Hidrógeno QUÍM.

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Química

Generalidades. Elemento gaseoso, de número atómico 1 y peso atómico 1,00797. Interviene en la formación de compuestos siempre con elementos de mayor peso, por lo que fue escogido por Dalton (v.) como de peso atómico unidad. Actualmente, ha sido reemplazado por la unidad de masa atómica basada en el isótopo C12. Tiene una estructura atómica (v. ÁTOMO) sumamente simple: un electrón cortical que neutraliza la carga de un núcleo (v.) formado por un protón (H’, de peso atómico 1,007825), por un protón y un neutrón (H2 o D, deuterio, de peso atómico 2,014102) o por un protón y dos neutrones (H3 o T, tritio, de peso atómico 3,016046). Estos tres isótopos (v.) se encuentran en los compuestos de h. que existen en la naturaleza. En las aguas, se encuentra una proporción de 0,0135% a 0,0156% de D20 ("agua pesada") y vestigios de T20. El H3 es radiactivo (v. RADIACTIVIDAD), emisor de partículas beta, con periodo de semi desintegración de 12,5 años. Aun cuando normalmente los isótopos de un determinado elemento muestren todos el mismo comportamiento químico, las diferencias relativas de masa entre los del h. son tan grandes que los efectos isotópicos son acusados. Así, los enlaces que forma el H’ son más fáciles de escindir que los del D, y los compuestos de H’ son cinéticamente más activos que los de D. El H+ se reduce con más facilidad que el D+. Si se electrolizan 100.000 l. de agua hasta que solo quede 1 1., éste tiene 99% de D20. Lógicamente, las diferencias de comportamiento nuclear son muy grandes. La tecnología del deuterio se ha desarrollado vigorosamente a consecuencia de su uso en las instalaciones nucleares (moderadores de agua pesada). En las llamadas bombas de h., ensayadas por vez primera en 1956, el explosivo nuclear es, al parecer, deuteriuro de litio (LiD), y la reacción de fusión (v. FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR) termonuclear entre los núcleos de los componentes se produce en las condiciones creadas por una explosión de plutonio, siendo del tipoD+Lib 2He4; Lib+n He4+T; Lib+T 2He4+n.

El T ha encontrado aplicaciones en la datación para periodos cortos y en la preparación de pinturas luminiscentes no peligrosas, pues las partículas beta que provocan la luminiscencia no pueden atravesar los vidrios de reloj. Las propiedades del núcleo de h. ordinario, y en especial su momento magnético, han permitido desarrollar la técnica de la resonancia magnética nuclear, que ha alcanzado importancia muy grande en el estudio de las estructuras, estados de hibridación, multiplicidad de enlaces, y otros caracteres de los compuestos del h. (v. ENLACES QUÍMICOS).

Estado natural. El h. libre escasea en la atmósfera, en la que existe menos de una parte por millón (v. AIRE I). Se desprende de algunos volcanes, de los pozos de petróleo, de las minas de carbón y de sales potásicas, formándose, además, como consecuencia de la acción de las radiaciones solares sobre el vapor de agua, particularmente en las capas altas de la atmósfera. Abundan, sin embargo, en la litosfera los compuestos del h.: el 13,5% de los átomos de la corteza terrestre son de este elemento, con lo que únicamente son más abundantes los de oxígeno y silicio. Un 10,8% del peso del agua del mar es de h. También se encuentra formando parte de los compuestos orgánicos (v. COMPUESTOS QUÍMICOS II), desde el metano del gas natural e hidrocarburos (v.) del petróleo, hasta las complicadísimas proteínas. La importancia biológica de este elemento es extraordinaria, no sólo por su intervención en la formación de enlaces por puentes de h., que se pueden romper y formar en condiciones compatibles con la vida de los organismos, sino en cuanto que la mayor parte de la energía muscular se obtiene a través de un proceso de oxidación gradual de los enlaces C-H y no por combustión del C con formación de C02, como se creyó en otros tiempos. En contraste con esta situación en la Tierra, eJ h. es sumamente abundante en el Sol, las estrellas fijas y las nebulosas, e interviene a través de reacciones de fusión en la liberación de energía (ciclo de Bethe).

Propiedades físicas. Destaca su baja densidad (0,08987 g/l.), su escasa solubilidad en agua (0,018 volúmenes en l), su conductividad calorífica mayor que la de todos los demás gases, su gran capacidad de difusión debida a la pequeñez de sus moléculas (longitud del enlace 0,749 A), Aque ha permitido la purificación hasta un 99,999% por separación de las impurezas de gases al difundirse a través de una pared de aleación plata-paladio y las propiedades derivadas de la debilidad de las fuerzas de van der Waals que se manifiestan en un buen cumplimiento de las leyes de los gases ideales (Boyle y Gay Lussac), lo que lo hace indispensable en termometría. También se debe a esta causa que sus puntos de ebullición y solidificación sean muy bajos (-252,80C y -2620C), permitiendo su evaporación a presión reducida alcanzar temperaturas muy cercanas al cero absoluto.

Propiedades químicas. La simplicidad de la estructura electrónica del h. permitió, a través del estudio de su espectro (v.), la construcción de modelos nucleares que iniciados por Bohr (v.) han tenido enorme influencia en las ideas sobre la estructura atómica. La liberación del electrón de la corteza requiere 13,6 eV (312 Kcal/mol.), lo que hace difícil que se produzcan iones H+ durante las reacciones químicas (v.). La captura de un electrón libre, con formación del ion H-, de estructura de He, requiere 0,72 eV (16,5 Kcal/mol.), lo que tiene como consecuencia que sólo los metales más electropositivos (alcalinos y alcalinotérreos, p. ej.), sean capaces de provocar su formación. El h. está situado en el centro de la tabla de electronegatividades (2,1 en la escala de Pauling) lo cual implica poca tendencia a la formación de compuestos fónicos. Como consecuencia, la química de este elemento se caracteriza por un predominio de las reacciones de formación de enlaces covalentes por apareamiento de su único electrón. Únicamente los elementos más electronegativos (F,O,CI,N) influyen sobre su nube electrónica lo suficiente para que el "casi protón" formado pueda actuar como agente de enlace entre dos átomos, dando origen a los "puentes de hidrógeno", de energía del orden de 5 Kcal/mol. en término medio, próxima a la energía de agitación térmica a la temperatura ambiente, lo que hace sumamente fácil su formación o ruptura en condiciones suaves, compatibles con los sistemas biológicos. La molécula de h. tiene una entalpía (v.) de formación de 103 Kcal/mol., lo que le confiere gran estabilidad y es causa de la escasa reactividad del h. en condiciones normales de temperatura y presión. Si el h. molecular se trasforma en atómico por la acción de temperaturas muy altas, descargas eléctricas o radiaciones, manifiesta una enorme capacidad de reacción dando origen a la formación de hidruros (v.) por reacción directa con muchos metales y no metales. Si su temperatura se eleva, reacciona vigorosamente con muchos de los no metales, como el flúor (se alcanzan temperaturas de hasta 4.000°), los demás halógenos -salvo el yodoy el oxígeno (entalpía de reacción -57,6 Kcal/mol. de h.) con el que da la mezcla detonante. El h. actúa como agente de reducción sobre los óxidos y haluros de los metales, como agente de hidrogenación de compuestos orgánicos y es el elemento central en muchas de las definiciones de la acidez (v. ÁCIDOS i). En general requiere el uso de presiones altas, temperaturas elevadas y, sobre todo, de catalizadores.

Obtención. Entre los métodos industriales de obtención han alcanzado gran importancia los derivados de las reacciones de oxidación con vapor de agua de los hidrocarburos (metano del gas natural; propano de las refinerías de petróleo) y la producción del elemento durante las operaciones de "reformado" catalítico de los hidrocarburos para mejorar el índice de octano. También tienen mucha importancia los basados en la reacción del vapor de agua con carbón (gas de agua) y los métodoselectrolíticos (v. ELECTRÓLISIS), bien directos, (que dan h. muy puro), bien indirectos como los de obtención de hidróxidos alcalinos por electrólisis de disoluciones de cloruro sódico. Entre los métodos de laboratorio mencionaremos los de reacción de los metales alcalinos con el agua, de los metales básicos con ácidos, de ciertos hidruros, como el de calcio, con el agua, y otros muchos en que no intervienen consideraciones económicas, sino de suavidad de condiciones.

Aplicaciones. La mayor cantidad de h. es consumido por la síntesis del amoniaco (Haber-Bosch, 1909). También se consumen grandes cantidades en la hidrogenación de las grasas líquidas (Sabatier y Senderens, 1897), en la conversión del carbón en hidrocarburos (Bergius, 1914), en la síntesis del metanol a partir de CO e H2 (Pier, 1923), en la de gasolinas a partir de lignitos, alquitranes y breas por hidrogenación (Fischer-Tropsch, 1925) en los métodos oxo, de adición simultánea de h. y CO a dobles enlaces con formación de aldehídos y cetonas (1938). En casi todos los casos se vence la pereza química del h. molecular usando catalizadores, presiones altas y temperaturas moderadas. Junto a estas grandes aplicaciones se pueden mencionar otras como la soldadura autógena, la fusión de A1202, Si03, platino y metales preciosos, la obtención de piedras preciosas artificiales mediante el soplete, el uso para llenado de globos y como propergol en el cohete Saturno, operaciones metalúrgicas (W, Me, CO), etc.

J. BELTRÁN MARTÍNEZ.

BIBL.: J. BABOR y J. IBARZ, Química general moderna, Barcelona 1970; W. F. LUDER, Química general, Madrid 1961; E. HuTCHINSON, Química de los elementos y sus reacciones, Barcelona 1960; N. V. SIDCWICK, Los elementos químicos y sus compuestos, Madrid 1956; T. MOELLER, Química inorgánica, Barcelona 1956.