El hidrógeno molecular o dihidrógeno (antiguamente llamado hidrógeno o hidrógeno gaseoso) es una molécula diatómica compuesta por dos átomos de hidrógeno; a temperatura ambiente es un gas inflamable, incoloro e inodoro.
En el laboratorio se obtiene mediante la reacción de ácidos con metales como el zinc e industrialmente mediante la electrólisis del agua. El dihidrógeno se emplea en la producción de amoniaco, como combustible alternativo y recientemente para el suministro de energía en las pilas de combustible.
Tiene un punto de ebullición de tan solo 20,27 K (-252,88 °C) y un punto de fusión de 14,02 K (-259,13 °C). A muy alta presión, tal como la que se produce en el núcleo de las estrellas gigantes de gas, las moléculas mudan su naturaleza y el dihidrógeno se convierte en un líquido metálico (ver hidrógeno metálico). A muy baja presión, como la del espacio, el elemento hidrógeno tiende a existir como átomos individuales, simplemente porque es muy baja la probabilidad de que se combinen. Sin embargo, cuando esto sucede pueden llegar a formarse nubes de H2 que se asocian a la génesis de las estrellas. thumb
Aplicaciones En la industria química y petroquímica se requieren grandes cantidades de H2. La aplicación principal del H2 es para el procesamiento (refinación) de combustibles fósiles y para la síntesis del amoníaco (proceso de Haber). Los procesos fundamentales que consumen H2 en una planta petroquímica son la hidrodesalquilación, la hidrodesulfurización y el hidrocraking. El H2 posee otros muchos usos como agente hidrogenante, particularmente en el incremento de la saturación de las grasas y los aceites insaturados (que se encuentran en productos como la margarina), y en la producción de metanol. Se emplea también en la fabricación del ácido clorhídrico y como agente reductor para minerales metálicos. Producción de ácido clorhídrico, combustible para cohetes, y reducción de minerales metálicos. El dihidrógeno líquido se emplea en aplicaciones criogénicas, incluyendo la investigación de la superconductividad. Empleado antaño por su ligereza como gas de relleno en globos y zepelines, tras el desastre del Hindenburg se abandonó su uso por su gran inflamabilidad. Por ese motivo en la actualidad se emplea helio en su lugar ya que no es inflamable ni explosivo.
Aparte de sus usos como reactivo, el H2 posee muchas aplicaciones en Física e Ingeniería. Se usa para el escudo de gas en métodos de soldadura, tales como la soldadura de hidrógeno atómico. El H2 se emplea como refrigerante en generadores eléctricos en las estaciones eléctricas, ya que es el gas con mayor conductividad térmica. El H2 líquido se usa en la investigación criogénica, incluyendo el estudio de la superconductividad. Puesto que el H2 es más ligero que el aire (posee una densidad poco mayor que la quinceava parte de la del aire) fue usado como gas de relleno para globos aerostáticos y aeronaves. Sin embargo, este uso fue abandonado tras el desastre del Hindenburg que evidenció la peligrosidad del hidrógeno cuando es usado para estos fines. No obstante, aún se sigue usando para inflar globos sonda meteorológicos.
Los isótopos del hidrógeno también tienen sus aplicaciones particulares. El deuterio (²H) posee aplicaciones en el campo de la fisión nuclear, como moderador para frenar neutrones, y también tiene aplicaciones en reacciones de fusión nuclear. Los compuestos de deuterio tienen usos en Química y Biología, sobre todo en los estudios de los efectos isotópicos. El tritio (³H), generado en los reactores nucleares, se usa en la producción de bombas de hidrógeno, como radiomarcador en Ciencias Biológicas, y como fuente de radiación en pinturas luminiscentes.
La temperatura de equilibrio del punto triple del dihidrógeno es un punto fijo definido en la escala de temperaturas ITS-90.
El spin o giro de la molécula de dihidrógeno puede ser alineado homogéneamente mediante ondas de radiofrecuencia. Esta propiedad es el fundamento de la resonancia magnética nuclear, dispositivo de obtención de imágenes que es capaz de recoger información en función de la diferente velocidad de recuperación del spin original de las moléculas de hidrógeno (presentes en el agua) de los diferentes tejidos de un ser vivo.
El dihidrógeno como portador de energía thumb|250px|right|Prototipo de vehículo alimentado con hidrógeno.
El dihidrógeno es una fuente de energía tanto por combustión en presencia de oxígeno como en el hipotético contexto de plantas comerciales de fusión nuclear alimentadas por protio, deuterio o tritio (isótopos naturales del hidrógeno), una tecnología que actualmente se encuentra en desarrollo en reactores experimentales ITER. La energía del Sol proviene de la fusión nuclear del hidrógeno, sin embargo, es un proceso complicado de conseguir en la Tierra. El dihidrógeno elemental obtenido de fuentes solares, biológicas o eléctricas cuesta mucha más energía para producirlo de la que se obtiene de su combustión. El dihidrógeno puede generarse a partir de fuentes fósiles (como el metano) gastando menos energía de la que se obtiene, pero se trata de fuentes no renovables que, además son fuentes energéticas por sí mismas.
Dihidrógeno como combustible Se ha hablado mucho del dihidrógeno molecular como posible portador de energía. El uso del H2 tendría la ventaja de que las fuentes fósiles podrían usarse directamente para la obtención del gas (a partir de metano, por ejemplo). El H2 usado en los medios de transporte produciría una combustión limpia en la que el único producto sería el agua, eliminando por completo las emisiones de CO2.
Sin embargo, los costes para la infraestructura necesaria para llevar a cabo una conversión completa a una economía del dihidrógeno serían sustanciales.See (ISBN 1-55963-704-8) Además, la densidad energética del dihidrógeno líquido o gaseoso (dentro de unas presiones prácticas) es significativamente menor que los combustibles tradicionales.
Por ejemplo, puede emplearse en motores de combustión interna. Una flota de automóviles con motores de este tipo es mantenida en la actualidad por Chrysler-BMW. Además, las pilas de combustible en desarrollo parece que serán capaces de ofrecer una alternativa limpia y económica a los motores de combustión interna.
Debido a que el hidrógeno es escaso en forma libre y la mayor parte de él se encuentra combinado con otros elementos, no es una fuente de energía primaria, como sí lo son el gas natural, el petróleo y el carbón. En realidad, el dihidrógeno es un vector energético, es decir un portador de energía que se debe producir a partir de fuentes primarias. Aun así, el dihidrógeno como combustible presenta diversas ventajas. El dihidrógeno se quema en el aire libre cuando hay concentraciones entre el 4 y el 75 % de su volumen. En cambio, el gas natural lo hace entre el 5,4 y el 15 %. La temperatura por combustión espontánea es de 585 °C, mientras que para el gas natural es de 540 °C. El gas natural explota en concentraciones del 6,3 al 14 %, mientras que el dihidrógeno requiere concentraciones entre el 13 y el 64 %, por lo que el gas natural es más explosivo que el dihidrógeno.
En la actualidad existen cuatro formas de utilizar el hidrógeno para producir energía: Uniendo sus núcleos dentro de un reactor denominado Tokamak, durante el proceso conocido como fusión nuclear. Combinándolo electroquímicamente con el dioxígeno sin generar llama para producir directamente electricidad dentro de un reactor conocido como pila de combustible. Combinándolo químicamente con el dioxígeno del aire a través de quemadores convencionales y a través de procesos catalíticos, método que cuenta con una amplia aplicación doméstica. Combinándolo químicamente con el oxígeno en medio acuoso dentro de una caldera no convencional para producir vapor motriz, en el ciclo conocido como Chan K'iin .
Uno de los principales problemas que se tienen con el dihidrógeno es su almacenamiento y transporte. Si se confina en forma gaseosa, el contenedor tendría que soportar presiones de hasta 200 atmósferas. Si se desea almacenar en forma líquida, se tiene que enfriar a -253 °C y posteriormente guardarse en un depósito perfectamente aislado. Otra forma de almacenamiento se puede llevar a cabo mediante una reacción química reversible con diversas sustancias para formar hidruros metálicos.
Propiedades físicas y químicas Las características de solubilidad y de adsorción del dihidrógeno con varios metales son muy importantes en la metalurgia (algunos metales pueden sufrir debilitamiento por hidrógeno) y en el desarrollo de formas seguras de almacenamiento para su uso como combustible. El dihidrógeno es muy soluble en muchos compuestos formados por metales de las tierras raras y metales de transición,Takeshita T, Wallace WE, Craig RS. (1974). Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt. Inorg Chem 13(9):2282. y puede disolverse tanto en metales cristalinos como en metales amorfos.Kirchheim R, Mutschele T, Kieninger W. (1988). Hydrogen in amorphous and nanocrystalline metals Mater. Sci. Eng. 99: 457–462. La solubilidad del dihidrógeno en los metales está influenciada por las distorsiones anales y las impurezas de la red cristalina del metal.Kirchheim R. (1988). Hydrogen solubility and diffusivity in defective and amorphous metals. Prog. Mater. Sci. 32(4):262–325.
Combustión thumb|300px|left|En la imagen se aprecia la diferencia entre la llama de dihidrógeno (en los motores de la lanzadera, casi invisible) y las llamas de otros combustibles (en los cohetes propulsores laterales).
El dihidrógeno gaseoso es muy inflamable y arde en concentraciones muy bajas en aire (4 % de H2). La entalpía de combustión del dihidrógeno es −286 kJ/mol, y la reacción de combustión es la siguiente: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ/mol
Cuando se mezcla con dioxígeno en un amplio rango de proporciones el dihidrógeno explota. En el aire, el dihidrógeno arde violentamente. Las llamas de dioxígeno y dihidrógeno puro son casi invisibles al ojo humano, como se constata al ver lo tenues que son las llamas de los motores principales de las lanzaderas espaciales (en contraposición a lo fácilmente visibles que son las llamas de los cohetes impulsores de las lanzaderas). Por este motivo, es difícil detectar visualmente si un escape de dihidrógeno está ardiendo. Las llamas que se aprecian en las fotos del dirigible Hindenburg son llamas de dihidrógeno coloreadas por el material de la cubierta de la aeronave, que contenía carbono y polvo de aluminio pirofórico, así como otros materiales combustibles. (Independientemente de la causa de este incendio, es claro que se produjo la ignición del dihidrógeno, ya que en ausencia de este gas la cubierta del dirigible habría tardado horas en quemarse). Otra característica de los fuegos alimentados por dihidrógeno es que las llamas tienden a ascender rápidamente con el gas a través del aire (algo que también se puede apreciar en las fotografías del accidente del Hindenburg), causando menos daños que los fuegos alimentados por hidrocarburos. Por ejemplo, dos tercios de los pasajeros del dirigible sobrevivieron al incendio, y muchas de las muertes que se produjeron fueron por caídas al vacío y por la combustión de gasolina.
El H2 reacciona directamente con otros elementos oxidantes. Puede producirse una reacción espontánea y violenta a temperatura ambiente en presencia de dicloro o diflúor, con la formación de los correspondientes halogenuros de hidrógeno: cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno.
Historia Descubrimiento del H2