3.2: Hidrógeno - El Átomo Más Simple
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El hidrógeno, H, es el elemento con número atómico 1. La mayoría de los átomos de hidrógeno consisten en un solo protón que forma el núcleo con 1 electrón por átomo de hidrógeno. Recordemos de la Sección 2.12 y la Figura 2.6 que el hidrógeno elemental existe como moléculas con 2 átomos de H, fórmula química H2, en la que los 2 átomos de H están unidos entre sí por un enlace covalente que consiste en 2 electrones compartidos. Las moléculas que constan de 2 átomos así unidos se denominan moléculas diatómicas. Como se verá, varios elementos importantes entre los primeros 20 elementos son los gases que consisten en moléculas diatómicas en sus formas elementales.
Mostrando electrones en símbolos atómicos y fórmulas moleculares
Al discutir el comportamiento químico relacionado con la estructura atómica, es particularmente útil tener un medio para mostrar los electrones en los átomos (más específicamente, los electrones de la capa externa menos fuertemente retenidos). Esto se hace con símbolos de Lewis (que llevan el nombre de G. N. Lewis) también llamados símbolos electrón-punto. El símbolo de Lewis del hidrógeno en
Propiedades y Usos del Hidrógeno Elemental
El H2 elemental puro en condiciones normales es un gas incoloro e inodoro que tiene la densidad más baja de cualquier sustancia pura. El H2 licuado hierve a -253˚C muy frío y solidifica a -259˚ C. El gas hidrógeno es ampliamente utilizado en la industria química para reaccionar químicamente con una gran cantidad de sustancias. Se quema fácilmente con una gran liberación de energía y las mezclas de hidrógeno con oxígeno o aire son extremadamente explosivas. La reacción química para la quema de hidrógeno elemental con oxígeno (O2) en el aire es
\[\ce{2H2 + O2 → 2H2O + energy} \label{(3.2.1}\]
El producto de esta reacción es agua. Usado como combustible, el hidrógeno elemental es un elemento muy verde porque cuando se quema o reacciona de otra manera para proporcionar energía, el producto de reacción es simplemente agua, H2O. Además, dada una fuente de energía eléctrica, el hidrógeno elemental y el oxígeno elemental se pueden producir en dos electrodos separados haciendo pasar una corriente continua a través del agua en la que se ha disuelto una sal apropiada para hacer que el agua sea eléctricamente conductora:
2H2O 2H2 + O2 (3.2.2)
Por lo que el hidrógeno elemental generado por la aplicación de energía eléctrica al agua proporciona una fuente de energía que puede trasladarse de un lugar a otro y utilizarse para producir electricidad en celdas de combustible (ver más abajo) o para otros fines benéficos como la síntesis de amoníaco esencial como fuente de planta nitrógeno fertilizante. La producción de hidrógeno elemental por electrólisis puede considerarse como un proceso verde ya que no requiere ningún reactivo que no sea agua. Además, el oxígeno derivado de la electrólisis es inofensivo y tiene muchos usos, mientras que el hidrógeno producido por la reacción del vapor con compuestos que contienen carbono (ver más abajo) consume combustible fósil y genera CO, que en algunos casos se quema produciendo dióxido de carbono de gases de efecto invernadero. La principal desventaja del proceso de electrólisis para la generación de H2 es la eficiencia relativamente baja por la que se utiliza la electricidad en el proceso y se necesitan mejoras en esta área.
El hidrógeno elemental es ampliamente utilizado para la síntesis química y otras aplicaciones industriales. Su preparación por electrólisis de agua fue mencionada anteriormente. Ahora se prepara más comúnmente a partir del metano, el CH4, el principal ingrediente del gas natural, mediante el reformado con vapor a altas temperaturas y presiones:
CH4 + H2O CO + 3H2 (3.2.3)
El hidrógeno se utiliza para fabricar una serie de productos químicos. Dos de los productos químicos más abundantemente producidos que requieren hidrógeno para la síntesis son el amoníaco,\(\ce{NH3}\), y el metanol (alcohol metílico,\(\ce{CH3OH}\)). Este último se genera por la reacción entre monóxido de carbono e hidrógeno:
\[\ce{CO + 2H2 → CH3OH} \label{3.2.4}\]
El metanol solía elaborarse calentando madera en ausencia de aire y condensando metanol a partir del vapor desprendido, proceso conocido como destilación destructiva. La generación del llamado alcohol de madera hecho por este proceso relativamente verde a partir de biomasa tiene el potencial de suministrar al menos una fracción del metanol que ahora se necesita, reduciendo así el consumo de gas natural.
El metanol tiene algunos usos importantes de combustible. Durante la década de 1930 se utilizó en lugar de gasolina para hacer funcionar motores de combustión interna para alimentar una fracción significativa de automóviles en Francia antes de que los campos petroleros de Oriente Medio se convirtieran en una fuente tan abundante de petróleo. En la actualidad se mezcla con gasolina como aditivo oxigenado; los motores que utilizan este combustible mezclado producen menos monóxido de carbono contaminante. Ahora el uso más común del metanol como combustible es descomponerlo en hidrógeno elemental y dióxido de carbono para producir hidrógeno utilizado en las pilas de combustible.
Además de sus usos en la fabricación de amoníaco y metanol, el hidrógeno se agrega químicamente a las moléculas de hidrocarburos en algunas fracciones de gasolina para mejorar el valor de combustible de la gasolina. El hidrógeno se puede agregar directamente al carbón o reaccionar con monóxido de carbono para producir petróleo sintético. También se combina con aceites vegetales insaturados para elaborar margarina y otras grasas y aceites hidrogenados. Esta aplicación es controvertida y cada vez menos común debido a los presuntos efectos adversos a largo plazo en la salud de estos productos comúnmente llamados grasas trans.
Hidrógeno en celdas de combustible
Las pilas de combustible, discutidas más adelante en el Capítulo 15, son dispositivos que permiten que el hidrógeno se “queme” alrededor de la temperatura ambiente y produzca electricidad directamente sin pasar por algún tipo de motor de combustión interna y generador de electricidad. Una pila de combustible (Figura 3.2) consiste en dos electrodos eléctricamente conductores, un ánodo y un cátodo que se ponen en contacto con H2 y O2 elementales, respectivamente. Como se muestra en el diagrama, en el ánodo H2 pierde electrones (se dice que está oxidado) para producir iones H+. En el cátodo O2 gana electrones (se dice que se reduce) y reacciona con iones H+ para producir agua, H2O. Los iones H+ requeridos para la reacción en el cátodo son los generados en el ánodo y migran al cátodo a través de una membrana sólida permeable a los protones (el ion H+ es un protón). La reacción neta es
\[\ce{2H2 + O2 → 2H2O + electrical energy} \label{3.3.5}\]