miércoles, enero 23, 2013

La tabla periódica V – El hidrógeno. | El Cedazo


La tabla periódica V – El hidrógeno.





¡Empezamos por fin a repasar la tabla periódica!
En los artículos anteriores de la serie he introducido varios conceptos y explicado cosas de la tabla periódica; ahora lo que haré será ir columna por columna de la tabla, explicando cosas sobre los distintos grupos y sus componentes. El hidrógeno, los metales de transición y los de transición interna son especiales, y escribiré artículos distintos para ellos.
Veamos, antes de empezar quiero decir unas cuantas cosas sobre los artículos que están por venir. Seguiré siempre la misma estructura: presentaré el grupo en cuestión y sus integrantes, hablaré de las generalidades del grupo para luego pasar por cada elemento, donde os explicaré cosas de él, como sus propiedades, peculiaridades, aspecto, fabricación, compuestos y usos. Debo decir que saber cómo escribir esto me ha resultado un dolor de cabeza, pues nunca estaba satisfecho. Para empezar tenéis que saber que he decidido, un poco arbitrariamente, cuándo hablaré de unos compuestos u otros. Por ejemplo, el cloruro de sodio podría tratarlo cuando toque el sodio o cuando toque el cloro… Y para mejorar aún más las cosas, a la hora de hablar acerca de los usos y sus compuestos del elemento, la cosa se torna un infierno. ¿Os hablo de los usos y comento qué compuestos están ahí dentro, o es mejor hablar de los compuestos y decir para qué sirven?
Trataré el tema bastante inorgánicamente, la química orgánica o del carbono, si la trato, lo haré casi exclusivamente cuando hable del carbono, y de forma muy escueta, no llegaré ni al abcprácticamente, pensad que sólo del carbono hay muchos, muchísimos más compuestos que de cualquier otro elemento, y muchos de ellos, importantes.
Lo que os explicaré aquí no es lo que encontraréis en un libro de bachillerato; de todas formas hay muchas cosas que no comentaré. Por ejemplo, simplemente no puedo pararme a comentar todas las propiedades de los compuestos, mi idea es hablaros del elemento para que sepáis quién es y no os suene a chino; en cuanto a sus compuestos diré poca cosa, siempre y cuando no sean muy importantes.
En fin, empecemos ya con el hidrógeno.
Pedro habló sobre él aquí en su día, sus explicaciones son más bonitas y entran mejor, pero yo os hablaré del hidrógeno más químicamente, cómo se comporta, cómo se produce, aplicaciones y compuestos importantes de él. Vaya, no os hablaré de su descubrimiento, por ejemplo.
El hidrógeno es el elemento más especial de toda la tabla periódica, no tiene un lugar definido y la variedad de sus compuestos es enorme, pero sobre todo lo es la importancia de sus compuestos. Estoy seguro de que hay libros enteros dedicados al hidrógeno, se puede hablar sobre él desde muchos puntos de vista, pues tiene infinidad de aplicaciones, incluso hay cosas que sé que existen pero de las que no comentaré nada por ser totalmente ignorante al respecto (véase el hidrógeno metálico).
Para los que tengan curiosidad, iré nombrando cada vez los elementos del grupo en cuestión y presentaré su símbolo químico y el motivo por el cual se llaman o se abrevian así. El nombre del hidrógeno viene de hydrogenium, que en latín significa” generador de agua”, y su símbolo es H.
Empecemos hablando del átomo de hidrógeno, atentos, porque con hidrógeno me refiero a partir de ahora a átomo de hidrógeno. Es el elemento con el átomo más simple y también el más abundante de la naturaleza. Tiene un solo protón en el núcleo y un solo electrón, y en su forma más abundante no tiene nada más. Tiene otros dos isotopos aparte, que son bastante importantes en la química y en la física. El protio, como decimos el más abundante, tiene un protón; el deuterio tiene un neutrón junto al protón y el tritio tiene dos neutrones junto al protón. Tan importantes son que tanto el deuterio como el tritio tienen símbolo químico propio, D y T respectivamente, a pesar de no ser en realidad elementos distintos.
El hidrógeno atómico es muy, muy ligero, tanto que la diferencia de masa entre sus isotopos es enorme. Pensadlo, el protio tiene un protón y el deuterio un protón y un neutrón, y los neutrones tienen casi la misma masa que los protones… Es decir, ¡tiene casi el doble de masa! Y el tritio, en consecuencia, casi el triple. Esta diferencia de masa se nota: las propiedades físicas son relativamente distintas (las químicas no tanto).

Diferencia de tres propiedades físicas de los hidrógenos moleculares según sus isotopos.
El deuterio tiene una abundancia del 0,015%, el tritio es muchísimo menos abundante… pero es que es inestable, radiactivo. La abundancia del deuterio, aunque pueda parecer poca, no lo es tanto.
Ambos isótopos forman enlaces más fuertes que el del protio, y esto se puede aprovechar para acumularlos de distintos métodos, por ejemplo, electrolizando agua. Si se electrolizan 30 litros de agua hasta reducir el volumen a 1 ml, el liquido que queda es casi en su totalidad agua pesada, que es agua en la que sus hidrógenos son átomos de deuterio. Esta agua, que puede llamarse óxido de deuterio o agua deuterada, tiene la fórmula química de D2O y difiere en todas sus propiedades físicas del agua normal. Es útil como disolvente cuando se quieren estudiar átomos de hidrógeno de un soluto, pues no hay otros átomos de hidrógeno “normales” de por medio que molesten. Hace unas semanas usé yo mismo en el laboratorio cloroformo deuterado para hacer una resonancia magnética nuclear de una muestra que contenía hidrógeno (aunque esto queda muy “cool” así escrito, la verdad es que fue un experimento tremendamente simple).
Os dejo otra tabla con diferencias entre esta agua deuterada y la normal:

Diferencia de propiedades entre agua y agua pesada.
Disculpad el idioma, pero es la versión más completa que he encontrado. No, yo tampoco sé exactamente cuales son todas esas magnitudes y unidades, pero no hace falta que las entiendas todas, sólo están para que veas las diferencias ente una y otra.
El tritio es radiactivo, con una vida media de 12 años, bastante corta, como puedes ver. Lo normal sería que se hubiese desintegrado todo, pero está en constante formación en la atmósfera debido al impacto de rayos cósmicos (también puede ser sintetizado artificialmente).
El hidrógeno, ya en general, tiene una configuración electrónica 1s, y, la verdad, si bien prefiere ganar un electrón mediante un enlace covalente, en realidad tanto le da, es común encontrárselo de distintas maneras. Es muy común el ion H, el cual es… un protón, y así suele llamárselo. Debo señalar que pese a que es un ion muy estudiado y siempre se escribe así, NO es estable y no se le encuentra así en la naturaleza, lo que ocurre es que suele unirse a otras moléculas, comúnmente agua, formando el ion H3O, el cual se llama hidronio u oxonio, pero es muy cómodo ignorar este hecho, ya que simplifica las cosas y los resultados son los mismos. Si escribo algún día una serie de ácidos y bases (o de equilibrio químico), cosa que no me extrañaría, esto lo hablaré entonces.
Lo importante es darse cuenta de que es un átomo bastante polivalente aún con su preferencia por enlaces covalentes. Como sólo le falta un electrón para tener una configuración 1s, la del helio, hará UN enlace covalente.
Ahora, y atención, hablaremos del hidrógeno diatómico, es decir, la molécula de H. Tengo que señalar que al hidrógeno puede encontrársele por el universo de muchas y diversas formas, pero que es algo de lo que no creo que pueda hablaros, es por eso que me centraré en el gas.
El H, llamado hidrógeno a secas, hidrógeno gaseoso o dihidrogeno, es un gas inflamable, incoloro e inodoro, tiene una temperatura de fusión de -253ºC y solidifica a los -259ºC, temperaturas muy bajas debido a que los átomos de hidrógeno no tienen electrones con los que interactuar con los átomos vecinos. Es el gas más ligero, tanto que es muy poco abundante como tal en nuestro planeta, pues tiende a desplazarse a las partes altas de la atmósfera.
Se trata de un gas poco reactivo debido a su fuerza de enlace, que es bastante elevada; además, muchas de sus reacciones son muy lentas… que no quita para que no reaccione, y de forma peligrosa, pues si se mezclan hidrógeno y oxigeno y hay una chispa la cosa explota… ¡y de qué manera!
2H+ O-> 2H2O
Es lo que ocurrió en el Hindenburg; al ser un gas tan ligero se lo aprovechaba para hacer flotar los dirigibles, pero claro, eso tiene sus pegas.
Y por estable que sea, el hidrógeno reacciona con violencia con por ejemplo, flúor.
Aun así las reacciones del hidrógeno en general necesitan “ayudas”, en forma de chispas, de altas temperaturas o de catalizadores.

Síntesis del hidrógeno

Como ya he dicho, el hidrógeno gaseoso no se encuentra andando por el campo, se tiene que fabricar. En el laboratorio la cosa es muy simple, basta con atacar metales mediante ácidos, sólo que el gas que se obtiene no es muy puro y sale a cuenta comprarlo directamente. El problema está cuando se quiere ganar dinero con el proceso, o si se necesita un coste mínimo, pues la cosa ya no es viable de esta manera. Industrialmente hay varias rutas para obtenerlo, pero os explicaré la que yo me sé y la más extendida, que es bastante barata y consiste en las dos siguientes reacciones.
CH+ HO -> CO + 3H2
CO + HO -> CO+ H2
CHes metano, gas natural, CO es monóxido de carbono (gas del que ya hablaré en su momento), el caso es que la mezcla de Hy CO es difícil de separar por lo que hace falta la segunda reacción y… ¿os habéis fijado en las pegas? Luego hablaré de ellas.
Hay muchas otras rutas, por ejemplo se puede obtener mediante electrolisis y se obtiene de gran pureza, pero es algo más caro.
Por cierto, creo que es interesante que os comente que hay bacterias que son capaces de producir hidrógeno como producto de su metabolismo.

Usos del hidrógeno

-Reducción de metales: Apunte: ¡reducir es lo contrario de oxidar! Si reducimos el hierro del oxido de hierro ¡obtenemos hierro metálico! Sí, no me he equivocado, el hierro del oxido de hierro. De esto podría (y lo haré algún día) escribir unos cuantos artículos, pero es simplemente para no tener que ir aclarándolo en éste y los siguientes artículos.
CuO + H-> Cu + H2O
Esto es bastante útil pero hay que tener en cuenta que el hidrógeno se tiene que fabricar y no todos los metales se reducen tan fácilmente.
-Síntesis del amoníaco: ¿sólo del amoníaco? No, pero cabe destacar la sintesis del amoníaco pues merece una mención aparte. Es una reacción MUY importante, que trataré cuando le toque al nitrógeno, se usa para hacer, obviamente, amoníaco, NH3, aunque es una reacción muy lenta. El amoníaco es un compuesto muy importante debido a… no, esto tocará cuando hable del nitrógeno.
-Síntesis de diversos compuestos: pues eso, ácido clorhídrico, metanol…
-Hidrogenación de productos insaturados: un uso muy extendido del hidrógeno es el de convertir grasas líquidas insaturadas (aceites comestibles que tienen dobles o triples enlaces entre átomos de carbono) a grasas sólidas saturadas y parcialmente saturadas (margarinas). Básicamente, convierte dobles o triples enlaces en enlaces simples.
H2C=CH+ H-> H3C-CH3
Dentro de este uso podríamos incluir el refinamiento del petróleo, proceso que requiere de mucho hidrógeno.
-Moderador en centrales nucleares: más que de hidrógeno hablamos de deuterio, una molecula de D. El uso es ése, como moderador: ayuda a frenar los neutrones evitando una reacción en cadena.
-Procesos nucleares: desgraciadamente las bombas más poderosas jamás construidas son las llamadas bombas de hidrógeno. A diferencia de las cabezas nucleares usadas en Hiroshima y Nagasaki, éstas liberan mucha más energía y usan un proceso de fusión, pues usan los isotopos del hidrógeno para fusionarlos. Lo bueno del asunto es que el proceso puede, o se podrá usar algún día, para tener centrales de fusión nuclear que, bueno… son aplastantemente superiores a las centrales nucleares actuales con muchos más pros y muchos menos contras.
-Usos en la medicina: el tritio es radiactivo y se usa en la medicina como rastreador debido a su radiactividad y debido a que solo emite rayos β poco energéticos.
-Soldaduras: hay un método de soldadura en el que se emplea una atmósfera protectora de hidrógeno, se llama soldadura de hidrógeno atómico y se usa cuando se requiere llamas de temperaturas muy altas.
-Aplicaciones energéticas: Aviso de que el hidrógeno NO es una fuente de energía si no hablamos de energías nucleares de fusión. Recordad: el hidrógeno y el oxígeno juntos no se llevan muy bien, la cosa alcanza puntos ciertamente “explosivos”… tanto que se usa esta reacción para enviar cohetes al espacio.
2H+ O-> 2H2O

Uno de los motores principales del transbordador espacial en fase de pruebas en el que se puede ver lo poco visible que es la llama. Sacado de la wikipedia.
Como curiosidades, la combustión del hidrógeno puro da lugar a llamas casi invisibles para el ojo humano, los colores que pueden observarse son debidos a impurezas; además, las llamas tienden a ascender rápidamente, lo que hace la reacción menos peligrosa que otras.
Sí, se usa (o suele usarse o al menos antes se hacía) oxígeno e hidrógeno líquidos para poner en órbita lo que nos interese. Además, actualmente el hidrógeno es interesante para vehículos más convencionales. El problema es que transportar el hidrógeno como gas requiere recipientes con paredes muy gruesas que aumentan la masa del vehículo y por tanto el consumo. El hidrógeno líquido sería mucho mas eficiente pero hay que tenerlo a ¡menos de -253ºC! Lo que se puede hacer es transportar compuestos de hidrogeno específicos que lo liberen en forma del gas diatómico en ciertas condiciones (por ejemplo al calentarse). Una cosa que sí se está investigando mucho son las pilas de hidrógeno, tanto que incluso ésta idea se usa en algunos coches movidos por hidrógeno.
Para acabar de rematar el asunto, ¿recordáis cuál es el método más extendido de fabricar hidrógeno del cual comentaba que había una serie de pegas? La primera es que se necesita gas natural, y segundo, que en la fabricación se obtiene, junto al hidrógeno, dióxido de carbono. Lástima, pero sólo por esto ya no se puede considerar un combustible limpio. Os recuerdo que puede fabricarse mediante otros métodos, pero principalmente se hace de esa manera.
-Refrigerante: el hidrógeno se puede usar como refrigerante, tanto en estado líquido como gaseoso. Tenerlo en estado líquido es caro, las temperaturas tienen que ser muy, muy bajas. Al igual que el helio, líquido se usa para enfriar sustancias a temperaturas tan bajas como para tener superconductores. El hidrógeno gaseoso tiene propiedades muy interesantes para usarlo como refrigerante: es poco denso, poco viscoso, tiene un alto calor específico (vaya, que se requiere de mucha energía para subirle la temperatura) y la conductividad térmica más elevada de todos los gases. Se usa mucho en centrales eléctricas como tal.
Compuestos del hidrógeno.
Tengo que decir que el hidrógeno nos lo podemos encontrar en todas partes y en multitud de importantísimos compuestos, y cuando digo ésto es porque de verdad que se encuentra en todas partes. Para empezar tenéis que saber forma parte de casi todos los compuestos orgánicos, sólo por éste motivo ya entra en el podio de elemento con más compuestos, luego hay sus otros compuestos que son los que os hablaré ahora. Ni que decir que será algo muy general, hay casos concretos o excepciones que ni comentaré a menos que sean muy importantes.
Los compuestos binarios del hidrógeno, o sea, en los que hay dos elementos, suelen llamarse hidruros. El hidrógeno tiene una electronegatividad relativamente alta, mayor que la media de los elementos, por lo que puede formar hidruros con casi todos los elementos. Los hidruros pueden tener distinta naturaleza, pueden ser iónicos, covalentes o metálicos depende de con quien se junte.
Debido a su carácter no metálico débilmente electronegativo, puede formar compuestos iónicos (que como ya dije, son empaquetamientos de iones de cargas opuestas como el NaCl) con metales muy electropositivos (es decir, muy poco electronegativos), éstos son los hidruros iónicos.
Los hidruros covalentes son los que se forman con el resto de no metales, sólo que cuándo el otro átomo es más electronegativo ya no usamos el término hidruro.
Los hidruros iónicos  son sólidos normalmente blancos formados por los metales de los grupos 1 y 2, los alcalinos y alcalinotérreos. Estos sólidos contienen el ion hidruro, H-. Suelen ser muy reactivos, tienen bastante mal humor en general con lo que se le acerque, reaccionan incluso con el agua, y de forma violenta. Al ser calentados en presencia de oxigeno incluso arden. Su alta reactividad se aprovecha para, al igual que el propio gas hidrógeno, reducir metales. Bueno, metales y muchas otras cosas, la verdad. De aquí hablaré en su momento del LiH, CaH2 y puede que alguno más.
Los hidruros metálicos son sustancias a las que no quiero ni puedo entrar, por ser bastante mas complejos y raros (que no significa que no sean útiles . Se forman junto a algunos metales de transición, incluidos algunos lantánidos y actínidos, con otros metales no se forman estos compuestos. Tomáoslos como una curiosidad.
Los hidruros covalentes son los más abundantes e interesantes. Todos los elementos no metálicos  a excepción de los gases nobles, forman hidruros, y también se forman hidruros con metales débilmente electropositivos (el estaño, por ejemplo). Casi todos ellos necesitan “ayuda” para sintetizarse, pues ya he dicho que el hidrógeno no es muy reactivo.
Hay algunos de estos compuestos que no forman moléculas, sino que  forman polímeros, como por ejemplo el borano, que lo podemos encontrar como tal o como diborano, etc. Pero bueno, otra curiosidad, al menos en este artículo.
Los que se forman con el resto de no metales suelen ser gases a temperatura ambiente y agrupan compuestos tremendamente importantes: agua, amoniaco, ácidos hidrácidos… Hablaré de todos ellos en su momento. Los hidruros de carbono agrupan un sinfín de moléculas llamadas hidrocarburos, que se estudian en química orgánica, de los que hablaré más cuando toque hablar del carbono. ¿Quién no conoce el metano, propano, butano…? Todos ellos, por cierto, quieren oxidarse, pero afortunadamente la cosa es muy, muy lenta… hasta que se acerca una chispa. Sí, cierto, en este artículo me estoy dejando deberes para el futuro en grandes cantidades.
Los compuestos como el agua, el amoniaco (NH) y otros NO se llaman con el nombre de hidruros debido a que el hidrógeno NO es el átomo más electronegativo, éstos compuestos tienen o nombre propio o siguen otra nomenclatura (ácido clorhídrico, por ejemplo), además de ser bastante importantes todos ellos..
Aunque no hablaré de estos compuestos aquí  para variar, debo señalar un detalle que sí es muy importante y que es cosa exclusiva del hidrógeno. Estos compuestos tienen puntos de ebullición bastante más elevados de lo normal, el agua debería ser gas a temperatura ambiente, y no lo es, por fortuna. Señoras y señores, quiero presentaros un fenómeno increíblemente importante llamadopuente de hidrógeno. Este fenómeno puede complicarse si nos adentramos en aguas profundas, así que me quedaré con la definición más básica: son interacciones intermoleculares atractivas, entre dipolo-dipolo relativamente fuertes, pero más débiles que un enlace covalente.
Básicamente, al haber una diferencia de electronegatividad entre dos átomos, el que lo es más atrae la densidad electrónica del enlace hacia él y se crea un dipolo, el átomo más electronegativo tiene una carga formal negativa y el otro átomo tiene una carga formal positiva. En el caso del agua nos encontramos con dos hidrógenos con densidad de carga positiva, los cuales se sienten atraídos por las densidades de carga negativas de los oxígenos vecinos, por lo que acaban habiendo pequeñas y débiles uniones entre moléculas.

Cuatro puentes de hidrógeno entre 5 moléculas de agua. Fuente: Kalipedia.
Los puentes de hidrógeno son los culpables del “altísimo” punto de fusión y ebullición del agua y de otros productos, de la alta capacidad disolvente del agua, de que el hielo sea menos denso que el agua líquida… ¡le da hasta la forma al ADN! Tienen también importantes papeles en el pliegue y conformación de las proteínas. Menos mal que están ahí, los humildes puentes de hidrógeno…
Fuera ya de los compuestos binarios, el hidrogeno forma parte de más compuestos que, bueno… son tremendos. Por ejemplo, el ácido sulfúrico, muy, muy, pero MUY importante.
Como veis, hay mucho por contar. Muchos compuestos no los he tratado en este artículo, cosa que me obligará a hacerlo más adelante, y, como vei,s no son pocos los que he aplazado. A esto, sumarle que de los otros grupos hay muchas, muchísimas cosas para decir por sí solos. Por supuesto hay muchos aspectos que no he comentado y que seguramente ni conozco, si alguien está especialmente interesado en que añada alguna cosa en concreto, que lo pida.
Nos vemos en el siguiente artículo con los metales alcalinos.


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