El Hidrogeno

Hidrógeno (H), una sustancia gaseosa incolora, inodora, insípida e inflamable que es el miembro más simple de la familia de los elementos químicos. El átomo de hidrógeno tiene un núcleo que consiste en un protón que lleva una unidad de carga eléctrica positiva; un electrón, que lleva una unidad de carga eléctrica negativa, también está asociado con este núcleo.

Bajo condiciones ordinarias, el gas hidrógeno es una agregación suelta de moléculas de hidrógeno, cada una de las cuales consiste en un par de átomos, una molécula diatómica, H2. La primera propiedad química importante conocida del hidrógeno es que se quema con oxígeno para formar agua, H2O; de hecho, el nombre hidrógeno se deriva de palabras griegas que significan “hacedor de agua”.

Aunque el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo (tres veces más abundante que el helio, el siguiente elemento más abundante), constituye sólo alrededor del 0,14 por ciento de la corteza terrestre en peso.

Sin embargo, se presenta en grandes cantidades como parte del agua en los océanos, las bolsas de hielo, los ríos, los lagos y la atmósfera. Como parte de innumerables compuestos de carbono, el hidrógeno está presente en todos los tejidos animales y vegetales y en el petróleo.

Aunque a menudo se dice que hay más compuestos conocidos de carbono que de cualquier otro elemento, el hecho es que, como el hidrógeno está contenido en casi todos los compuestos de carbono y también forma una multitud de compuestos con todos los demás elementos (excepto algunos de los gases nobles), es posible que los compuestos de hidrógeno sean más numerosos.

El hidrógeno elemental encuentra su principal aplicación industrial en la fabricación de amoníaco (compuesto de hidrógeno y nitrógeno, NH3) y en la hidrogenación de monóxido de carbono y compuestos orgánicos.

El hidrógeno tiene tres isótopos conocidos. Los números de masa de los isótopos de hidrógeno son 1, 2 y 3, siendo el más abundante el isótopo de masa 1 generalmente llamado hidrógeno (símbolo H, o 1H) pero también conocido como protio. El isótopo de masa 2, que tiene un núcleo de un protón y un neutrón y ha sido denominado deuterio, o hidrógeno pesado (símbolo D, o 2H), constituye el 0,0156 por ciento de la mezcla ordinaria de hidrógeno.hidrogeno

El tritio (símbolo T, o 3H), con un protón y dos neutrones en cada núcleo, es el isótopo de masa 3 y constituye alrededor de 10-15 a 10-16 por ciento de hidrógeno. La práctica de dar nombres distintos a los isótopos de hidrógeno se justifica por el hecho de que existen diferencias significativas en sus propiedades.

Paracelso, médico y alquimista, en el siglo XVI experimentó sin saberlo con el hidrógeno cuando descubrió que un gas inflamable evolucionaba cuando un metal se disolvía en ácido. Sin embargo, el gas se confundió con otros gases inflamables, como los hidrocarburos y el monóxido de carbono.

En 1766 Henry Cavendish, químico y físico inglés, demostró que el hidrógeno, entonces llamado aire inflamable, flogisto o principio inflamable, era distinto de otros gases combustibles debido a su densidad y a la cantidad de éste que evolucionaba de una cantidad dada de ácido y metal.

En 1781 Cavendish confirmó observaciones previas de que el agua se formó cuando se quemó el hidrógeno, y Antoine-Laurent Lavoisier, el padre de la química moderna, acuñó la palabra francesa hydrogène de la que se deriva la forma inglesa.

En 1929 Karl Friedrich Bonhoeffer, un físico químico alemán, y Paul Harteck, un químico austriaco, en base a trabajos teóricos anteriores, mostraron que el hidrógeno ordinario es una mezcla de dos tipos de moléculas, orto-hidrógeno y parahidrógeno.

Debido a la estructura simple del hidrógeno, sus propiedades pueden ser calculadas teóricamente con relativa facilidad. Por lo tanto, el hidrógeno se utiliza a menudo como modelo teórico para átomos más complejos, y los resultados se aplican cualitativamente a otros átomos.

Índice

Propiedades físicas y químicas

La tabla enumera las propiedades importantes del hidrógeno molecular, H2. Los puntos de fusión y de ebullición extremadamente bajos son el resultado de las débiles fuerzas de atracción entre las moléculas.

La existencia de estas débiles fuerzas intermoleculares también se revela por el hecho de que, cuando el gas hidrógeno se expande de alta a baja presión a temperatura ambiente, su temperatura aumenta, mientras que la temperatura de la mayoría de los demás gases disminuye.

Según los principios termodinámicos, esto implica que las fuerzas repulsivas exceden las fuerzas atractivas entre las moléculas de hidrógeno a temperatura ambiente; de lo contrario, la expansión enfriaría el hidrógeno. De hecho, a -68.6° C predominan las fuerzas atractivas, y el hidrógeno, por lo tanto, se enfría cuando se le permite expandirse por debajo de esa temperatura.hidrogeno

El efecto de enfriamiento se hace tan pronunciado a temperaturas inferiores a las del nitrógeno líquido (-196° C) que el efecto se utiliza para alcanzar la temperatura de licuefacción del propio gas hidrógeno.

El hidrógeno es transparente a la luz visible, a la luz infrarroja y a la luz ultravioleta a longitudes de onda inferiores a 1800 Å. Debido a que su peso molecular es inferior al de cualquier otro gas, sus moléculas tienen una velocidad superior a la de cualquier otro gas a una temperatura dada y se difunde más rápidamente que cualquier otro gas.

En consecuencia, la energía cinética se distribuye más rápidamente a través del hidrógeno que a través de cualquier otro gas; tiene, por ejemplo, la mayor conductividad térmica.

Una molécula de hidrógeno es la molécula más simple posible. Consiste en dos protones y dos electrones unidos por fuerzas electrostáticas. Al igual que el hidrógeno atómico, el ensamblaje puede existir en varios niveles de energía.

Ortohidrógeno y parahidrógeno

Se conocen dos tipos de hidrógeno molecular (orto y para). Estos difieren en las interacciones magnéticas de los protones debido a los movimientos de rotación de los protones.

  • En el ortohidrógeno, los espines de ambos protones están alineados en la misma dirección, es decir, son paralelos.
  • En el parahidrógeno, los espines están alineados en direcciones opuestas y por lo tanto son antiparalelos.

La relación de las alineaciones de espín determina las propiedades magnéticas de los átomos. Normalmente, las transformaciones de un tipo en el otro (es decir, las conversiones entre orto y para moléculas) no ocurren y el orto-hidrógeno y el parahidrógeno pueden ser considerados como dos modificaciones distintas del hidrógeno.

No obstante, ambas formas pueden interconvertirse en determinadas condiciones. El equilibrio entre las dos formas puede establecerse de varias maneras. Uno de ellos es la introducción de catalizadores (como el carbón activado o diversas sustancias paramagnéticas); otro método es aplicar una descarga eléctrica al gas o calentarlo a alta temperatura.

Esencialmente, se puede producir parahidrógeno puro al poner la mezcla en contacto con el carbón vegetal a la temperatura del hidrógeno líquido; esto convierte todo el ortohidrógeno en parahidrógeno. El orto-hidrógeno, por otro lado, no puede prepararse directamente de la mezcla porque la concentración de parahidrógeno nunca es inferior al 25 por ciento.

Las dos formas de hidrógeno tienen propiedades físicas ligeramente diferentes. El punto de fusión del parahidrógeno es 0,10° inferior al de una mezcla 3:1 de ortohidrógeno y parahidrógeno.

A -252,77° C la presión ejercida por el vapor sobre el parahidrógeno líquido es de 1,035 atmósferas (una de ellas es la presión de la atmósfera a nivel del mar en condiciones estándar, equivalente a unas 14,69 libras por pulgada cuadrada), frente a 1.000 atmósferas para la presión de vapor de la mezcla orto-para de 3:1.

Como resultado de las diferentes presiones de vapor de parahidrógeno y ortohidrógeno, estas formas de hidrógeno pueden separarse mediante cromatografía de gases a baja temperatura, un proceso analítico que separa diferentes especies atómicas y moleculares en función de sus diferentes volatilidades.

Referencias

 

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