Hidrógeno

El hidrógeno es el elemento químico de número atómico 1, de símbolo H. El hidrógeno presente en la Tierra está compuesto casi en su totalidad por el isótopo 1 H (un protón , cero neutrones ); contiene alrededor del 0,01% de 2 H (un protón, un neutrón). Estos dos isótopos son estables . Un tercer isótopo 3 H (un protón, dos neutrones), inestable , se produce en explosiones nucleares. Estos tres isótopos se denominan " protio ", " deuterio " y " tritio ", respectivamente.

El hidrógeno puede tener los números de oxidación 0 ( dihidrógeno H 2 o hidrógeno metálico ), + I (en la mayoría de sus compuestos químicos ) y –I (en hidruros metálicos). El hidrógeno es un elemento electropositivo , frecuentemente ionizado en el estado H + o H 3 O + . Pero también forma enlaces covalentes , especialmente en agua y materia orgánica .

El hidrógeno es el constituyente principal del Sol y de la mayoría de las estrellas (cuya energía proviene de la fusión termonuclear de este hidrógeno), y de la materia interestelar o intergaláctica . Es un componente importante de los planetas gigantes , en forma metálica en el corazón de Júpiter y Saturno , y en forma de hidrógeno sólido, líquido o gaseoso en sus capas más externas y en los otros planetas gigantes. En la Tierra, está presente principalmente en forma de agua líquida, sólida ( hielo ) o gaseosa ( vapor de agua ), pero también está contenida en los humos de ciertos volcanes, forma H 2 y metano CH 4 .

Este gas fue identificado por primera vez por Cavendish en 1766 , quien lo llamó "aire inflamable" porque arde o explota en presencia de oxígeno , donde forma vapor de agua. Lavoisier designó este gas con el nombre de hidrógeno, compuesto por el prefijo “hidro-”, del griego ὕδωρ ( hudôr ) que significa “agua”, y el sufijo “-gene”, del griego γεννάω ( gennaô ), “generar ”. Este es el gas con la fórmula química H 2 , el nombre científico de que ahora es "dihidrógeno".

El dihidrógeno casi siempre se llama "hidrógeno" en el lenguaje común.

Abundancia

El hidrógeno es el elemento más abundante en el Universo : 75% en masa y 92% en número de átomos. Está presente en grandes cantidades en estrellas y planetas gaseosos; también es el componente principal de las nebulosas y el gas interestelar .

En la corteza terrestre , el hidrógeno representa solo el 0,22% de los átomos, muy por detrás del oxígeno (47%) y el silicio (27%). También es raro en la atmósfera terrestre , ya que representa en volumen solo 0,55 ppm de gases atmosféricos. En la Tierra, la fuente más común de hidrógeno es el agua , cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno ; El hidrógeno es sobre todo el constituyente principal (en número de átomos) de toda la materia viva, asociado con el carbono en todos los compuestos orgánicos . Por ejemplo, el hidrógeno representa el 63% de los átomos y el 10% de la masa del cuerpo humano.

Bajo presiones muy bajas, como las que existen en el espacio , el hidrógeno tiende a existir como átomos individuales porque no choca con otros átomos para combinarse. Las nubes de hidrógeno son la base del proceso de formación de estrellas .

El átomo de hidrógeno

El hidrógeno es el elemento químico más simple; su isótopo más común consiste en un solo protón y un electrón . El hidrógeno es el átomo más ligero. Como solo tiene un electrón, solo puede formar un enlace covalente : es un átomo univalente .

Sin embargo, el hidrógeno sólido puede ser metálico cuando se encuentra a muy alta presión . Luego cristaliza con un enlace metálico (ver hidrógeno metálico ). En la tabla periódica de los elementos , se encuentra en la columna de metales alcalinos . Sin embargo, al no estar presente en este estado en la Tierra, no se considera un metal en química .

La sección transversal de captura de hidrógeno (200 mb con neutrones térmicos y 0,04 mb con neutrones rápidos) es lo suficientemente baja como para permitir el uso de agua como moderador y refrigerante en reactores nucleares.

Mecánica cuántica

El átomo de hidrógeno es el átomo más simple que existe. Por tanto, es aquél para el que la solución de la ecuación de Schrödinger , en mecánica cuántica , es la más sencilla. El estudio de este caso es fundamental, ya que permitió explicar los orbitales atómicos , y luego los diversos enlaces químicos con la teoría de los orbitales moleculares .

El hidrógeno es el único elemento para el que cada isótopo tiene un nombre específico, porque su diferencia de masa (en comparación con la del átomo de hidrógeno) es significativa: de simple a doble o triple, lo que explica por qué, a diferencia de lo que ocurre con los isótopos en general. , estas diferencias pueden influir en las propiedades químicas del deuterio o tritio en relación con el protio (efecto isotópico). El agua pesada (D 2 O), que contiene isótopos pesados de hidrógeno, es un ejemplo tóxico (dosis alta) para muchas especies. De hecho, debido a la gran diferencia de masa entre los isótopos, la cinética de las reacciones en solución acuosa se ralentiza considerablemente.

Los isótopos de hidrógeno más notables son:

hidrógeno ligero o protio 1 H, el más abundante (~ 99,98% de hidrógeno natural). El núcleo está compuesto simplemente por un protón y, por lo tanto, no tiene un neutrón . Es un isótopo estable ;

el deuterio 2 H (o D), mucho menos abundante (de 0,0082 a 0,0184% de hidrógeno natural, ~ 0,015% en promedio). El núcleo está formado por un protón y un neutrón, también es un isótopo estable. En la Tierra, está presente principalmente en forma de agua deuterada HDO (agua semipesada);

el tritio 3 H (o T) presente solo en cantidades minúsculas en hidrógeno natural (átomo de tritio 10 18 átomos de hidrógeno). El núcleo está formado por un protón y dos neutrones, es radiactivo y se transforma en 3 He por emisión de un electrón ( β - radiactividad ). 2 H y 3 H pueden participar en reacciones de fusión nuclear . La radiotoxicidad del tritio se considera muy baja cuando está presente en forma HTO ( agua tritiada ), es menos conocida y menos entendida cuando está presente en forma orgánica (los estudios presentan resultados contradictorios o muy variables según sus protocolos). .experimental). En el medio natural, el tritio puede reemplazar al protio en moléculas que comprenden hidrógeno, incluso en moléculas biológicas e incluso en el ADN, donde puede ser la causa de rupturas en la información genética, mutaciones o apoptosis celular. Como el tritio es un isótopo raro, su concentración en agua y tejidos es generalmente muy baja (aparte de la contaminación accidental de origen humano);

el quadrium o tetradium 4 H (o Q), el isótopo más inestable del hidrógeno (su vida media es ultracorta: 1,39 × 10 −22 segundos). Se descompone por emisión de neutrones;

hidrógeno 7 ( 7 H), el isótopo más rico en neutrones jamás observado. Su vida media es del orden de 10 a 21 segundos.

Fusión nuclear

El hidrógeno, presente en grandes cantidades en el corazón de las estrellas, es una fuente de energía a través de reacciones de fusión nuclear , que combinan dos núcleos de átomos de hidrógeno (dos protones ) para formar un núcleo atómico, helio . Las dos vías de esta fusión nuclear natural son la cadena protón-protón , de Eddington , y el ciclo catalítico carbono-nitrógeno-oxígeno , de Bethe y von Weizsäcker .

La fusión nuclear realizada en bombas de hidrógeno o bombas de H se refiere a isótopos intermedios de fusión (el hidrógeno se convierte en helio), como la que tiene lugar en las estrellas: isótopos pesados de hidrógeno, helio 3 , tritio, etc. Pero, en una bomba H , las reacciones nucleares solo duran unas pocas decenas de nanosegundos, lo que solo permite reacciones en un solo paso. Sin embargo, para lograr la transformación del hidrógeno en helio son necesarios varios pasos, el primero de los cuales, la reacción de un protón, es muy lenta.

Desde 2006, el proyecto ITER tiene como objetivo verificar la “viabilidad científica y técnica de la fusión nuclear como nueva fuente de energía ”.

El cuerpo de hidrógeno simple

Excepto a presiones extremadamente bajas (como en el espacio intergaláctico ) o extremadamente altas (como en las partes centrales de Júpiter y Saturno ), el hidrógeno de un solo cuerpo está formado por moléculas de H 2 ( dihidrógeno ).

A presiones extremadamente altas, el hidrógeno se encuentra en un estado llamado "oscuro", intermedio entre un gas y un metal. No refleja la luz y no la transmite. También se convierte en un conductor de electricidad muy débil. Es similar a los metales alcalinos que siguen en el grupo 1 de la tabla periódica .

A presiones más bajas, el hidrógeno es un gas monoatómico .

Isomería

La molécula de hidrógeno existe en dos isómeros de espín nuclear: ortohidrógeno ( espines paralelos) y parahidrógeno (espines antiparalelos).

Gas de hidrogeno

Bajo condiciones normales de temperatura y presión , como en la mayoría de condiciones de interés en la química y ciencias de la tierra , el hidrógeno es un gas molecular con la fórmula H 2, hidrógeno . El dihidrógeno también forma vastas " nubes moleculares " en las galaxias , que son la fuente de formación de estrellas .

A muy baja presión y muy alta temperatura, el hidrógeno es un gas monoatómico (por lo tanto de fórmula H), este es notablemente el caso del gas interestelar o intergaláctico . Debido a la inmensidad de estos espacios y a pesar de la muy baja densidad del gas, el hidrógeno monoatómico constituye casi el 75% de la masa bariónica del universo .

Hidrógeno líquido

Hidrógeno sólido

El hidrógeno sólido se obtiene bajando la temperatura por debajo del punto de fusión del hidrógeno, ubicado en 14.01 K ( -259.14 ° C ). El estado sólido fue obtenido por primera vez en 1899 por James Dewar .

Hidrógeno metálico

El hidrógeno metálico es una fase de hidrógeno que se produce cuando se somete a una presión muy alta y temperaturas muy bajas . Este es un ejemplo de materia degenerada . Algunos creen que existe un rango de presiones (alrededor de 400 GPa ) bajo las cuales el hidrógeno metálico es líquido , incluso a temperaturas muy bajas.

Hidrógeno triatómico

El hidrógeno triatómico es una forma alotrópica muy inestable del hidrógeno corporal simple , con la fórmula H 3.

Propiedades y compuestos químicos

Iones hidrón H + , hidronio H 3 O + e hidruro H -

El átomo de hidrógeno puede perder su único electrón para dar el ion H + , comúnmente conocido como protón . De hecho, el átomo que ha perdido su único electrón se reduce a su núcleo, y en el caso del isótopo 1 H más abundante , este núcleo consta de un solo protón. Este nombre no es estrictamente correcto si tenemos en cuenta la presencia, aunque discreta (menos del 0,02%), de otros isótopos. El nombre hidrón es más general (también decimos ion hidrógeno , a pesar de la posible confusión con el anión H - ). Su radio es muy pequeño: alrededor de 1,5 × 10 −15 m contra 5 × 10 −11 m para el átomo.

En solución, el protón no existe en estado libre, sino que siempre está unido a la nube de electrones de una molécula. En solución acuosa se solvata con moléculas de agua; lo podemos simplificar considerando que es capturado por una molécula de agua H 2 O, formando un ion "hidronio" H 3 O + , también llamado "oxonio" o "hidroxonio".

El átomo de hidrógeno también puede adquirir un segundo electrón para dar el ion " hidruro " H - , que le da la misma procesión electrónica estable que el átomo de helio .

Reacciones ácido-base

El hidrógeno juega un papel primordial en una reacción ácido-base (en el sentido de la teoría de Brønsted-Lowry ) ya que esta última corresponde formalmente al intercambio de un ion hidrógeno H + entre dos especies, la primera (el ácido ) liberando H + por rompiendo un enlace covalente , y el segundo (la base ) capturando este H + formando un nuevo enlace covalente:

{\ begin {matrix} {\ mbox {AH}} & + & {\ mbox {B}} & = & {\ mbox {A}} ^ {-} & + & {\ mbox {BH}} ^ {+ } \\ {\ mbox {acid1}} && {\ mbox {base2}} && {\ mbox {base1}} && {\ mbox {acid2}} \ end {matrix}}

Enlace de hidrógeno

El enlace de hidrógeno es una interacción electrostática entre un átomo de hidrógeno unido químicamente a un átomo electronegativo A y otro átomo electronegativo B (A y B suelen ser O , N o F en química orgánica).

Este enlace juega un papel importante en la química orgánica, ya que los átomos de oxígeno O, nitrógeno N o flúor F son capaces de crear enlaces de hidrógeno, pero también en química inorgánica, entre alcoholes y alcoholatos metálicos.

Compuestos covalentes

El átomo de hidrógeno puede comprometer su único electrón para formar un enlace covalente con muchos átomos no metálicos.

Los compuestos más famosos son:

la molécula de hidrógeno H 2 ;
la molécula de agua H 2 O ;
C x H y moléculas de hidrocarburos .

El hidrógeno también está presente en todas las moléculas orgánicas , donde está principalmente unido a átomos de carbono , oxígeno y nitrógeno .

Hidruros

El hidrógeno se combina con la mayoría de los demás elementos porque tiene una electronegatividad media (2,2) y, por tanto, puede formar compuestos con elementos metálicos o no metálicos. Los compuestos que forma con los metales se denominan " hidruros ", en los que se encuentra en forma de iones H - que generalmente se encuentran en solución. En compuestos con elementos no metálicos, el hidrógeno forma enlaces covalentes , porque el ion H + tiene una fuerte tendencia a asociarse con electrones. En los ácidos en solución acuosa, se forman iones H 3 O + llamados iones " hidronio " u " oxonio ", una combinación del protón y una molécula de agua .

Agresión hacia los materiales

El hidrógeno corroe muchos sistemas de aleaciones debilitándolos. Esto puede provocar fallos catastróficos, por ejemplo, de pilas de combustible o determinados procesos catalíticos. Este es un problema grave para las industrias que producen o utilizan hidrógeno. Sigue siendo un obstáculo para la producción, transporte, almacenamiento y uso generalizado de este producto.

La ciencia de los materiales investiga materiales más resistentes a la fragilización por hidrógeno, pero este trabajo se complica por la dificultad de medir u observar el hidrógeno y de forma experimental a escala atómica. Chen y col. logró en 2017 observar la distribución tridimensional (3D) precisa de los átomos de hidrógeno en la materia utilizando un nuevo enfoque para la tomografía de sonda atómica basado en la deuterización , la transferencia criogénica y los algoritmos de análisis de datos apropiados.

Toxicidad, ecotoxicidad

Parece que se han realizado muy pocos estudios sobre estos temas, posiblemente porque no se cree que los organismos vivos estén expuestos al gas hidrógeno en la naturaleza. De hecho, al ser este gas muy ligero, se dispersa rápidamente hacia las capas muy altas de la atmósfera.

En cuanto a la toxicidad para los humanos, el hidrógeno puede absorberse en el cuerpo por inhalación. En un entorno industrial o en presencia de una gran fuga, se puede alcanzar rápidamente una concentración nociva de este gas (inodoro) en el aire (y también formar una mezcla explosiva con aire, oxígeno, halógenos y todo oxidante potente, especialmente en el presencia de un catalizador metálico como níquel o platino). En altas concentraciones, el hidrógeno expone a las personas a un empeoramiento de problemas pulmonares preexistentes y anoxia, con síntomas como dolor de cabeza, zumbidos en los oídos, mareos, somnolencia, pérdida del conocimiento, náuseas, vómitos y depresión. Todos los sentidos ” y una piel que puede adquirir un tinte azulado antes de la asfixia si la exposición es prolongada.

Aún no se sabe (2019) que el hidrógeno sea una fuente de mutagenicidad, embriotoxicidad, teratogenicidad o toxicidad para la reproducción.

Notas y referencias

(fr) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado " Solid hidrógeno " ( consulte la lista de autores ) .

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Ver también

enlaces externos

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( fr ) Imágenes de hidrógeno y sus isótopos en diferentes formas .
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dieciséis

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