Sólo hay un elemento en la tabla
periódica que no pertenezca a ningún grupo en particular: el hidrógeno. Este
elemento tiene una química singular. Además sus tres isótopos difieren tanto en
sus masas moleculares que las propiedades físicas y químicas son sensiblemente
diferentes.
Historia de su descubrimiento
La primera referencia histórica
escrita acerca del hidrógeno procede de Paracelso, célebre alquimista, quien en
el s. XVI observó un
aire (que se desprendía al hacer reaccionar un
ácido sobre hierro) el cual era inflamable.
Robert Boyle (1627-1691),
químico y físico inglés, publicó en 1671 un trabajo titulado
New experiments touching the
relation betwixt flame and air en el cual describía la reacción entre el
hierro y algunos ácidos diluidos dando lugar a lo que definió como
inflammable
solution of Mars (nombre alquímico con el que se designaba al hierro).
Sin embargo no fue hasta mucho
después que se reconoció como elemento por
Henry Cavendish (1731-1810),
otro físico y químico inglés, que lo aisló, recogiéndolo sobre mercurio, por
primera vez en 1766 Lo describió como un
inflammable air from metals. Cavendish
pensaba, erróneamente, que su compuesto de origen era el metal y no el ácido.
Fue
Lavoisier quien,
finalmente, bautizó a este elemento con el nombre
hidro-geno, debido a
una de sus reacciones más características:
arde en presencia de oxígeno para
formar agua.
Este es el símbolo utilizado por
John Dalton para el representar al hidrógeno en su libro titulado
New System
of Chemical Philosophy (1808).
Presencia en la naturaleza
El hidrógeno es el elemento más
abundante del Universo. Representa, en peso, el 92% de la materia conocida; del
resto, un 7% es de He y solamente queda un 1% para los demás elementos.
En nuestro planeta es el 10º
elemento mas abundante en la corteza terrestre Lo encontramos combinado en
forma de agua (su compuesto mas abundante; cubre el 80% de la superficie del
planeta), materia viva (hidratos de carbono y proteínas; constituye el 70% del cuerpo
humano), compuestos orgánicos, combustibles fósiles (petróleo y gas natural),
etc.
Curiosamente, es poco abundante
en la atmósfera terrestre debido a que su reducida masa molecular hace difícil
su retención gravitatoria.
Excepto en la estratosfera, donde
se puede detectar en forma atómica, el hidrógeno elemental se presenta siempre
en forma molecular H
2 molécula a la que denominaremos dihidrógeno,
como recomiendan algunos autores, hidrógeno molecular o simplemente hidrógeno.
El dihidrógeno (H
2) es un gas incoloro e inodoro, menos denso que
cualquier otro gas (d=8.99·10-5 g·cm-3) y muy poco soluble en agua.
El hidrógeno es el sistema de
almacenamiento de energía por excelencia en el universo.
Las estrellas relativamente
jóvenes como nuestro Sol, están compuestas mayoritariamente por hidrógeno y se
sustentan a sí mismas mediante reacciones como:
1H +
1H
2H
+ β+
1H + 2H
3He
3He +
3He
4He
+ 2
1H
Isótopos del hidrógeno (2)
El hidrógeno tiene dos isótopos
estables y un tercero radioactivo:
Protio (hidrógeno-1), o
simplemente hidrógeno,
11H, abundancia natural: 99.04%. Spin nuclear: 1/23
Deuterio (hidrógeno-2),
12H
o D; abundancia: 0.0115 %. Spin nuclear: 1
Tritio (hidrógeno-3),
13H.
Isótopo radioactivo (vida media 12.26 años). Abundancia: 7 10-16 %. Decae a
helio-3 emitiendo una partícula β, β≡
-10e .
13H
23He + β
El tritio se forma constantemente
como consecuencia del impacto de los rayos cósmicos en átomos de las capas
altas de la atmósfera:
714N +
10n
612C +
13T
Existe una significativa demanda
de tritio como marcador radioactivo para usos médicos dado que emite electrones
de baja energía (solo radiación b sin radiación g)
(3) que apenas
dañan los tejidos biológicos. Pero su demanda más importante parte de su uso
militar. Las denominadas bombas de hidrógeno son en realidad bombas de tritio.
Su corta vida media hace que haya que
regenerarlas cada poco tiempo.
La obtención del tritio se
realiza mediante química nuclear, irradiando lentamente
36 Li con neutrones
36 Li +
10n
13H +
24He
La notable diferencia en cuanto a
la abundancia relativa de los tres isótopos hace que las propiedades del
hidrógeno sean básicamente las del isótopo hidrógeno-1
11H.
Debido a que el hidrógeno es tan
ligero, las diferencias relativas en cuanto a masa atómica entre sus isótopos
es la mayor que podemos encontrar en toda la Tabla Periódica.
Como consecuencia de ello es el
hidrogeno el que presenta isótopos
con una mayor diferencia en cuanto a
propiedades físicas.
Por tener la misma configuración
electrónica, los tres isótopos tienen esencialmente las mismas propiedades
químicas. Sin embargo la diferencia de masa atómica, que se manifiesta por
ejemplo en una energía de disociación importante, influye en aspectos como son:
las
energías de enlace E-H vs. E-D, las
velocidades de reacción y
las
constantes de equilibrio.
(4)
Propiedades físicas de los diferentes isótopos de H
Constantes físicas
|
H2
|
D2
|
T2
|
| Masa atómica (uma) |
1,0078 (H) |
2,0141 (D) |
3,0160 (T) |
| Punto de ebullición (K) |
20,6 |
23,9 |
25,2 |
| Longitud de enlace (Å) |
0,7414 |
0,7414 |
0,7414 |
| Energía de enlace (kJ·mol-1)* |
435,5 |
443,4 |
446,9 |
| Calor latente de fusión
(kJ·mol-1) |
0,117 |
0,197 |
0,250 |
| Presión de vapor (mm Hg) |
54 |
5,8 |
|
* medida a -259.1 ºC
Las energías de los enlaces E–D y
E–T son ligeramente mayores que las del enlace E-H
El nivel vibracional inferior de
un enlace E-D se sitúa por debajo del de un enlace E-H y esto trae como
consecuencia que su entalpía de enlace sea más elevada.
Esto se traduce en que la energía
de activación de las reacciones en las que este involucrada la ruptura de un
enlace E–H aumentarán en el caso de una sustitución por D o T.
Es lo que se conoce con el nombre de
efecto isotópico
cinético. Como consecuencia del mismo:
- el H2 es adsorvido más
rápidamente por las superficies que el D2.
- el H2 reacciona unas 13 veces
más rápidamente con el Cl2 que el D2.
- las reacciones que involucran (por ruptura o formación)
enlaces C–H transcurren unas 7 veces mas lentas cuando el protio se remplaza
por deuterio.
- la oxidación del EtOH es seis veces más rápida que la del EtOD.
- el D2O (agua pesada), utilizada como
disolvente, altera notablemente las velocidades de reacción de las delicadas y
perfectamente interreguladas reacciones bioquímicas puesto que favorece un
intercambio masivo de H por D. Ademas, el agua pesada es incapaz de mantener la
vida ya que su velocidad de difusión a través de las membranas celulares es
mucho menor que la del agua normal, por lo que mueren deshidratadas.
La deuteración (sustitución de H por D) es un método muy
útil para dilucidar el mecanismo a través del cual ocurren determinadas
reacciones químicas (marcador químico).
