Introduction to Chemistry

Term

• diatomicConsisting of two atoms

Physical Properties of Hydrogen

Hydrogen is the smallest chemical element because it consists of only one proton in its nucleus. Su símbolo es H, y su número atómico es 1. Tiene un peso atómico medio de 1,0079 amu, lo que lo convierte en el elemento más ligero. El hidrógeno es la sustancia química más abundante en el universo, especialmente en las estrellas y los planetas gigantes de gas. Sin embargo, el hidrógeno monoatómico es raro en la Tierra debido a su propensión a formar enlaces covalentes con la mayoría de los elementos. A temperatura y presión estándar, el hidrógeno es un gas diatómico no tóxico, no metálico, inodoro, insípido, incoloro y altamente combustible con la fórmula molecular H2. El hidrógeno también está presente en la Tierra en forma de compuestos químicos como los hidrocarburos y el agua.

El hidrógeno tiene un protón y un electrón; el isótopo más común, el protio (1H), no tiene neutrones. El hidrógeno tiene un punto de fusión de -259,14 °C y un punto de ebullición de -252,87 °C. El hidrógeno tiene una densidad de 0,08988 g/L, por lo que es menos denso que el aire. Tiene dos estados de oxidación distintos, (+1, -1), lo que le permite actuar como agente oxidante y reductor. Su radio covalente es de 31,5 pm.

El hidrógeno existe en dos isómeros de espín diferentes de moléculas diatómicas de hidrógeno que se diferencian por el espín relativo de sus núcleos. La forma de ortohidrógeno tiene espines paralelos; la forma de parahidrógeno tiene espines antiparalelos. A temperatura y presión estándar, el hidrógeno gaseoso está formado por un 75% de ortohidrógeno y un 25% de parahidrógeno. El hidrógeno está disponible en diferentes formas, como el hidrógeno gaseoso comprimido, el hidrógeno líquido y el hidrógeno en suspensión (compuesto de líquido y sólido), así como en formas sólidas y metálicas.

Propiedades químicas del hidrógeno

El gas hidrógeno (H2) es altamente inflamable y arderá en el aire en un rango muy amplio de concentraciones entre el 4% y el 75% en volumen. La entalpía de combustión para el hidrógeno es de -286 kJ/mol, y se describe mediante la ecuación:

2 H_2(g) + O_2(g) \Npara que florezca 2 H_2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol H_2)

El gas hidrógeno también puede explotar en una mezcla de cloro (del 5 al 95 por ciento). Estas mezclas pueden explotar en respuesta a una chispa, al calor o incluso a la luz solar. La temperatura de autoignición del hidrógeno (la temperatura a la que se produce la combustión espontánea) es de 500 °C. Las llamas de hidrógeno-oxígeno puro emiten luz ultravioleta y son invisibles a simple vista. Por ello, la detección de una fuga de hidrógeno ardiente es peligrosa y requiere un detector de llamas. Como el hidrógeno es flotante en el aire, las llamas de hidrógeno ascienden rápidamente y causan menos daños que los incendios de hidrocarburos. El H2 reacciona con elementos oxidantes, que a su vez reaccionan espontánea y violentamente con el cloro y el flúor para formar los correspondientes haluros de hidrógeno.

El H2 forma compuestos con la mayoría de los elementos a pesar de su estabilidad. Al participar en reacciones, el hidrógeno puede tener una carga parcial positiva cuando reacciona con elementos más electronegativos como los halógenos o el oxígeno, pero puede tener una carga parcial negativa cuando reacciona con elementos más electropositivos como los metales alcalinos. Cuando el hidrógeno se une al flúor, al oxígeno o al nitrógeno, puede participar en una forma de enlace no covalente (intermolecular) de fuerza media llamada enlace de hidrógeno, que es fundamental para la estabilidad de muchas moléculas biológicas. Los compuestos que presentan enlaces de hidrógeno con metales y metaloides se conocen como hidruros.

La oxidación del hidrógeno elimina su electrón y da lugar al ion H+. A menudo, el H+ en soluciones acuosas se denomina ion hidronio (H3O+). Esta especie es esencial en la química ácido-base.

Isótopos del hidrógeno

El hidrógeno existe naturalmente en tres isótopos, denominados 1H, 2H y 3H. El 1H se encuentra en una abundancia del 99,98% y tiene el nombre formal de protio. El 2H se conoce como deuterio y contiene un electrón, un protón y un neutrón (número de masa = 2). El deuterio y sus compuestos se utilizan como etiquetas no radiactivas en experimentos químicos y en disolventes para la espectroscopia 1H-NMR. El 3H se conoce como tritio y contiene un protón, dos neutrones y un electrón (número másico = 3). Es radiactivo y decae en helio-3 a través de la desintegración beta con una vida media de 12,32 años.