Hidrógeno: Propiedades, Obtención y Usos Industriales

El Hidrógeno: Un Elemento Fundamental

1. Descubrimiento

En el siglo XVI se descubrió un gas que se desprendía al reaccionar un ácido sobre hierro. Este gas ardía en presencia de oxígeno, formando agua. De ahí su nombre: Hidro-gen, que significa "generador de agua".

2. Posición en la Tabla Periódica

La configuración electrónica del hidrógeno genera debate sobre su posición en la tabla periódica:

• Alcalinos: Posee un electrón en su capa s, similar a los metales alcalinos, pero no es un metal.
• Halógenos: Le falta un electrón para completar su capa, como a los halógenos. Sin embargo, es poco reactivo y no forma H^-.
• Carbono: Su última capa está semillena. Por ello, a veces se coloca en el centro de la tabla, sin adscripción a ningún grupo.

3. Abundancia

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo (90%) y el décimo más abundante en la Tierra (0.81%). Se encuentra principalmente combinado, formando agua (80%) y compuestos orgánicos.

4. Isótopos

• Estables:

  • Protio (¹H): Es el isótopo más común del hidrógeno (99.04%), con una masa atómica de 1 uma.
  • Deuterio (²D): Constituye el 0.0115% del hidrógeno natural, con una masa atómica de 2 uma. Se utiliza como trazador para el seguimiento de reacciones químicas.

• Radiactivos:

  • Tritio (³T): Presente en una proporción muy baja (7 x 10^-16%), con una masa atómica de 3 uma. Tiene aplicaciones médicas, como alternativa a los rayos X, y militares, en la bomba de hidrógeno.

5. Agua Pesada

El agua pesada (D₂O) tiene una densidad de 1.104 g/mL, ocupando menos volumen que el agua común. Se obtiene por electrólisis del agua, un proceso que requiere grandes cantidades de electricidad. Por cada 30 litros de agua, se obtiene aproximadamente 1 mL de agua pesada con una pureza del 99%.

Usos del agua pesada:

• Moderador en reactores nucleares: Disminuye la velocidad de los neutrones producidos en la fisión nuclear.
• Reacciones de deuterización: Marcaje de compuestos con deuterio.
• Disolvente: Para estudiar el comportamiento de los hidrógenos.

6. Comportamiento Químico

El hidrógeno puede:

• Perder su único electrón, formando H⁺.
• Ganar un electrón, formando H^-.
• Compartir su único electrón, formando enlaces covalentes, generalmente polares.

Además:

• Se asocia a elementos deficientes en electrones.
• Forma hidruros con metales de transición, con un enlace no del todo definido.
• Con elementos muy electronegativos, forma enlaces de hidrógeno (se verá más adelante).

Estas características enriquecen la química de un elemento tan simple.

7. La Molécula de Hidrógeno

El hidrógeno se presenta como una molécula diatómica (H₂) con las siguientes características:

• Alta energía de enlace: Esto implica reacciones lentas que requieren catalizadores.
• Corta distancia de enlace.
• Bajo punto de ebullición: Es un gas a temperatura ambiente.
• Gas incoloro e inodoro.
• Tiene la densidad más baja de todos los compuestos conocidos.

8. Obtención del Hidrógeno

a) En el laboratorio (a pequeña escala):

• Ácido (HCl, H₂SO₄) + Metal (Zn, Al) → Sal + H₂(g)
• H₂O + Metal alcalino → Óxido o hidróxido + H₂(g)
• H₂O + Hidruro → Hidróxido + H₂(g)

b) En la industria (a gran escala):

• A partir de hidrocarburos de bajo peso molecular, como el metano.
• Electrólisis del agua.
• Recuperación de H₂(g) en procesos de refinamiento de hidrocarburos.

9. Reacciones del Hidrógeno

• Con halógenos (F, Cl, Br, I): Forma haluros de hidrógeno (HX), con propiedades ácidas. La reactividad disminuye al descender en el grupo. ¡Reacción explosiva con flúor!
• Con oxígeno (O₂): Forma H₂O. El hidrógeno se oxida en esta reacción exotérmica.
• Con nitrógeno (N₂): Principal método para obtener amoníaco.

10. Usos Industriales del Hidrógeno

• Obtención de amoníaco (NH₃): Uso mayoritario (3H₂ + N₂ → 2NH₃).
• Producción de productos orgánicos: Como el metanol, utilizado como combustible, aditivo en gasolinas sin plomo y en la síntesis de plásticos y fibras.
• Combustible para cohetes: Una alternativa al petróleo en coches de hidrógeno.
• Producción de HCl.
• Industria alimentaria: Hidrogenación de compuestos orgánicos insaturados, convirtiendo aceites líquidos en sólidos (aceites vegetales → margarina).
• Reducción de menas metálicas: Para obtener el metal a partir de su óxido (MO + H₂ → M + H₂O).

11. El Hidrógeno como Fuente de Energía

Ventajas:

• Alto contenido de energía por unidad de masa.
• Su combustión produce agua, un desecho no contaminante.
• Su almacenamiento y manejo son razonablemente seguros.

Desventajas:

• Obtención costosa.
• Almacenamiento: Es un gas incluso a bajas temperaturas, lo que requiere depósitos muy grandes para su uso en vehículos.

Su uso como combustible es posible gracias a las pilas de combustible, dispositivos electroquímicos que convierten directamente la energía química en energía eléctrica con alta eficiencia.

12. Enlace de Hidrógeno

El enlace de hidrógeno es un enlace intermolecular fuertemente direccional, que puede considerarse una interacción electrostática. Su fuerza oscila entre 10 y 30 kJ/mol, dependiendo del elemento al que esté unido el hidrógeno. Esta fuerza es menor que la de un enlace covalente, pero mayor que las fuerzas de Van der Waals.

Este enlace es responsable de anomalías en los puntos de fusión y ebullición de algunos compuestos, en las densidades (por ejemplo, del agua) y de la dimerización en ácidos carboxílicos.

El Enlace de Hidrógeno en el Agua

En el agua, el enlace de hidrógeno es responsable de:

• Puntos de fusión y ebullición elevados para un compuesto de baja masa molecular.
• Estructura abierta: La densidad del hielo es menor que la del agua líquida (el hielo flota).
• Alta conductividad eléctrica del agua.
• Mantiene unidas las dos cadenas del ADN (doble hélice) y la estructura de las proteínas.