Puente y Isotopos del hidrógeno

Hidrógeno (H), una sustancia gaseosa incolora, inodora, insípida e inflamable que es el miembro más simple de la familia de los elementos químicos. El átomo de hidrógeno tiene un núcleo que consiste en un protón que lleva una unidad de carga eléctrica positiva; un electrón, que lleva una unidad de carga eléctrica negativa, también está asociado con este núcleo.

Bajo condiciones ordinarias, el gas hidrógeno es una agregación suelta de moléculas de hidrógeno, cada una de las cuales consiste en un par de átomos, una molécula diatómica, H2. La primera propiedad química importante conocida del hidrógeno es que se quema con oxígeno para formar agua, H2O; de hecho, el nombre hidrógeno se deriva de palabras griegas que significan «hacedor de agua».

Puente de hidrógeno

Algunos hidruros covalentemente enlazados tienen un átomo de hidrógeno enlazado simultáneamente a dos átomos electronegativos separados, que luego se dice que están enlazados con hidrógeno. El puente de hidrógeno más fuertes involucran los átomos pequeños, altamente electronegativos de flúor (F), oxígeno y nitrógeno.puente de hidrógeno

En el ión bifluoruro, HF2-, el átomo de hidrógeno une dos átomos de flúor. En la estructura cristalina del hielo, cada átomo de oxígeno está rodeado por otros cuatro átomos de oxígeno, con átomos de hidrógeno entre ellos. Algunos de los enlaces de hidrógeno se rompen cuando el hielo se derrite, y la estructura colapsa con un aumento en la densidad. La unión del hidrógeno es importante en la biología debido a su papel principal en la determinación de las configuraciones de las moléculas.

Las configuraciones helicoidales (espirales) de ciertas cadenas moleculares enormes, como en las proteínas, se mantienen unidas por un puente de hidrógeno. La extensa unión de hidrógeno en estado líquido explica por qué el fluoruro de hidrógeno (HF), el agua (H2O) y el amoníaco (NH3) tienen puntos de ebullición mucho más altos que los de sus análogos más pesados, el cloruro de hidrógeno (HCl), el sulfuro de hidrógeno (H2S) y el fosfino (PH3).

La energía térmica necesaria para romper los puentes de hidrógeno y permitir la vaporización sólo está disponible a temperaturas de ebullición más altas.
El hidrógeno en un ácido fuerte, como el clorhídrico (HCl) o el nítrico (HNO3), se comporta de manera muy diferente. Cuando estos ácidos se disuelven en agua, el hidrógeno en forma de protón, H+, se separa completamente del ión cargado negativamente, el anión (Cl- o NO3-), e interactúa con las moléculas de agua.

El protón está fuertemente unido a una molécula de agua (hidratada) para formar el ion oxonio (H3O+, a veces llamado ion hidronio), que a su vez está unido por hidrógeno a otras moléculas de agua, formando especies con fórmulas como H(H2O)n+ (el subíndice n indica el número de moléculas de H2O implicadas). La reducción de H+ (reducción es el cambio químico en el que un átomo o ión gana uno o más electrones) puede representarse como la media reacción: H+ + e- → 1/2H2. La energía necesaria para producir esta reacción puede expresarse como un potencial de reducción.puentes de hidrógeno

El potencial de reducción para el hidrógeno se toma por convención para ser cero, y todos los metales con potenciales de reducción negativos-es decir, metales que son menos fácilmente reducidos (más fácilmente oxidados; por ejemplo, zinc: Zn2+ + 2- → Zn, – 0.763 voltios)-pueden, en principio, desplazar al hidrógeno de una solución ácida fuerte: Zn + 2H+ → Zn2+ + H2. Los metales con potencial de reducción positiva (por ejemplo, plata: Ag+ + e-→ Ag, + 0,7995 voltios) son inertes al ión hidrógeno acuoso.

Isotopos de Hidrógeno

Mediante el espectrógrafo de masas que había inventado, Francis William Aston observó en 1927 que la línea de hidrógeno correspondía a un peso atómico en la escala química de 1,00756. Este valor difirió en más del probable error experimental del valor basado en la combinación de pesos de compuestos de hidrógeno, 1.00777.

Otros trabajadores mostraron que la discrepancia podía ser eliminada postulando la existencia de un isótopo de hidrógeno de masa 2 en la proporción de un átomo de 2H (o D) a 4.500 átomos de 1H. El problema interesó al químico estadounidense Harold C. Urey, quien a partir de principios teóricos predijo una diferencia en las presiones de vapor de hidrógeno (H2) y deuteruro de hidrógeno (HD) y por lo tanto la posibilidad de separar estas sustancias por destilación de hidrógeno líquido.

En 1931 Urey y dos colaboradores detectaron deuterio por su espectro atómico en el residuo de una destilación de hidrógeno líquido. El deuterio se preparó primero en forma pura por el método electrolítico de concentración: cuando se electroliza una solución acuosa de un electrolito, como el hidróxido de sodio, el hidrógeno formado en el cátodo contiene una fracción más pequeña de deuterio que el agua, por lo que el deuterio se concentra en el residuo.isotopos de hidrógeno

El óxido de deuterio casi puro (D2O, agua pesada) se obtiene cuando la solución se reduce a 0,00001 de su volumen original. El deuterio puede concentrarse también mediante la destilación fraccionada del agua y mediante diversas reacciones de intercambio químico como las siguientes (g y 1 indican estados gaseosos y líquidos, respectivamente): H2O(g) + HD(g) ⇌ HDO(g) + H2(g); HDO(g) + H2S(g) ⇌ HDS(g) + H2O(g); NH3(l) + HD(g) ⇌ NH2D(l) + H2(g).

Los compuestos correspondientes de los isótopos de hidrógeno difieren ligeramente en sus propiedades físicas. Esta diferencia se refleja en las propiedades de las aguas, enumeradas en la Tabla, y de los elementos, enumerados en la siguiente Tabla. Lo mismo ocurre con sus propiedades químicas, tanto termodinámicas como cinéticas. Tanto el deuterio como el tritio son útiles como trazadores isotópicos para la investigación de estructuras químicas y de mecanismos de reacción.isotopo de hidrógeno

Generalmente el valor de un trazador surge del hecho de que, aunque su diferencia de masa o su radiactividad permite su detección, es esencialmente activo de la misma manera que los átomos ordinarios del elemento. Para la mayoría de los elementos, un cambio de una o de unas pocas unidades de masa es un porcentaje tan pequeño de la masa total que las diferencias químicas entre isótopos son insignificantes.

En el caso del hidrógeno, sin embargo, las reacciones químicas en las que intervienen los diferentes isótopos se producen a velocidades muy diferentes. Estos efectos cinético-isotópicos pueden ser utilizados en estudios detallados de los mecanismos de reacción. Las tasas de reacción de los compuestos que contienen deuterio o tritio suelen ser inferiores a las de los correspondientes compuestos de hidrógeno ordinario.

La sustitución del hidrógeno por deuterio en los sistemas biológicos puede alterar notablemente los procesos delicadamente equilibrados. Se ha establecido que ni las plantas ni los animales siguen viviendo y prosperando en aguas que contienen óxido de deuterio en altas concentraciones.

El deuterio y el tritio son de interés en relación con las reacciones termonucleares (fusión). La explosión de una bomba de hidrógeno implica la colisión y fusión de núcleos ligeros, incluyendo deuterio y tritio. Si se encontrara un método para controlar estos procesos de fusión, como se hizo con el proceso de fisión de la anterior bomba atómica, la materia prima para un suministro prácticamente ilimitado de energía estaría disponible en el contenido de deuterio del agua. Estas reacciones de fusión son la fuente de energía solar.

El óxido de de deuterio es útil en los reactores nucleares como moderador para reducir la velocidad pero no para capturar neutrones de forma apreciable. Tiene la ventaja de ser un líquido que absorbe los neutrones sólo ligeramente.