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Carlos del Porto Blanco

La columna dedicada a la ciencia en esta semana tratará sobre el hidrógeno, el primer elemento de la tabla periódica, el más ligero y el más abundante del universo.

Sí, amigos míos, creo que el agua se usará un día como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados aislada y simultáneamente, producirán una fuente de calor y de luz inagotable y de una intensidad mucho mayor que la de la hulla. Un día el pañol de los vapores y el ténder de las locomotoras en vez de carbón se cargarán de esos gases comprimidos, que arderán en los hornos con un enorme poder calorífico. (…) Creo que, cuando estén agotados los yacimientos de la hulla, se producirá el calor con agua. El agua es el carbón del porvenir”. Julio Verne, La Isla Misteriosa, 1874.

El hidrógeno es el elemento químico de número atómico 1, representado por el símbolo H. Con una masa atómica de 1.0079, es el más ligero de la tabla periódica de los elementos. Por lo general, se presenta en su forma molecular, formando el gas diatómico H2 en condiciones normales. Es un gas inflamable, incoloro, inodoro, no metálico e insoluble en agua. Debido a sus distintas y variadas propiedades, el hidrógeno no se puede encuadrar claramente en ningún grupo de la tabla periódica, aunque muchas veces se sitúa en el grupo 1 (o familia 1A) por poseer un solo electrón en la capa de valencia o capa superior.

Poco tiempo después del Big Bang los protones y electrones se unieron y crearon, principalmente, átomos de hidrógeno (H) y algo de helio (He). El hidrógeno es el elemento químico más abundante, al constituir aproximadamente el 75 % de la materia visible normal por masa y más del 90 % en número de átomos. En su secuencia 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 que se necesita. 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.

El isótopo del hidrógeno más común es el protio, cuyo núcleo está formado por un único protón y ningún neutrón. En los compuestos iónicos, puede tener una carga positiva (convirtiéndose en un catión llamado hidrón, H+, compuesto únicamente por un protón, a veces en presencia de 1 o 2 neutrones); o carga negativa (convirtiéndose en un anión conocido como hidruro, H–). También se pueden formar otros isótopos, como el deuterio, con un neutrón, y el tritio, con dos neutrones. En 2001, fue creado a nivel de laboratorio el isótopo 4H y, a partir de 2003, se sintetizaron los isótopos 5H hasta 7H.

El hidrógeno forma compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. Tiene un papel muy importante en la química ácido-base, en la que muchas reacciones implican el intercambio de protones (iones hidrógeno, H+) entre moléculas solubles. Puesto que es el único átomo neutro para el que se puede resolver analíticamente la ecuación de Schrödinger. El estudio de la energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fundamental hasta el punto de haber desempeñado un papel fundamental en el desarrollo de la mecánica cuántica.

El hidrógeno es el único elemento que posee diferentes nombres comunes para cada uno de sus isótopos (naturales). Durante los inicios de los estudios sobre la radiactividad, a algunos isótopos radiactivos pesados les fueron asignados nombres, pero ninguno de ellos se sigue usando. Los símbolos D y T (en lugar de ²H y ³H) se usan a veces para referirse al deuterio y al tritio, pero el símbolo P corresponde al fósforo y, por tanto, no puede usarse para representar al protio. La IUPAC declara que, aunque el uso de esos símbolos sea común, no es lo aconsejado.

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

El hidrógeno es el elemento químico más abundante del universo, suponiendo más del 75 % en materia normal por masa y más del 90 % en número de átomos. Es un elemento que se encuentra en abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes. Las nubes moleculares de H2 están asociadas a la formación de las estrellas. El hidrógeno también juega un papel fundamental como combustible de las estrellas por medio de las reacciones de fusión nuclear entre núcleos de hidrógeno.

En el universo, el hidrógeno se encuentra principalmente en su forma atómica y en estado de plasma, cuyas propiedades son bastante diferentes a las del hidrógeno molecular. Como plasma, el electrón y el protón del hidrógeno no se encuentran ligados, por lo que presenta una alta conductividad eléctrica y una gran emisividad (origen de la luz emitida por el Sol y otras estrellas). Las partículas cargadas están fuertemente influenciadas por los campos eléctricos y magnéticos. Por ejemplo, en los vientos solares las partículas interaccionan con la magnetosfera terrestre generando corrientes de Birkeland y el fenómeno de las auroras.

En condiciones normales de presión y temperatura, el hidrógeno existe como gas diatómico, H2. Sin embargo, el hidrógeno gaseoso es poco abundante en la atmósfera de la Tierra (una parte por millón, ppm en volumen), debido a su poca masa que le permite escapar al influjo de la gravedad terrestre más fácilmente que otros gases más pesados. Aunque los átomos de hidrógeno y las moléculas diatómicas de hidrógeno abundan en el espacio interestelar, son difíciles de generar, concentrar y purificar en la Tierra. El hidrógeno es el decimoquinto elemento más abundante en la superficie terrestre La mayor parte del hidrógeno terrestre se encuentra formando parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el agua. El hidrógeno gaseoso es producido por algunas bacterias y algas.

Orígenes y descubrimiento

El hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue el primero producido artificialmente y formalmente descrito por T. von Hohenheim (Paracelso), que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes. Paracelso no era consciente de que el gas inflamable generado en esas 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, lo que resulta en la producción de gas hidrógeno. En 1766, 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 agua cuando se quema. Generalmente, se le da el crédito por su descubrimiento como un elemento químico. En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrógeno (del griego ???? (hydro), agua y ?????-?? (genes) generar, es decir, “productor de agua”) cuando él y Laplace reprodujeron el descubrimiento de Cavendish, donde se produce agua cuando se quema hidrógeno.

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

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 la Luminaria Drummond fueron inventadas en 1823.

Uno de los hitos más notables en la historia del hidrógeno fue el descubrimiento de su papel en el proceso de fotosíntesis por el químico alemán Julius Robert Mayer en 1845. Mayer observó que las plantas convertían la luz solar en energía química al descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. Ese hallazgo sentó las bases para la comprensión de la conversión de energía y su uso en aplicaciones prácticas.

El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898 al usar refrigeración regenerativa, y su invención se aproxima mucho a lo que se conoce hoy en día como termo. El deuterio fue descubierto en diciembre de 1931 por Harold Urey, y el tritio fue preparado en 1934 por Ernest Rutherford, Marcus Oliphant, y Paul Harteck. El agua pesada, que tiene deuterio en lugar de hidrógeno regular en la molécula de agua, fue descubierta por el equipo de Urey en 1932.

El llenado del primer globo con hidrógeno fue documentado por Jacques Charles en 1783. El hidrógeno proveyó el ascenso de manera confiable en viajes aéreos después de la invención del primer dirigible de hidrógeno por Henri Giffar. 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. Los vuelos regulares comenzaron en 1910, y para el inicio de la Primera Guerra Mundial, en agosto de 1914, se había trasladado a 35 000 pasajeros sin ningún incidente grave. Los dirigibles elevados con hidrógeno se utilizaron como plataformas de observación y bombarderos durante la guerra.

La primera travesía transatlántica sin escalas fue hecha por el dirigible británico R34 en 1919. A partir de 1928, con el Graf Zeppelin LZ 127, el servicio regular de pasajeros prosiguió hasta mediados de la década de 1930. Todo cambió cuando el dirigible Hindenburg resultó destruido en un accidente en vuelo sobre New Jersey el 6 de mayo de 1937. El incidente fue transmitido en vivo por radio y filmado. El incendio provocado por una fuga de hidrógeno se atribuyó como la causa del incidente. Investigaciones posteriores señalaron a la ignición del revestimiento de tejido aluminizado por la electricidad estática.

Algunas fechas significativas

  • 1671: Robert Boyle describió la producción de ese gas al mezclar limaduras de hierro con ácidos diluidos.
  • 1786: Henry Cavendish reconoce al hidrógeno como una sustancia a la que llamó “aire inflamable”.
  • 1783: Antoine Lavoisier establece el término de hidrógeno, del griego “hydro” (agua) y “genes” (generador), es decir, “productor de agua”.
  • 1800: Sir Humphry Davy aisló hidrógeno puro mediante electrólisis del agua.
  • 1806: Luigi Galvani descubre la capacidad del hidrógeno para formar una mezcla explosiva con el oxígeno.
  • 1806: François Isaac de Rivaz construyó uno de los primeros vehículos impulsados por un motor de hidrógeno, adelantándose más de un siglo a la movilidad sostenible.
  • 1838-1839: Christian Friedrich Schönbein y Sir William Grove desarrollaron la primera pila de combustible, combinando hidrógeno y oxígeno para producir electricidad y agua.
  • 1875: Julio Verne, en su novela “La isla misteriosa”, imaginó un futuro donde el agua, descompuesta en hidrógeno y oxígeno, sería fuente inagotable de energía, anticipando el papel del hidrógeno en la transición energética actual.
  • 1898: James Dewar, licua por primera vez hidrógeno al usar refrigeración regenerativa.
  • 1931: Harold Urey descubrió el deuterio, isótopo del hidrógeno, y en 1934 se preparó el tritio, ambos fundamentales en la investigación nuclear y la producción de agua pesada.
  • 1960: El hidrógeno se consolidó como combustible de misiones espaciales, marcando un antes y un después en la exploración del espacio.
  • 1969: La nave Apolo 11 utiliza celdas de hidrógeno para llegar a la Luna.
  • 2017: Japón lanza su Estrategia Nacional de Hidrógeno.
  • 2020: La Unión Europea publica su Hoja de Ruta del Hidrógeno como parte del Pacto Verde Europeo.
  • 2023: Chile inaugura su primer proyecto de hidrógeno verde a gran escala en Magallanes.
  • 8 de octubre: Se celebra el Día Mundial del Hidrógeno y las Celdas de Combustible. La fecha fue elegida porque el peso atómico del hidrógeno es 1.008, que coincide con la notación 10/08 del calendario. Esa efeméride busca destacar el papel del hidrógeno en la transición hacia energías limpias

 

Tendencias en el uso del hidrógeno.

 

Actualmente, el hidrógeno se considera un vector energético clave para la descarbonización de la economía. Puede producirse a partir de fuentes renovables (hidrógeno verde), almacenarse y utilizarse en pilas de combustible para generar electricidad, hacer funcionar vehículos o almacenar energía excedente de parques solares y eólicos. Su combustión genera como residuo vapor de agua, por lo que su impacto ambiental es muy pequeño si se obtiene de manera sostenible. Empresas automovilísticas como Toyota y BMW han desarrollado vehículos impulsados por hidrógeno, mientras que varias ciudades y países apuestan por infraestructuras para su producción y distribución, buscando reducir la dependencia de combustibles fósiles.

Países como Alemania, Japón, Australia y España invierten fuertemente en infraestructura para producir, almacenar y distribuir hidrógeno verde. La Comisión Europea prevé invertir más de 470 mil millones de euros en tecnologías de hidrógeno para el 2050.

Hechos relacionados con el Hidrógeno

  • Una gota de agua contiene más moléculas de hidrógeno que estrellas en el universo observable.
  • El hidrógeno puede enfriarse hasta -253 grados Celsius para convertirse en líquido, siendo uno de los gases más fríos usados en ingeniería criogénica.
  • El hidrógeno fue protagonista del primer vuelo de un globo tripulado en 1783, cuando Jacques Charles y Nicolas-Louis Robert sobrevolaron París en un globo de hidrógeno, marcando el inicio de la era de la aeronáutica.
  • En la literatura, Julio Verne anticipó el papel del hidrógeno como fuente de energía limpia, mucho antes de que la tecnología lo hiciera posible
  • El primer automóvil de hidrógeno, Electrova,n fue fabricado por General Motors en 1966.
  • Hoy, empresas como Toyota, Hyundai y Siemens desarrollan vehículos y sistemas industriales basados en hidrógeno.

El hidrógeno es mucho más que un elemento químico: es un puente entre el origen del universo y el futuro de la humanidad. Desde su rol en la química clásica hasta su potencial como vector energético limpio, el hidrógeno sigue demostrando que, aunque es el elemento más ligero de la Tabla Periódica, tiene un impacto enorme. Cuando el mundo busca soluciones sostenibles, el hidrógeno —ese viejo conocido— es uno de los protagonistas de una nueva era energética.

Referencias.

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