Propiedades físicas y químicas del hidrogeno

Aunque el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo (tres veces más abundante que el helio, el siguiente elemento más abundante), constituye sólo alrededor del 0,14 por ciento de la corteza terrestre en peso. Sin embargo, se presenta en grandes cantidades como parte del agua en los océanos, las bolsas de hielo, los ríos, los lagos y la atmósfera. Como parte de innumerables compuestos de carbono, el hidrógeno está presente en todos los tejidos animales y vegetales y en el petróleo.

Aunque a menudo se dice que hay más compuestos conocidos de carbono que de cualquier otro elemento, el hecho es que, como el hidrógeno está contenido en casi todos los compuestos de carbono y también forma una multitud de compuestos con todos los demás elementos (excepto algunos de los gases nobles), es posible que los compuestos de hidrógeno sean más numerosos.

Propiedades físicas y químicas

La tabla enumera las propiedades importantes del hidrógeno molecular, H2. Los puntos de fusión y de ebullición extremadamente bajos son el resultado de las débiles fuerzas de atracción entre las moléculas. La existencia de estas débiles fuerzas intermoleculares también se revela por el hecho de que, cuando el gas hidrógeno se expande de alta a baja presión a temperatura ambiente, su temperatura aumenta, mientras que la temperatura de la mayoría de los demás gases disminuye.

Según los principios termodinámicos, esto implica que las fuerzas repulsivas exceden las fuerzas atractivas entre las moléculas de hidrógeno a temperatura ambiente; de lo contrario, la expansión enfriaría el hidrógeno. De hecho, a -68.6° C predominan las fuerzas atractivas, y el hidrógeno, por lo tanto, se enfría cuando se le permite expandirse por debajo de esa temperatura.Propiedades físicas y químicas del hidrógeno

El efecto de enfriamiento se hace tan pronunciado a temperaturas inferiores a las del nitrógeno líquido (-196° C) que el efecto se utiliza para alcanzar la temperatura de licuefacción del propio gas hidrógeno.

El hidrógeno es transparente a la luz visible, a la luz infrarroja y a la luz ultravioleta a longitudes de onda inferiores a 1800 Å. Debido a que su peso molecular es inferior al de cualquier otro gas, sus moléculas tienen una velocidad superior a la de cualquier otro gas a una temperatura dada y se difunde más rápidamente que cualquier otro gas. En consecuencia, la energía cinética se distribuye más rápidamente a través del hidrógeno que a través de cualquier otro gas; tiene, por ejemplo, la mayor conductividad térmica.

Una molécula de hidrógeno es la molécula más simple posible. Consiste en dos protones y dos electrones unidos por fuerzas electrostáticas. Al igual que el hidrógeno atómico, el ensamblaje puede existir en varios niveles de energía.

Ortohidrógeno y parahidrógeno

Se conocen dos tipos de hidrógeno molecular (orto y para). Estos difieren en las interacciones magnéticas de los protones debido a los movimientos de rotación de los protones. En el ortohidrógeno, los espines de ambos protones están alineados en la misma dirección, es decir, son paralelos.

En el parahidrógeno, los espines están alineados en direcciones opuestas y por lo tanto son antiparalelos. La relación de las alineaciones de espín determina las propiedades magnéticas de los átomos. Normalmente, las transformaciones de un tipo en el otro (es decir, las conversiones entre orto y para moléculas) no ocurren y el orto-hidrógeno y el parahidrógeno pueden ser considerados como dos modificaciones distintas del hidrógeno.

No obstante, ambas formas pueden interconvertirse en determinadas condiciones. El equilibrio entre las dos formas puede establecerse de varias maneras. Uno de ellos es la introducción de catalizadores (como el carbón activado o diversas sustancias paramagnéticas); otro método es aplicar una descarga eléctrica al gas o calentarlo a alta temperatura.Ortohidrógeno y parahidrógeno

Esencialmente, se puede producir parahidrógeno puro al poner la mezcla en contacto con el carbón vegetal a la temperatura del hidrógeno líquido; esto convierte todo el ortohidrógeno en parahidrógeno. El orto-hidrógeno, por otro lado, no puede prepararse directamente de la mezcla porque la concentración de parahidrógeno nunca es inferior al 25 por ciento.
Las dos formas de hidrógeno tienen propiedades físicas ligeramente diferentes.

El punto de fusión del parahidrógeno es 0,10° inferior al de una mezcla 3:1 de ortohidrógeno y parahidrógeno. A -252,77° C la presión ejercida por el vapor sobre el parahidrógeno líquido es de 1,035 atmósferas (una de ellas es la presión de la atmósfera a nivel del mar en condiciones estándar, equivalente a unas 14,69 libras por pulgada cuadrada), frente a 1.000 atmósferas para la presión de vapor de la mezcla orto-para de 3:1.

Como resultado de las diferentes presiones de vapor de parahidrógeno y ortohidrógeno, estas formas de hidrógeno pueden separarse mediante cromatografía de gases a baja temperatura, un proceso analítico que separa diferentes especies atómicas y moleculares en función de sus diferentes volatilidades.

Reactividad del hidrógeno

Una molécula de hidrógeno se disocia en dos átomos (H2 → 2H) cuando se suministra una energía igual o mayor que la energía de disociación (es decir, la cantidad de energía necesaria para romper el enlace que mantiene unidos los átomos en la molécula). La energía de disociación del hidrógeno molecular es de 104.000 calorías por mol escrito 104 kcal/mol (mol: el peso molecular expresado en gramos, que es de dos gramos en el caso del hidrógeno).hidrógeno

Se obtiene suficiente energía, por ejemplo, cuando el gas entra en contacto con un filamento de tungsteno blanco-caliente o cuando se establece una descarga eléctrica en el gas. Si se genera hidrógeno atómico en un sistema a baja presión, los átomos tendrán una vida útil significativa, por ejemplo, 0,3 segundos a una presión de 0,5 milímetros de mercurio. El hidrógeno atómico es muy reactivo.

Se combina con la mayoría de los elementos para formar hidruros (por ejemplo, hidruro de sodio, NaH), y reduce los óxidos metálicos, una reacción que produce el metal en su estado elemental. Las superficies de los metales que no se combinan con el hidrógeno para formar hidruros estables (por ejemplo, platino) catalizan la recombinación de los átomos de hidrógeno para formar moléculas de hidrógeno y, por lo tanto, se calientan hasta la incandescencia por la energía que esta reacción libera.

El hidrógeno molecular puede reaccionar con muchos elementos y compuestos, pero a temperatura ambiente las tasas de reacción son generalmente tan bajas que son insignificantes. Esta aparente inercia está en parte relacionada con la muy alta energía de disociación de la molécula. Sin embargo, a temperaturas elevadas, las tasas de reacción son altas.

Las chispas o ciertas radiaciones pueden causar que una mezcla de hidrógeno y cloro reaccione explosivamente para producir cloruro de hidrógeno, como lo representa la ecuación H2 + Cl2 → 2HCl. Las mezclas de hidrógeno y oxígeno reaccionan a una velocidad mensurable sólo por encima de 300° C, según la ecuación 2H2 + O2 → 2H2O. Tales mezclas que contienen de 4 a 94 por ciento de hidrógeno se encienden cuando se calientan a 550°-600° C o cuando se ponen en contacto con un catalizador, chispa o llama.

Reactividad del hidrógeno

La explosión de una mezcla 2:1 de hidrógeno y oxígeno es especialmente violenta. Casi todos los metales y no metales reaccionan con el hidrógeno a altas temperaturas. A temperaturas y presiones elevadas, el hidrógeno reduce los óxidos de la mayoría de los metales y muchas sales metálicas a los metales. Por ejemplo, el gas hidrógeno y el óxido ferroso reaccionan, produciendo hierro metálico y agua, H2 + FeO → Fe + H2O; el gas hidrógeno reduce el cloruro de paladio para formar metal paladio y cloruro de hidrógeno, H2 + PdCl2 → Pd + 2HCl.

El hidrógeno es absorbido a altas temperaturas por muchos metales de transición (escandio, 21, a través del cobre, 29; itrio, 39, a través de la plata, 47; hafnio, 72, a través del oro, 79); y metales de la serie de actinoides (actinio, 89, a través del lignito, 103) y lantanoides (lantanoide, 57, a través del lutecio, 71) para formar hidruros duros similares a una aleación. Estos son a menudo llamados hidruros intersticiales porque, en muchos casos, la red de cristal metálico simplemente se expande para acomodar el hidrógeno disuelto sin ningún otro cambio.