El hidrógeno (del griego antiguo hydro- + génos, «que genera o produce agua») es el elemento químico de número atómico 1, representado por el símbolo H. Con una masa atómica de 1.0079, es el más ligero de la tabla periódica de los elementos. Por lo general, se presenta en su forma molecular, formando el gas diatómico H2 en condiciones normales. Este gas es inflamable, incoloro, inodoro, no metálico e insoluble en agua. Además del estado gaseoso, el hidrógeno puede encontrarse en estado líquido a -252,87 °C y en estado sólido a -259,16 °C. Químicamente, reacciona fácilmente con oxígeno formando agua, con halógenos formando haluros como el cloruro de hidrógeno, y con metales para dar hidruros metálicos; también actúa como agente reductor de óxidos metálicos. En cuanto a sus números de oxidación, el hidrógeno presenta +1 cuando se combina con no metales, -1 en hidruros con metales, y 0 en su forma elemental H₂.
Debido a sus distintas y variadas propiedades, el hidrógeno no se puede encuadrar claramente en ningún grupo de la tabla periódica, aunque muchas veces se sitúa en el grupo 1 (o familia 1A) por poseer un solo electrón en la capa de valencia o capa superior.
El hidrógeno es el elemento químico más abundante, al constituir aproximadamente el 74% de la materia visible del universo.Sin embargo, la mayor parte de la masa del universo no está en la forma de bariones o elementos químicos. Véase materia oscura y energía oscura. En su secuencia principal, las estrellas están compuestas principalmente por hidrógeno en estado de plasma. El hidrógeno elemental es relativamente raro en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene in situ, es decir, en el lugar y en el momento en que se necesita. Los mayores mercados del mundo disfrutan de la utilización del hidrógeno para el mejoramiento de combustibles fósiles (en el proceso de hidrocraqueo) y en la producción de amoniaco (principalmente para el mercado de fertilizantes). El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.
El isótopo del hidrógeno más común es el protio, cuyo núcleo está formado por un único protón y ningún neutrón. En los compuestos iónicos, puede tener una carga positiva (convirtiéndose en un catión llamado hidrón, H+, compuesto únicamente por un protón, a veces en presencia de 1 o 2 neutrones); o carga negativa (convirtiéndose en un anión conocido como hidruro, H-). También se pueden formar otros isótopos, como el deuterio, con un neutrón, y el tritio, con dos neutrones. En 2001, fue creado en laboratorio el isótopo 4H y, a partir de 2003, se sintetizaron los isótopos 5H hasta 7H.Gurov, Y. B., Aleshkin, D. V., Berh, M. N., Lapushkin, S. V., Morokhov, P. V., Pechkurov, V. A., Poroshin, N. O., Sandukovsky, V. G., Tel'kushev, M. V., Chernyshev, B. A., Tschurenkova, T. D. (2004). «Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei.» Physics of Atomic Nuclei 68(3):491-497.Korsheninnikov, A. A. et al. (2003). «Experimental Evidence for the Existence of 7H and for a Specific Structure of 8He.» Phys Rev Lett 90, 082501. El hidrógeno forma compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. Tiene un papel particularmente importante en la química ácido-base, en la que muchas reacciones implican el intercambio de protones (iones hidrógeno, H+) entre moléculas solubles. Puesto que es el único átomo neutro para el que se puede resolver analíticamente la ecuación de Schrödinger, el estudio de la energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fundamental hasta el punto de haber desempeñado un papel principal en el desarrollo de la mecánica cuántica.
Las características de este elemento y su solubilidad en diversos metales son muy importantes en la metalurgia, puesto que muchos metales pueden sufrir fragilidad en su presencia, y en el desarrollo de formas seguras de almacenarlo para su uso como combustible. Es altamente soluble en diversos compuestos que poseen tierras raras y metales de transición, y puede ser disuelto tanto en metales cristalinos como amorfos. La solubilidad del hidrógeno en los metales está influenciada por las distorsiones locales o impurezas en la estructura cristalina del metal.
Etimología
El término hidrógeno proviene del latín hydrogenium, y este del griego antiguo ὕδωρ (hydro): ‘agua’ y γένος-ου(genos): ‘generador’; es decir, «productor de agua». Fue ese el nombre con el que lo bautizó Antoine Lavoisier. La palabra puede referirse tanto al átomo de hidrógeno, descrito en este artículo, como a la molécula diatómica (H2), que se encuentra a nivel de trazas en la atmósfera terrestre. Los químicos tienden a referirse a esta molécula como dihidrógeno,Kubas, G. J., Metal Dihydrogen and σ-Bond Complexes. Kluwer Academic/Plenum Publishers: Nueva York, 2001. molécula de hidrógeno, o hidrógeno diatómico, para distinguirla del átomo del elemento, que no existe de forma aislada en las condiciones ordinarias.
Historia
Descubrimiento del hidrógeno y uso
izquierda|miniatura|Graf Zeppelin, 1936
El hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue el primero producido artificialmente y formalmente descrito por Paracelso (Theophrastus B. von Hohenheim), que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes. Paracelso no era consciente de que el gas inflamable generado en estas reacciones químicas estaba compuesto por un nuevo elemento químico. En 1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reacción que se producía entre limaduras de hierro y ácidos diluidos, lo que resulta en la producción de gas hidrógeno. En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, identificando el gas producido en la reacción metal-ácido como «aire inflamable» y descubriendo más profundamente, en 1781, que el gas produce agua cuando se quema. Generalmente, se le da el crédito por su descubrimiento como un elemento químico. En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrógeno (del griego υδρώ (hydro), agua y γένος-ου (genes) generar, es decir, «productor de agua») cuando él y Laplace reprodujeron el descubrimiento de Cavendish, donde se produce agua cuando se quema hidrógeno.
Lavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos sobre conservación de la masa haciendo reaccionar un flujo de vapor con hierro metálico a través de un tubo de hierro incandescente calentado al fuego. La oxidación anaerobia de hierro por los protones del agua a alta temperatura puede ser representada esquemáticamente por el conjunto de las siguientes reacciones:
Fe + H2O → FeO + H2
2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2
3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2
Muchos metales, tales como circonio, se someten a una reacción similar con agua, lo que conduce a la producción de hidrógeno.
El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898 al usar refrigeración regenerativa, y su invención se aproxima mucho a lo que conocemos hoy en día como termo. Produjo hidrógeno sólido al año siguiente. El deuterio fue descubierto en diciembre de 1931 por Harold Urey, y el tritio fue preparado en 1934 por Ernest Rutherford, Marcus Oliphant, y Paul Harteck. El agua pesada, que tiene deuterio en lugar de hidrógeno regular en la molécula de agua, fue descubierta por el equipo de Urey en 1932.
François Isaac de Rivaz construyó el primer dispositivo de combustión interna propulsado por una mezcla de hidrógeno y oxígeno en 1806. Edward Daniel Clarke inventó el rebufo de gas de hidrógeno en 1819. La lámpara de Döbereiner y la Luminaria Drummond fueron inventadas en 1823.
El llenado del primer globo con gas hidrógeno fue documentado por Jacques Charles en 1783. El hidrógeno proveía el ascenso a la primera manera confiable de viajes aéreos después de la invención del primer dirigible de hidrógeno retirado en 1852 por Henri Giffard. El conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de utilizar el hidrógeno en dirigibles rígidos, que más tarde fueron llamados zepelines, el primero de los cuales tuvo su vuelo inaugural en 1900. Los vuelos normales comenzaron en 1910, y para el inicio de la Primera Guerra Mundial, en agosto de 1914, se había trasladado a 35 000 pasajeros sin ningún incidente grave. Los dirigibles elevados con hidrógeno se utilizan como plataformas de observación y bombarderos durante la guerra.
La primera travesía transatlántica sin escalas fue hecha por el dirigible británico R34 en 1919. A partir de 1928, con el Graf Zeppelin, (En inglés.) «Graf Zeppelin History.» Airships.net. Consultado el 19 d mayo de 2016. el servicio regular de pasajeros prosiguió hasta mediados de la década de 1930 sin ningún incidente. Con el descubrimiento de las reservas de otro tipo de gas ligero en los Estados Unidos, este proyecto debió ser modificado, ya que el otro elemento prometió más seguridad, pero el Gobierno de Estados Unidos se negó a vender el gas a tal efecto. Por lo tanto, el H2 fue utilizado en el dirigible Hindenburg, que resultó destruido en un incidente en vuelo sobre Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937. El incidente fue transmitido en vivo por radio y filmado. El encendido de una fuga de hidrógeno se atribuyó como la causa del incidente, pero las investigaciones posteriores señalaron a la ignición del revestimiento de tejido aluminizado por la electricidad estática.
Papel del hidrógeno en la teoría cuántica
derecha|450px|miniatura|Las líneas del espectro de emisiones de hidrógeno en la región visible. Estas son las cuatro líneas visibles de la serie de Balmer.
Gracias a su estructura atómica relativamente simple, consistente en un solo protón y un solo electrón para el isótopo más abundante (protio), el átomo de hidrógeno posee un espectro de absorción que pudo ser explicado cuantitativamente, lo que supuso el punto central del modelo atómico de Bohr, que constituyó un hito en el desarrollo la teoría de la estructura atómica. Además, la consiguiente simplicidad de la molécula de hidrógeno diatómico y el correspondiente catión dihidrógeno, H2+, permitió una comprensión más completa de la naturaleza del enlace químico, que continuó poco después con el tratamiento mecano-cuántico del átomo de hidrógeno, que había sido desarrollado a mediados de la década de 1920 por Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg.
Uno de los primeros efectos cuánticos que fue explícitamente advertido (pero no entendido en ese momento) fue una observación de Maxwell en la que estaba involucrado el hidrógeno, medio siglo antes de que se estableciera completamente la teoría mecano-cuántica. Maxwell observó que el calor específico del H2, inexplicablemente, se desviaba del correspondiente a un gas diatómico por debajo de la temperatura ambiente y comenzaba a parecerse cada vez más al correspondiente a un gas monoatómico a temperaturas muy bajas. De acuerdo con la teoría cuántica, este comportamiento resulta del espaciamiento de los niveles energéticos rotacionales (cuantizados), que se encuentran particularmente separados en el H2 debido a su pequeña masa. Estos niveles tan separados impiden el reparto equitativo de la energía calorífica para generar movimiento rotacional en el hidrógeno a bajas temperaturas. Los gases diatómicos compuestos de átomos pesados no poseen niveles energéticos rotacionales tan separados y, por tanto, no presentan el mismo efecto que el hidrógeno.Berman, R., Cooke, A. H., Hill, R. W. «Cryogenics.» Ann. Rev. Phys. Chem. 7 (1956). 1-20.
Abundancia en la naturaleza
izquierda|miniatura|230px|NGC 604, una enorme región de hidrógeno ionizado en la galaxia del Triángulo