Hidrógeno

El hidrógeno es el elemento químico con el símbolo H y el número atómico 1. Con un peso atómico estándar de 1,008, el hidrógeno es el elemento más ligero de la tabla periódica. El hidrógeno es la sustancia química más abundante en el Universo, constituyendo aproximadamente el 75% de toda la masa bariónica. Las estrellas no remanentes están compuestas principalmente de hidrógeno en estado de plasma. El isótopo más común del hidrógeno, llamado protio (nombre raramente usado, símbolo 1H), tiene un protón y no tiene neutrones.

La aparición universal del hidrógeno atómico se produjo por primera vez durante la época de recombinación (Big Bang). A temperatura y presión estándar, el hidrógeno es un gas diatómico incoloro, inodoro, insípido, no tóxico, no metálico y altamente combustible con la fórmula molecular H2. Dado que el hidrógeno forma fácilmente compuestos covalentes con la mayoría de los elementos no metálicos, la mayor parte del hidrógeno en la Tierra existe en formas moleculares como el agua o los compuestos orgánicos.

Historia

El gas de hidrógeno se produjo artificialmente por primera vez a principios del siglo XVI por la reacción de los ácidos sobre los metales. En 1766-81, Henry Cavendish fue el primero en reconocer que el gas de hidrógeno era una sustancia discreta, y que produce agua cuando se quema, propiedad por la cual fue nombrado más tarde: en griego, hidrógeno significa “formador de agua”.

Ocurrencia natural

Occurence in the universe

Poco después de la creación del universo, los protones y neutrones ya estaban presentes en cantidades abrumadoras. A las altas temperaturas imperantes, estos se combinaron para formar núcleos atómicos ligeros, como el D y el 4He. Sin embargo, la mayoría de los protones permanecieron sin cambios y representaron los futuros núcleos 1H. Después de unos 380.000 años, cuando la densidad de radiación del universo se había reducido lo suficiente, los átomos de hidrógeno podían formarse simplemente combinando los núcleos con los electrones, sin que un fotón los separara de nuevo. Desde entonces, existe la radiación cósmica de fondo (¡no dispersa!) y el universo está lleno de hidrógeno.

Al enfriarse más el universo, la masa se dividió asimétricamente y formó nubes de gas de hidrógeno. Bajo la influencia de la gravedad, estas nubes se condensaron cada vez más primero en galaxias y más tarde el gas de las galaxias se condensó en protoestrellas, y bajo la enorme presión de la gravedad comenzó la fusión de los átomos de H en átomos de He. Así se formaron las primeras estrellas y soles. Sin embargo, más tarde, especialmente en las estrellas muy grandes, también se formaron elementos más pesados como el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, que son los bloques de construcción básicos de todas las formas de vida conocidas, también por fusión.

Ocurrencia en la Tierra

En la Tierra, la fracción de masa es mucho más baja, alrededor del 0,12% del peso total, y el 2,9% de la corteza terrestre. Además, a diferencia de lo que ocurre en el espacio, el hidrógeno terrestre está predominantemente ligado y casi nunca es puro (es decir, como gas sin mezclar). No se conoce ningún otro elemento que contenga tantos compuestos, siendo el más común el agua.

La corteza terrestre

Pero el elemento también se encuentra en todos los seres vivos, en el petróleo, el gas natural y muchos minerales. Otros fenómenos naturales son los gases naturales como el metano (CH4).

Sal y agua dulce

La mayor proporción de hidrógeno terrestre se encuentra en el agua compuesta. En esta forma cubre más de dos tercios de la superficie terrestre. Los recursos hídricos totales de la tierra ascienden a unos 1386.000 millones de km³. De ellos, 1338.000 millones de km³ (96,5%) son agua salada en los océanos. El 3,5% restante está disponible como agua dulce. La mayor parte se encuentra en estado sólido: en forma de hielo en el Ártico y el Antártico, así como en los suelos de permafrost, especialmente en Siberia. La pequeña parte restante es agua dulce líquida y se encuentra principalmente en lagos y ríos, pero también en depósitos subterráneos, por ejemplo como agua subterránea.

Atmósfera

En la atmósfera terrestre el hidrógeno está casi exclusivamente ligado químicamente, principalmente en forma de agua. La frecuencia porcentual del hidrógeno molecular en el aire es sólo de 0,55 ppm. La proporción de vapor de agua está entre el 1 y el 4 por ciento. Este valor depende fuertemente de la humedad y la temperatura.

El bajo porcentaje de hidrógeno molecular en la atmósfera puede explicarse por la alta velocidad térmica de las moléculas y el alto porcentaje de oxígeno en la atmósfera. A la temperatura media de la atmósfera, las partículas de H2 se mueven a una media de casi 7.000 km/h. Eso es aproximadamente un sexto de la velocidad de escape en la Tierra. Sin embargo, debido a la distribución de Maxwell-Boltzmann de las velocidades de las moléculas de H2, todavía hay un número considerable de moléculas que alcanzan la velocidad de escape. Sin embargo, las moléculas sólo tienen una longitud de camino libre extremadamente pequeña, de modo que sólo las moléculas de las capas superiores de la atmósfera escapan realmente. Otras moléculas de H2 siguen desde las capas inferiores, y una cierta cantidad escapa de nuevo hasta que finalmente sólo quedan rastros del elemento en la atmósfera. Presumiblemente el hidrógeno de las capas inferiores de la atmósfera se quema en gran parte hasta convertirse en agua. Con una pequeña proporción, se establece un equilibrio entre el consumo y la nueva producción (por medio de bacterias y la división fotónica del agua).

Producción

La producción anual de hidrógeno supera actualmente los 500.000 millones de metros cúbicos estándar. La mayor parte proviene de fuentes fósiles (gas natural, petróleo crudo), de la industria química, donde es un subproducto de la producción de cloro, y de los procesos de refinería de petróleo crudo.

Si el hidrógeno se va a utilizar a gran escala para la generación o el almacenamiento de energía en el sentido de una economía energética del hidrógeno, la producción mediante la reforma convencional del vapor no es práctica. Sin embargo, todavía puede ser posible como punto de entrada, por ejemplo en el sector automovilístico.

Entretanto, algunos procesos de producción de hidrógeno se han desarrollado hasta estar listos para la producción en serie, mientras que otros están todavía en fase de desarrollo:

  • Reformador de vapor (gas natural)
  • Oxidación parcial (gasificación del petróleo)
  • Reformador autotérmico (reformador de metanol)
  • La electrólisis del agua
  • Biomasa (gasificación, fermentación)
  • Procedimiento de Kværner
  • Hidrógeno de algas verdes

Uso económico

Cada año se producen más de 600.000 millones de metros cúbicos de hidrógeno (aproximadamente 30 millones de toneladas) en todo el mundo para innumerables aplicaciones en la industria y la tecnología. Los campos de aplicación más importantes son:

  • __ Portadores de energía__: En la soldadura, como combustible para cohetes. Se espera que su uso como combustible para motores a reacción, en motores de combustión de hidrógeno o a través de células de combustible sustituya en un futuro próximo al uso de productos derivados del petróleo (véase la propulsión por hidrógeno), ya que la combustión produce principalmente agua, pero no hollín o dióxido de carbono. Sin embargo, a diferencia del petróleo, el hidrógeno no es una fuente de energía primaria.
  • Hidrogenación del carbón: A través de varias reacciones químicas, el carbón se convierte en hidrocarburos líquidos con H2. De esta manera, la gasolina, el diesel y el aceite de calefacción pueden ser producidos artificialmente. Por el momento, ambos procesos mencionados no tienen importancia económica debido a los altos costos. Sin embargo, esto podría cambiar drásticamente tan pronto como las reservas de petróleo de la tierra se agoten.
  • El H2 puede reaccionar con los óxidos metálicos y extraer oxígeno de ellos. El agua y el metal reducido se forman. El proceso se utiliza en la fundición de minerales metálicos, especialmente para extraer metales tan puros como sea posible.
  • El proceso Haber-Bosch se utiliza para producir amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno y a partir de este amoníaco se producen importantes fertilizantes y explosivos.
  • Endurecimiento de grasas: Las grasas endurecidas se obtienen del aceite vegetal por hidrogenación. Durante este proceso los dobles enlaces en los residuos de ácidos grasos insaturados de los glicéridos se saturan de hidrógeno. Las grasas resultantes tienen un punto de fusión más alto, haciendo que el producto sea sólido. La margarina se produce de esta manera. Como subproducto, también se pueden producir grasas trans que son perjudiciales para la salud.
  • El hidrógeno está aprobado como E 949 y se utiliza como gas propulsor, gas de relleno, etc.
  • Enfriador: Debido a su alta capacidad de calor, el hidrógeno (en estado gaseoso) se utiliza como refrigerante en las centrales eléctricas y en los turbogeneradores que se utilizan en ellas. En particular, el H2 se utiliza cuando el enfriamiento líquido puede ser problemático. La capacidad de calor entra en juego cuando el gas no puede circular, o sólo lentamente. Como la conductividad térmica también es alta, el H2 fluido también se utiliza para transportar energía térmica a grandes depósitos (por ejemplo, ríos). En estas aplicaciones, el hidrógeno protege el equipo del sobrecalentamiento y aumenta la eficiencia. La ventaja del hidrógeno es que, debido a su baja densidad, que se incluye en el número de Reynolds, fluye en forma laminar con baja resistencia hasta velocidades más altas que otros gases.
  • Criogénico: Debido a su alta capacidad de calor y su bajo punto de ebullición, el hidrógeno líquido es adecuado como criogénico, es decir, como refrigerante para temperaturas extremadamente bajas. El hidrógeno líquido puede absorber bien cantidades aún mayores de calor antes de que se produzca un aumento notable de su temperatura. De esta manera, la baja temperatura se mantiene incluso cuando hay fluctuaciones externas.
  • El hidrógeno encontró uno de sus primeros usos en globos y aeronaves. Sin embargo, debido a la naturaleza altamente inflamable de las mezclas de H2-aire, esto condujo repetidamente a accidentes. La mayor catástrofe en este contexto es probablemente el accidente del “Dixmude” en 1923, la más conocida fue sin duda la “catástrofe del Hindenburg” en 1937. El hidrógeno como gas portador ha sido sustituido entretanto por el helio y cumple este propósito sólo en aplicaciones muy especiales.

Los dos isótopos naturales del hidrógeno, el deuterio y el tritio, tienen aplicaciones especiales:

Deuterio

El deuterio se utiliza (en forma de agua pesada) en los reactores de agua pesada como moderador, es decir, para reducir la velocidad de los neutrones rápidos producidos durante la fisión nuclear a la velocidad térmica.

Los disolventes deuterados se utilizan en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear porque el deuterio tiene un espín nuclear de uno y no es visible en el espectro de RMN del isótopo de hidrógeno normal.

En química y biología, los compuestos de deuterio ayudan a estudiar los procesos de reacción y las vías metabólicas (etiquetado de isótopos), ya que los compuestos con deuterio suelen comportarse química y bioquímicamente casi idénticos a los compuestos correspondientes con el hidrógeno. Las reacciones no se ven perturbadas por el etiquetado, pero el destino del deuterio en los productos finales todavía puede determinarse.

Además, la considerable diferencia de masa entre el hidrógeno y el deuterio proporciona un claro efecto isotópico en las propiedades dependientes de la masa. Por ejemplo, el agua pesada tiene un punto de ebullición considerablemente más alto que el agua.

Tritio

El isótopo radioactivo tritio se produce en reactores nucleares en cantidades industrialmente utilizables. Además del deuterio, también es un material de partida en la fusión nuclear con el helio. En el uso civil, sirve como marcador radioactivo en biología y medicina. Por ejemplo, puede ser usado para detectar células tumorales. En física, es en sí mismo un objeto de investigación por un lado, mientras que por otro lado, los núcleos de tritio altamente acelerados se utilizan para estudiar núcleos pesados o producir isótopos artificiales.

Las muestras de agua se pueden datar con mucha precisión con la ayuda del método del tritio. Con una vida media de unos doce años, es especialmente adecuado para medir períodos de tiempo relativamente cortos (hasta varios cientos de años). Entre otras cosas, se puede utilizar para determinar la edad de un vino.

Se utiliza como fuente de energía duradera y fiable para pinturas luminosas (en mezcla con un colorante fluorescente), principalmente en aplicaciones militares, pero también en relojes de pulsera. El isótopo también se utiliza con fines militares en la bomba de hidrógeno y en ciertos tipos de armas nucleares cuyo efecto se basa en la fisión.

Biología

El hidrógeno en forma de varios compuestos es esencial para todos los organismos vivos conocidos. El más importante de ellos es el agua, que sirve como medio para todos los procesos celulares y para todo el transporte de masas. Junto con el carbono, el oxígeno, el nitrógeno (y más raramente también otros elementos) es un componente de aquellas moléculas de la química orgánica sin las cuales cualquier forma de vida conocida por nosotros es simplemente imposible.

El hidrógeno también desempeña un papel activo en el organismo, por ejemplo en algunas coenzimas como la nicotinamida adenina dinucleótida (NAD/NADH), que sirven como equivalentes de reducción (o “transportadores de protones”) en el cuerpo y participan en las reacciones redox. En las mitocondrias, las centrales eléctricas de la célula, la transferencia de cationes de hidrógeno (protones) entre las diferentes moléculas de la llamada cadena respiratoria sirve para proporcionar un gradiente de protones a través del potencial de la membrana quimiosmótica para generar compuestos ricos en energía como el trifosfato de adenosina (ATP). Durante la fotosíntesis en las plantas y las bacterias, el hidrógeno del agua es necesario para convertir el dióxido de carbono fijo en carbohidratos.

En términos de masa, el hidrógeno es el tercer elemento más importante del cuerpo humano: Para una persona con un peso corporal de 70 kg, se pueden atribuir unos 7 kg (= 10 % del peso) al hidrógeno contenido. Sólo el carbono (aprox. 20 % en peso) y el oxígeno (aprox. 63 % en peso) constituyen una proporción aún mayor del peso. En relación con el número de átomos, el hidrógeno muy ligero es, con mucho, el átomo más común en el cuerpo de cualquier ser vivo. (Los 7 kg en los seres humanos corresponden a 3,5-103 moles de hidrógeno con 2-6-1023 átomos cada uno, es decir, unos 4,2-1027 átomos de hidrógeno).

Seguridad

El hidrógeno es extremadamente inflamable. Arde con oxígeno o aire puro, así como con otros oxidantes gaseosos como el cloro o el flúor con una llama caliente. Como la llama es apenas visible, se puede entrar en ella involuntariamente Las mezclas con cloro o flúor son inflamables incluso por la radiación ultravioleta (véase el gas cloro oxihidrógeno). Además del etiquetado prescrito por el SGA (véase el cuadro informativo), las botellas de gas comprimido H2 deben estar provistas de un hombro y un cuerpo de botella rojos según la norma DIN EN 1089-3.

El hidrógeno no es tóxico y no daña el medio ambiente. Por lo tanto, no se especifica ningún valor MAK. No se requiere protección respiratoria o cutánea. Sólo cuando se inhalan altas concentraciones pueden producirse trastornos del movimiento, inconsciencia y asfixia debido a la falta de oxígeno de aproximadamente el 30 % en volumen .

Las mezclas de aire e hidrógeno de 4 a 76 % en volumen son combustibles. Por encima de una concentración del 18% en el aire, la mezcla es explosiva (gas oxigeno). La temperatura de ignición en el aire es de 560 °C. Durante la manipulación, el hidrógeno debe mantenerse alejado de las fuentes de ignición, incluidas las descargas electrostáticas. Los recipientes deben almacenarse lejos de los gases oxidantes (oxígeno, cloro) y otras sustancias oxidantes.

Debido a su pequeño tamaño atómico, el hidrógeno puede difundirse a través de muchos sólidos, es decir, el gas puede escapar lentamente a través de materiales inadecuados (por ejemplo, los plásticos). Los materiales y espesores utilizados para los depósitos y tuberías de gas lo tienen en cuenta, de modo que no hay mayores riesgos que con la gasolina, por ejemplo. Los vehículos de hidrógeno con depósitos a presión pueden aparcar sin problemas en aparcamientos de varias plantas y subterráneos. No hay ninguna disposición legal que lo restrinja.