El hidrógeno 

El hidrógeno (en griego, 'creador de agua') es un elemento químico denúmero atómico 1, representado por el símbolo H. Con una masa atómica del 1,00794 (7) u, es el más ligero de la tabla de los elementos. Por lo general, se presenta en su forma molecular, formando el gas diatómico (H2) encondiciones normales. Este gas es inflamable, incoloro, inodoro, no metálicoe insoluble en agua.1

El elemento hidrógeno, por poseer distintas propiedades, no se encuadra claramente en ningún grupo de la tabla periódica, siendo muchas veces colocado en el grupo 1 (o familia 1A) por poseer solo un electrón en la capa de valencia (o capa superior).

El hidrógeno es el elemento químico más abundante, constituyendo aproximadamente el 75 % de la materia visible del universo.2 nota 1 En susecuencia principal, las estrellas están compuestas principalmente por hidrógeno en estado de plasma. El hidrógeno elemental es relativamente raro en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. Los mayores mercados en el mundo disfrutan de la utilización del hidrógeno para el mejoramiento de combustibles fósiles (en el proceso de hidrocraqueo) y en la producción de amoníaco (principalmente para el mercado de fertilizantes). El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.3

El isótopo del hidrógeno que posee mayor ocurrencia, conocido como protio, está formado por un único protón y ningún neutrón. En los compuestos iónicos, puede tener una carga positiva (convirtiéndose en un catión llamadohidrón, H+, compuesto únicamente por un protón, a veces en presencia de 1 o 2 neutrones); o carga negativa (convirtiéndose en un anión conocido comohidruro, H-). También se pueden formar otros isótopos, como el deuterio, con un neutrón, y el tritio, con dos neutrones. En 2001, fue creado en el laboratorio el isótopo 4H y, a partir de 2003, se sintetizaron los isótopos 5H hasta 7H.4 5 El hidrógeno forma compuestos con la mayoría de los elementosy está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. Posee un papel particularmente importante en la química ácido - base, en la que muchas reacciones involucran el intercambio de protones (iones hidrógeno, H+) entre moléculas solubles. Puesto que es el único átomo neutro para el cual la ecuación de Schrödinger puede ser resuelta analíticamente, el estudio de la energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fundamental hasta el punto en el que tuvo un papel principal en el desarrollo de la mecánica cuántica.

La solubilidad y características de hidrógeno con diversos metales son muy importantes en la metalurgia (puesto que muchos metales pueden sufrir fragilidad en su presencia)6 y en el desarrollo de formas seguras de almacenarlo para su uso como combustible.7 Es altamente soluble en diversos compuestos que poseen tierras raras y metales de transición,8 y puede ser disuelto tanto en metales cristalinos como amorfos.9 La solubilidad del hidrógeno en los metales está influenciada por las distorsiones locales o impurezas en la estructura cristalina del metal.10

Descubrimiento del hidrógeno y uso

El hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue el primero producido artificialmente y formalmente descrito por T. Von Hohenheim (también conocido como Paracelso, 1493-1541) que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes. Paracelso no era consciente de que el gas inflamable generado en estas reacciones químicas estaba compuesto por un nuevo elemento químico. En 1671,Robert Boyle redescubrió y describió la reacción que se producía entre limaduras de hierro y ácidos diluidos, o que resulta en la producción de gas hidrógeno.12 En1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, identificando el gas producido en la reacción metal - ácido como "aire inflamable" y descubriendo más profundamente, en 1781, que el gas produce el agua cuando se quema a él. Generalmente se le da el crédito por su descubrimiento como un elemento químico.13 14 En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrógeno, (delgriego υδρώ (hydro), agua y γένος-ου (genes) generar)15 cuando él y Laplace reprodujeron el descubrimiento de Cavendish, donde se produce agua cuando se quema hidrógeno.14

Lavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos sobre conservación de la masa haciendo reaccionar un flujo de vapor con hierro metálico a través de un tubo de hierro incandescente calentado al fuego. La oxidación anaerobia de hierro por los protones de agua a alta temperatura puede ser representada esquemáticamente por el conjunto de las siguientes reacciones:

   Fe +    H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Muchos metales tales como circonio se someten a una reacción similar con agua lo que conduce a la producción de hidrógeno.

El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898 al usar refrigeración regenerativa y su invención es se aproxima mucho a lo que conocemos hoy en día como termo.14 Produjo hidrógeno sólido al año

siguiente.14 El deuteriofue descubierto en diciembre de 1931 por Harold Urey, y el tritio fue preparado en 1934 por Ernest Rutherford, Marcus Oliphant, y Paul Harteck.13 El agua pesada, que tiene deuterio en lugar de hidrógeno regular en la molécula de agua fue descubierto por el equipo de Urey en 1932.14

François Isaac de Rivaz construyó el primer dispositivo de combustión interna propulsado por una mezcla de hidrógeno y oxígeno en 1806. Edward Daniel Clarke inventó el rebufo de gas de hidrógeno en 1819. La lámpara de Döbereiner y laLuminaria Drummond fueron inventadas en 1823.14

El llenado del primer globo con gas hidrógeno, fue documentado por Jacques Charles en 1783.14 El hidrógeno proveía el ascenso a la primera manera confiable de viajes aéreos después de la invención del primer dirigible de hidrógeno retirado en 1852 por Henri Giffard.14 El conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de utilizar el hidrógeno en dirigibles rígidos, que más tarde fueron llamados zepelines; el primero de los cuales tuvo su vuelo inaugural en 1900.14 Los vuelos normales comenzaron en 1910 y para el inicio de la Primera Guerra Mundial, en agosto de 1914, se habían trasladado 35.000 pasajeros sin ningún incidente grave. Los dirigibles levantados con hidrógeno se utilizan como plataformas de observación y bombarderos durante la guerra.16

La primer travesía transatlántica sin escalas fue hecha por el dirigible británico R34 en 1919. Con el lanzamiento del Graf Zeppelin en 1920, el servicio regular de pasajeros prosiguió hasta mediados de la década de 1930 sin ningún incidente. Con el descubrimiento de las reservas de otro tipo de gas ligero en los Estados Unidos este proyecto debió ser modificado, ya que el otro elemento prometió más seguridad, pero el gobierno de Estados Unidos se negó a vender el gas a tal efecto. Por lo tanto, H2 fue utilizado en el dirigible Hindenburg, el cual fue destruido en un incidente en vuelo sobre Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937.14 El incidente fue transmitido en vivo por radio y filmado. El encendido de la fuga de hidrógeno se atribuyó como la causa del incidente, pero las investigaciones posteriores señalaron a la ignición del el revestimiento de tejido aluminizado por la electricidad estática.

Dióxido de carbono

El dióxido de carbono (fórmula química CO2) es un gas incoloro, inoloro y vital para la vida en la Tierra. Este compuesto químico encontrado en la naturaleza está compuesto de un átomo de carbono unido con sendos enlaces covalentes dobles a dos átomos de oxígeno. El CO2 existe en la atmósfera de la Tierra como gas traza a una concentración de alrededor de 0,04 % (400 ppm) en volumen.2 Fuentes naturales incluyen volcanes,aguas termales, geíseres y es liberado por rocas carbonatadas al diluerse en agua y

ácidos. Dado que el CO2 es solubre en agua, ocurre naturalmente en aguas subterráneas, ríos, lagos, campos de hielo,glaciáres y mares. Está presente en yacimientos de petróleo y gas natural.3

El CO2 atmosférico es la principal fuente de carbón para la vida en la Tierra y su concentración pre-industrial desde el Precámbrico tardío era regulada por los organismos fotosintéticos y fenómenos geológicos. Como parte delciclo del carbono, las plantas, algas y cyanobacterias usan la energía solarpara fotosintetizar carbohidratos a partir de CO2 y agua, mientras que el O2es liberado como desecho.4 Las plantas producen CO2 durante larespiración.5

Es un producto de la respiración de todos los organismos aeróbios. Regresa a las aguas gracias a las branquias de los peces y al airea mediante los pulmones de los animales terrestres respiradores, incluidos los humanos. Se produce CO2 durante los procesos de descomposición de materiales orgánicos y la fermentación de azúcares en la fabricación devino, cerveza y pan. También se produce por la combustión de madera,carbohidratos y combustibles fósiles como el carbón, la turba , el petróleo y el gas natural.

Es material industrial versátil usado, por ejemplo, como un gas inerte en soldadura y extinguidores de incendio, como presurizador de gas en armas de aire comprimido y recuperador de petróleo, como materia prima química y en forma líquida como solvente en la descafeinización y secador supercrítico. Se agrega a las bébidas y en gaseosas incluidas la cerveza y el champán para agregar efervescencia. Su forma sólida es conocida como "hielo seco" y se usa como refrigerante y abrasivo en ráfagas a presión.

El dióxido de carbono es un importante gas de efecto invernadero. La quema de combustibles de carbono desde la Revolución Industrial ha aumentado rápidamente su concentración en la atmósfera, lo que ha llevado a un calentamiento global. Es además la principal causa de laacidificación del océano, ya que se disuelve en el agua para formar ácido carbónico.6

Usos del dióxido de carbono

Se utiliza como agente extintorenfriando el fuego (en forma de nieve carbónica) y dificultando el contacto de las llamas con el oxígeno del aire.

En la industria alimentaria, se utiliza en bebidas carbonatadas para darlesefervescencia.

También se puede utilizar como ácido inocuo o poco contaminante. La acidez puede ayudar a cuajar lácteos de una forma más rápida y por tanto barata, sin añadir ningún sabor, y en la industria se puede utilizar para neutralizar residuos alcalinos sin añadir otro ácido más contaminante como el sulfúrico.

En agricultura, se puede utilizar como abono. Aunque las plantas no pueden absorberlo por las raíces, se puede añadir para bajar el pH, evitar los depósitos de cal y hacer más disponibles algunos nutrientes del suelo.

También en refrigeración se utiliza como una clase de líquido refrigerante en máquinas frigoríficas o congelado como hielo seco. Este mismo compuesto se usa para crear niebla artificial y apariencia de hervor en agua en efectos especiales en el cine y los espectáculos.

Otro uso que está incrementándose es como agente extractor cuando se encuentra en condiciones supercríticas, dada su escasa o nula presencia de residuos en los extractos. Este uso actualmente se reduce a la obtención de alcaloides como lacafeína y determinados pigmentos, pero una pequeña revisión por revistas científicas puede dar una visión del enorme potencial que este agente de extracción presenta, ya que permite realizar extracciones en medios anóxidos, lo que permite obtener productos de alto potencial antioxidante.

Es utilizado también como material activo para generar luz coherente (Láser de CO2).

Junto con el agua, es el disolvente más empleado en procesos con fluidos supercríticos.

Otros nombres Óxido de carbono (IV)Anhídrido carbónicoGas carbónico

Fórmula semidesarrollada

C O2

Fórmula estructural

Fórmula molecular CO2

Identificadores

Número CAS 124-38-91

Número RTECS FF6400000

ChEBI 16526

ChemSpider 274

PubChem 280

Propiedades físicas

Apariencia Gas incoloro

Densidad 1.842 kg/m3; 0,001842g/cm3

Masa molar 44,01 g/mol

Punto de fusión 194,7 K (-78 °C)

Punto de ebullición 216 K (-57 °C)

Estructura cristalina Parecida al cuarzo

Viscosidad 0,07 cP a −78 °C

Propiedades químicas

Acidez 6,35 y 10,33 pKa

Solubilidad enagua 1,45 kg/m³

Momento dipolar 0 D

Termoquímica

ΔfH0gas -393,52 kJ/mol

S0gas, 1 bar 213,79 J·mol-1·K

Peligrosidad

NFPA 704

0

2

0

Frases S S9, S26, S36 (líquido)

Riesgos

Ingestión Puede causar irritación, náuseas, vómitos y hemorragias en el tracto digestivo.

Inhalación Produce asfixia, causahiperventilación. La exposición a largo plazo es peligrosa. Asfixiante a grandes concentraciones

Piel En estado líquido puede producir congelación.

Ojos En estado líquido puede producir congelación.

Compuestos relacionados

Compuestos relacionados

Monóxido de carbonoÁcido carbónico

Valores en el SI y en condiciones estándar(25 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.

 

El puente de hidrógeno es un enlace que se establece entre moléculas capaces de generar cargas parciales. El agua, es la sustancia en donde los puentes de hidrógeno son más efectivos, en su molécula, los electrones que intervienen en sus enlaces, están más cerca del oxígeno que de los hidrógenos y por esto se generan dos cargas parciales negativas en el extremo donde está el oxígeno y dos cargas  parciales positivas en el extremo donde se encuentran

los hidrógenos. La presencia de cargas parciales positivas y negativas hace que las moléculas de agua se comporten como imanes en los que las partes con carga parcial positiva atraen a las partes con cargas parciales negativas. De tal suerte que una sola molécula de agua puede unirse a otras  4 moléculas de agua a través de 4 puentes de hidrógeno. Esta característica es la que  hace al agua un líquido muy especial.

Fuerza por puente de hidrógeno

Ejemplo de enlace de hidrógeno intermolecularen un complejo dimérico autoensamblado molecularreportado por Meijer y colaboradores.1

Enlace de hidrógeno intramolecular en la acetilacetona, que ayuda a estabilizar el tautómero enol .

La fuerza por puente de hidrógeno o enlace de hidrógeno

Es la fuerza atractiva entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo.

Resulta de la formación de una fuerza dipolo-dipolo con un átomo de hidrógeno unido a un átomo de nitrógeno, oxígeno o flúor (de ahí el nombre de "enlace de hidrógeno", que no debe confundirse con unenlace covalente a átomos de hidrógeno. Tampoco debería confundirse con el enlace llamado puente de hidrógeno, característico de estructuras como los boranos, que constan de un enlace de tres centros con dos electrones). La energía de un enlace de

hidrógeno (típicamente de 5 a 30 kJ/mol) es comparable a la de los enlaces covalentes débiles (155 kJ/mol), y un enlace covalente típico es sólo 20 veces más fuerte que un enlace de hidrógeno intermolecular. Estos enlaces pueden ocurrir entre moléculas (intermolecularidad), o entre diferentes partes de una misma molécula (intramolecularidad).2 El enlace de hidrógeno es una fuerza electrostática dipolo-dipolo fija muy fuerte cuando están muchas moléculas unidas, ya que da gran estabilidad, pero más débil que el enlace covalente o el enlace iónico. El enlace de hidrógeno está en algún lugar intermedio entre un enlace covalente y una fuerza de van der Waals. Este tipo de enlace ocurre tanto en moléculas inorgánicas tales como el agua, y en moléculas orgánicas como el ADN.

El enlace de hidrógeno intermolecular es responsable del punto de ebullición alto del agua (100°C). Esto es debido al fuerte enlace de hidrógeno, en contraste a los otros hidruros de calcógenos. El enlace de hidrógeno intramolecular es responsable parcialmente de la estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria de las proteínas yácidos nucleicos.

DEFINICIÓN DEPUENTE DE HIDRÓGENO

La noción de puente de hidrógeno se emplea en el ámbito de la química. El concepto refiere a una clase de enlace que se produce a partir de la atracción existente en un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno, flúor o nitrógeno con carga negativa. Dicha atracción, por su parte, se conoce como interacción dipolo-dipolo y vincula el polo positivo de una molécula con el polo negativo de otra.

El puente de hidrógeno puede vincular distintas moléculas e incluso sectores diferentes de una misma molécula. El átomo de hidrógeno, que cuenta con carga positiva, se conoce como átomo donante, mientras que el átomo de oxígeno, fluor o nitrógeno es el átomo aceptor del enlace.

Los puentes de hidrógeno aparecen en el ADN, el agua y las proteínas, por ejemplo. Debido a su existencia, se producen fenómenos de gran importancia, que incluso aparecen de manera cotidiana. El punto de ebullición del agua, la menor densidad del hielo respecto al agua líquida y la consistencia de la glicerina están vinculados a la presencia de puentes de hidrógeno en las moléculas.

Además de todo lo expuesto, merece la pena conocer a fondo otra serie de datos importantes acerca de los llamados puentes de hidrógeno:-En la sustancia en la que resultan más efectivos es en el agua.-Diversos son los trabajos e investigaciones que, a lo largo de los años, se han realizado sobre los puentes de ese tipo. No obstante, una de las más significativas es la que establece que la distancia entre los átomos de oxígeno que toman parte en aquellos es de 0,28 nm, es decir, 0,28 nanómetros.-Se puede decir que vienen a ser un caso singular en cuanto a la interacción de clase dipolo – dipolo.-De entre todo el conjunto de fuerzas intermoleculares que existen, se considera que los puentes que estamos abordando son, sin lugar a dudas, los que tienen mayor entidad. Y es que su fuerza puede alcanzar hasta los 155 KJ por mol.-Los átomos que, por regla general, son los que participan en el desarrollo y creación de puentes de hidrógeno son el flúor, el nitrógeno o el cloro.-Es importante conocer que cualquier puente de hidrógeno se puede subdividir en lo que se ha dado en llamar puente de hidrógeno simétrico. Este es un término con el que se hace referencia a un enlace que es mucho más fuerte, que se puede dar en el hielo que está sometido a altas presiones y que se caracteriza porque el átomo de hidrógeno está a una distancia equidistante del átomo al que se encuentra unido de manera covalente.

Muchas de las particularidades de los puentes de hidrógeno se deben a la poca fuerza de atracción que tienen en comparación a los enlaces covalentes. Debido a esta característica, las sustancias experimentan cambios en sus propiedades. El punto de fusión de una sustancia, por citar un caso, puede estar relacionado a esta particular atracción del puente de hidrógeno.

Hay que tener en cuenta, por lo tanto, que los puentes de hidrógeno cuentan con diferentes valores en lo referente a la energía de sus enlaces, que suele expresarse en kJ/mol.