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Hidrógeno

El hidrógeno es un elemento químico ; tiene el símbolo H y el número atómico 1. Es el elemento químico más ligero y abundante del universo, constituyendo aproximadamente el 75% ...

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El hidrógeno es un elemento químico ; tiene el símbolo H y el número atómico 1. Es el elemento químico más ligero y abundante del universo, constituyendo aproximadamente el 75% de toda la materia ordinaria . En condiciones estándar , el hidrógeno es un gas de moléculas diatómicas con la fórmula H₂ , llamado dihidrógeno , o a veces gas hidrógeno , hidrógeno molecular , o simplemente hidrógeno. El dihidrógeno es incoloro, inodoro, no tóxico y altamente combustible . Las estrellas , incluido el Sol , consisten principalmente en hidrógeno en estado de plasma , mientras que en la Tierra, el hidrógeno se encuentra como gas H₂ (dihidrógeno) y en moléculas , como en el agua y los compuestos orgánicos . El isótopo más común del hidrógeno , ¹H , consta de un protón , un electrón y ningún neutroneón .    

El hidrógeno gaseoso se produjo artificialmente por primera vez en el  siglo XVII mediante la reacción de ácidos con metales. Henry Cavendish , entre  1766 y 1781, identificó el hidrógeno gaseoso como una sustancia distinta y descubrió su propiedad de producir agua al quemarse: este es el origen del nombre del hidrógeno, que significa " formador de agua " (del griego antiguo : ὕδωρ , romanizado :  húdōr , literalmente " agua " , y γεννάω , gennáō , " yo produzco " ). Comprender los colores de la luz absorbida y emitida por el hidrógeno fue una parte crucial del desarrollo de la mecánica cuántica .

El hidrógeno, generalmente no metálico excepto bajo presión extrema , forma fácilmente enlaces covalentes con la mayoría de los no metales, contribuyendo a la formación de compuestos como el agua y diversas 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 presentarse como un anión con carga negativa , conocido como hidruro , o como un catión con carga positiva , H + , hidrón . Aunque están fuertemente unidos a las moléculas de agua, los hidrones afectan notablemente el comportamiento de las soluciones acuosas , como se refleja en la importancia del pH . El hidruro, por otro lado, rara vez se observa porque tiende a desprotonar los disolventes, produciendo H2 . [ 12 ] 

En el universo primitivo , los átomos de hidrógeno neutro se formaron unos 370 000 años después del Big Bang, a medida que el universo se expandía y el plasma se enfriaba lo suficiente como para que los electrones permanecieran ligados a los protones. Tras la formación de las estrellas , la mayor parte del hidrógeno del medio intergaláctico se reionizó.

Casi toda la producción de hidrógeno se realiza mediante la transformación de combustibles fósiles , en particular mediante el reformado con vapor de gas natural . También puede producirse a partir de agua o solución salina mediante electrólisis , pero este proceso es más costoso. Sus principales usos industriales incluyen el procesamiento de combustibles fósiles y la producción de amoníaco para fertilizantes. Entre los usos emergentes del hidrógeno se encuentra el uso de pilas de combustible para generar electricidad.

Propiedades

hidrógeno atómico

Niveles de energía de los electrones

El nivel de energía del estado fundamental del electrón en un átomo de hidrógeno es de −13,6 electronvoltios (eV), [ 13 ] equivalente a un fotón ultravioleta de aproximadamente 91 nanómetros de longitud de onda. [ 14 ] Los niveles de energía del hidrógeno se denominan mediante números cuánticos consecutivos , con   norte=1{\displaystyle n=1}siendo el estado fundamental. La serie espectral del hidrógeno corresponde a la emisión de luz debida a transiciones de niveles de energía más altos a más bajos. [ 15 ] : 105 Cada nivel de energía se divide aún más por interacciones de espín entre el electrón y el protón en cuatro niveles hiperfinos . [ 16 ]

Se requieren valores de alta precisión para los niveles de energía del átomo de hidrógeno para definir constantes físicas. Los cálculos cuánticos han identificado nueve contribuciones a los niveles de energía. El autovalor de la ecuación de Dirac es la mayor contribución. Otros términos incluyen el retroceso relativista , la autoenergía y los términos de polarización del vacío . [ 17 ]

Nomenclatura

La organización de estándares para nombres químicos, IUPAC , proporciona nombres generales cuando el contexto asume la abundancia isotópica natural o ignora el isótopo. Estos nombres generales son hidrógeno para el átomo neutro, hidrón para el catión, H + , hidruro para el anión y H- . El nombre protón se usa a menudo para el catión con carga positiva, pero esto es estrictamente correcto solo para el catión del isótopo dominante 1H. [ 18 ]​

isótopos

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

El hidrógeno tiene tres isótopos que se encuentran en la naturaleza, denominados 1H , 2H y 3 H. Otros nucleidos altamente inestables  ( 4H a 7H ) se han sintetizado en laboratorios pero no se han observado en la naturaleza. [ 19 ] [ 20 ]

1El H es el isótopo de hidrógeno más común, con una abundancia superior al 99,98 %. Debido a que el núcleo de este isótopo consta de un solo protón, se le da el nombre formal descriptivo, aunque poco utilizado, de protio . [ 21 ] Es el único isótopo estable sin neutrones (). [ 11 ]

2El H , el otro isótopo estable del hidrógeno, se conoce como deuterio y contiene un protón y un neutrón en el núcleo. Se cree que casi todos los núcleos de deuterio del universo se produjeron en la nucleosíntesis del Big Bang y han perdurado desde entonces. [ 22 ] : 24.2 El deuterio no es radiactivo y no representa un riesgo de toxicidad significativo. El agua enriquecida con 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 para 1Espectroscopia de RMN de 1H . [ 23 ] 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 . [ 24 ]

3El H se conoce como tritio y contiene un protón y dos neutrones en su núcleo. Es radiactivo y se desintegra en helio-3 mediante desintegración beta con una vida media de 12,32 años. [ 25 ] Es lo suficientemente radiactivo como para usarse en pintura luminiscente para mejorar la visibilidad de las pantallas de datos, como para pintar las manecillas y los marcadores de la esfera de los relojes. El cristal del reloj impide que la pequeña cantidad de radiación escape de la caja. [ 26 ] Pequeñas cantidades de tritio se producen naturalmente por los rayos cósmicos que chocan con los gases atmosféricos; el tritio también se ha liberado en pruebas de armas nucleares . [ 27 ] Se utiliza en la fusión nuclear, [ 28 ] como trazador en geoquímica de isótopos , [ 29 ] y en dispositivos de iluminación autoalimentados especializados . [ 30 ] El tritio también se ha utilizado en experimentos de marcaje químico y biológico como radiomarcador . [ 31 ]

A diferencia de otros elementos, a los isótopos del hidrógeno se les asignan nombres distintos en el uso común. Durante los primeros estudios de la radiactividad, a los radioisótopos pesados ​​se les dieron sus propios nombres, pero estos ya no se utilizan en su mayoría. Los símbolos D y  T (en lugar de 2H y 3H ) 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. [ 32 ] En sus directrices nomenclaturales , la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada  (IUPAC) permite cualquiera de D, T, 2H y 3H debe usarse, aunque 2H y 3Se prefieren las H. [ 33 ]

El antihidrógeno ( H ) es la antipartícula del hidrógeno. Consiste en un antiprotón conun positrón. [ 34 ] [ 35 ] El átomo exótico muonio ( símbolo Mu), compuesto por un antimuón y un electrón , es el análogode antipartícula del hidrógeno; la nomenclatura de la IUPAC incorpora compuestos hipotéticos como el cloruro de muonio ( MuCl) y el muónido de sodio ( NaMu ), análogos al cloruro de hidrógeno y al hidruro respectivamentede sodio . [36 ]   

Dihidrógeno

La estructura del dihidrógeno

En condiciones estándar , el hidrógeno es un gas de moléculas diatómicas con la fórmula H₂ , oficialmente llamado "dihidrógeno" [ 37 ] : 308 , pero también llamado "hidrógeno molecular" [ 38 ] o simplemente hidrógeno. El dihidrógeno es un gas incoloro, inodoro e inflamable [ 38 ] . 

Combustión

Combustión del hidrógeno con el oxígeno del aire. Al retirar la tapa inferior y permitir la entrada de aire, el hidrógeno del recipiente asciende y arde al mezclarse con el aire.

El hidrógeno gaseoso es altamente inflamable y reacciona con el oxígeno del aire para producir agua líquida:

2 H 2 (g) + O 2 (g) → 2 H 2 O(l)

La cantidad de calor liberado por mol de hidrógeno es−286 kilojulios   (kJ), o141,9 megajulios   (MJ) para una masa de un kilogramo (2,2 lb) (basado en la medición del poder calorífico superior ). [ 39 ] 

El gas hidrógeno forma mezclas explosivas con el aire en concentraciones de4%–74% [ 40 ] y con cloro en5%–95% . La temperatura de autoignición del hidrógeno , la temperatura de ignición espontánea en el aire, es de 500 °C (932 °F) . [ 41 ] En una fuga de hidrógeno a alta presión , la onda de choque de la propia fuga puede calentar el aire hasta la temperatura de autoignición, lo que provoca llamas y posiblemente una explosión. [ 42 ]  

Las llamas de hidrógeno emiten una tenue luz azul y ultravioleta . [ 43 ] Los detectores de llama se utilizan para detectar incendios de hidrógeno, ya que son prácticamente invisibles a simple vista durante el día. [ 44 ] [ 45 ]

isómeros de espín

El H₂ molecular existe como dos isómeros nucleares que difieren en los estados de espín de sus núcleos. [ 46 ] En la forma dehidrógeno orto , los espines de los dos núcleos son paralelos, formando un estado triplete de espín con un espín molecular total.S=1{\displaystyle S=1}; en la formade hidrógeno para los espines son antiparalelos y forman un estado singlete con espínS=0{\displaystyle S=0}La relación de equilibrio entre el hidrógeno orto y el hidrógeno para depende de la temperatura. A temperatura ambiente o superior, el gas hidrógeno en equilibrio contiene aproximadamente un 25 % de la forma para y un 75 % de la forma orto. [ 47 ] La forma orto es un estado excitado , que tiene mayor energía que la forma para por1,455 kJ/mol  , [ 48 ] y se convierte en la forma para en el transcurso de varios minutos cuando se enfría a baja temperatura. [ 49 ] Las propiedades térmicas de estos isómeros difieren porque cada uno tiene estados cuánticos rotacionales distintos . [ 50 ]

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 la conversión a hidrógenopara no ocurre durante el proceso de enfriamiento. [ 51 ] Por lo tanto, se utilizan catalizadorespara la interconversión orto-para ,como el óxido férrico y los compuestos de carbón activado , durante el enfriamiento del hidrógeno para evitar esta pérdida de líquido. [52 ]

Fases

Diagrama de fases del hidrógeno en escalas logarítmicas. Las líneas muestran los límites entre fases, y el final de la línea líquido-gas indica el punto crítico. El punto triple del hidrógeno se encuentra ligeramente fuera de escala, a la izquierda.
Diagrama de fases del hidrógeno con escala logarítmica . El borde izquierdo corresponde aproximadamente a una atmósfera . [ 53 ]

El hidrógeno líquido puede existir a temperaturas inferiores al punto crítico del hidrógeno de 33 kelvin (−240,2 °C; −400,3 °F) . [ 54 ] Sin embargo, para que se encuentre en estado totalmente líquido a presión atmosférica , el H₂ necesita enfriarse a 20,28 K (−252,87 °C; −423,17 °F) . James Dewar licuó el hidrógeno en 1898 utilizando enfriamiento regenerativo y su invención, el termo . [ 55 ]      

El hidrógeno líquido se convierte en hidrógeno sólido a presión estándar por debajo del punto de fusión del hidrógeno de 14,01 K (−259,14 °C; −434,45 °F) . Existen distintas fases sólidas, conocidas como Fase I a Fase V, cada una con una disposición molecular característica. [ 56 ] Las fases líquida y sólida pueden coexistir en el punto triple ; esta mezcla se conoce como hidrógeno semisólido . [ 57 ]     

El hidrógeno metálico , una fase que se obtiene a presiones extremadamente altas (superiores a 400 mil millones de Pa (58 000 000 psi ) ), es un conductor eléctrico. Se cree que existe en las profundidades de planetas gigantes como Júpiter . [ 56 ] [ 58 ]   

Cuando se ioniza , el hidrógeno se convierte en plasma . Esta es la forma en que existe el hidrógeno dentro de las estrellas . [ 59 ]

Propiedades térmicas y físicas

Historia

siglo XVII

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 produce gas hidrógeno. [ 62 ] [ 63 ] Boyle no mencionó que el gas fuera inflamable, pero el hidrógeno desempeñaría un papel clave en el derrocamiento de la teoría del flogisto sobre la combustión. [ 64 ]

siglo XVIII

En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, al denominar al gas resultante de una reacción metal-ácido "aire inflamable". Especuló que el "aire inflamable" era, de hecho, idéntico a la sustancia hipotética " flogisto " [ 65 ] [ 66 ] y, además, descubrió en  1781 que el gas produce agua al quemarse. Generalmente se le atribuye el descubrimiento del hidrógeno como elemento. [ 9 ] [ 8 ]

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

En 1783, Antoine Lavoisier identificó el elemento que posteriormente se conocería como hidrógeno [ 67 ] cuando él y Laplace reprodujeron el hallazgo de Cavendish de que se produce agua al quemar hidrógeno. [ 8 ] Lavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos sobre conservación de la masa tratando hierro metálico con una corriente de agua a través de un tubo de hierro incandescente calentado al fuego. La oxidación anaeróbica del hierro por los protones del agua a alta temperatura puede representarse esquemáticamente mediante el siguiente conjunto de reacciones:

  • Fe + H₂O → FeO + H₂
  • 2 Fe + 3 H 2 O → Fe 2 O 3 + 3 H 2
  • 3 Fe + 4 H 2 O → Fe 3 O 4 + 4 H 2

Muchos metales reaccionan de forma similar con el agua, lo que da lugar a la producción de hidrógeno. [ 68 ] En algunas situaciones, este proceso de producción de H 2 es problemático, por ejemplo, en el caso del revestimiento de circonio en las barras de combustible nuclear . [ 69 ]

siglo XIX

En 1806, el hidrógeno se utilizaba para inflar globos . [ 70 ] 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 de Döbereiner y la luz de cal se inventaron en 1823. James Dewar licuó  el hidrógeno por primera vez en 1898 utilizando refrigeración regenerativa y su invención, el termo . Produjo hidrógeno sólido al año siguiente. [ 8 ] 

Uno de los primeros efectos cuánticos que se observaron explícitamente, aunque no se comprendieron en su momento, fue la observación de James Clerk Maxwell de que la capacidad calorífica específica del H₂ se desvía inexplicablemente de la de un gas diatómico por debajo de la temperatura ambiente y comienza a asemejarse cada vez más a la de un gas monoatómico a temperaturas criogénicas. Según la teoría cuántica, este comportamiento surge del espaciado de los niveles de energía rotacional ( cuantizados ) , que están particularmente separados en el H₂ debido a su baja masa. Estos niveles ampliamente espaciados impiden una distribución equitativa de la energía calorífica en el movimiento rotacional del hidrógeno a bajas temperaturas. Los gases diatómicos compuestos por átomos más pesados ​​no tienen niveles tan ampliamente espaciados y no presentan el mismo efecto. [ 71 ]

siglo XX

La existencia del anión hidruro fue sugerida por Gilbert  N. Lewis en  1916 para compuestos salinos de los grupos 1  y 2. En 1920, Moers electrolizó hidruro de litio fundido (LiH), produciendo una cantidad estequiométrica de hidrógeno en el ánodo . [ 72 ]   

Un espectro de líneas que muestra un fondo negro con líneas finas 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 sencilla estructura atómica, compuesta únicamente por 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 . [ 73 ] Los niveles de energía del hidrógeno pueden calcularse con bastante precisión utilizando el modelo atómico de Bohr , en el que el electrón orbita alrededor del protón, al igual que la Tierra orbita alrededor del Sol. Sin embargo, el electrón y el protón se mantienen unidos por la 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 los inicios de la mecánica cuántica 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. [ 74 ]

La posición única del hidrógeno como el único átomo neutro para el cual la ecuación de Schrödinger puede resolverse directamente ha contribuido significativamente a la comprensión de la mecánica cuántica mediante la exploración de su energética. [ 75 ] Además, el estudio de la simplicidad correspondiente de la molécula de hidrógeno y el catión correspondiente , H + 2 , permitió comprender la naturaleza del enlace químico , lo cual ocurrió poco después de que se desarrollara el tratamiento mecánico cuántico del átomo de hidrógeno a mediados de la década de 1920. [ 76 ]

Dirigible propulsado por hidrógeno

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

Debido a que el H₂ tiene solo el 7% de la densidad del aire, se utilizó ampliamente como gas de sustentación en globos y dirigibles . [ 77 ] El primer globo lleno de hidrógeno fue inventado por Jacques Charles en 1783. El hidrógeno proporcionó la sustentación para la primera forma confiable de viaje aéreo tras la invención en 1852 del primer dirigible de hidrógeno por Henri Giffard . El conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de dirigibles rígidos sustentados por hidrógeno que más tarde se llamaron Zeppelines , el primero de los cuales realizó su vuelo inaugural en 1900. [ 8 ] Los vuelos regulares comenzaron en 1910 y, para el estallido de la Primera Guerra Mundial en agosto de 1914, habían transportado 35 000 pasajeros sin incidentes graves. Los dirigibles de hidrógeno en forma de globos aerostáticos se utilizaron como plataformas de observación y bombarderos durante la Segunda Guerra Mundial , especialmente en la costa este de los Estados Unidos . [ 78 ]         

El primer cruce transatlántico sin escalas lo realizó el dirigible británico R34 en 1919, y el servicio regular de pasajeros se reanudó en la década de 1920. El hidrógeno se utilizó en el Hindenburg , que se incendió sobre Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937. [ 8 ] El hidrógeno que llenaba el dirigible se encendió, posiblemente por electricidad estática, y estalló en llamas. [ 79 ] Tras este desastre , cesaron los viajes comerciales en dirigibles de hidrógeno. El hidrógeno todavía se utiliza, en lugar del helio , que no es inflamable pero es más caro , como gas de elevación para globos meteorológicos . [ 80 ]    

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

Química

Reacciones del H₂

Un complejo de dihidrógeno de hierro, [HFe(H 2 )(dppe) 2 ] +

El H2 es relativamente poco reactivo. La base termodinámica de esta baja reactividad es el enlace H–H muy fuerte , con una energía de disociación de enlace de435,7 kJ/mol  . [ 81 ] Forma complejos de coordinación llamados complejos de dihidrógeno . Estas especies proporcionan información sobre las primeras etapas de las interacciones del hidrógeno con catalizadores metálicos. Según la difracción de neutrones , el metal y dos  átomos de H forman un triángulo en estos complejos. El enlace HH permanece intacto, pero se alarga. Son ácidos. [ 82 ]

Aunque exótico en la Tierra, el ion H + 3 es común en el universo. Es una especie triangular, como los complejos de dihidrógeno mencionados anteriormente. Se le conoce como hidrógeno molecular protonado o catión trihidrógeno. [ 83 ] 

El hidrógeno reacciona con el cloro para producir HCl y con el bromo para producir HBr , mediante una reacción en cadena . La reacción requiere un iniciador. Por ejemplo, en el caso del Br₂ , la molécula de dibromo se disocia: Br₂⁺ (luz UV) → 2Br• . Las reacciones de propagación consumen moléculas de hidrógeno y producen HBr , así como átomos de Br y H.     

Br• + H 2 → HBr + H
H + Br 2 → HBr +Br

Finalmente, la reacción de terminación:

H + HBr → H 2 + Br•
2 Br• → Br 2

consume los átomos restantes. [ 84 ] : 289

La adición de H₂ a compuestos orgánicos insaturados , como alquenos y alquinos , se denomina hidrogenación . Aunque la reacción es energéticamente favorable , no se produce espontáneamente ni siquiera a temperaturas elevadas. En presencia de un catalizador como platino o níquel finamente divididos , la reacción se produce a temperatura ambiente. [ 85 ] : 477

compuestos que contienen hidrógeno

El hidrógeno puede existir en estados de oxidación +1 y −1 , formando compuestos mediante enlaces iónicos y covalentes . Este elemento forma parte de una amplia gama de sustancias, incluyendo agua, hidrocarburos y numerosos otros compuestos orgánicos . [ 86 ] El ion H + —comúnmente denominado protón debido a su único protón y ausencia de electrones— es fundamental en la química ácido-base , aunque el protón no se mueve libremente. En el marco de Brønsted -Lowry , los ácidos se definen por su capacidad de donar iones H + a las bases. [ 87 ]   

El hidrógeno forma una gran variedad de compuestos con el carbono , conocidos como hidrocarburos, y una diversidad aún mayor con otros elementos ( heteroátomos ), dando lugar a la amplia clase de compuestos orgánicos frecuentemente asociados con los organismos vivos. [ 86 ]

Una muestra de hidruro de sodio

Los compuestos de hidrógeno con hidrógeno en estado de oxidación  −1 se conocen como hidruros , que generalmente se forman entre hidrógeno y metales. Los hidruros pueden ser iónicos (también llamados sales), covalentes o metálicos. Al calentarse, el H₂ reacciona eficazmente con los metales alcalinos y alcalinotérreos para dar los hidruros iónicos de las fórmulas  MH y MH₂ , respectivamente. Estos compuestos cristalinos de tipo sal tienen altos puntos de fusión y todos reaccionan con agua para liberar hidrógeno. Los hidruros covalentes incluyen boranos e hidruro de aluminio polimérico . Los metales de transición forman hidruros metálicos mediante la disolución continua de hidrógeno en el metal. [ 88 ] Un hidruro bien conocido es el hidruro de litio y aluminio : el anión [ AlH₄ ] − lleva centros hidruro firmemente unidos al Al(III). [ 89 ] Quizás la serie más extensa de hidruros sean los boranos , compuestos que consisten únicamente en boro e hidrógeno. [ 90 ] 

Los hidruros pueden unirse a estos elementos electropositivos no solo como ligandos terminales , sino también como ligandos puente . En el diborano  ( B₂H₆ ), cuatro átomos de hidrógeno son terminales, mientras que dos actúan como puente entre los dos átomos de boro . [ 25 ]

Enlaces de hidrógeno

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 de electrones no enlazantes como el oxígeno o el nitrógeno. Este fenómeno, llamado enlace de hidrógeno , es fundamental para la estabilidad de muchas moléculas biológicas. [ 91 ] : 375 [ 92 ] El enlace de hidrógeno altera las estructuras moleculares, la viscosidad , la solubilidad , los puntos de fusión y ebullición, e incluso la dinámica de plegamiento de las proteínas . [ 93 ]

Protones y ácidos

Un par de bases AT en el ADN ilustra la importancia crucial de los enlaces de hidrógeno para el código genético . El dibujo muestra que, en muchas representaciones químicas, los enlaces CH no siempre se muestran explícitamente, lo que evidencia su omnipresencia.

En el agua, el enlace de hidrógeno juega un papel importante en la termodinámica de la reacción. Un enlace de hidrógeno puede cambiar a transferencia de protones. Según la teoría ácido-base de Brønsted -Lowry , los ácidos son donadores de protones, mientras que las bases son aceptores de protones. [ 94 ] : 28 Un protón desnudo  ( H + ) esencialmente no puede existir en nada más que en el vacío. De lo contrario, se une a otros átomos, iones o moléculas. Incluso especies químicas tan inertes como el metano pueden protonarse. El término "protón" se usa vagamente y metafóricamente para referirse a cationes de hidrógeno solvatados unidos a otras especies químicas; se denota " H + " sin ninguna implicación de que existan protones individuales libres en solución como una especie. Para evitar la implicación del protón desnudo en solución, a veces se considera que las soluciones acuosas ácidas contienen el " ión hidronio " ( [ H 3 O] + ), o aún más precisamente, [ H 9 O 4 ] + . [ 95 ] Otros iones oxonio se encuentran cuando el agua está en solución ácida con otros disolventes. [ 96 ]  

La concentración de estos protones solvatados determina el pH de una disolución, una escala logarítmica que refleja su acidez o basicidad.  Valores de pH más bajos indican concentraciones más altas de iones hidronio, lo que corresponde a condiciones más ácidas. [ 97 ]

Aparición

Cósmico

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

El hidrógeno, como átomo H, es el elemento químico más abundante en el universo, constituyendo el 75% de la materia ordinaria en masa [ 98 ] y más del 90% en número de átomos [ 99 ] . En el universo primitivo , los protones se formaron en el primer segundo después del Big Bang ; los átomos de hidrógeno neutro se formaron unos 370 000 años después , durante la época de recombinación , a medida que el universo se expandía y el plasma se enfriaba lo suficiente como para que los electrones permanecieran ligados a los protones [ 100 ] . 

En astrofísica, el hidrógeno neutro en el medio interestelar se llama H  I y el hidrógeno ionizado se llama H  II . [ 101 ] La radiación de las estrellas ioniza el H  I a H  II, creando esferas de H  II ionizado alrededor de las estrellas. En la cronología del universo, el hidrógeno neutro dominó hasta el nacimiento de las estrellas durante la era de la reionización , que luego produjo burbujas de hidrógeno ionizado que crecieron y se fusionaron durante cientos de millones de años. [ 102 ] Estas son la fuente de la línea de hidrógeno de 21 centímetros , en1420 MHz  , que se detecta para investigar 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. [ 103 ]

El hidrógeno se encuentra en gran abundancia en las estrellas y los planetas gigantes gaseosos . Las nubes moleculares de H₂ están asociadas con la formación estelar . El hidrógeno desempeña un papel vital en la energía de las estrellas a través de la reacción protón-protón en estrellas de menor masa, y a través del ciclo CNO de fusión nuclear en estrellas más masivas que el Sol . [ 104 ] 

El hidrógeno molecular protonado  ( H + 3 ) se encuentra en el medio interestelar , donde se genera por la ionización del hidrógeno molecular por los rayos cósmicos . Este ion también se ha observado en la atmósfera superior de Júpiter . El ion tiene una larga vida en el espacio exterior debido a la baja temperatura y densidad. El H + 3 es uno de los iones más abundantes del universo y desempeña un papel importante en la química del medio interestelar. [ 105 ] El hidrógeno triatómico neutro H3 solo puede existir en forma excitada y es inestable. [ 106 ]

Terrestre

El hidrógeno es el tercer elemento más abundante en la superficie terrestre, [ 107 ] existiendo principalmente en compuestos químicos como hidrocarburos y agua. [ 25 ] El hidrógeno elemental normalmente se encuentra en forma de gas, H 2 , en condiciones estándar . Está presente en una concentración muy baja en la atmósfera terrestre (alrededor de0,53 partes por millón  en base molar [ 108 ] ) debido a su bajo peso, que le permite escapar de la atmósfera más rápidamente que los gases más pesados. A pesar de su baja concentración en la atmósfera, el hidrógeno terrestre es suficientemente abundante como para sustentar el metabolismo de varias variedades de bacterias. [ 109 ]

Se han descubierto grandes depósitos subterráneos de hidrógeno gaseoso en varios países, entre ellos Mali , Francia y Australia . [ 110 ] A partir de 2024, se desconoce cuánto hidrógeno subterráneo se puede extraer económicamente. [ 110 ]

Producción y almacenamiento

Rutas industriales

Casi todo el suministro mundial actual de hidrógeno gaseoso (  H₂ ) se produce a partir de combustibles fósiles, [ 111 ] [ 112 ] : 1 con menos del 1% de hidrógeno producido por tecnologías de bajas emisiones en 2025. [ 113 ] Existen muchos métodos para producir H₂ , pero tres predominan comercialmente: el reformado con vapor, a menudo acoplado a la reacción de desplazamiento del gas de agua, la oxidación parcial de hidrocarburos y la electrólisis del agua. [ 114 ]

Reformado con vapor

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

El hidrógeno se produce principalmente mediante el reformado de metano con vapor  (SMR), la reacción del agua y el metano. [ 115 ] [ 116 ] Así, a alta temperatura ( 1 000–1 400 K [730–1 130 °C; 1 340–2 060 °F] ), el vapor (vapor de agua) reacciona con el metano para producir monóxido de carbono y H 2 .     

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

Producir una tonelada de hidrógeno mediante este proceso emite6,6–9,3  toneladas de dióxido de carbono. [ 117 ] La producción de materia prima de gas natural también produce emisiones como metano venteado y fugitivo , lo que contribuye aún más a la huella de carbono general del hidrógeno. [ 118 ]

Esta reacción se favorece a bajas presiones, pero no obstante se lleva a cabo a altas presiones  ( 2,0 MPa [20 atm ; 590 inHg ] ) porque el H₂ a alta presión es el producto más comercializable, y los sistemas de purificación por adsorción por cambio 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 productos. Una de las muchas complicaciones de esta tecnología altamente optimizada es la formación de coque o carbono.      

CH 4 → C + 2 H 2

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 del gas de agua (WGS). Este proceso requiere un catalizador de óxido de hierro : [ 116 ]  

CO + H₂O → CO₂ + H₂

En ocasiones, el hidrógeno 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. [ 119 ]

Oxidación parcial de hidrocarburos

Otros métodos para la producción de CO y H2 incluyen la oxidación parcial de hidrocarburos: [ 46 ]

2 CH 4 + O 2 → 2 CO + 4 H 2

Aunque menos importante comercialmente, el carbón puede servir como preludio de la reacción de cambio anterior: [ 116 ]

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 . [ 120 ]

Electrólisis del agua

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

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

2 H 2 O(l) → 2 H 2 (g) + O 2 (g)

Los electrolizadores comerciales utilizan catalizadores a base de níquel en una solución fuertemente alcalina. El platino es un mejor catalizador, pero es caro. [ 121 ] El hidrógeno creado mediante electrólisis utilizando energía renovable se conoce comúnmente como " hidrógeno verde ". [ 122 ]

La electrólisis de la salmuera para producir cloro [ 123 ] también produce hidrógeno de alta pureza como subproducto, que se utiliza para una variedad de transformaciones tales como hidrogenaciones . [ 124 ]

El proceso de electrólisis es más caro que producir hidrógeno a partir de metano sin captura y almacenamiento de carbono . [ 125 ]

La innovación en los electrolizadores de hidrógeno podría hacer que la producción de hidrógeno a gran escala a partir de electricidad sea más competitiva en costos. [ 126 ]

Pirólisis del metano

El hidrógeno se puede producir mediante la pirólisis del gas natural (metano), produciendo gas hidrógeno y carbono sólido con la ayuda de un catalizador yCalor de entrada de 74 kJ/mol  :

CH 4 (g) → C(s) + 2 H 2 (g) (Δ H ° = 74 kJ/mol)

El carbono puede venderse como materia prima para la fabricación o como combustible, o bien depositarse en vertederos. Esta vía podría tener una huella de carbono menor que los procesos de producción de hidrógeno existentes, pero los mecanismos para eliminar el carbono y evitar que reaccione con el catalizador siguen siendo obstáculos para su uso a escala industrial. [ 127 ] : 17 [ 128 ]

Termoquímico

La disociación del agua es el proceso mediante el cual el agua se descompone en sus componentes. En el ámbito biológico, resulta relevante la siguiente ecuación:

2 H 2 O → 4 H + + O 2 + 4 mi −

La reacción se produce en las reacciones dependientes de la luz en todos los organismos fotosintéticos . Algunos organismos, como el alga Chlamydomonas reinhardtii y las cianobacterias , han desarrollado un segundo paso en las reacciones oscuras en el que los protones y los electrones se reducen para formar gas H₂ mediante hidrogenasas especializadas en el cloroplasto . [ 129 ] 

Se han realizado esfuerzos para modificar genéticamente las hidrogenasas de cianobacterias para generar gas H₂ de manera más eficiente incluso en presencia de oxígeno. [ 130 ] También se han realizado esfuerzos con algas genéticamente modificadas en un biorreactor . [ 131 ] 

En relación con el escenario de disociación térmica del agua, esta sencilla ecuación es relevante:

2 H 2 O → 2 H 2 + O 2

Se pueden utilizar más de 200 ciclos termoquímicos para la disociación 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 zinc-óxido de 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. [ 132 ] Varios laboratorios (incluidos los de Francia , Alemania , Grecia , Japón y Estados Unidos ) están desarrollando métodos termoquímicos para producir hidrógeno a partir de energía solar y agua. [ 133 ]

Rutas naturales

Biohidrógeno

El H₂ se produce en los organismos mediante enzimas llamadas hidrogenasas . Este proceso permite al organismo huésped utilizar la fermentación como fuente de energía. [ 134 ] Estas mismas enzimas también pueden oxidar el  H₂ , de modo que los organismos huéspedes pueden subsistir reduciendo sustratos oxidados mediante electrones extraídos del H₂ . [ 135 ] 

Las enzimas hidrogenasas presentan centros de hierro o hierro-níquel en sus sitios activos . [ 136 ] El ciclo natural de producción y consumo de hidrógeno por los organismos se denomina ciclo del hidrógeno . [ 137 ]

Algunas bacterias, como Mycobacterium smegmatis, pueden utilizar la pequeña cantidad de hidrógeno presente en la atmósfera como fuente de energía cuando escasean otras fuentes. Sus hidrogenasas poseen pequeños canales que impiden el paso del oxígeno al sitio activo, lo que permite que la reacción se produzca incluso cuando la concentración de hidrógeno es muy baja y la de oxígeno es la misma que en el aire normal. [ 108 ] [ 138 ]

Confirmando la existencia de microbios que emplean hidrogenasa en el intestino humano , el H₂ aparece en el aliento humano. La concentración en el aliento de personas en ayunas en reposo es típicamente inferior a5 partes por millón   (ppm), pero puede alcanzar50  ppm cuando las personas con trastornos intestinales consumen moléculas que no pueden absorber durante las pruebas diagnósticas de aliento de hidrógeno . [ 139 ]

Serpentinización

La serpentinización es un mecanismo geológico que produce condiciones altamente reductoras . [ 140 ] Bajo estas condiciones, el agua es capaz de oxidar el hierro ferroso  ( Fe 2+) iones en fayalita , generando gas hidrógeno: [ 141 ] [ 142 ]

Fe₂SiO₄ + H₂O → 2 Fe₃O₄ + SiO₂ + H₂​​​​

Estrechamente relacionada con este proceso geológico se encuentra la reacción de Schikorr :

3 Fe(OH) 2 → Fe 3 O 4 + 2 H 2 O + H 2

Este proceso también es relevante para la corrosión del hierro y el acero en aguas subterráneas libres de oxígeno y en suelos reductores por debajo del nivel freático . [ 143 ]

Síntesis de laboratorio

El H2 se produce en entornos de laboratorio, como en la electrólisis a pequeña escala del agua utilizando electrodos metálicos y agua que contiene un electrolito , que libera gas hidrógeno en el cátodo : [ 97 ]

2H + (ac) + 2 e − → H 2 (g)

El hidrógeno también suele ser un subproducto de otras reacciones. Muchos metales reaccionan con el agua para producir H₂ , pero la velocidad de desprendimiento de hidrógeno depende del metal, el pH y la presencia de agentes de aleación. Generalmente, el desprendimiento de hidrógeno se induce por ácidos. Los metales alcalinos y alcalinotérreos , así como el aluminio , el zinc , el manganeso y el hierro , reaccionan fácilmente con ácidos acuosos. [ 97 ] 

Zn + 2 H + → Zn 2+ + H 2

Muchos metales, como el aluminio, reaccionan lentamente con el agua porque forman recubrimientos de óxido pasivados . Sin embargo, una aleación de aluminio y galio sí reacciona con el agua. En soluciones de pH alto, el aluminio puede reaccionar con H₂ : [ 97 ] 

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

Almacenamiento

Si el H₂ se va a utilizar como fuente de energía, su almacenamiento es importante. Se disuelve mal en disolventes. Por ejemplo, a temperatura ambiente y 0,1 milipascales (9,9 × 10⁻¹⁰ atm ) , aprox.  0,05 moles  de hidrógeno se disuelven en un kilogramo (2,2 lb) de éter dietílico . [ 88 ] El H₂ se puede almacenar en forma comprimida, aunque la compresión cuesta energía. La licuefacción es impracticable dada la baja temperatura crítica del hidrógeno . En cambio, el amoníaco y muchos hidrocarburos se pueden licuar a temperatura ambiente bajo presión. Por estas razones, los portadores de hidrógeno —materiales que unen reversiblemente el H₂— han atraído mucha atención. La pregunta clave es entonces el porcentaje en peso de equivalentes de H₂ dentro del material portador. Por ejemplo, el hidrógeno se puede absorber reversiblemente en muchas tierras raras y metales de transición [ 144 ] y es soluble tanto en metales nanocristalinos como amorfos . [ 145 ] La solubilidad del hidrógeno en los metales está influenciada por distorsiones locales o impurezas en la red cristalina . [ 146 ] Estas propiedades pueden ser útiles cuando el hidrógeno se purifica haciéndolo pasar a través de discos calientes de paladio , pero la alta solubilidad del gas también es un problema metalúrgico, que contribuye a la fragilización de muchos metales, [ 147 ] lo que complica el diseño de tuberías y tanques de almacenamiento. [ 148 ]  

El aspecto más problemático de los hidruros metálicos para el almacenamiento es su modesto contenido de H₂ ,  a menudo del orden del  1%. Por esta razón, existe interés en el almacenamiento de H₂ en compuestos de bajo peso molecular . Por ejemplo, el borano de amoníaco ( H₃N −BH₃ ) contiene un 19,8 % en peso de H₂ . El problema con este material es que después de la liberación de H₂ , el nitruro de boro resultante no vuelve a añadir H₂ : es decir, el borano de amoníaco es un portador de hidrógeno irreversible. [ 149 ] Más atractivos son los hidrocarburos como la tetrahidroquinolina , que liberan reversiblemente algo de H₂ cuando se calientan en presencia de un catalizador: [ 150 ]   

C 9 H 10 NH ⇌ C 9 H 7 N + 2 H 2

Aplicaciones

Escalera del hidrógeno: Clasificación de las aplicaciones y usos del hidrógeno a medio plazo, pero los analistas no están de acuerdo [ 151 ].

Industria petroquímica

Se utilizan grandes cantidades de H₂ en el "mejoramiento" de los combustibles fósiles . Los principales consumidores de H₂ 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 : [ 114 ] [ 152 ]

R 2 S + 2 H 2 → H 2 S + 2 RH

Hidrogenación

La hidrogenación , la adición de H₂ a diversos sustratos, se realiza a gran escala. La hidrogenación de N₂ produce amoníaco mediante el proceso Haber : [ 152 ]

N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃

Este proceso consume un pequeño porcentaje del presupuesto energético de toda la industria y es el mayor consumidor de hidrógeno. El amoníaco resultante se utiliza ampliamente en la producción de fertilizantes ; estos fertilizantes se han convertido en materias primas esenciales en la agricultura moderna. [ 153 ] La hidrogenación también se utiliza para convertir grasas y aceites insaturados en grasas y aceites saturados. La principal aplicación es la producción de margarina . El metanol se produce por hidrogenación de dióxido de carbono; la mezcla de hidrógeno y dióxido de carbono utilizada para este proceso se conoce como gas de síntesis . Es igualmente la fuente de hidrógeno en la fabricación de ácido clorhídrico . El H₂ también se utiliza como agente reductor para la conversión de algunos minerales en metales. [ 154 ] [ 97 ]

Combustible

El potencial del hidrógeno  (H₂ ) como combustible ha sido ampliamente debatido. El hidrógeno puede utilizarse en pilas de combustible para producir electricidad [ 155 ] o quemarse para generar calor [ 156 ] . Cuando el hidrógeno se consume en pilas de combustible, la única emisión en el punto de uso es vapor de agua [ 156 ] . Al quemarse, el hidrógeno produce relativamente poca contaminación en el punto de combustión, pero puede dar lugar a la formación térmica de óxidos de nitrógeno nocivos [ 156 ] .

Si el hidrógeno se produce con bajas o nulas emisiones de gases de efecto invernadero ( hidrógeno verde ), puede 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. [ 157 ] [ 125 ]

El hidrógeno como combustible 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. [ 158 ] Sin embargo, es probable que desempeñe un papel más importante en el suministro de materia prima industrial para la producción más limpia de amoníaco y productos químicos orgánicos. [ 157 ] Por ejemplo, en la fabricación de acero , el hidrógeno podría funcionar como un combustible limpio y también como un catalizador bajo en carbono, reemplazando el coque derivado del carbón (carbono): [ 159 ]

2FeO + C → 2Fe + CO 2
vs
FeO + H₂ → Fe + H₂O

Es probable que el hidrógeno utilizado para descarbonizar el transporte encuentre sus mayores aplicaciones en el transporte marítimo, la aviación y, en menor medida, en los vehículos de mercancías pesadas, mediante el uso de combustibles sintéticos derivados del hidrógeno, como el amoníaco y el metanol , y la tecnología de pilas de combustible. [ 157 ] Para 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 de batería , y puede que no desempeñe un papel significativo en el futuro. [ 160 ]

Un embudo negro invertido con un brillo azul que emerge de su abertura.
El motor principal del transbordador espacial quema hidrógeno con oxígeno, produciendo una llama casi invisible a máxima potencia.

El hidrógeno líquido y el oxígeno líquido se utilizan conjuntamente como propelentes criogénicos en cohetes de propulsión líquida , como en los motores principales del transbordador espacial . La NASA ha investigado el uso de propelente para cohetes compuesto de hidrógeno atómico, boro o carbono congelado en partículas sólidas de hidrógeno molecular suspendidas en helio líquido. Al calentarse, la mezcla se vaporiza, permitiendo que las especies atómicas se recombinen y alcanzando altas temperaturas. [ 161 ]

El hidrógeno producido cuando hay un excedente de electricidad renovable variable podría, en principio, almacenarse y utilizarse posteriormente para generar calor o regenerar electricidad. [ 162 ] Puede transformarse además en combustibles sintéticos como el amoníaco y el metanol . [ 163 ] Las desventajas del hidrógeno como combustible incluyen los altos costos de almacenamiento y distribución debido a su explosividad, su gran volumen en comparación con otros combustibles y su tendencia a fragilizar los materiales . [ 118 ] La desventaja económica de la distribución puede reducirse mediante la ubicación conjunta de instalaciones que utilizan hidrógeno en centros de la industria minera. [ 164 ]

Batería de níquel-hidrógeno

La batería recargable de níquel-hidrógeno de muy larga duración desarrollada para sistemas de energía satelital utiliza H₂ gaseoso presurizado .  [ 165 ] La Estación Espacial Internacional , [ 166 ] Mars Odyssey [ 167 ] y Mars Global Surveyor [ 168 ] están equipadas con baterías de níquel-hidrógeno. En la parte oscura de su órbita, el Telescopio Espacial Hubble también se alimenta con baterías de níquel-hidrógeno, que finalmente fueron reemplazadas en mayo  de 2009, [ 169 ] más de 19  años después del lanzamiento y 13  años más allá de su vida útil de diseño. [ 170 ]

Industria de semiconductores

El hidrógeno se emplea en la fabricación de semiconductores para saturar los enlaces rotos ("colgantes") del silicio amorfo y el carbono amorfo , lo que ayuda a estabilizar las propiedades de los materiales. [ 171 ] El hidrógeno, introducido como un efecto secundario no deseado de la producción, actúa como un donador de electrones poco profundo que conduce a la conductividad de tipo n en ZnO , con importantes usos en transductores y fósforos . [ 172 ] [ 173 ] El análisis detallado de ZnO y de MgO muestra evidencia de enlaces multicéntricos de hidrógeno de cuatro y seis brazos. [ 174 ] El comportamiento de dopaje del hidrógeno varía con el material. [ 175 ] [ 176 ]

Usos específicos y en evolución

Además de los usos mencionados anteriormente, el hidrógeno se utiliza a menor escala en las siguientes aplicaciones:

Seguridad y precauciones

En las tuberías de hidrógeno y los depósitos de almacenamiento de acero, las moléculas de hidrógeno tienden a reaccionar con los metales, provocando fragilización por hidrógeno y fugas en la tubería o el depósito. [ 189 ] Dado que es más ligero que el aire, el hidrógeno no se acumula fácilmente para formar una mezcla de gases combustibles. [ 189 ] Sin embargo, incluso sin fuentes de ignición, una fuga de hidrógeno a alta presión puede provocar combustión espontánea y detonación . [ 189 ]

El hidrógeno es inflamable incluso cuando se mezcla con aire en pequeñas cantidades. La ignición puede ocurrir con una proporción volumétrica de hidrógeno a aire tan baja como el 4 %. [ 190 ] En aproximadamente el 70 % de los accidentes por ignición de hidrógeno, no se puede determinar la fuente de ignición. [ 189 ]

El fuego de hidrógeno, si bien es extremadamente caliente, es casi invisible al ojo humano y, por lo tanto, puede provocar quemaduras accidentales. [ 45 ] El hidrógeno no es tóxico, [ 191 ] pero como la mayoría de los gases, puede causar asfixia en ausencia de ventilación adecuada. [ 192 ]

Véase también

Referencias

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  192. ↑ Departamento de Energía de EE. UU. "Prácticas operativas seguras actuales" . Energy.gov . Consultado el 24 de febrero de 2025 .

Lecturas adicionales

  • Tabla de los nucleidos (17.ª ed.). Laboratorio de Energía Atómica Knolls. 2010. ISBN 978-0-9843653-0-2.
  • Newton, David E. (1994). Los elementos químicos . Nueva York: Franklin Watts. ISBN 978-0-531-12501-4.
  • Rigden, John S. (2002). Hidrógeno: El elemento esencial . Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. ISBN 978-0-531-12501-4.
  • Romm, Joseph J. (2004). El bombo publicitario sobre el hidrógeno: realidad y ficción en la carrera por salvar el clima . Island Press. ISBN 978-1-55963-703-9.
  • Scerri, Eric (2007). El sistema periódico, su historia y su significado . Nueva York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-530573-9.
  • Modelo básico del átomo de hidrógeno en mecánica cuántica en Wayback Machine (archivado el 8 de marzo de 2025) (Timothy Jones, Universidad de Drexel)
  • El hidrógeno en la tabla periódica de los vídeos (Universidad de Nottingham)
  • Diagrama de fases del hidrógeno a alta temperatura de Burkhard Militzer (Universidad de California, Berkeley).
  • Función de onda del hidrógeno en HyperPhysics (Universidad Estatal de Georgia)