticas de hidrógeno en el aliento. El gas hidrógeno es producido por algunas bacterias y algas y es un componente natural de los gases, al igual que el metano, una fuente de hidrógeno cada vez más importante.

La división del agua, en la que el agua se descompone en sus componentes protones, electrones y oxígeno, ocurre en las reacciones de luz en todos los organismos fotosintéticos. Algunos de estos organismos, incluyendo el alga Chlamydomonas reinhardtii y las cianobacterias, han desarrollado un segundo paso en las reacciones oscuras en las que los protones y electrones se reducen para formar gas H _{2 mediante hidrogenasas especializadas en el cloroplasto.} Se han realizado esfuerzos para modificar genéticamente hidrogenasas de cianobacterias para sintetizar eficientemente gas H2 _incluso en presencia de oxígeno. También se han realizado esfuerzos con algas modificadas genéticamente en un biorreactor.

Seguridad y precauciones

El hidrógeno presenta una serie de peligros para la seguridad humana, desde posibles detonaciones e incendios cuando se mezcla con aire hasta ser un asfixiante en su forma pura y libre de oxígeno. Además, el hidrógeno líquido es un criógeno y presenta peligros (como la congelación) asociados con líquidos muy fríos. El hidrógeno se disuelve en muchos metales y, además de filtrarse, puede tener efectos adversos sobre ellos, como la fragilización por hidrógeno, lo que provoca grietas y explosiones. El gas de hidrógeno que se escapa al aire exterior puede encenderse espontáneamente. Además, el fuego de hidrógeno, aunque es extremadamente caliente, es casi invisible y, por lo tanto, puede provocar quemaduras accidentales.

Incluso la interpretación de los datos de hidrógeno (incluidos los datos de seguridad) se ve confundida por una serie de fenómenos. Muchas propiedades físicas y químicas del hidrógeno dependen de la proporción de parahidrógeno/ortohidrógeno (a menudo se necesitan días o semanas a una temperatura determinada para alcanzar la proporción de equilibrio, para la cual se suelen proporcionar los datos). Los parámetros de detonación del hidrógeno, como la presión y la temperatura críticas de detonación, dependen en gran medida de la geometría del contenedor.