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Hidrógeno

El hidrógeno es un elemento químico ; tiene símbolo H y número atómico 1. Es el elemento más ligero y, en condiciones estándar , es un gas de moléculas diatómicas con la fórmula H 2 , a veces llamado dihidrógeno , [11] pero más comúnmente llamado gas hidrógeno , hidrógeno molecular o simplemente hidrógeno. Es incoloro, inodoro, [12] no tóxico y altamente combustible . Constituyendo aproximadamente el 75% de toda la materia normal , el hidrógeno es el elemento químico más abundante en el universo . [13] [nota 1] Las estrellas , incluido el Sol , consisten principalmente en hidrógeno en estado de plasma , mientras que en la Tierra, el hidrógeno se encuentra en el agua , compuestos orgánicos , como dihidrógeno y en otras formas moleculares . El isótopo más común del hidrógeno (protio, 1 H) consiste en un protón , un electrón y ningún neutrón .

En el universo temprano , la formación de los protones del hidrógeno ocurrió en el primer segundo después del Big Bang ; los átomos de hidrógeno neutros solo se formaron unos 370.000 años después durante la época de la recombinación cuando el universo se enfrió y el plasma se enfrió lo suficiente para que los electrones permanecieran unidos a los protones. [14] El hidrógeno, típicamente no metálico excepto bajo presión extrema , forma fácilmente enlaces covalentes con la mayoría de los no metales, lo que contribuye a la formación de compuestos como el agua y varias sustancias orgánicas. Su papel es crucial en las reacciones ácido-base , que implican principalmente el intercambio de protones entre moléculas solubles. En los compuestos iónicos , el hidrógeno puede tomar la forma de un anión con carga negativa , donde se lo conoce como hidruro , o como un catión con carga positiva , H + . El catión, generalmente solo un protón (símbolo p ), exhibe un comportamiento específico en soluciones acuosas y en los compuestos iónicos implica el apantallamiento de su carga eléctrica por las moléculas polares circundantes o aniones. La posición única del hidrógeno como el único átomo neutro para el cual se puede resolver directamente la ecuación de Schrödinger , ha contribuido significativamente a los principios fundamentales de la mecánica cuántica a través de la exploración de su energía y enlace químico . [15]

El gas hidrógeno se produjo artificialmente por primera vez a principios del siglo XVI mediante la reacción de ácidos con metales. Henry Cavendish , entre 1766 y 1781, identificó el gas hidrógeno como una sustancia distinta [16] y descubrió su propiedad de producir agua cuando se quemaba; de ahí que su nombre significa "formador de agua" en griego.

La mayor parte de la producción de hidrógeno se produce mediante reformado con vapor de gas natural ; una porción más pequeña proviene de métodos de alto consumo energético, como la electrólisis del agua . [17] [18] Sus principales usos industriales incluyen el procesamiento de combustibles fósiles , como el hidrocraqueo , y la producción de amoníaco , con usos emergentes en celdas de combustible para la generación de electricidad y como fuente de calor. [19] Cuando se utiliza en celdas de combustible, la única emisión de hidrógeno en el punto de uso es vapor de agua, [19] aunque la combustión puede producir óxidos de nitrógeno . [19] La interacción del hidrógeno con metales puede causar fragilización . [20]

Propiedades

Combustión

Combustión del hidrógeno con el oxígeno del aire. Cuando se quita la tapa inferior, lo que permite que el aire entre por la parte inferior, el hidrógeno del recipiente sube por la parte superior y se quema al mezclarse con el aire.
Un embudo invertido de color negro con un brillo azul que emerge de su abertura.
El motor principal del transbordador espacial quema hidrógeno con oxígeno y produce una llama casi invisible a pleno empuje.

El gas hidrógeno es altamente inflamable:

2 H 2 (g) + O 2 (g) → 2 H 2 O(l) (572 kJ/2 mol = 286 kJ/mol = 141,865 MJ/kg) [nota 2]

Entalpía de combustión : −286 kJ/mol. [21]

El gas hidrógeno forma mezclas explosivas con el aire en concentraciones de 4 a 74 % [22] y con cloro en concentraciones de 5 a 95 %. La temperatura de autoignición del hidrógeno , la temperatura de ignición espontánea en el aire, es de 500 °C (932 °F). [23]

Llama

Las llamas de hidrógeno y oxígeno puro emiten luz ultravioleta y, con una mezcla alta de oxígeno, son casi invisibles a simple vista, como lo ilustra la tenue columna de humo del motor principal del transbordador espacial , en comparación con la columna altamente visible de un cohete propulsor sólido 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 del gas natural. [24] 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 la quema de compuestos de carbono en la piel del dirigible. [25]

Reactivos

El H2 no es reactivo en comparación con elementos diatómicos como los halógenos o el oxígeno. La base termodinámica de esta baja reactividad es el enlace H–H muy fuerte, con una energía de disociación de enlace de 435,7 kJ/mol. [26] La base cinética de la baja reactividad es la naturaleza no polar del H2 y su débil polarizabilidad. Reacciona espontáneamente con cloro y flúor para formar cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno , respectivamente. [27] La ​​reactividad del H2 se ve fuertemente afectada por la presencia de catalizadores metálicos. Por lo tanto, mientras que las mezclas de H2 con O2 o aire se queman fácilmente cuando se calientan a al menos 500 °C mediante una chispa o llama, no reaccionan a temperatura ambiente en ausencia de un catalizador.

Niveles de energía de los electrones

Dibujo de una esfera grande de color gris claro con un cuarto cortado y una esfera pequeña de color negro y números 1,7×10−5 que ilustran sus diámetros relativos.
Representación de un átomo de hidrógeno en el que se muestra el tamaño del protón central y el diámetro atómico, que es aproximadamente el doble del radio del modelo de Bohr (la imagen no está a escala).

El nivel de energía del estado fundamental del electrón en un átomo de hidrógeno es −13,6  eV , [28] equivalente a un fotón ultravioleta de una longitud de onda de aproximadamente 91 nm. [29]

Los niveles de energía del hidrógeno se pueden calcular con bastante precisión utilizando el modelo de Bohr del átomo, en el que el electrón "orbita" alrededor del protón, de la misma manera que la Tierra orbita alrededor del Sol. Sin embargo, el electrón y el protón se mantienen unidos por atracción electrostática, mientras que los planetas y los objetos celestes se mantienen unidos por la gravedad . Debido a la discretización del momento angular postulada en la mecánica cuántica temprana por Bohr, el electrón en el modelo de Bohr solo puede ocupar ciertas distancias permitidas del protón y, por lo tanto, solo ciertas energías permitidas. [30]

Una descripción más precisa del átomo de hidrógeno proviene de un análisis cuántico que utiliza la ecuación de Schrödinger , la ecuación de Dirac o la formulación de la integral de trayectoria de Feynman para calcular la densidad de probabilidad del electrón alrededor del protón. [31] Las fórmulas más complejas incluyen los pequeños efectos de la relatividad especial y la polarización del vacío . En el tratamiento mecánico cuántico, el electrón en un átomo de hidrógeno en estado fundamental no tiene momento angular, lo que ilustra cómo la "órbita planetaria" difiere del movimiento del electrón.

Isómeros de espín

El H 2 molecular existe como dos isómeros de espín, es decir, compuestos que difieren solo en los estados de espín de sus núcleos. [32] En la forma ortohidrógeno , los espines de los dos núcleos son paralelos, formando un estado triplete de espín que tiene un espín molecular total ; en la forma parahidrógeno los espines son antiparalelos y forman un estado singlete de espín que tiene espín . La relación de equilibrio de orto- a para-hidrógeno depende de la temperatura. A temperatura ambiente o más cálida, el gas hidrógeno en equilibrio contiene aproximadamente el 25% de la forma para y el 75% de la forma orto. [33] La forma orto es un estado excitado , que tiene una energía más alta que la forma para en 1,455 kJ/mol, [34] y se convierte a la forma para en el transcurso de varios minutos cuando se enfría a baja temperatura. [35] Las propiedades térmicas de las formas difieren porque difieren en sus estados cuánticos rotacionales permitidos , lo que resulta en diferentes propiedades térmicas como la capacidad calorífica. [36]

La relación orto-para en H2 es una consideración importante en la licuefacción y el 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 de enfriamiento. [37] Los catalizadores para la interconversión orto-para, como el óxido férrico y los compuestos de carbón activado , se utilizan durante el enfriamiento del hidrógeno para evitar esta pérdida de líquido. [38]

Fases

El gas hidrógeno es incoloro y transparente y aquí está contenido en una ampolla de vidrio .
Diagrama de fases del hidrógeno en escalas logarítmicas. Las líneas muestran los límites entre las fases, y el final de la línea líquido-gas indica el punto crítico. El punto triple del hidrógeno está fuera de escala, a la izquierda.
Diagrama de fases del hidrógeno. Las escalas de temperatura y presión son logarítmicas , por lo que una unidad corresponde a un cambio de 10×. El borde izquierdo corresponde a 10 5 Pa, o aproximadamente una atmósfera. [ Se necesita referencia de imagen ]

Compuestos

Compuestos covalentes y orgánicos

Si bien el H2 no es muy reactivo en condiciones estándar, forma compuestos con la mayoría de los elementos. El hidrógeno puede formar compuestos con elementos que son más electronegativos , como los halógenos (F, Cl, Br, I) o el oxígeno ; en estos compuestos, el hidrógeno adquiere una carga positiva parcial. [39] Cuando se une a un elemento más electronegativo, en particular 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 fundamental para la estabilidad de muchas moléculas biológicas. [40] [41] 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 . [42]

El hidrógeno forma muchos compuestos con el carbono llamados hidrocarburos , y aún más con heteroátomos que, por su asociación con los seres vivos, se denominan compuestos orgánicos . [43] El estudio de sus propiedades se conoce como química orgánica [44] y su estudio en el contexto de los organismos vivos se llama bioquímica . [45] Según algunas definiciones, los compuestos "orgánicos" solo deben contener carbono. Sin embargo, la mayoría de ellos también contienen hidrógeno, y debido a que es el enlace carbono-hidrógeno el que 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. [43] Se conocen millones de hidrocarburos , y generalmente se forman por vías complicadas que rara vez involucran hidrógeno elemental.

El hidrógeno es altamente soluble en muchos metales de transición y tierras raras [46] y es soluble tanto en metales nanocristalinos como amorfos . [47] La ​​solubilidad del hidrógeno en los metales está influenciada por distorsiones locales o impurezas en la red cristalina . [48] Estas propiedades pueden ser útiles cuando el hidrógeno se purifica al pasar a través de discos de paladio calientes , pero la alta solubilidad del gas es un problema metalúrgico, que contribuye a la fragilización de muchos metales, [20] complicando el diseño de tuberías y tanques de almacenamiento. [49]

Hidruros

Una muestra de hidruro de sodio

Los compuestos de hidrógeno a menudo se denominan hidruros , un término que se usa con bastante ligereza. El término "hidruro" sugiere que el átomo de H ha adquirido un carácter negativo o aniónico, denotado H − ; y se usa cuando el hidrógeno forma un compuesto con un elemento más electropositivo . La existencia del anión hidruro , sugerida por Gilbert N. Lewis en 1916 para los hidruros de tipo sal del grupo 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. [50] Para los hidruros que no sean metales del grupo 1 y 2, el término es bastante engañoso, considerando la baja electronegatividad del hidrógeno. Una excepción en los hidruros del grupo 2 es BeH 2 , que es polimérico. En el hidruro de litio y aluminio , el anión [AlH 4 ] − lleva centros hidródicos firmemente unidos al Al(III).

Aunque los hidruros se pueden formar con casi todos los elementos del grupo principal, el número y la combinación de compuestos posibles varía ampliamente; por ejemplo, se conocen más de 100 hidruros binarios de borano, pero solo un hidruro binario de aluminio. [51] El hidruro binario de indio aún no se ha identificado, aunque existen complejos más grandes. [52]

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 complejos de aluminio , así como en los carboranos agrupados . [53]

Protones y ácidos

La oxidación del hidrógeno elimina su electrón y da H + , que no contiene electrones y un núcleo que generalmente está compuesto por un protón. Por eso, a menudo se llama protón al H + . Esta especie es fundamental para el análisis 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 fuerte atracción hacia otros átomos o moléculas con electrones. Excepto a las altas temperaturas asociadas con los plasmas, dichos protones no pueden ser retirados de las nubes de electrones de átomos y moléculas, y permanecerán unidos a ellos. Sin embargo, el término "protón" a veces se usa de manera vaga y metafórica para referirse al hidrógeno catiónico o con carga positiva unido a otras especies de esta manera, y como tal se denota " H + " sin ninguna implicación de que algún protón individual exista libremente como especie.

Para evitar la implicación del "protón solvatado" desnudo en solución, a veces se considera que las soluciones acuosas ácidas contienen una especie ficticia menos improbable, denominada " ion hidronio " ( [H 3 O] + ). 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 [H 9 O 4 ] + . [54] Se encuentran otros iones de oxonio cuando el agua está en solución ácida con otros solventes. [55]

Aunque exótico en la Tierra, uno de los iones más comunes en el universo es el H+3ion, conocido como hidrógeno molecular protonado o catión trihidrógeno. [56]

Isótopos

Diagrama que muestra la estructura de cada uno de los siguientes: Hidrógeno-1 (número de masa 1, 1 electrón, 1 protón), Hidrógeno-2 o deuterio (número de masa 2, 1 electrón, 1 protón, 1 neutrón) e Hidrógeno-3 o tritio (número de masa 3, 1 electrón, 1 protón, 2 neutrones)
Los tres isótopos naturales del hidrógeno: hidrógeno-1 (protio), hidrógeno-2 (deuterio) e hidrógeno-3 (tritio)
Tubo de descarga de hidrógeno (espectro)
Tubo de descarga de deuterio (espectro)

El hidrógeno tiene tres isótopos naturales, denominados1
Yo ,2
Mano​3
H . Otros núcleos altamente inestables (4
H a7
H ) se han sintetizado en el laboratorio pero no se han observado en la naturaleza. [57] [58]

Único entre los elementos, a sus isótopos se les asignan nombres distintos en el uso común. Durante los primeros estudios de la radiactividad, los radioisótopos pesados ​​recibieron sus propios nombres, pero en su mayoría ya no se usan. Los símbolos D y T (en lugar de2
Mano​3
H ) se utilizan a veces para el deuterio y el tritio, pero el símbolo P ya se utilizaba para el fósforo y, por lo tanto, no estaba disponible para el protio. [68] En sus directrices de nomenclatura , la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) permite cualquiera de los siguientes: D, T,2
Mano​3
H para ser utilizado, aunque2
Mano​3
Se prefieren H. [69]

El átomo exótico muonio (símbolo Mu), compuesto por un antimuón y un electrón , también puede considerarse un radioisótopo ligero del hidrógeno. [70] Debido a que los muones se desintegran con el tiempo de vida2,2  µs , el muonio es demasiado inestable para la química observable. [71] Sin embargo, 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, [72] 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 hidruro de sodio respectivamente. [73]

Propiedades térmicas y físicas

Tabla de propiedades térmicas y físicas del hidrógeno (H 2 ) a presión atmosférica: [74] [75]

Historia

Descubrimiento y uso

Roberto Boyle

Robert Boyle , quien descubrió la reacción entre limaduras de hierro y ácidos diluidos

En 1671, el científico irlandés Robert Boyle descubrió y describió la reacción entre limaduras de hierro y ácidos diluidos , que da como resultado la producción de gas hidrógeno. [76] [77]

Después de haber preparado un ácido clorhídrico, que por un método poco común se volvió extremadamente agudo y penetrante, pusimos en un frasco, capaz de contener tres o cuatro onzas de agua, una cantidad conveniente de limaduras de acero, que no eran las que se venden comúnmente en las tiendas de los químicos y boticarios (que por lo general no están lo suficientemente libres de óxido), sino las que había hecho rellenar a propósito de un buen trozo de acero. Este polvo metálico se humedeció en la viola con un poco de menstruo y luego se empapó con más; con lo cual la mezcla se calentó mucho y eructo humos copiosos y malolientes; no es necesario discutir aquí si consistían en su totalidad en azufre volátil del Marte [hierro] o en vapores metálicos que participaban de una naturaleza sulfurosa y se unían a las exhalaciones salinas del menstruo. Pero, de dondequiera que procediera ese humo apestoso, era tan inflamable que, al acercarle una vela encendida, se incendiaba con bastante facilidad y ardía con una llama apagada y algo verdosa en la boca de la viola durante un buen rato; y eso, aunque con poca luz, con más fuerza de la que uno fácilmente sospecharía.

—  Robert Boyle, Tratados escritos por el Honorable Robert Boyle que contienen nuevos experimentos sobre la relación entre la llama y el aire...

La palabra "sulfuroso" puede resultar algo confusa, especialmente porque Boyle realizó un experimento similar con hierro y ácido sulfúrico. [78] Sin embargo, con toda probabilidad, "sulfuroso" debería entenderse aquí como "combustible". [79]

Henry Cavendish

En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el gas hidrógeno como una sustancia discreta, al denominar al gas resultante de una reacción entre un metal y un ácido "aire inflamable". Especuló que el "aire inflamable" era, de hecho, idéntico a la sustancia hipotética " flogisto " [80] [81] y, además, descubrió en 1781 que el gas produce agua cuando se quema. Generalmente se le atribuye el descubrimiento del hidrógeno como elemento. [7] [8]

Antoine Lavoisier

Antoine Lavoisier , quien identificó el elemento que llegó a conocerse como hidrógeno

En 1783, Antoine Lavoisier identificó el elemento que se conocería como hidrógeno [82] cuando él y Laplace reprodujeron el hallazgo de Cavendish de que se produce agua cuando se quema hidrógeno. [8] Lavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos sobre conservación de masa al hacer reaccionar un flujo de vapor con hierro metálico a través de un tubo de hierro incandescente calentado al fuego. La oxidación anaeróbica del hierro por los protones del agua a alta temperatura se puede representar esquemáticamente mediante el conjunto de reacciones siguientes:

1) Fe + H 2 O → FeO + H 2
2 ) Fe + 3H2O → Fe2O3 + 3H2
3 ) Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2

Muchos metales, como el circonio, experimentan una reacción similar con el agua que conduce a la producción de hidrógeno. [83]

Siglo XIX

François Isaac de Rivaz construyó el primer motor de Rivaz , un motor de combustión interna alimentado por una mezcla de hidrógeno y oxígeno en 1806. Edward Daniel Clarke inventó el soplete de gas hidrógeno en 1819. La lámpara y la luz de calcio de Döbereiner se inventaron en 1823. [8]

El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898 mediante el uso de enfriamiento regenerativo y su invención, el matraz de vacío . [8] Produjo hidrógeno sólido al año siguiente. [8]

Dirigible propulsado por hidrógeno

El dirigible Hindenburg sobre Nueva York
El Hindenburg sobre la ciudad de Nueva York en 1937

El primer globo lleno de hidrógeno fue inventado por Jacques Charles en 1783. [8] El hidrógeno proporcionó el sustento para la primera forma confiable de viaje aéreo después de la invención en 1852 del primer dirigible impulsado por hidrógeno por Henri Giffard . [8] El conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de dirigibles rígidos impulsados ​​por hidrógeno que más tarde se llamaron Zeppelins ; el primero de los cuales tuvo su vuelo inaugural en 1900. [8] Los vuelos programados regularmente comenzaron en 1910 y para el estallido de la Primera Guerra Mundial en agosto de 1914, habían transportado 35.000 pasajeros sin un incidente grave. Los dirigibles impulsados ​​por hidrógeno se utilizaron como plataformas de observación y bombarderos durante la guerra.

El primer cruce transatlántico sin escalas lo 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 estadounidense se negó a vender el gas para este propósito. Por lo tanto, se utilizó H 2 en el dirigible Hindenburg , que fue destruido en un incendio en el aire sobre Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937. [8] El incidente fue transmitido en vivo por radio y filmado. Se asume ampliamente que la ignición de hidrógeno filtrado fue la causa, pero investigaciones posteriores apuntaron a la ignición del revestimiento de tela aluminizada por electricidad estática . Pero el daño a la reputación del hidrógeno como gas de elevación ya estaba hecho y los viajes comerciales en dirigibles de hidrógeno cesaron . El hidrógeno todavía se usa, en preferencia al helio no inflamable pero más caro, como gas de elevación para globos meteorológicos .

Deuterio y tritio

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 . [7] El agua pesada , que consiste en deuterio en lugar de hidrógeno regular, fue descubierta por el grupo de Urey en 1932. [8]

Turbogenerador refrigerado por hidrógeno

El primer turbogenerador refrigerado por hidrógeno entró en servicio utilizando hidrógeno gaseoso como refrigerante en el rotor y el estator en 1937 en Dayton , Ohio, propiedad de Dayton Power & Light Co. [84] Esto se justificó por la alta conductividad térmica y la muy baja viscosidad del gas hidrógeno, por lo tanto menor arrastre que el aire. Este es el refrigerante más común utilizado para generadores de 60 MW y más grandes; los generadores más pequeños generalmente se enfrían con aire .

Batería de níquel-hidrógeno

La batería de níquel-hidrógeno se utilizó por primera vez en 1977 a bordo del satélite de tecnología de navegación NTS-2 (Navigation Technology Satellite-2) de la Marina de los Estados Unidos. [85] La Estación Espacial Internacional , [86] Mars Odyssey [87] y Mars Global Surveyor [88] están equipadas con baterías de níquel-hidrógeno. En la parte oscura de su órbita, el telescopio espacial Hubble también está alimentado por baterías de níquel-hidrógeno, que finalmente fueron reemplazadas en mayo de 2009, [89] más de 19 años después del lanzamiento y 13 años más allá de su vida útil prevista. [90]

Papel en la teoría cuántica

Un espectro de líneas que muestra un fondo negro con líneas estrechas superpuestas: una violeta, una azul, una cian y una roja.
Líneas del espectro de emisión de hidrógeno en las cuatro líneas visibles de la serie de Balmer

Debido a su estructura atómica simple, que consiste únicamente en un protón y un electrón, el átomo de hidrógeno , junto con el espectro de luz producido por él o absorbido por él, ha sido central para el desarrollo de la teoría de la estructura atómica . [91] Además, el estudio de la simplicidad correspondiente de la molécula de hidrógeno y el catión H correspondiente+2Aportó comprensión a la naturaleza del enlace químico , que se produjo 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 notaron explícitamente (pero que no se entendieron en ese momento) fue una observación de Maxwell relacionada con el hidrógeno, medio siglo antes de que apareciera la teoría mecánica cuántica completa . Maxwell observó que la capacidad calorífica específica del H2 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. Según la teoría cuántica , este comportamiento surge del espaciamiento de los niveles de energía rotacional (cuantificados), que están particularmente espaciados ampliamente en el H2 debido a su baja masa. Estos niveles ampliamente espaciados inhiben la distribución equitativa de la energía térmica en el movimiento rotacional en el hidrógeno a bajas temperaturas. Los gases diatómicos compuestos de átomos más pesados ​​no tienen niveles tan ampliamente espaciados y no exhiben el mismo efecto. [92]

Antihidrógeno (
yo
) 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 hasta 2015. [ 93] [94]

Prevalencia y distribución cósmica

Un zueco de color blanco y verde similar al algodón sobre fondo negro.
NGC 604 , una región gigante de hidrógeno ionizado en la Galaxia del Triángulo

El hidrógeno, como H atómico, es el elemento químico más abundante en el universo, ya que constituye el 75% de la materia normal en masa y más del 90% en número de átomos. Sin embargo, la mayor parte de la masa del universo no se encuentra en forma de materia de tipo elemento químico, sino que se postula que se presenta en formas de masa aún no detectadas, como la materia oscura y la energía oscura . [95]

El hidrógeno se encuentra en gran abundancia en las estrellas y en los planetas gigantes gaseosos . Las nubes moleculares de H 2 están asociadas con la formación de estrellas . El hidrógeno desempeña un papel vital en la energía de las estrellas a través de la reacción protón-protón en el caso de estrellas con una masa muy baja o aproximadamente 1 masa de la del Sol y el ciclo CNO de fusión nuclear en el caso de estrellas más masivas que el Sol . [96]

Estados

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

El hidrógeno se encuentra en estado atómico neutro 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 investigar el hidrógeno primordial. [97] 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. [98]

En condiciones normales en la Tierra, el hidrógeno elemental existe como gas diatómico, H 2 . El gas hidrógeno es muy raro en la atmósfera de la Tierra (alrededor de 0,53 ppm en términos molares [99] ) 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 de la Tierra, [100] principalmente en forma de compuestos químicos como hidrocarburos y agua. [53]

Una forma molecular llamada hidrógeno molecular protonado ( H+3) 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 de Júpiter . El ion es relativamente estable en el espacio exterior debido a la baja temperatura y densidad. H+3es uno de los iones más abundantes en el universo y desempeña un papel notable en la química del medio interestelar. [101] El hidrógeno triatómico neutro H 3 solo puede existir en forma excitada y es inestable. [102] Por el contrario, el ion molecular de hidrógeno positivo ( H+2) es una molécula rara en el universo.

Producción

Existen muchos métodos para producir H 2 , pero tres dominan comercialmente: el reformado con vapor a menudo acoplado al desplazamiento de agua-gas, la oxidación parcial de hidrocarburos y la electrólisis del agua. [103]

Reformado con vapor

Entradas y salidas de la reacción de reformado con vapor (SMR) y desplazamiento de agua y gas (WGS) del gas natural, un proceso utilizado en la producción de hidrógeno

El hidrógeno se produce principalmente mediante la reformación de metano con vapor (SMR), la reacción del agua y el metano. [104] [105] [106] Así, a alta temperatura (1000–1400 K, 700–1100 °C o 1300–2000 °F), el vapor (vapor de agua) reacciona con el metano para producir monóxido de carbono y H 2 .

CH4 + H2O → CO+ 3H2

El reformado con vapor también se utiliza para la preparación industrial de amoníaco.

Esta reacción se ve favorecida a bajas presiones, pero se lleva a cabo a altas presiones (2,0 MPa, 20 atm o 600  inHg ) porque el H2 a alta presión es el producto más comercializable y los sistemas de purificación por 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 utiliza directamente para la producción de metanol y muchos otros compuestos. Se pueden utilizar hidrocarburos distintos del metano para producir gas de síntesis con diferentes proporciones de producto. Una de las muchas complicaciones de esta tecnología altamente optimizada es la formación de coque o carbono:

CH4 → C+ 2H2

Por lo tanto, el reformado con vapor normalmente emplea un exceso de H2O . Se puede recuperar hidrógeno adicional del vapor utilizando monóxido de carbono a través de la reacción de desplazamiento de gas de agua (WGS). Este proceso requiere un catalizador de óxido de hierro : [ 106]

CO2 + H2O → CO2 + H2

El hidrógeno a veces se produce y se consume en el mismo proceso industrial, sin separarse. En el proceso Haber para la producción de amoníaco , el hidrógeno se genera a partir de gas natural. [107]

Oxidación parcial de hidrocarburos

Otros métodos para la producción de CO y H 2 incluyen la oxidación parcial de hidrocarburos: [108]

2CH4 +O2 → 2CO + 4H2

Aunque es menos importante comercialmente, el carbón puede servir como preludio a la reacción de desplazamiento mencionada anteriormente: [106]

C + H2O → CO + H2

Las unidades de producción de olefinas pueden producir cantidades sustanciales de hidrógeno como subproducto, particularmente a partir del craqueo de materias primas ligeras como el etano o el propano . [109]

Electrólisis del agua

Entradas y salidas de la electrólisis del agua para la producción de hidrógeno

La electrólisis del agua es un método conceptualmente simple para producir hidrógeno.

2H2O (l) → 2H2 ( g ) + O2 (g)

Los electrolizadores comerciales utilizan catalizadores a base de níquel en una solución fuertemente alcalina. El platino es un catalizador mejor, pero es caro. [110]

La electrólisis de salmuera para producir cloro también produce hidrógeno como coproducto. [111]

Pirólisis de metano

El hidrógeno se puede producir mediante pirólisis del gas natural (metano).

Esta ruta tiene una huella de carbono menor que los procesos comerciales de producción de hidrógeno. [112] [113] [114] [115] El desarrollo de un proceso comercial de pirólisis de metano podría acelerar el uso expandido del hidrógeno en aplicaciones industriales y de transporte. La pirólisis de metano se logra al pasar metano a través de un catalizador de metal fundido que contiene níquel disuelto . El metano se convierte en gas hidrógeno y carbono sólido . [116] [117]

CH4 (g) → C(s) + 2 H2 ( g ) (ΔH° = 74 kJ/mol)

El carbono puede venderse como materia prima para la fabricación o como combustible, o bien depositarse en vertederos.

Se siguen realizando investigaciones en varios laboratorios, entre ellos el Laboratorio de Metales Líquidos de Karlsruhe [118] y la Universidad de California en Santa Bárbara [119] . BASF construyó una planta piloto de pirólisis de metano [120] .

Termoquímico

Se pueden utilizar más de 200 ciclos termoquímicos para la división del agua . Muchos de estos ciclos, como el ciclo del óxido de hierro , el ciclo del óxido de cerio (IV)-óxido de cerio (III) , el ciclo del óxido de zinc-zinc , el ciclo del azufre-yodo , el ciclo del cobre-cloro y el ciclo híbrido del azufre, se han evaluado por su potencial comercial para producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua y calor sin utilizar electricidad. [121] Varios laboratorios (incluidos en Francia , Alemania , Grecia , Japón y Estados Unidos ) están desarrollando métodos termoquímicos para producir hidrógeno a partir de energía solar y agua. [122]

Métodos de laboratorio

El H 2 se produce en los laboratorios, a menudo como subproducto de otras reacciones. Muchos metales reaccionan con el agua para producir H 2 , pero la velocidad de evolución del hidrógeno depende del metal, el pH y la presencia de agentes de aleación. La mayoría de las veces, la evolución del hidrógeno es inducida por ácidos. Los metales alcalinos y alcalinotérreos, el aluminio, el zinc, el manganeso y el hierro reaccionan fácilmente con los ácidos acuosos. Esta reacción es la base del aparato de Kipp , que alguna vez se utilizó como fuente de gas de laboratorio:

Zn+2H + → Zn2 + + H2

En ausencia de ácido, la evolución del H2 es más lenta . Como el hierro es un material estructural muy 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 de óxido pasivado de óxidos. Sin embargo, una aleación de aluminio y galio sí reacciona con el agua. [123] A pH alto, el aluminio puede producir H 2 :

2 Al + 6 H 2 O + 2 OH − → 2 [Al(OH) 4 ] − + 3 H 2

Algunos compuestos que contienen metales reaccionan con ácidos para desprender H 2 . En condiciones anaeróbicas, el hidróxido ferroso ( Fe(OH)
2) puede ser oxidado por los protones del agua para formar magnetita y H 2 . Este proceso se describe mediante 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 suelos reductores debajo del nivel freático .

Biohidrógeno

El H2 es producido por enzimas hidrogenasas en algunas fermentaciones . [124]

Pozos

Hay un pozo en Mali y yacimientos en varios otros países, como Francia. [125]

Aplicaciones

Algunos usos proyectados a mediano plazo, pero los analistas no están de acuerdo [126]

Industria petroquímica

En la "mejora" de los combustibles fósiles se utilizan grandes cantidades de H 2 . Los principales consumidores de H 2 son la hidrodesulfuración y el hidrocraqueo . Muchas de estas reacciones pueden clasificarse como hidrogenólisis , es decir, la ruptura de enlaces por hidrógeno. Un ejemplo ilustrativo es la separación del azufre de los combustibles fósiles líquidos: [103]

R 2 S + 2 H 2 → H 2 S + 2 RH

Hidrogenación

La hidrogenación , la adición de H 2 a varios sustratos, se realiza a gran escala. La hidrogenación de N 2 para producir amoníaco mediante el proceso Haber , 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. [127] La ​​hidrogenación se utiliza para convertir grasas y aceites insaturados en grasas y aceites saturados (trans). La principal aplicación es la producción de margarina . El metanol se produce por hidrogenación de dióxido de carbono. De manera similar, es la fuente de hidrógeno en la fabricación de ácido clorhídrico . El H 2 también se utiliza como agente reductor para la conversión de algunos minerales en metales. [128]

Refrigerante

El hidrógeno se utiliza habitualmente en las centrales eléctricas como refrigerante en los generadores debido a una serie de propiedades favorables que son resultado directo de sus moléculas diatómicas ligeras. Entre ellas, se incluyen su baja densidad , su baja viscosidad y el calor específico y la conductividad térmica más elevados de todos los gases.

Portador de energía

El hidrógeno elemental es un tema de debate en el contexto de la energía como portador de energía con potencial para ayudar a descarbonizar las economías y mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero. [129] [130] Por lo tanto, esto requiere que el hidrógeno se produzca de manera limpia en cantidades que se puedan suministrar en sectores y aplicaciones donde las alternativas de mitigación más baratas y energéticamente eficientes son limitadas. Estas incluyen la industria pesada y el transporte de larga distancia. [129] El hidrógeno es un portador de energía más que un recurso energético, porque no existe una fuente natural de hidrógeno en cantidades útiles. [131]

El hidrógeno se puede utilizar como fuente de energía en las pilas de combustible para producir electricidad o mediante combustión para generar calor. [19] Cuando se consume hidrógeno en las pilas de combustible, la única emisión en el punto de uso es vapor de agua. [19] La combustión de hidrógeno puede provocar la formación térmica de óxidos de nitrógeno nocivos . [19] Las emisiones totales del ciclo de vida del hidrógeno dependen de cómo se produce. Casi todo el suministro actual de hidrógeno del mundo se crea a partir de combustibles fósiles. [132] [133] El método principal es el reformado de metano con vapor , en el que el hidrógeno se produce a partir de una reacción química entre el vapor y el metano , el principal componente del gas natural. La producción de una tonelada de hidrógeno a través de este proceso emite entre 6,6 y 9,3 toneladas de dióxido de carbono. [134] Si bien la captura y almacenamiento de carbono (CCS) podría eliminar una gran fracción de estas emisiones, la huella de carbono general del hidrógeno a partir del gas natural es difícil de evaluar a partir de 2021 , en parte debido a las emisiones (incluido el metano ventilado y fugitivo ) creadas en la producción del propio gas natural. [135]

La electricidad se puede utilizar para dividir las moléculas de agua, produciendo hidrógeno sostenible, siempre que la electricidad se genere de forma sostenible. Sin embargo, este proceso de electrólisis es actualmente más caro que la creación de hidrógeno a partir de metano sin CCS y la eficiencia de la conversión de energía es inherentemente baja. [130] El hidrógeno se puede producir cuando hay un excedente de electricidad renovable variable , luego almacenarse y usarse para generar calor o para regenerar electricidad. [136] El hidrógeno creado a través de la electrólisis utilizando energía renovable se conoce comúnmente como " hidrógeno verde ". [137] Puede transformarse además en combustibles sintéticos como el amoníaco y el metanol . [138]

La innovación en electrolizadores de hidrógeno podría hacer que la producción a gran escala de hidrógeno a partir de electricidad sea más competitiva en términos de costos. [139] El hidrógeno producido de esta manera tiene potencial para desempeñar un papel importante en la descarbonización de los sistemas energéticos donde existen desafíos y limitaciones para reemplazar los combustibles fósiles con el uso directo de electricidad. [129]

El combustible de hidrógeno puede producir el calor intenso necesario para la producción industrial de acero, cemento, vidrio y productos químicos, contribuyendo así a la descarbonización de la industria junto con otras tecnologías, como los hornos de arco eléctrico para la fabricación de acero. [140] Sin embargo, es probable que desempeñe un papel más importante en el suministro de materia prima industrial para una producción más limpia de amoníaco y productos químicos orgánicos. [129] Por ejemplo, en la fabricación de acero , el hidrógeno podría funcionar como un portador de energía limpia y también como un catalizador bajo en carbono, reemplazando al coque derivado del carbón . [141] Es probable que el hidrógeno utilizado para descarbonizar el transporte encuentre sus mayores aplicaciones en el transporte marítimo, la aviación y, en menor medida, los vehículos pesados, mediante el uso de combustibles sintéticos derivados del hidrógeno, como el amoníaco y el metanol , y la tecnología de pilas de combustible. [129] En el caso de los vehículos ligeros, incluidos los automóviles, el hidrógeno está muy por detrás de otros vehículos de combustible alternativo , especialmente en comparación con la tasa de adopción de vehículos eléctricos a batería , y es posible que no desempeñe un papel significativo en el futuro. [142]

Las desventajas del hidrógeno como portador de energía incluyen los altos costos de almacenamiento y distribución debido a su explosividad, su gran volumen en comparación con otros combustibles y su tendencia a hacer que las tuberías sean quebradizas. [135]

Industria de semiconductores

El hidrógeno se emplea para saturar enlaces rotos ("colgantes") de silicio amorfo y carbono amorfo que ayudan a estabilizar las propiedades del material. [143] También es un donante potencial de electrones en varios materiales de óxido, incluidos ZnO , [144] [145] SnO 2 , CdO , MgO , [146] 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 SrZrO3. [147]

Usos nicho y en evolución

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 sus componentes 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. [157] El ciclo natural de producción y consumo de hidrógeno por los organismos se llama ciclo del hidrógeno . [158] Las bacterias como Mycobacterium smegmatis pueden usar la pequeña cantidad de hidrógeno en la atmósfera como fuente de energía cuando faltan otras fuentes, utilizando una hidrogenasa con pequeños canales que excluyen el oxígeno y así permiten que la reacción ocurra aunque la concentración de hidrógeno sea muy baja y la concentración de oxígeno sea como en el aire normal. [99] [159]

El hidrógeno es el elemento más abundante en el cuerpo humano por número de átomos , pero el tercero más abundante por masa. El H 2 se produce en el aliento humano debido a la actividad metabólica de los microorganismos que contienen hidrogenasa en el intestino grueso y es un componente natural de los flatos . La concentración en el aliento de personas en ayunas en reposo es típicamente 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 aliento con hidrógeno . [160]

La división del agua , en la que el agua se descompone en sus componentes protones, electrones y oxígeno, ocurre en las reacciones luminosas 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 por hidrogenasas especializadas en el cloroplasto . [161] Se han realizado esfuerzos para modificar genéticamente las hidrogenasas de las cianobacterias para sintetizar eficientemente el gas H 2 incluso en presencia de oxígeno. [162] También se han realizado esfuerzos con algas modificadas genéticamente en un biorreactor . [163]

Seguridad y precauciones

El hidrógeno plantea una serie de peligros para la seguridad humana, desde posibles detonaciones e incendios cuando se mezcla con el aire hasta ser un asfixiante en su forma pura, libre de oxígeno . [165] Además, el hidrógeno líquido es un criógeno y presenta peligros (como la congelación ) asociados con líquidos muy fríos. [166] El hidrógeno se disuelve en muchos metales y además de filtrarse, puede tener efectos adversos sobre ellos, como la fragilización por hidrógeno , [167] lo que conduce a grietas y explosiones. [168] El gas hidrógeno que se filtra 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. [169]

Incluso la interpretación de los datos del hidrógeno (incluidos los datos de seguridad) se ve confusa por una serie de fenómenos. Muchas propiedades físicas y químicas del hidrógeno dependen de la relación parahidrógeno/ortohidrógeno (a menudo se necesitan días o semanas a una temperatura determinada para alcanzar la relación de equilibrio, para la que 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 recipiente. [165]

Véase también

Notas

  1. ^ Sin embargo, la mayor parte de la masa del universo no está en forma de bariones o elementos químicos. Véase materia oscura y energía oscura .
  2. ^ 286 kJ/mol: energía por mol del material combustible (hidrógeno molecular).

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