Hidrógeno (H)
El hidrógeno (H) es el primer elemento de la Tabla Periódica y el más abundante del Universo. Aunque aparece situado en el grupo 1, no pertenece realmente a ninguna familia química debido a sus propiedades únicas. Es un no metal, forma moléculas diatómicas (H₂) y participa en una enorme variedad de compuestos y reacciones químicas.
Su importancia es enorme tanto en la naturaleza como en la industria. El hidrógeno forma parte del agua, de prácticamente todas las moléculas orgánicas y de las estrellas, donde constituye el principal combustible de las reacciones de fusión nuclear. Además, actualmente desempeña un papel clave en el desarrollo de tecnologías energéticas sostenibles como el hidrógeno verde.
En esta página encontrarás todas las características del hidrógeno, sus propiedades, aplicaciones, historia, isótopos y recursos para aprender este elemento de forma completa.
¿Qué aprenderás sobre el Hidrógeno?
- Por qué el hidrógeno es un elemento único en la Tabla Periódica.
- Sus propiedades físicas y químicas.
- Cómo es su configuración electrónica.
- Qué tipos de enlaces puede formar.
- Cuáles son sus principales isótopos.
- Dónde se encuentra en la naturaleza.
- Cómo se obtiene industrialmente.
- Sus principales aplicaciones.
- Su importancia en la producción de energía.
- Su papel en la formación del agua y de los compuestos orgánicos.
Ficha técnica
- Símbolo: H
- Número atómico: 1
- Masa atómica: 1,008 u
- Grupo: 1 (posición especial)
- Período: 1
- Bloque: s
- Configuración electrónica: 1s¹
- Estado físico (25 °C): Gas
- Color: Incoloro
- Clasificación: No metal
- Electrones por nivel: 1
- Electrones de valencia: 1
- Estados de oxidación: −1, +1 (0 en estado elemental H₂)
- Forma molecular habitual: H₂
- Densidad: 0,0899 g/L (0 °C y 1 atm)
- Punto de fusión: −259,16 °C
- Punto de ebullición: −252,87 °C
- Calor específico: 14,30 J·g⁻¹·K⁻¹
- Electronegatividad (Pauling): 2,20
- Primera energía de ionización: 1312 kJ·mol⁻¹
- Afinidad electrónica: 72,8 kJ·mol⁻¹
- Radio atómico: 53 pm
- Estructura cristalina (hidrógeno sólido): Hexagonal
- Conductividad eléctrica: Muy baja en condiciones normales; bajo presiones extremas puede comportarse como hidrógeno metálico.
- Conductividad térmica: Muy elevada para un gas
- Abundancia en la corteza terrestre: Aproximadamente el 0,15 % en masa, principalmente formando parte del agua y de compuestos químicos.
- Abundancia en el Universo: Es el elemento más abundante del Universo, representando aproximadamente el 75 % de la masa de la materia visible.
- Isótopos naturales:
- Protio (¹H): estable, representa más del 99,98 % del hidrógeno natural.
- Deuterio (²H o D): estable, contiene un neutrón.
- Tritio (³H o T): radiactivo, con una vida media de unos 12,3 años.
Propiedades Físicas
El hidrógeno (H) es el elemento químico más ligero de toda la Tabla Periódica y presenta unas propiedades físicas muy diferentes a las de la mayoría de los elementos. En condiciones normales de presión y temperatura se encuentra en estado gaseoso formando moléculas diatómicas (H₂), constituidas por dos átomos unidos mediante un enlace covalente.
Es un gas incoloro, inodoro e insípido, por lo que no puede detectarse directamente mediante los sentidos. Además, posee una densidad extremadamente baja, de tan solo 0,0899 g/L a 0 °C y 1 atm, lo que lo convierte en el gas más ligero conocido. Gracias a esta característica, asciende rápidamente en el aire y fue utilizado durante muchos años para llenar globos y dirigibles, aunque actualmente suele sustituirse por helio debido a su elevada inflamabilidad.
El hidrógeno presenta puntos de fusión y ebullición extraordinariamente bajos. Se funde a −259,16 °C y hierve a −252,87 °C, por lo que solo puede encontrarse en estado líquido o sólido a temperaturas criogénicas. El hidrógeno líquido es un importante combustible en la industria aeroespacial debido a su elevada energía por unidad de masa.
Otra característica destacable es su elevada difusividad. Sus moléculas son muy pequeñas y ligeras, lo que les permite desplazarse rápidamente y atravesar materiales que resultan impermeables para otros gases. Esta propiedad dificulta su almacenamiento y transporte, ya que puede escaparse a través de pequeñas grietas o juntas.
Desde el punto de vista mecánico, el hidrógeno es un gas muy compresible y de baja viscosidad, lo que facilita su almacenamiento a altas presiones y su circulación por tuberías específicas diseñadas para este fin.
En conjunto, las propiedades físicas del hidrógeno lo convierten en un elemento único. Su escasa masa, su baja densidad, su elevada capacidad de difusión y sus temperaturas criogénicas de cambio de estado explican gran parte de sus aplicaciones científicas, industriales y energéticas, así como las dificultades asociadas a su manipulación y almacenamiento.
Propiedades Químicas
El hidrógeno (H) es un elemento químico no metálico que presenta un comportamiento muy particular. Su átomo posee un solo protón y un único electrón, con configuración electrónica 1s¹. Esta estructura tan sencilla le permite perder, ganar o compartir su electrón, por lo que puede formar una gran variedad de compuestos.
En condiciones normales, el hidrógeno se encuentra como molécula diatómica, H₂. El enlace entre sus dos átomos es covalente y relativamente fuerte, por lo que muchas reacciones del hidrógeno requieren una fuente inicial de energía, como calor, una chispa o la presencia de un catalizador.
Estados de oxidación: El hidrógeno puede presentar principalmente dos estados de oxidación:
- +1: es el estado de oxidación más frecuente. Aparece cuando el hidrógeno se combina con elementos más electronegativos, como el oxígeno, el cloro o el nitrógeno. H₂O: el hidrógeno presenta estado de oxidación +1. HCl: el hidrógeno presenta estado de oxidación +1.
- −1: aparece en los hidruros metálicos, cuando el hidrógeno se combina con metales muy electropositivos. NaH: el hidrógeno presenta estado de oxidación −1. CaH₂: el hidrógeno presenta estado de oxidación −1.
- Esta capacidad para presentar estados de oxidación positivos y negativos diferencia al hidrógeno de la mayoría de los elementos químicos.
Reacción con el oxígeno
El hidrógeno reacciona con el oxígeno para formar agua. Se trata de una reacción de combustión muy exotérmica, en la que se libera una gran cantidad de energía. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. La mezcla de hidrógeno y oxígeno puede ser explosiva cuando se inicia mediante una chispa o una llama. Debido a la energía liberada, el hidrógeno puede utilizarse como combustible.
Poder reductor: El hidrógeno puede actuar como agente reductor, ya que es capaz de reducir algunos óxidos metálicos y transformarlos en el metal correspondiente. CuO + H₂ → Cu + H₂O . En esta reacción, el hidrógeno reduce el óxido de cobre(II) a cobre metálico y se oxida formando agua. Esta propiedad se aprovecha en determinados procesos metalúrgicos y en reacciones realizadas en atmósferas reductoras.
Reacción con los halógenos
El hidrógeno reacciona con los elementos del grupo de los halógenos para formar haluros de hidrógeno.
- H₂ + F₂ → 2 HF
- H₂ + Cl₂ → 2 HCl
- H₂ + Br₂ → 2 HBr
- H₂ + I₂ ⇌ 2 HI
- La reactividad disminuye al descender en el grupo de los halógenos. La reacción con el flúor es extremadamente rápida y explosiva, mientras que la reacción con el yodo es reversible y requiere temperaturas elevadas.
Reacción con el nitrógeno
El hidrógeno reacciona con el nitrógeno para formar amoníaco mediante el proceso de Haber-Bosch. N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃
Esta reacción es reversible y se realiza industrialmente a elevada presión, temperatura moderada y en presencia de un catalizador de hierro.
La producción de amoníaco es fundamental para la fabricación de fertilizantes, ácido nítrico y numerosos productos químicos.
Formación de hidruros
El hidrógeno forma compuestos binarios denominados hidruros. Estos pueden clasificarse en tres grandes grupos.
Hidruros iónicos o salinos: Se forman con metales muy electropositivos, especialmente los metales alcalinos y algunos metales alcalinotérreos.
- NaH
- KH
- CaH₂
- En estos compuestos, el hidrógeno se encuentra como ion hidruro, H⁻. Suelen reaccionar intensamente con el agua, liberando hidrógeno gaseoso. NaH + H₂O → NaOH + H₂
Hidruros covalentes: Se forman cuando el hidrógeno se combina con elementos no metálicos mediante enlaces covalentes.
- CH₄
- NH₃
- H₂O
- HCl
Hidruros metálicos
Se forman con muchos metales de transición. En ellos, los átomos de hidrógeno ocupan huecos dentro de la estructura cristalina del metal.
Algunos de estos compuestos pueden almacenar y liberar hidrógeno, por lo que se investigan para su utilización en sistemas de almacenamiento energético.
Reacción con el carbono
El hidrógeno reacciona con el carbono para formar hidrocarburos, aunque muchas de estas reacciones requieren condiciones especiales y catalizadores.
Un ejemplo sencillo es la formación de metano: C + 2 H₂ → CH₄
El hidrógeno también participa en reacciones de hidrogenación, en las que se añade H₂ a enlaces dobles o triples de compuestos orgánicos.
CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃−CH₃
Inflamabilidad
El hidrógeno es altamente inflamable. Arde en presencia de oxígeno produciendo una llama poco visible y formando vapor de agua.
La combustión del hidrógeno no produce dióxido de carbono cuando se utiliza hidrógeno puro. Sin embargo, a temperaturas muy elevadas pueden formarse óxidos de nitrógeno debido a la reacción del nitrógeno y el oxígeno del aire.
Isótopos y comportamiento químico
Los tres principales isótopos del hidrógeno son el protio, el deuterio y el tritio. Todos presentan un comportamiento químico similar porque poseen un electrón, aunque existen pequeñas diferencias en la velocidad de algunas reacciones debido a sus distintas masas.
Este fenómeno se denomina efecto isotópico y resulta especialmente importante en estudios de mecanismos de reacción y en procesos biológicos.
Configuración electrónica
El hidrógeno tiene número atómico 1, por lo que un átomo neutro de hidrógeno posee un solo protón en el núcleo y un único electrón.
Su configuración electrónica es: 1s¹
Esto significa que su único electrón se encuentra en el primer nivel de energía, n = 1, concretamente en el subnivel s.
El orbital 1s es el orbital de menor energía que existe. Puede contener un máximo de dos electrones, pero en el átomo de hidrógeno solo está ocupado por uno.
La configuración electrónica del hidrógeno es especialmente sencilla porque es el elemento con menor número atómico de la Tabla Periódica. A pesar de ello, resulta fundamental para comprender la estructura electrónica de los demás elementos, ya que representa el primer paso del orden de llenado de los orbitales.
Diagrama de orbitales
El subnivel 1s está formado por un único orbital. Como el hidrógeno solo tiene un electrón, este orbital contiene una única flecha: 1s: [↑]
La caja representa el orbital 1s y la flecha representa el electrón. La dirección de la flecha indica uno de los dos posibles valores del espín del electrón. En el caso del hidrógeno, puede representarse hacia arriba por convenio.
Electrón de valencia
El hidrógeno posee un solo electrón de valencia: 1s¹
Como su única capa electrónica está incompleta, el hidrógeno puede alcanzar una configuración más estable de diferentes maneras:
- Puede perder su electrón y formar el ion H⁺: H → H⁺ + e⁻
- Puede ganar un electrón y formar el ion hidruro H⁻: H + e⁻ → H⁻
- Puede compartir su electrón con otro átomo y formar un enlace covalente: H· + ·H → H:H
- De esta manera, cada átomo de hidrógeno queda rodeado por dos electrones y alcanza una configuración semejante a la del helio.
Relación con la Tabla Periódica
El hidrógeno se encuentra situado en la primera posición de la Tabla Periódica porque tiene número atómico 1.
Se localiza en:
- Período 1
- Bloque s
- Parte superior del grupo 1
Su pertenencia al período 1 se debe a que su electrón ocupa el primer nivel de energía: 1s¹
Pertenece al bloque s porque su último y único electrón se encuentra en un orbital de tipo s.
Su posición sobre el grupo 1 se relaciona con el hecho de que posee un electrón de valencia, igual que los metales alcalinos
Sin embargo, el hidrógeno no es un metal alcalino. Es un elemento no metálico y presenta propiedades muy diferentes a las del litio, el sodio o el potasio.
El hidrógeno puede perder un electrón y formar H⁺, comportamiento parecido al de los elementos del grupo 1, que forman iones con carga +1.
No obstante, también puede ganar un electrón y formar H⁻, alcanzando la configuración electrónica del helio: H⁻: 1s²
Este comportamiento recuerda al de los halógenos, que necesitan ganar un electrón para completar su capa de valencia.
Por esta razón, el hidrógeno se considera un elemento singular. Su posición en el grupo 1 se basa principalmente en su configuración electrónica, pero sus propiedades químicas no permiten clasificarlo completamente dentro de ninguna familia química.
Isótopos del Hidrógeno
El hidrógeno posee tres isótopos principales: protio, deuterio y tritio. Todos tienen el mismo número atómico, Z = 1, porque contienen un protón en el núcleo, pero se diferencian en el número de neutrones.
Como consecuencia, presentan masas distintas, aunque su comportamiento químico es similar.
Protio: El protio es el isótopo más abundante del hidrógeno.
- Símbolo: ¹₁H
- Composición: 1 protón, 0 neutrones y 1 electrón, si el átomo es neutro.
- Número másico: A = 1
- Es un isótopo estable y representa aproximadamente el 99,98 % del hidrógeno natural.
Deuterio
El deuterio es un isótopo estable del hidrógeno que contiene un neutrón.
- Símbolo: ²₁H
- También puede representarse como: D
- Composición: 1 protón., 1 neutrón., 1 electrón, si el átomo es neutro.
- Número másico: A = 2
- Su núcleo recibe el nombre de deuterón.
- El deuterio aparece en pequeñas cantidades en el agua natural. Cuando los dos átomos de hidrógeno de una molécula de agua son deuterio, se forma agua pesada: D₂O
- El agua pesada se utiliza, entre otras aplicaciones, como moderador de neutrones en determinados reactores nucleares y en estudios científicos sobre mecanismos de reacción.
Tritio
El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno.
- Símbolo: ³₁H
- También puede representarse como: T
- Composición: 1 protón , 2 neutrones y 1 electrón, si el átomo es neutro.
- Número másico: A = 3
- Su núcleo recibe el nombre de tritón.
- El tritio es inestable y se desintegra mediante emisión beta: ³₁H → ³₂He + β⁻ + antineutrino
- En esta desintegración, uno de los neutrones del núcleo se transforma en un protón, originando helio-3.
- El tritio tiene un periodo de semidesintegración aproximado de 12,3 años.
Se utiliza en:
- Investigaciones sobre fusión nuclear
- Marcadores radiactivos.
- Dispositivos luminosos de baja intensidad.
- Estudios ambientales e hidrológicos.
Propiedades químicas de los isótopos
- Los tres isótopos poseen un electrón y la misma configuración electrónica: 1s¹
- Por este motivo, su comportamiento químico es muy parecido.
Sin embargo, sus diferentes masas provocan pequeñas variaciones en algunas propiedades, como:
- La velocidad de reacción.
- La energía de los enlaces.
- La difusión.
- Los puntos de fusión y ebullición de sus compuestos.
- Estas diferencias reciben el nombre de efecto isotópico.
El efecto isotópico es especialmente importante cuando se comparan compuestos con hidrógeno y deuterio, ya que los enlaces con deuterio suelen ser ligeramente más fuertes y reaccionan más lentamente.
Importancia del deuterio y del tritio en la fusión nuclear
El deuterio y el tritio pueden participar en reacciones de fusión nuclear.
Una de las reacciones más estudiadas es: ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + energía
En esta reacción, un núcleo de deuterio se fusiona con uno de tritio para formar helio-4, un neutrón y una gran cantidad de energía.
Este proceso se investiga como posible fuente de energía, aunque requiere temperaturas extremadamente elevadas para vencer la repulsión entre los núcleos.
Obtención del Hidrógeno
El hidrógeno puede obtenerse mediante distintos procedimientos, tanto en el laboratorio como a escala industrial. La elección del método depende de la materia prima disponible, del coste energético, de la pureza requerida y del impacto ambiental del proceso.
Aunque el hidrógeno es el elemento más abundante del universo, en la Tierra rara vez se encuentra libre. Normalmente aparece combinado con otros elementos, especialmente formando agua, hidrocarburos y compuestos orgánicos. Por esta razón, para producir hidrógeno es necesario separar sus átomos de las sustancias que lo contienen.
Obtención en el Laboratorio
En el laboratorio, el hidrógeno suele obtenerse mediante la reacción de ciertos metales con ácidos diluidos.
Reacción de metales con ácidos:
Algunos metales reaccionan con ácidos y desplazan al hidrógeno presente en ellos.
Por ejemplo, el cinc reacciona con ácido clorhídrico: Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂
También puede utilizarse ácido sulfúrico diluido: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂
No todos los metales reaccionan con los ácidos. Para que la reacción tenga lugar, el metal debe encontrarse por encima del hidrógeno en la serie de actividad química.
Reacción de metales muy activos con agua
Los metales alcalinos reaccionan directamente con el agua y liberan hidrógeno.
Por ejemplo: 2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂
Esta reacción es muy exotérmica y puede ser violenta. Por ello, no suele utilizarse como método habitual de obtención de hidrógeno en el laboratorio.
Otras formas de Obtenerlo en laboratorio:
- Reacción de hidruros metálicos con agua
- Reacción de aluminio con bases
Electrólisis del Agua
El hidrógeno también puede obtenerse mediante la electrólisis del agua. En este proceso, una corriente eléctrica provoca la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno.
La reacción global es: 2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)
En el cátodo se produce la reducción y se forma hidrógeno.
En medio ácido: 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂
En el ánodo se produce la oxidación y se forma oxígeno: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻
El volumen de hidrógeno obtenido es aproximadamente el doble que el volumen de oxígeno, de acuerdo con la proporción estequiométrica de la reacción.
El agua pura conduce muy mal la electricidad, por lo que se añade un electrolito para aumentar su conductividad.
Obtención Industrial del Hidrógeno
La mayor parte del hidrógeno industrial se obtiene actualmente a partir de combustibles fósiles, especialmente gas natural. También puede producirse mediante electrólisis, gasificación de carbón o transformación de biomasa.
- Reformado con vapor del metano:
- El reformado con vapor es uno de los métodos industriales más utilizados para producir hidrógeno. El metano, principal componente del gas natural, reacciona con vapor de agua a elevada temperatura y en presencia de un catalizador. CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3 H₂ . Se obtiene una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno denominada gas de síntesis. Posteriormente, el monóxido de carbono reacciona con más vapor de agua: CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂
- Oxidación parcial de hidrocarburos:
- En la oxidación parcial, un hidrocarburo reacciona con una cantidad limitada de oxígeno. Para el metano: CH₄ + ½ O₂ → CO + 2 H₂ . El monóxido de carbono puede transformarse posteriormente mediante la reacción con vapor de agua: CO + H₂O → CO₂ + H₂ .
- Gasificación del carbón:
- El carbón puede reaccionar con vapor de agua a elevada temperatura para producir monóxido de carbono e hidrógeno: C + H₂O → CO + H₂
- Después se aplica la reacción de desplazamiento: CO + H₂O → CO₂ + H₂
- Producción a partir de biomasa:
- La biomasa puede transformarse mediante procesos termoquímicos, como la gasificación, para producir una mezcla de gases que contiene hidrógeno.
- También puede obtenerse hidrógeno mediante procesos biológicos en los que intervienen microorganismos capaces de descomponer materia orgánica.
- Estos métodos se encuentran menos extendidos que el reformado del gas natural, pero pueden contribuir a reducir el uso de combustibles fósiles.
Aplicaciones Industriales
- Producción de Amoníaco
El hidrógeno se utiliza principalmente en la industria para fabricar amoníaco, NH₃. Este compuesto es una materia prima esencial para la producción de fertilizantes nitrogenados, ácido nítrico, explosivos, productos de limpieza y numerosos compuestos químicos.
La síntesis industrial del amoníaco se realiza mediante el proceso de Haber-Bosch.
El nitrógeno gaseoso reacciona con el hidrógeno gaseoso para formar amoníaco: N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g)
- Refinado del Petróleo
El hidrógeno desempeña un papel esencial en el refino del petróleo. Se utiliza principalmente para eliminar impurezas, mejorar la calidad de los combustibles y transformar las fracciones pesadas del crudo en productos más ligeros y valiosos.
Los procesos en los que interviene el hidrógeno se denominan, de forma general, procesos de hidrotratamiento.
El hidrógeno se emplea para: Eliminar compuestos de azufre, eliminar compuestos de nitrógeno y oxígeno, reducir el contenido de metales, saturar enlaces dobles y compuestos aromáticos.
Hidrodesulfuración: La hidrodesulfuración es uno de los procesos más importantes del refino del petróleo. Su objetivo es eliminar el azufre presente en los compuestos orgánicos del crudo. En este proceso, los compuestos de azufre reaccionan con hidrógeno y se transforman en sulfuro de hidrógeno, H₂S.
- Pilas de Combustible
Las pilas de combustible de hidrógeno son dispositivos electroquímicos que transforman directamente la energía química del hidrógeno y del oxígeno en energía eléctrica.
A diferencia de una combustión convencional, el hidrógeno no se quema. Se oxida mediante una reacción electroquímica controlada. El principal producto de la reacción es agua, además de electricidad y calor.
La reacción general que tiene lugar en una pila de combustible de hidrógeno es: 2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l) + energía
- Industria Espacial
El hidrógeno desempeña un papel fundamental en la industria espacial, principalmente como combustible para cohetes. Su elevada energía por unidad de masa y su capacidad para reaccionar con oxígeno produciendo gases muy calientes lo convierten en uno de los propelentes más eficaces para determinadas etapas de los vehículos espaciales.
Normalmente se utiliza en forma de hidrógeno líquido, LH₂, combinado con oxígeno líquido, LOX.
- Producción de Metanol
El hidrógeno se utiliza como materia prima en la fabricación industrial de metanol, CH₃OH. Este compuesto es uno de los productos básicos de la industria química y se emplea para fabricar combustibles, disolventes, plásticos, resinas y numerosos compuestos orgánicos.
La producción de metanol se realiza principalmente a partir de una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono conocida como gas de síntesis.
El metanol puede obtenerse a partir de monóxido de carbono e hidrógeno: CO(g) + 2 H₂(g) ⇌ CH₃OH(g)
Papel Biológico
El hidrógeno es un elemento esencial para la vida. Forma parte del agua y de la mayoría de las moléculas orgánicas presentes en los seres vivos. También interviene en procesos fundamentales como la obtención de energía, la regulación del pH, la fotosíntesis y la respiración celular.
- Presencia en el agua: El agua está formada por hidrógeno y oxígeno: H₂O. El agua constituye una parte importante de la masa de los seres vivos y actúa como medio en el que se desarrollan la mayoría de las reacciones bioquímicas.
El agua constituye una parte importante de la masa de los seres vivos y actúa como medio en el que se desarrollan la mayoría de las reacciones bioquímicas.
- Presencia en las biomoléculas: El hidrógeno forma parte de las principales biomoléculas, glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, vitaminas.
- Regulación del pH: Los iones hidrógeno, H⁺, desempeñan un papel esencial en el equilibrio ácido-base. La acidez de una disolución depende de la concentración de iones hidronio: H⁺ + H₂O → H₃O⁺
- Respiración celular: El hidrógeno interviene en la obtención de energía durante la respiración celular. En este proceso, los nutrientes se oxidan y transfieren electrones e hidrógeno a moléculas transportadoras, principalmente: NAD⁺ y FAD.
- Cadena de transporte de electrones: En la membrana interna de las mitocondrias, los electrones pasan por una serie de proteínas. La energía liberada se utiliza para bombear protones, H⁺, y crear una diferencia de concentración entre ambos lados de la membrana.
- Formación de agua en la respiración: Al final de la cadena respiratoria, el oxígeno acepta electrones y protones para formar agua: O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O
- Fotosíntesis: El hidrógeno también desempeña un papel esencial en la fotosíntesis. Durante la fase luminosa, el agua se descompone: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ . Este proceso se denomina fotólisis del agua. Los electrones y protones obtenidos se utilizan para formar moléculas energéticas y reductoras. Una de ellas es el NADPH, NADP⁺ + 2 e⁻ + H⁺ → NADPH. El NADPH aporta hidrógeno y electrones en las reacciones de síntesis de materia orgánica.
Muchas reacciones bioquímicas dependen de la transferencia de protones:
- Reacciones ácido-base.
- Activación de enzimas.
- Transporte a través de membranas.
- Síntesis y degradación de biomoléculas.
- Conversión de energía.
- Regulación de la actividad celular.
Digestión: El ácido clorhídrico del estómago libera iones H⁺ y genera un medio muy ácido.
¿Qué es el hidrógeno verde?
El hidrógeno verde es el hidrógeno producido mediante la electrólisis del agua utilizando electricidad procedente de fuentes renovables, como la energía solar, eólica o hidráulica.
Su principal característica es que durante su producción no se utilizan directamente combustibles fósiles y no se genera dióxido de carbono como producto del proceso electroquímico.
Producción mediante electrólisis: La electrólisis consiste en descomponer el agua mediante una corriente eléctrica: 2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)
Para que el hidrógeno se considere verde, la electricidad utilizada debe proceder de fuentes renovables.
La denominación indica que se ha producido utilizando energía renovable y con emisiones directas muy reducidas de dióxido de carbono.
El dispositivo en el que se realiza la electrólisis se denomina electrolizador.
Historia y Descubrimiento
Primeras Observaciones
El hidrógeno fue producido mucho antes de ser reconocido como un elemento químico independiente. Durante los siglos XVI y XVII, varios alquimistas observaron que al hacer reaccionar determinados metales con ácidos se desprendía un gas inflamable.
Una de las primeras referencias se atribuye al médico y alquimista suizo Paracelso, quien durante el siglo XVI obtuvo un gas al hacer reaccionar metales con ácidos fuertes. Sin embargo, no identificó este gas como una sustancia diferente ni estudió sus propiedades de forma sistemática.
En aquella época todavía no se conocía la naturaleza de los gases y muchos de ellos se consideraban simplemente variedades del aire.
Descubrimiento por Henry Cavendish
El descubrimiento del hidrógeno como sustancia diferenciada se atribuye al físico y químico británico Henry Cavendish.
En 1766, Cavendish estudió el gas que se producía al hacer reaccionar metales, como el cinc o el hierro, con ácidos diluidos. Por ejemplo: Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂ . Cavendish recogió el gas y comprobó que presentaba propiedades diferentes a las del aire y a las de otros gases conocidos.
Entre sus observaciones destacó que:
- Era extremadamente ligero.
- Era incoloro.
- Era muy inflamable.
- Formaba mezclas explosivas con el aire.
Cavendish lo denominó aire inflamable, ya que todavía no se utilizaba el nombre hidrógeno. Su trabajo de 1766 permitió reconocerlo como una sustancia gaseosa específica, razón por la que se le considera generalmente el descubridor del hidrógeno.
Formación de agua
Cavendish continuó investigando las propiedades del aire inflamable. Al quemarlo en presencia de aire u oxígeno, observó la formación de pequeñas gotas de agua. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
Este experimento demostró que la combustión del hidrógeno producía agua.
El descubrimiento fue especialmente importante porque, hasta ese momento, el agua se consideraba uno de los elementos fundamentales de la materia. Los experimentos de Cavendish mostraron que podía formarse mediante la combinación de dos gases y que, por tanto, era una sustancia compuesta.
Antoine Lavoisier y el nombre del hidrógeno
El químico francés Antoine Lavoisier repitió y explicó los experimentos relacionados con la formación y descomposición del agua.
En 1783, Lavoisier y Pierre-Simon Laplace demostraron experimentalmente que la combustión del gas inflamable con oxígeno producía agua. Lavoisier interpretó correctamente que el agua estaba formada por hidrógeno y oxígeno.
Lavoisier dio al elemento el nombre de hydrogène, del que procede el término español hidrógeno.
El nombre deriva de dos palabras griegas:
- Hydro: agua.
- Genos: productor, generador o formador.
- Por tanto, hidrógeno significa formador de agua o generador de agua.
La identificación del hidrógeno como elemento ayudó a establecer una nueva concepción de la materia basada en:
- Elementos químicos.
- Compuestos.
- Reacciones cuantitativas.
- Conservación de la masa.
- Nomenclatura química sistemática.
- En 1815, el químico británico William Prout observó que las masas atómicas de muchos elementos parecían ser múltiplos enteros de la masa del hidrógeno.
Curiosidades
- Es el elemento más abundante del Universo.
- Constituye aproximadamente el 75 % de la materia visible.
- El Sol produce energía fusionando hidrógeno.
- Es el elemento más ligero.
- Su llama es casi invisible.
- El hidrógeno líquido se utiliza como combustible espacial.
- Fue el primer elemento formado tras el Big Bang.
Errores frecuentes
- Pensar que el hidrógeno es un metal alcalino.
- Confundir H⁺ con un átomo de hidrógeno.
- Creer que todos sus isótopos son radiactivos.
- Pensar que el hidrógeno solo existe como H₂.
- Confundir hidrógeno con hidruro.
