Hidrógeno

El hidrógeno (en griego, de ὕδωρ hýdōr, genitivo

ὑδρός hydrós, y γένος génos «que genera o produce Neutronio ← Hidrógeno → Helio
agua») es el elemento químico de número atómico 1,
representado por el símbolo H. Con una masa
1
H
atómica de 1.00784,1 ​ 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 Tabla completa • Tabla ampliada
en condiciones normales. Este gas es inflamable,
incoloro, inodoro, no metálico e insoluble en agua.2 ​

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 Gas incoloro.
superior. Información general

El hidrógeno es el elemento químico más abundante, Nombre, símbolo, Hidrógeno, H, 1,0

número
al constituir aproximadamente el 75 % de la materia
Grupo, período, 1, 1, s
visible del universo.3 nota ​ 1 ​ En su secuencia
bloque
principal, las estrellas están compuestas
principalmente por hidrógeno en estado de plasma. El Masa atómica 1,00784 u
hidrógeno elemental es relativamente raro en la Tierra Configuración 1s1
y es producido industrialmente a partir de electrónica
hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La Electrones por 1
mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene in nivel
situ, es decir, en el lugar y en el momento en que se Apariencia Incoloro
necesita. Los mayores mercados del mundo disfrutan Propiedades atómicas
de la utilización del hidrógeno para el mejoramiento Radio medio 45 pm
de combustibles fósiles (en el proceso de Electronegatividad 2.2 (escala de Pauling)
hidrocraqueo) y en la producción de amoniaco Radio atómico 53 pm (radio de Bohr)
(principalmente para el mercado de fertilizantes). El (calc)
hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un Radio covalente 37 pm
proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho
Radio de van der 120 pm
más caro que la obtención a partir del gas natural.4 ​ Waals

El isótopo del hidrógeno más común es el protio, Estado(s) de -1, 1 y 0

oxidación
cuyo núcleo está formado por un único protón y
ningún neutrón. En los compuestos iónicos, puede Óxido Anfótero
tener una carga positiva (convirtiéndose en un catión 1.ª energía de 1312 kJ/mol
llamado hidrón, H+, compuesto únicamente por un ionización

protón, a veces en presencia de 1 o 2 neutrones); o

carga negativa (convirtiéndose en un anión conocido Líneas espectrales
como hidruro, H-). También se pueden formar otros
Propiedades físicas
isótopos, como el deuterio, con un neutrón, y el tritio,
Estado ordinario Gas
con dos neutrones. En 2001, fue creado en
laboratorio el isótopo 4H y, a partir de 2003, se
Densidad 0,0899 kg/m3

sintetizaron los isótopos 5H hasta 7H.5 6​ ​ El Punto de fusión 14,025 K (−259 °C)
hidrógeno forma compuestos con la mayoría de los Punto de 20,268 K (−253 °C)
elementos y está presente en el agua y en la mayoría ebullición
de los compuestos orgánicos. Tiene un papel Punto de 255 K (−18 °C)
particularmente importante en la química ácido-base, inflamabilidad
en la que muchas reacciones implican el intercambio Entalpía de 0,8995 kJ/mol
de protones (iones hidrógeno, H+) entre moléculas vaporización
solubles. Puesto que es el único átomo neutro para el Entalpía de fusión 0,1180 kJ/mol
que se puede resolver analíticamente la ecuación de Presión de vapor 209 Pa a 23 K
Schrödinger, el estudio de la energía y del enlace del Punto crítico 23,87 K (−249 °C)
átomo de hidrógeno ha sido fundamental hasta el 1,293·106 Pa
punto de haber desempeñado un papel principal en el Volumen molar 22,42×10-3 m3 /mol
desarrollo de la mecánica cuántica.
Varios
Las características de este elemento y su solubilidad Estructura hexagonal
en diversos metales son muy importantes en la cristalina
metalurgia, puesto que muchos metales pueden sufrir Calor específico 1,4304·104 J/(K·kg)
fragilidad en su presencia,7 ​ y en el desarrollo de Conductividad - S/m
formas seguras de almacenarlo para su uso como eléctrica
combustible.8 ​ Es altamente soluble en diversos Conductividad 0,1815 W/(K·m)
compuestos que poseen tierras raras y metales de térmica
transición,9 ​ y puede ser disuelto tanto en metales Velocidad del 1370 m/s a 293,15 K
cristalinos como amorfos.10 ​ La solubilidad del sonido (20 °C)
hidrógeno en los metales está influenciada por las Isótopos más estables
distorsiones locales o impurezas en la estructura Artículo principal: Isótopos del hidrógeno
cristalina del metal.11 ​ iso AN Periodo MD Ed PD

MeV
Etimología
1H 99,985 % Estable con 0 neutrones
El término hidrógeno proviene del latín hydrogenium,
y este del griego antiguo ὕδωρ (hydro): ‘agua’ y 2H 0,015 % Estable con 1 neutrón
γένος-ου(genos): ‘generador’; es decir, «productor de 3H trazas 12,33 β 0,019 ³He
agua». Fue ese el nombre con el que lo bautizó años
Antoine Lavoisier. La palabra puede referirse tanto al
átomo de hidrógeno, descrito en este artículo, como a Valores en el SI y condiciones normales de presión y
temperatura, salvo que se indique lo contrario.
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,12 ​
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

El hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue el primero producido
artificialmente y formalmente descrito por T. von Hohenheim
(Paracelso), 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.13 ​ En 1766, Henry Cavendish fue el primero en
Dirigible Hindenburg, 1936
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.14 15 ​ ​ 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»)16 17​ ​ cuando él y Laplace reprodujeron el descubrimiento
de Cavendish, donde se produce agua cuando se quema hidrógeno.15 ​

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.15 ​ Produjo hidrógeno sólido al
año siguiente.15 ​ 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.14 ​ El agua pesada, que tiene
deuterio en lugar de hidrógeno regular en la molécula de agua, fue descubierta por el equipo de Urey en
1932.15 ​
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 1823.15 ​

El llenado del primer globo con gas hidrógeno fue documentado por Jacques Charles en 1783.15 ​ 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.15 ​ 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 1900.15 ​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.18 ​

La primera travesía transatlántica sin escalas fue hecha por el dirigible británico R34 en 1919. A partir de
1928, con el Graf Zeppelin LZ 127,19 ​ 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
1937.15 ​ 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

Gracias a su estructura atómica
relativamente simple,
consistente en un solo protón y
un solo electrón para el isótopo Las líneas del espectro de emisiones de hidrógeno en la región visible.
más abundante (protio), el Estas son las cuatro líneas visibles de la serie de Balmer.
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.20 ​

Abundancia en la naturaleza
El hidrógeno es el elemento químico más abundante del universo,
suponiendo más del 75 % en materia normal por masa y más del
90 % en número de átomos.21 ​ Este elemento se encuentra en
abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes. Las
nubes moleculares de H2 están asociadas a la formación de las
estrellas. El hidrógeno también juega un papel fundamental como
combustible de las estrellas por medio de las reacciones de fusión
nuclear entre núcleos de hidrógeno.

En el universo, el hidrógeno se encuentra principalmente en su

forma atómica y en estado de plasma, cuyas propiedades son
bastante diferentes a las del hidrógeno molecular. Como plasma, el
NGC 604, una enorme región de electrón y el protón del hidrógeno no se encuentran ligados, por lo
hidrógeno ionizado en la galaxia del que presenta una alta conductividad eléctrica y una gran
Triángulo emisividad (origen de la luz emitida por el Sol y otras estrellas).
Las partículas cargadas están fuertemente influenciadas por los
campos eléctricos y magnéticos. Por ejemplo, en los vientos
solares las partículas interaccionan con la magnetosfera terrestre generando corrientes de Birkeland y el
fenómeno de las auroras.

Bajo condiciones normales de presión y temperatura, el hidrógeno existe como gas diatómico, H2. Sin
embargo, el hidrógeno gaseoso es extremadamente poco abundante en la atmósfera de la Tierra (1 ppm en
volumen), debido a su pequeña masa que le permite escapar al influjo de la gravedad terrestre más
fácilmente que otros gases más pesados. Aunque los átomos de hidrógeno y las moléculas diatómicas de
hidrógeno abundan en el espacio interestelar, son difíciles de generar, concentrar y purificar en la Tierra. El
hidrógeno es el decimoquinto elemento más abundante en la superficie terrestre22 ​ La mayor parte del
hidrógeno terrestre se encuentra formando parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el
agua.23 ​ El hidrógeno gaseoso es producido por algunas bacterias y algas, y es un componente natural de
las flatulencias.

Propiedades

Combustión
El gas hidrógeno (dihidrógeno24 ​) es altamente inflamable y se quema en concentraciones de 4 % o más H2
en el aire.25 ​ La entalpía de combustión de hidrógeno es −285,8 kJ/mol;26 ​ se quema de acuerdo con la
siguiente ecuación balanceada.

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (285,8 kJ/mol)27 ​

 Cuando se mezcla con oxígeno en una variedad de proporciones, de hidrógeno
explota por ignición. El hidrógeno se quema violentamente en el aire; se
produce la ignición automáticamente a una temperatura de 560 °C.28 ​ Llamas
de hidrógeno-oxígeno puros se queman en la gama del color ultravioleta y son
casi invisibles a simple vista, como lo demuestra la debilidad de la llama de los
motores principales del transbordador espacial (a diferencia de las llamas
fácilmente visibles del cohete acelerador del sólido). Así que se necesita un
detector de llama para detectar si una fuga de hidrógeno está ardiendo. La
el Motor principal del explosión del dirigible Hindenburg fue un caso infame de combustión de
transbordador espacial hidrógeno. La causa fue debatida, pero los materiales combustibles en la
quema hidrógeno líquido cubierta de la aeronave fueron los responsables del color de las llamas.29 ​Otra
con oxígeno puro,
característica de los fuegos de hidrógeno es que las llamas tienden a ascender
produciendo una llama
casi invisible
rápidamente con el gas en el aire, como ilustraron las llamas del Hindenburg,
causando menos daño que los fuegos de hidrocarburos. Dos terceras partes de
los pasajeros del Hindenburg sobrevivieron al incendio, y muchas de las
muertes que se produjeron fueron por caída o fuego del combustible diésel.30 ​

H2 reacciona directamente con otros elementos oxidantes. Una reacción espontánea y violenta puede
ocurrir a temperatura ambiente con cloro y flúor, formando los haluros de hidrógeno correspondientes:
cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno.31 ​

A diferencia de los hidrocarburos, la combustión del hidrógeno no genera óxidos de carbono (monóxido y
dióxido) sino simplemente agua en forma de vapor, por lo que se considera un combustible amigable con el
medio ambiente y ayuda a mitigar el calentamiento global.

Niveles energéticos electrónicos

El nivel energético del estado fundamental electrónico de un átomo de
hidrógeno es –13,6 eV, que equivale a un fotón ultravioleta de,
aproximadamente, 92 nm de longitud de onda.

Los niveles energéticos del hidrógeno pueden calcularse con bastante

precisión empleando el modelo atómico de Bohr, que considera que el
electrón orbita alrededor del protón de forma análoga a la órbita
terrestre alrededor del Sol. Sin embargo, la fuerza electromagnética
hace que el protón y el electrón se atraigan, de igual modo que los
planetas y otros cuerpos celestes se atraen por la fuerza gravitatoria.
Debido al carácter discreto (cuantizado) del momento angular
postulado en los inicios de la mecánica cuántica por Bohr, el electrón Representación de los niveles
en el modelo de Bohr solo puede orbitar a ciertas distancias permitidas energéticos del átomo de
alrededor del protón y, por extensión, con ciertos valores de energía hidrógeno
permitidos. Una descripción más precisa del átomo de hidrógeno viene
dada mediante un tratamiento puramente mecano-cuántico que emplea
la ecuación de onda de Schrödinger o la formulación equivalente de las integrales de camino de Feynman
para calcular la densidad de probabilidad del electrón cerca del protón.32 ​ El tratamiento del electrón a
través de la hipótesis de De Broglie (dualidad onda--partícula) reproduce resultados químicos (tales como la
configuración del átomo de hidrógeno) de manera más natural que el modelo de partículas de Bohr, aunque
la energía y los resultados espectrales son los mismos. Si en la
construcción del modelo se emplea la masa reducida del núcleo y del
electrón (como se haría en el problema de dos cuerpos en Mecánica
Clásica), se obtiene una mejor formulación para los espectros del
hidrógeno, y los desplazamientos espectrales correctos para el deuterio
y el tritio. Pequeños ajustes en los niveles energéticos del átomo de
hidrógeno, que corresponden a efectos espectrales reales, pueden
determinarse usando la teoría mecano-cuántica completa, que corrige
los efectos de la relatividad especial (ver ecuación de Dirac), y
computando los efectos cuánticos originados por la producción de
partículas virtuales en el vacío y como resultado de los campos Los primeros orbitales del átomo
eléctricos (ver Electrodinámica Cuántica). de hidrógeno (números cuánticos
principales y azimutales).
En el hidrógeno gaseoso, el nivel energético del estado electrónico
fundamental está dividido a su vez en otros niveles de estructura
hiperfina, originados por el efecto de las interacciones magnéticas
producidas entre los espines del electrón y del protón. La energía
del átomo cuando los espines del protón y del electrón están
alineados es mayor que cuando los espines no lo están. La
transición entre esos dos estados puede tener lugar mediante la
emisión de un fotón a través de una transición de dipolo magnético.
Eksperimento pri Hidrogena Spektro
Los radiotelescopios pueden detectar la radiación producida en este
proceso, lo que sirve para crear mapas de distribución del hidrógeno
en la galaxia.

Formas elementales moleculares

Existen dos tipos distintos de moléculas diatómicas de hidrógeno
que difieren en la relación entre los espines de sus núcleos:33
Mientras que en la forma de ortohidrógeno, los espines de los dos
protones son paralelos y forman un estado triplete, en forma de
para-hidrógeno, los spins son antiparalelos y forman un singular. En
condiciones normales de presión y temperatura, el hidrógeno
gaseoso contiene aproximadamente un 25 % de la forma para y un
75 % de la forma orto, también conocida como "forma normal".34 ​
La relación del equilibrio entre ortohidrógeno y para-hidrógeno
depende de la temperatura, pero puesto que la forma orto es un
estado excitado y por tanto posee una energía superior, y además es
inestable y no puede ser purificado. A temperaturas muy bajas, el
estado de equilibrio está compuesto casi exclusivamente por la
forma para. Las propiedades físicas del para-hidrógeno puro
Las primeras trazas observadas en difieren ligeramente de las de la forma normal (orto).35 ​ La
una cámara de burbujas de distinción entre formas orto/para también se presenta en otras
hidrógeno líquido en el Bevatron moléculas o grupos funcionales que contienen hidrógeno, tales
como el agua o el metileno.
La interconversión no catalizada entre el para-hidrógeno y el ortohidrógeno se incrementa al aumentar la
temperatura; por esta razón, el H2 condensado rápidamente contiene grandes cantidades de la forma orto
que pasa a la forma para lentamente.36 ​ La relación orto/para en el H2 condensado es algo importante a
tener en cuenta para la preparación y el almacenamiento del hidrógeno líquido: la conversión de la forma
orto a la forma para es exotérmica y produce el calor suficiente para evaporar el hidrógeno líquido,
provocando la pérdida del material licuado. Catalizadores para la interconversión orto/para, tales como
compuestos de hierro, son usados en procesos de refrigeración con hidrógeno.37 ​

Una forma molecular llamada hidrógeno molecular protonado, H3+, se encuentra en el medio interestelar,
donde se genera por la ionización del hidrógeno molecular provocada por los rayos cósmicos. También se
ha observado en las capas superiores de la atmósfera de Júpiter. Esta molécula es relativamente estable en el
medio del espacio exterior debido a las bajas temperaturas y a la bajísima densidad. El H3+ es uno de los
iones más abundantes del universo, y juega un papel notable en la química del medio interestelar.38 ​

Hidrógeno metálico
Si bien se suele catalogar al hidrógeno como no metal, a altas temperaturas y presiones puede comportarse
como metal. En marzo de 1996, un grupo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
informó de que habían producido casualmente, durante un microsegundo y a temperaturas de miles de
kelvins y presiones de más de un millón de atmósferas (> 100 GPa), el primer hidrógeno metálico
identificable.39 ​

Compuestos

Compuestos covalentes y orgánicos

A pesar de que el H2 no es muy reactivo en condiciones normales, forma multitud de compuestos con la
mayoría de los elementos químicos. Se conocen millones de hidrocarburos, pero no se generan por la
reacción directa del hidrógeno elemental con el carbono (aunque la producción del gas de síntesis seguida
del proceso Fischer-Tropsch para sintetizar hidrocarburos parece ser una excepción pues comienza con
carbón e hidrógeno elemental generado in situ). El hidrógeno puede formar compuestos con elementos más
electronegativos, tales como los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo) o los calcógenos (oxígeno, azufre,
selenio); en estos compuestos, el hidrógeno adquiere carga parcial positiva debido a la polaridad del enlace
covalente. Cuando se encuentra unido al flúor, al oxígeno o al nitrógeno, el hidrógeno puede participar en
una modalidad de enlace no covalente llamado "enlace de hidrógeno" o "puente de hidrógeno", que es
fundamental para la estabilidad de muchas moléculas biológicas. El hidrógeno puede también formar
compuestos con elementos menos electronegativos, tales como metales o semimetales, en los cuales
adquiere carga parcial negativa. Estos compuestos se conocen como hidruros.

El hidrógeno forma una enorme variedad de compuestos con el carbono. Debido a su presencia en los seres
vivos, estos compuestos se denominan compuestos orgánicos; el estudio de sus propiedades es la finalidad
de la Química Orgánica, y el estudio en el contexto de los organismos vivos se conoce como Bioquímica.
Atendiendo a algunas definiciones, los compuestos "orgánicos" requieren la presencia de carbono para ser
denominados así (ahí tenemos el clásico ejemplo de la urea) pero no todos los compuestos de carbono se
consideran orgánicos (es el caso del monóxido de carbono, o los carbonatos metálicos. La mayoría de los
compuestos orgánicos también contienen hidrógeno y, puesto que es el enlace carbono-hidrógeno el que
proporciona a estos compuestos muchas de sus principales características, se hace necesario mencionar el
enlace carbono-hidrógeno en algunas definiciones de la palabra "orgánica" en Química. (Estas recientes
definiciones no son perfectas, sin embargo, ya que un compuesto indudablemente orgánico como la urea no
podría ser catalogado como tal atendiendo a ellas).

En la Química Inorgánica, los hidruros pueden servir también como ligandos puente que unen dos centros
metálicos en un complejo de coordinación. Esta función es particularmente común en los elementos del
grupo 13, especialmente en los boranos (hidruros de boro) y en los complejos de aluminio, así como en los
clústers de carborano.23 ​

Algunos ejemplos de compuestos covalentes importantes que contienen hidrógeno son: amoniaco (NH3),
hidracina (N2H4), agua (H2O), peróxido de hidrógeno (H2O2), sulfuro de hidrógeno (H2S), etc.

Hidruros
A menudo los compuestos del hidrógeno se denominan hidruros, un término usado con bastante
inexactitud. Para los químicos, el término "hidruro" generalmente implica que el átomo de hidrógeno ha
adquirido carga parcial negativa o carácter aniónico (denotado como H-). La existencia del anión hidruro,
propuesta por G. N. Lewis en 1916 para los hidruros iónicos del grupo 1 (I) y 2 (II), fue demostrada por
Moers en 1920 con la electrólisis del hidruro de litio (LiH) fundido, que producía una cantidad
estequiométrica de hidrógeno en el ánodo.40 ​ Para los hidruros de metales de otros grupos, el término es
bastante erróneo, considerando la baja electronegatividad del hidrógeno. Una excepción en los hidruros del
grupo II es el BeH2, que es polimérico. En el tetrahidruroaluminato (III) de litio, el anión AlH4- posee sus
centros hidrúricos firmemente unidos al aluminio (III).

Aunque los hidruros pueden formarse con casi todos los elementos del
grupo principal, el número y combinación de posibles compuestos
varía mucho; por ejemplo, existen más de 100 hidruros binarios de
boro conocidos, pero solamente uno de aluminio.41 ​ El hidruro binario
de indio no ha sido identificado aún, aunque existen complejos
mayores.42 ​

«Protones» y ácidos
La oxidación del H2 formalmente origina el protón, H+. Esta especie
es fundamental para explicar las propiedades de los ácidos, aunque el Representación del ion hidronio
término «protón» se usa imprecisamente para referirse al hidrógeno (H3O+), en la que se puede
catiónico o ion hidrógeno, denotado H+. Un protón aislado H+ no apreciar la condensación de
carga negativa en el átomo de
puede existir en disolución debido a su fuerte tendencia a unirse a
oxígeno, y el carácter positivo de
átomos o moléculas con electrones mediante un enlace coordinado o
los átomos de hidrógeno.
enlace dativo. Para evitar la cómoda, aunque incierta, idea del protón
aislado solvatado en disolución, en las disoluciones ácidas acuosas se
considera la presencia del ion hidronio (H3O+) organizado en clústers para formar la especie H9O4+.43 ​
Otros iones oxonio están presentes cuando el agua forma disoluciones con otros disolventes.44 ​
Aunque exótico en la Tierra, uno de los iones más comunes en el universo es el H3+, conocido como
hidrógeno molecular protonado o catión hidrógeno triatómico.45 ​

Isótopos
El isótopo más común de hidrógeno no
posee neutrones, existiendo otros dos,
el deuterio (D) con uno y el tritio (T),
radiactivo con dos. El deuterio tiene
Protio, deuterio y tritio una abundancia natural comprendida Tubo de descarga lleno de hidrógeno
entre 0,0184 y 0,0082 % (Unión puro
Internacional de Química Pura y
Aplicada (IUPAC)). El hidrógeno es el
único elemento químico que tiene
nombres y símbolos químicos distintos
para sus diferentes isótopos.
Tubo de descarga lleno de deuterio
El hidrógeno también posee otros puro
isótopos altamente inestables (del 4H al
7H), que fueron sintetizados en el
El protio, el isótopo más laboratorio, pero nunca observados en la naturaleza.46 47
​ ​
común del hidrógeno,
tiene un protón y un 1H, conocido
como protio, es el isótopo más común del hidrógeno con
electrón. Es el único una abundancia de más del 99,98 %. Debido a que el núcleo de este
isótopo estable que no isótopo está formado por un solo protón se le ha bautizado como
posee neutrones. protio, nombre que a pesar de ser muy descriptivo, es poco usado.
²H, el otro isótopo estable del hidrógeno, es conocido como deuterio y
su núcleo contiene un protón y un neutrón. El deuterio representa el
0,0026 % o el 0,0184 % (según sea en fracción molar o fracción atómica) del hidrógeno
presente en la Tierra, encontrándose las menores concentraciones en el hidrógeno
gaseoso, y las mayores (0,015 % o 150 ppm) en aguas oceánicas. El deuterio no es
radiactivo, y no representa un riesgo significativo de toxicidad. El agua enriquecida en
moléculas que incluyen deuterio en lugar de hidrógeno 1H (protio), se denomina agua
pesada. El deuterio y sus compuestos se emplean en marcado no radiactivo en
experimentos y también en disolventes usados en espectroscopia 1H - RMN. El agua
pesada se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante en reactores nucleares. El
deuterio es también un potencial combustible para la fusión nuclear con fines comerciales.
³H se conoce como tritio y contiene un protón y dos neutrones en su núcleo. Es radiactivo,
desintegrándose en ³2He+ a través de una emisión beta. Posee un periodo de
semidesintegración de 12,33 años.23 ​ Pequeñas cantidades de tritio se encuentran en la
naturaleza por efecto de la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos.
También ha sido liberado tritio por la realización de pruebas de armamento nuclear. El tritio
se usa en reacciones de fusión nuclear, como trazador en Geoquímica Isotópica, y en
dispositivos luminosos autoalimentados. Antes era común emplear el tritio como
radiomarcador en experimentos químicos y biológicos, pero actualmente se usa menos.
El hidrógeno es el único elemento que posee diferentes nombres comunes para cada uno de sus isótopos
(naturales). Durante los inicios de los estudios sobre la radiactividad, a algunos isótopos radiactivos pesados
les fueron asignados nombres, pero ninguno de ellos se sigue usando. Los símbolos D y T (en lugar de ²H y
³H) se usan a veces para referirse al deuterio y al tritio, pero el símbolo P corresponde al fósforo y, por tanto,
no puede usarse para representar al protio. La IUPAC declara que aunque el uso de estos símbolos sea
común, no es lo aconsejado.

Reacciones biológicas
H2 es un producto de algunos tipos de metabolismo anaeróbico y es producido por diversos
microorganismos, por lo general a través de reacciones catalizadas por enzimas que contienen hierro o
níquel llamadas hidrogenasas. Estas enzimas catalizan la reacción redox reversible entre H2 y sus
componentes, dos protones y dos electrones. La creación de gas de hidrógeno ocurre en la transferencia de
reducir equivalentes producidos durante la fermentación del piruvato al agua.48 ​

La separación del agua, en la que el agua se descompone en sus componentes, protones, electrones y
oxígeno ocurre durante la fase clara en todos los organismos fotosintéticos. Algunos organismos —
incluyendo el alga Chlamydomonas reinhardtii y cianobacteria— evolucionaron un paso más en la fase
oscura en el que los protones y los electrones se reducen para formar gas de H2 por hidrogenasas
especializadas en el cloroplasto.49 ​ Se realizaron esfuerzos para modificar genéticamente las hidrogenasas
de cianobacterias para sintetizar de manera eficiente el gas H2 incluso en la presencia de oxígeno.50 ​
También se realizaron esfuerzos con algas modificadas genéticamente en un biorreactor.51 ​

Producción
El gas H2 es producido en los laboratorios de química y biología, muchas veces como un subproducto de la
deshidrogenación de sustratos insaturados; y en la naturaleza como medio de expulsar equivalentes
reductores en reacciones bioquímicas.

Laboratorio
En el laboratorio, el gas H2 es normalmente preparado por la reacción de ácidos con metales tales como el
zinc, por medio del aparato de Kipp.

Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2

El aluminio también puede producir H2 después del tratamiento con bases:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al(OH)4- + 3 H2

La electrólisis del agua es un método simple de producir hidrógeno. Una corriente eléctrica de bajo voltaje
fluye a través del agua, y el oxígeno gaseoso se forma en el ánodo, mientras que el gas hidrógeno se forma
en el cátodo. Típicamente, el cátodo está hecho de platino u otro metal inerte (generalmente platino o
grafito), cuando se produce hidrógeno para el almacenamiento. Si, sin embargo, el gas se destinara a ser
quemado en el lugar, es deseable que haya oxígeno para asistir a la combustión, y entonces, ambos
electrodos pueden estar hechos de metales inertes (se deben evitar los electrodos de hierro, ya que
consumen oxígeno al sufrir oxidación). La eficiencia máxima teórica (electricidad utilizada vs valor
energético de hidrógeno producido) es entre 80 y 94 %.52 ​

2H2O(aq) → 2H2(g) + O2(g)

En 2007, se descubrió que una aleación de aluminio y galio en forma de gránulos añadida al agua podía
utilizarse para generar hidrógeno. El proceso también produce alúmina, pero se puede reutilizar el galio, que
previene la formación de una película de óxido en los gránulos. Esto tiene importantes implicaciones para la
potenciales economía basada en el hidrógeno, ya que se puede producir en el lugar y no tiene que ser
transportado.53 ​

Industrial
El hidrógeno puede ser preparado por medio de varios procesos pero hoy día el más importante consiste en
la extracción de hidrógeno a partir de hidrocarburos. La mayor parte del hidrógeno comercial se produce
mediante el reformado catalítico de gas natural54 ​ o de hidrocarburos líquidos. A altas temperaturas (700-
1100 °C), se hace reaccionar vapor de agua con metano para producir monóxido de carbono y H2:

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Esta reacción es favorecida termodinámicamente por un exceso de vapor y por bajas presiones pero
normalmente se practica a altas presiones (20 atm) por motivos económicos. La mezcla producida se conoce
como "gas de síntesis", ya que muchas veces se utiliza directamente para la síntesis de metanol y otras
sustancias químicas. Se pueden usar otros hidrocarburos, además de metano, para producir gas de síntesis
con proporciones variables de los productos.

Si el producto que se desea es solo hidrógeno, se hace reaccionar el monóxido de carbono a través de la
reacción de desplazamiento del vapor de agua, por ejemplo con un catalizador de óxido de hierro. Esta
reacción es también una fuente industrial común de dióxido de carbono:54 ​

CO + H2O → CO2 + H2

Otras opciones para producir hidrógeno a partir de metano son la pirólisis, que resulta en la formación de
carbono sólido:

CH4 → C + 2 H2

O la oxidación parcial,55 ​la cual se aplica también a combustibles como el carbón:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Otro proceso que produce hidrógeno como producto secundario es la electrólisis de salmuera para producir
cloro.56 ​

Termoquímicos solares
Existen más de 200 ciclos termoquímicos que pueden ser utilizados para la separación del agua, alrededor
de una docena de estos ciclos, tales como el ciclo de óxido de hierro, ciclo del óxido cerio (III)-óxido
cerio(IV), ciclo de óxido zinc-zinc, ciclo del azufre-yodo, ciclo del cobre-cloro, ciclo híbrido del azufre
están bajo investigación y en fase de prueba para producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua y calor sin
utilizar electricidad.57 ​ Un número de laboratorios (incluyendo Francia, Alemania, Grecia, Japón y los
Estados Unidos) están desarrollando métodos termoquímicos para producir hidrógeno a partir de energía
solar y agua.58 ​

Corrosión anaerobia
En condiciones anaeróbicas, las aleaciones de hierro y acero se oxidan lentamente por los protones de agua
concomitante reducidos en hidrógeno molecular (H2). La corrosión anaeróbica de hierro conduce primero a
la formación de hidróxido ferroso (óxido verde) y se puede describir mediante la siguiente reacción:

Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2

A su vez, bajo condiciones anaeróbicas, el hidróxido ferroso (Fe(OH)2 ) puede ser oxidado por los protones
de agua para formar magnetita e hidrógeno molecular. Este proceso se describe por la reacción de Schikorr:

3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2

hidróxido ferroso → magnetita + agua + hidrógeno

La magnetita así cristalizada (Fe3O4) es termodinámicamente más estable que el hidróxido ferroso
(Fe(OH)2 ).

Este proceso ocurre durante la corrosión anaeróbica de hierro y acero en aguas subterráneas sin oxígeno y
en suelos reducidos por debajo del nivel freático.

Ocurrencia geológica: la reacción de serpentinización

En ausencia de oxígeno atmosférico (O2), en condiciones geológicas profundas que prevalezcan lejos de
atmósfera de la Tierra, el hidrógeno (H2) se produce durante el proceso del serpentinización por la
oxidación anaeróbica de protones del agua (H+) del silicato ferroso (Fe2+) presente en la red cristalina de la
fayalita (Fe2SiO4, el hierro olivino). La reacción correspondiente que conduce a la formación de magnetita
(Fe3O4), cuarzo SiO2) e hidrógeno (H2) es la siguiente:

3 Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2

fayalita + agua → magnetita + cuarzo + hidrógeno

Esta reacción se parece mucho a la reacción de Schikorr observada en la oxidación anaeróbica del
hidróxido ferroso en contacto con el agua.

Formación en transformadores
De todos los gases de fallo formados en transformadores eléctricos, el hidrógeno es el más común y se
genera bajo la mayoría de condiciones de fallo, por lo que, la formación de hidrógeno es un primer indicio
de problemas graves en el ciclo de vida del transformador.59 ​

Aplicaciones

Industria petroquímica
Se necesitan grandes cantidades de H2 en las industrias del petróleo y química. Una aplicación adicional de
H2 es de tratamiento ("mejoramiento") de combustibles fósiles, y en la producción de amoniaco. Los
principales consumidores de H2 en una planta petroquímica incluyen hidrodesalquilación,
hidrodesulfuración, y de hidrocraqueo. El H2 se utiliza como un agente hidrogenizante, particularmente en
el aumento del nivel de saturación de las grasas y aceites insaturados (que se encuentran en artículos como
la margarina) y en la producción de metanol. Del mismo modo es la fuente de hidrógeno en la fabricación
de ácido clorhídrico. El H2 también se utiliza como agente reductor de minerales metálicos.60 ​

Además de su uso como un reactivo, H2 tiene amplias aplicaciones en la física y la ingeniería. Se utiliza
como gas de protección en los métodos de soldadura tales como la soldadura de hidrógeno atómico.61 62 ​ ​
H2 se utiliza como un enfriador de generadores en centrales eléctricas, porque tiene la mayor conductividad
térmica de todos los gases. H2 líquido se utiliza en la investigaciones criogénicas, incluyendo estudios de
superconductividad.63 ​ Dado que el H2 es más ligero que el aire, teniendo un poco más de 1/15 de la
densidad del aire, fue ampliamente utilizado en el pasado como gas de elevación en globos aerostáticos y
dirigibles.64 ​

En aplicaciones más recientes, se utiliza hidrógeno puro o mezclado con nitrógeno (a veces llamado
forming gas) como gas indicador para detectar fugas. Las aplicaciones pueden ser encontradas en las
industrias automotriz, química, de generación de energía, aeroespacial y de telecomunicaciones.65 ​ El
hidrógeno es un aditivo alimentario autorizado (E 949) que permite la prueba de fugas de paquetes, entre
otras propiedades antioxidantes.66 ​

Los isótopos más raros de hidrógeno también poseen aplicaciones específicas para cada uno. El deuterio
(hidrógeno-2) se utiliza en aplicaciones de la fisión nuclear como un moderador para neutrones lentos, y en
las reacciones de fusión nuclear.15 ​Los compuestos de deuterio tienen aplicaciones en la química y biología
en los estudios de los efectos isotópicos.67 ​ El tritio (hidrógeno-3), producido en los reactores nucleares, se
utiliza en la producción de bombas de hidrógeno,68 ​ como un marcador isotópico en las ciencias
biológicas,69 ​como una fuente de radiación en pinturas luminosas.70 ​

La temperatura de equilibrio del punto triple de hidrógeno es un punto fijo definido en la escala de
temperatura ITS-90 a 13,8033 Kelvin.71 ​

Portador de energía
El hidrógeno no es una fuente de energía,72 ​excepto en el contexto hipotético de las centrales nucleares de
fusión comerciales que utilizan deuterio o tritio, una tecnología actualmente lejos de desarrollo.73 ​ La
energía del sol proviene de la fusión nuclear del hidrógeno, pero este proceso es difícil de lograr de forma
controlable en la Tierra.74 ​El hidrógeno elemental de fuentes solares, biológicas, o eléctricas requieren más
energía para crear lo que es obtenido al quemarlo, por lo que, en estos casos, sirve el hidrógeno como
portador de energía, como una batería. Se puede obtener a partir de fuentes fósiles (tales como metano),
pero estas fuentes son insustentables.72 ​

La densidad de energía por unidad de volumen tanto del hidrógeno líquido como del gas de hidrógeno
comprimido en cualquier presión posible es significativamente menor que aquella de fuentes de combustible
tradicionales, aunque la densidad de energía por unidad de masa de combustible sea más alta.72 ​ Sin
embargo, el hidrógeno elemental ha sido ampliamente discutido en el contexto de la energía, como un
posible portador de energía futura a gran escala de la economía.75 ​ Por ejemplo, el secuestro de CO2
seguido de captura y almacenamiento de carbono podría realizarse al punto de producción de H2 a partir de
combustibles fósiles.76 ​ El hidrógeno utilizado en el transporte se quemaría relativamente limpio, con
algunas emisiones de NOx,77 ​pero sin emisiones de carbono.76 ​Sin embargo, los costos de infraestructura
asociados con la conversión total a una economía del hidrógeno podría ser sustancial.78 79
​ ​

Industria de semiconductores
El hidrógeno es empleado para saturar enlaces rotos de silicio amorfo y carbono amorfo que ayuda a la
estabilización de las propiedades del material.80 ​ Es también un potencial donante de electrones en
diferentes materiales óxidos, incluyendo ZnO,81 82
​ ​ SnO2, CdO, MgO,83 ​ ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3,
TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4, y SrZrO3.84 ​

Seguridad y precauciones
El hidrógeno genera diversos riesgos para la seguridad humana, de
potenciales detonaciones e incendios cuando se mezcla con el aire al
ser un asfixiante en su forma pura, libre de oxígeno.85 ​ Además, el
hidrógeno líquido es un criogénico y presenta peligros (tales como
congelación) asociados con líquidos muy fríos.86 ​ El elemento se
disuelve en algunos metales y, además de fuga, pueden tener efectos
adversos sobre ellos, tales como fragilización por hidrógeno.87 ​ La
fuga de gas de hidrógeno en el aire externo puede inflamarse
Explosión del dirigible Hindenburg
espontáneamente. Por otra parte, el fuego de hidrógeno, siendo
extremadamente caliente, es casi invisible, y por lo tanto puede dar
lugar a quemaduras accidentales.88 ​

Aunque incluso interpretar los datos de hidrógeno (incluyendo los datos para la seguridad) es confundido
por diversos fenómenos. Muchas de las propiedades físicas y químicas del hidrógeno dependen de la tasa
de parahidrógeno/ortohidrógeno (por lo general llevar a días o semanas a una temperatura determinada para
llegar a la tasa de equilibrio por el cual los resultados suelen aparecer los parámetros de detonación de
hidrógeno, como la presión y temperatura crítica de fundición, dependen en gran medida de la geometría
del recipiente.85 ​

Véase también
Dihidrógeno Deuterio Gas natural pH
Ácido-base Tritio Hidrocarburo
 Agua Economía del Hidrogenera Pila de
Antihidrógeno hidrógeno Hidrógeno diatómico combustible
Biocombustible Electrólisis (gas) Protio
Bomba de Energía del futuro Hidrógeno triatómico Serie de Lyman
hidrógeno Enlace de Hidrógeno molecular Tecnologías del
Celda de hidrógeno protonado hidrógeno
hidrógeno Fórmula de Metano Vehículo de
Rydberg hidrógeno
Vehículo eléctrico
Vehículo híbrido

Nota
1. 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.

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Enlaces externos
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