El hidrógeno es un elemento químico con el símbolo H y el número atómico 1. Con un peso atómico estándar de 1.008 , el hidrógeno es el elemento más liviano de la tabla periódica . El hidrógeno es la sustancia química más abundante en el Universo y constituye aproximadamente el 75% de toda la masa bariónica . [7] [nota 1] Lasestrellas no remanentes están compuestas principalmente de hidrógeno en el estado de plasma . El isótopo más común del hidrógeno, denominado protio (nombre raramente usado, símbolo1H), tiene un protón y no tiene neutrones .
La aparición universal de hidrógeno atómico se produjo por primera vez durante la época de la recombinación . A temperatura y presión estándar , el hidrógeno es un gas diatómico altamente incoloro , inodoro , insípido , no tóxico, no metálico y altamente combustiblecon la fórmula molecular H 2 . Dado que el hidrógeno forma fácilmente compuestos covalentes con la mayoría de los elementos no metálicos, la mayor parte del hidrógeno en la Tierra existe en formas moleculares como el agua o compuestos orgánicos . El hidrógeno juega un papel particularmente importante enReacciones ácido-base porque la mayoría de las reacciones ácido-base involucran el intercambio de protones entre moléculas solubles. En los compuestos iónicos , el hidrógeno puede tomar la forma de una carga negativa (es decir, un anión ) cuando se conoce como un hidruro , o como una especie cargada positivamente (es decir, un catión ), denotada por el símbolo H + . El catión de hidrógeno se escribe como si estuviera compuesto por un protón desnudo, pero en realidad, los cationes de hidrógeno en los compuestos iónicos son siempre más complejos. Como el único átomo neutro para el cual se puede resolver analíticamente la ecuación de Schrödinger , [8]El estudio de la energía y la unión del átomo de hidrógeno ha desempeñado un papel clave en el desarrollo de la mecánica cuántica .
El gas de hidrógeno se produjo artificialmente por primera vez a principios del siglo XVI por la reacción de los ácidos en los metales. En 1766–81, Henry Cavendish fue el primero en reconocer que el gas hidrógeno era una sustancia discreta, [9] y que produce agua cuando se quema, la propiedad por la que más tarde fue nombrado: en griego, hidrógeno significa "formador de agua" .
La producción industrial es principalmente a partir de gas natural reformado con vapor, y menos a menudo de métodos de mayor consumo de energía, como la electrólisis del agua . [10] La mayor parte del hidrógeno se usa cerca del sitio de su producción, los dos usos más importantes son el procesamiento de combustibles fósiles(por ejemplo, hidrocraqueo ) y la producción de amoníaco , principalmente para el mercado de fertilizantes. El hidrógeno es una preocupación en la metalurgia, ya que puede agrietar muchos metales, [11] complicando el diseño de tuberías y tanques de almacenamiento.
Resplandor púrpura en su estado de plasma.
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| Hidrógeno | |||||||||||||||||||||
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| Apariencia | gas incoloro | ||||||||||||||||||||
| Peso atómico estándar A r, std (H) | [ 1.007 84 , 1.008 11 ] convencional: 1.008 | ||||||||||||||||||||
| Hidrógeno en la tabla periódica. | |||||||||||||||||||||
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| Número atómico ( z ) | 1 | ||||||||||||||||||||
| Grupo | grupo 1 | ||||||||||||||||||||
| Período | periodo 1 | ||||||||||||||||||||
| Bloquear | bloque s | ||||||||||||||||||||
| Categoría de elemento | no metal reactivo | ||||||||||||||||||||
| Configuración electronica | 1s 1 | ||||||||||||||||||||
Electrones por concha
| 1 | ||||||||||||||||||||
| Propiedades físicas | |||||||||||||||||||||
| Fase en STP | gas | ||||||||||||||||||||
| Punto de fusion | 13.99 K (−259.16 ° C, −434.49 ° F) | ||||||||||||||||||||
| Punto de ebullición | 20.271 K (−252.879 ° C, −423.182 ° F) | ||||||||||||||||||||
| Densidad (en STP) | 0.08988 g / L | ||||||||||||||||||||
| cuando liquido (a mp ) | 0.07 g / cm 3 (sólido: 0.0763 g / cm 3 ) [1] | ||||||||||||||||||||
| cuando es liquido (a bp ) | 0.07099 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||
| Triple punto | 13.8033 K, 7.041 kPa | ||||||||||||||||||||
| Punto crítico | 32.938 K, 1.2858 MPa | ||||||||||||||||||||
| Calor de fusión | (H 2 ) 0.117 kJ / mol | ||||||||||||||||||||
| Calor de vaporización | (H 2 ) 0.904 kJ / mol | ||||||||||||||||||||
| Capacidad de calor molar | (H 2 ) 28.836 J / (mol · K) | ||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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| Propiedades atómicas | |||||||||||||||||||||
| Estados de oxidación | −1 , +1 (un óxido anfótero ) | ||||||||||||||||||||
| Electronegatividad | Escala de Pauling: 2.20 | ||||||||||||||||||||
| Energías de ionización |
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| Radio covalente | 31 ± 5 pm | ||||||||||||||||||||
| Radio de van der waals | 120 pm | ||||||||||||||||||||
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| Otras propiedades | |||||||||||||||||||||
| Ocurrencia natural | primordial | ||||||||||||||||||||
| Estructura cristalina | hexagonal | ||||||||||||||||||||
| Velocidad del sonido | 1310 m / s (gas, 27 ° C) | ||||||||||||||||||||
| Conductividad térmica | 0.1805 W / (m · K) | ||||||||||||||||||||
| Orden magnética | diamagnético [2] | ||||||||||||||||||||
| Susceptibilidad magnética | −3.98 · 10 −6 cm 3 / mol (298 K)[3] | ||||||||||||||||||||
| Número CAS | 12385-13-6 1333-74-0 (H 2 ) | ||||||||||||||||||||
| Historia | |||||||||||||||||||||
| Descubrimiento | Henry Cavendish [4] [5] (1766) | ||||||||||||||||||||
| Nombrado por | Antoine Lavoisier [6] (1783) | ||||||||||||||||||||
| Isótopos principales del hidrógeno. | |||||||||||||||||||||
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Propiedades
Combustión
El gas hidrógeno ( dihidrógeno o hidrógeno molecular, [13] también llamado diprotio [14] cuando consiste específicamente en un par de átomos de protio ) es altamente inflamable y se quemará en el aire en un rango muy amplio de concentraciones entre el 4% y el 75% en volumen. . [15] La entalpía de la combustión es −286 kJ / mol: [16]
- 2 H 2 (g) + O 2 (g) → 2 H 2 O (l) + 572 kJ (286 kJ / mol) [nota 2]
El gas hidrógeno forma mezclas explosivas con el aire en concentraciones de 4 a 74% y con cloro en 5 a 95%. Las reacciones explosivas pueden ser provocadas por chispas, calor o luz solar. La temperatura de autoignición del hidrógeno , la temperatura de la ignición espontánea en el aire, es de 500 ° C (932 ° F). [17] Las llamas puras de hidrógeno y oxígeno emiten luz ultravioleta y con una mezcla de alto oxígeno son casi invisibles a simple vista, como lo ilustra la débil columna del motor principal del transbordador espacial , en comparación con el penacho altamente visible de un cohete espacial. , que utiliza un compuesto de perclorato de amonio . La detección de una fuga de hidrógeno en combustión puede requerir undetector de llama ; Tales fugas pueden ser muy peligrosas. Las llamas de hidrógeno en otras condiciones son azules, se asemejan a las llamas azules de gas natural. [18]
La destrucción de la aeronave de Hindenburg fue un ejemplo notorio de combustión de hidrógeno y la causa aún se debate. Las llamas anaranjadas visibles en ese incidente fueron el resultado de una rica mezcla de hidrógeno a oxígeno combinado con compuestos de carbono de la piel de la aeronave.
H 2 reacciona con cada elemento oxidante. El hidrógeno puede reaccionar de forma espontánea y violenta a temperatura ambiente con cloro y flúor para formar los correspondientes haluros de hidrógeno , cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno , que también son ácidos potencialmente peligrosos . [19]
Niveles de energia electronica
El nivel de energía en estado fundamental del electrón en un átomo de hidrógeno es −13.6 eV , [20] que es equivalente a un fotón ultravioleta de aproximadamente 91 nm de longitud de onda. [21]
Los niveles de energía del hidrógeno pueden calcularse con bastante precisión utilizando el modelo de Bohr del átomo, que conceptualiza al electrón como "orbitando" el protón en analogía con la órbita del Sol en la Tierra. Sin embargo, el electrón atómico y el protón se mantienen unidos por la fuerza electromagnética , mientras que los planetas y los objetos celestes se mantienen por gravedad . Debido a la discretización del momento angular postulado en la mecánica cuántica temprana por Bohr, el electrón en el modelo de Bohr solo puede ocupar ciertas distancias permitidas desde el protón y, por lo tanto, solo ciertas energías permitidas. [22]
Una descripción más precisa del átomo de hidrógeno proviene de un tratamiento mecánico puramente cuántico que utiliza la ecuación de Schrödinger , la ecuación de Dirac o incluso la formulación integral de la trayectoria de Feynman para calcular la densidad de probabilidad del electrón alrededor del protón. [23] Los tratamientos más complicados permiten 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 ningún momento angular, lo que ilustra cómo la "órbita planetaria" difiere del movimiento de un electrón.
Formas moleculares elementales
Existen dos isómeros de espín diferentes de moléculas diatómicas de hidrógenoque difieren según el espín relativo de sus núcleos. [24] En el orthohydrogenforma, los espines de los dos protones son paralelas y forman un estado de triplete con un número cuántico de espín molecular de 1 ( 1 / 2 + 1 / 2 ); en el parahidrógeno forman los espines son antiparalelas y forman un singlete con un número cuántico de espín molecular de 0 ( 1 / 2 - 1 / 2). A temperatura y presión estándar, el gas hidrógeno contiene aproximadamente el 25% de la forma para y el 75% de la forma orto, también conocida como la "forma normal". [25] La relación de equilibrio de ortohidrógeno a parahidrógeno depende de la temperatura, pero debido a que la forma orto es un estado excitado y tiene una energía más alta que la forma para, es inestable y no se puede purificar. A temperaturas muy bajas, el estado de equilibrio se compone casi exclusivamente de la forma para. Las propiedades térmicas de la fase líquida y gaseosa del parahidrógeno puro difieren significativamente de las de la forma normal debido a las diferencias en las capacidades de calor de rotación, como se analiza con más detalle en los isómeros de hidrógeno . [26]La distinción orto / para también se produce en otras moléculas o grupos funcionales que contienen hidrógeno, como el agua y el metileno , pero tiene poca importancia por sus propiedades térmicas. [27]
La interconversión no catalizada entre para y orto H 2 aumenta con el aumento de la temperatura; de este modo condensado rápidamente H 2 contiene grandes cantidades de la forma orto de alta energía que se convierte en la forma para muy lentamente. [28] La relación orto / para en H 2 condensado es una consideración importante en la preparación y el almacenamiento de hidrógeno líquido : la conversión de orto a para es exotérmica y produce suficiente calor para evaporar parte del hidrógeno líquido, lo que conduce a la pérdida de licuado material. Catalizadores para la interconversión orto-para, como el óxido férrico , carbón activadoEl asbesto platinado, los metales de tierras raras, los compuestos de uranio, el óxido crómico o algunos compuestos de níquel [29] se utilizan durante el enfriamiento con hidrógeno. [30]
Fases
Compuestos
Compuestos covalentes y orgánicos.
Mientras H 2 no es muy reactivo en condiciones estándar, lo hace forman compuestos con la mayoría de los elementos. El hidrógeno puede formar compuestos con elementos que son más electronegativos , como los halógenos (por ejemplo, F, Cl, Br, I) u oxígeno ; en estos compuestos el hidrógeno adquiere una carga positiva parcial. [31] Cuando se une a flúor , oxígeno o nitrógeno , el hidrógeno puede participar en una forma de enlace no covalente de resistencia media con el hidrógeno de otras moléculas similares, un fenómeno llamado enlace de hidrógeno que es crítico para la estabilidad de muchas moléculas biológicas. [32] [33]El hidrógeno también forma compuestos con menos elementos electronegativos, como metales y metaloides , donde adquiere una carga negativa parcial. Estos compuestos son a menudo conocidos como hidruros . [34]
El hidrógeno forma una amplia gama de compuestos con carbono llamados hidrocarburos , y una variedad aún más vasta con heteroátomos que, debido a su asociación general con los seres vivos, se denominan compuestos orgánicos . [35] El estudio de sus propiedades se conoce como química orgánica [36] y su estudio en el contexto de los organismos vivos se conoce como bioquímica . [37]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. [35] Se conocen millones de hidrocarburos , y generalmente están formados por vías sintéticas complicadas que rara vez involucran hidrógeno elemental.
Hidruros
Los compuestos de hidrógeno a menudo se llaman hidruros , un término que se usa bastante libremente. El término "hidruro" sugiere que el átomo de H ha adquirido un carácter negativo o aniónico, H denotado - , y se utiliza cuando el hidrógeno forma un compuesto con un más electropositivo elemento. La existencia del anión hidruro , sugerida por Gilbert N. Lewis en 1916 para los hidruros 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. [38]Para los hidruros distintos de los metales del grupo 1 y 2, el término es bastante engañoso, considerando la baja electronegatividad del hidrógeno. Una excepción en el grupo 2 hidruros es BeH
2 , que es polimérico. En elhidruro de litio y aluminio, elaniónAlH-
4 lleva centros hidrídicos firmemente unidos al Al (III).
2 , que es polimérico. En elhidruro de litio y aluminio, elaniónAlH-
4 lleva centros hidrídicos firmemente unidos al Al (III).
Aunque los hidruros pueden formarse con casi todos los elementos del grupo principal, el número y la combinación de posibles compuestos varía ampliamente; por ejemplo, se conocen más de 100 hidruros de borano binarios, pero solo un hidruro de aluminio binario. [39] Aún no se ha identificado el hidruro de indio binario , aunque existen complejos más grandes. [40]
En química inorgánica , los hidruros también pueden servir como ligandos de puente que unen dos centros metálicos en un complejo de coordinación . Esta función es particularmente común en los elementos del grupo 13, especialmente en boranos ( hidruros de boro ) y complejos de aluminio , así como en carboranos agrupados . [41]
Protones y acidos
La oxidación del hidrógeno elimina su electrón y produce H + , que no contiene electrones y un núcleo que generalmente está compuesto por un protón. Por eso H +
A menudo se le llama protón. Esta especie es fundamental para la discusión de los ácidos . Bajo la teoría de la base de ácido Brønsted-Lowry , los ácidos son donantes de protones, mientras que las bases son aceptores de protones.
A menudo se le llama protón. Esta especie es fundamental para la discusión de los ácidos . Bajo la teoría de la base de ácido 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 atracción imparable a otros átomos o moléculas con electrones. Excepto a las altas temperaturas asociadas con los plasmas, tales protones no pueden eliminarse de las nubes de electrones de los átomos y las moléculas, y permanecerán unidos a ellos. Sin embargo, el término 'protón' se usa a veces de forma suelta y metafórica para referirse a hidrógeno cargado positivamente o catiónico unido a otras especies de esta manera, y como tal se denota " H +
"sin ninguna implicación de que cualquier protón individual exista libremente como especie.
, no puede existir en solución o en cristales iónicos debido a su atracción imparable a otros átomos o moléculas con electrones. Excepto a las altas temperaturas asociadas con los plasmas, tales protones no pueden eliminarse de las nubes de electrones de los átomos y las moléculas, y permanecerán unidos a ellos. Sin embargo, el término 'protón' se usa a veces de forma suelta y metafórica para referirse a hidrógeno cargado positivamente o catiónico unido a otras especies de esta manera, y como tal se denota " H +
"sin ninguna implicación de que cualquier protón individual exista libremente como especie.
Para evitar la implicación del "protón solvatado" desnudo en la solución, a veces se considera que las soluciones acuosas ácidas contienen una especie ficticia menos improbable, denominada " ion hidronio " ( H
3 O+
). Sin embargo, incluso en este caso, tales cationes de hidrógeno solvatado se conciben de manera más realista como organizados en grupos que forman especies más cercanas a H
9 O +
4 . [42] Otros iones de oxonio se encuentran cuando el agua está en solución ácida con otros solventes. [43]
3 O+
). Sin embargo, incluso en este caso, tales cationes de hidrógeno solvatado se conciben de manera más realista como organizados en grupos que forman especies más cercanas a H
9 O +
4 . [42] Otros iones de oxonio se encuentran cuando el agua está en solución ácida con otros solventes. [43]
Aunque exótico en la Tierra, uno de los iones más comunes en el universo es el ion H +
3 , conocido como hidrógeno molecular protonado o el catión trihidrógeno. [44]
3 , conocido como hidrógeno molecular protonado o el catión trihidrógeno. [44]
Hidrógeno atómico
La NASA ha investigado el uso de hidrógeno atómico como propulsor de cohetes . Podría almacenarse en helio líquido para evitar que se recombine en hidrógeno molecular. Cuando el helio se vaporiza, el hidrógeno atómico se libera y se combina nuevamente con el hidrógeno molecular. El resultado sería una corriente intensamente caliente de hidrógeno y gas helio. El peso de despegue de los cohetes podría reducirse en un 50% por este método. [45]
La mayoría del hidrógeno interestelar se encuentra en forma de hidrógeno atómico porque los átomos rara vez pueden colisionar y combinarse. Son la fuente de la importante línea de hidrógeno de 21 cm en astronomía a 1420 MHz.
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