El hidrógeno es lo que gas. Hidrógeno: ¿qué es esta sustancia? Propiedades químicas y físicas del hidrógeno.

En el sistema periódico, tiene su propia posición específica, que refleja las propiedades que exhibe y habla de su estructura electrónica. Sin embargo, entre todos hay un átomo especial que ocupa dos celdas a la vez. Se encuentra en dos grupos de elementos que son completamente opuestos en sus propiedades manifestadas. Esto es hidrógeno. Estas características lo hacen único.

El hidrógeno no es solo un elemento, sino también una sustancia simple, así como una parte integral de muchos compuestos complejos, un elemento biogénico y organogénico. Por lo tanto, consideramos sus características y propiedades con más detalle.

El hidrógeno como elemento químico.

El hidrógeno es un elemento del primer grupo del subgrupo principal, así como el séptimo grupo del subgrupo principal en el primer período pequeño. Este período consta de solo dos átomos: el helio y el elemento que estamos considerando. Describamos las características principales de la posición del hidrógeno en el sistema periódico.

1. El número de serie del hidrógeno es 1, el número de electrones es el mismo, respectivamente, el número de protones es el mismo. La masa atómica es 1.00795. Hay tres isótopos de este elemento con números de masa 1, 2, 3. Sin embargo, las propiedades de cada uno de ellos son muy diferentes, ya que un aumento de masa incluso en uno para el hidrógeno es inmediatamente el doble.
2. El hecho de que contenga solo un electrón en el exterior le permite exhibir con éxito propiedades tanto oxidantes como reductoras. Además, tras la donación de un electrón, éste queda como un orbital libre, que participa en la formación de enlaces químicos según el mecanismo donador-aceptor.
3. El hidrógeno es un fuerte agente reductor. Por lo tanto, el primer grupo del subgrupo principal se considera su lugar principal, donde lleva los metales más activos: los álcalis.
4. Sin embargo, al interactuar con agentes reductores fuertes, como por ejemplo metales, también puede ser un agente oxidante, aceptando un electrón. Estos compuestos se llaman hidruros. En base a ello, encabeza el subgrupo de los halógenos, con los que se asemeja.
5. Debido a su masa atómica muy pequeña, el hidrógeno se considera el elemento más ligero. Además, su densidad también es muy baja, por lo que también es el referente de ligereza.

Por lo tanto, es obvio que el átomo de hidrógeno es completamente único, a diferencia de todos los demás elementos. En consecuencia, sus propiedades también son especiales, y las sustancias simples y complejas que se forman son muy importantes. Considerémoslos más a fondo.

sustancia simple

Si hablamos de este elemento como molécula, entonces debemos decir que es diatómico. Es decir, el hidrógeno (una sustancia simple) es un gas. Su fórmula empírica se escribirá como H 2, y la gráfica, a través de un solo enlace sigma H-H. El mecanismo de formación de enlaces entre átomos es covalente no polar.

1. Reformado con vapor de metano.
2. Gasificación del carbón: el proceso consiste en calentar el carbón a 1000 0 C, lo que da como resultado la formación de hidrógeno y carbón con alto contenido de carbono.
3. Electrólisis. Este método solo se puede utilizar para soluciones acuosas de varias sales, ya que los fundidos no conducen a la descarga de agua en el cátodo.

Métodos de laboratorio para producir hidrógeno:

1. Hidrólisis de hidruros metálicos.
2. La acción de los ácidos diluidos sobre los metales activos y de media actividad.
3. Interacción de metales alcalinos y alcalinotérreos con el agua.

Para recoger el hidrógeno resultante, es necesario mantener el tubo de ensayo boca abajo. Después de todo, este gas no se puede recolectar de la misma manera que, por ejemplo, el dióxido de carbono. Esto es hidrógeno, es mucho más ligero que el aire. Se volatiliza rápidamente y explota cuando se mezcla con aire en grandes cantidades. Por lo tanto, el tubo debe estar invertido. Después de llenarlo, debe cerrarse con un tapón de goma.

Para verificar la pureza del hidrógeno recolectado, debe acercar un fósforo encendido al cuello. Si el algodón es sordo y silencioso, entonces el gas está limpio, con mínimas impurezas de aire. Si es ruidoso y silbante, está sucio, con una gran proporción de componentes extraños.

áreas de uso

Cuando se quema hidrógeno, se libera una cantidad tan grande de energía (calor) que este gas se considera el combustible más rentable. Además, es respetuoso con el medio ambiente. Sin embargo, su uso en esta área es actualmente limitado. Esto se debe a los problemas mal concebidos y no resueltos de sintetizar hidrógeno puro, que sería adecuado para su uso como combustible en reactores, motores y dispositivos portátiles, así como en calderas de calefacción residencial.

Después de todo, los métodos para obtener este gas son bastante caros, por lo que primero es necesario desarrollar un método especial de síntesis. Uno que le permitirá recibir el producto en gran volumen y a un costo mínimo.

Hay varias áreas principales en las que se utiliza el gas que estamos considerando.

1. Síntesis químicas. A base de hidrogenación se obtienen jabones, margarinas y plásticos. Con la participación de hidrógeno se sintetizan metanol y amoníaco, además de otros compuestos.
2. En la industria alimentaria - como aditivo E949.
3. Industria de la aviación (construcción de cohetes, construcción de aviones).
4. Industria de la energía.
5. Meteorología.
6. Combustible de tipo ecológico.

Obviamente, el hidrógeno es tan importante como abundante en la naturaleza. Los diversos compuestos formados por él juegan un papel aún mayor.

Compuestos de hidrógeno

Estas son sustancias complejas que contienen átomos de hidrógeno. Hay varios tipos principales de tales sustancias.

1. Haluros de hidrógeno. La fórmula general es HHal. De particular importancia entre ellos es el cloruro de hidrógeno. Es un gas que se disuelve en agua para formar una solución de ácido clorhídrico. Este ácido es ampliamente utilizado en casi todas las síntesis químicas. Y tanto orgánicos como inorgánicos. El cloruro de hidrógeno es un compuesto que tiene la fórmula empírica HCL y es uno de los de mayor producción anual en nuestro país. Los haluros de hidrógeno también incluyen yoduro de hidrógeno, fluoruro de hidrógeno y bromuro de hidrógeno. Todos ellos forman los ácidos correspondientes.
2. Volátiles Casi todos ellos son gases bastante venenosos. Por ejemplo, sulfuro de hidrógeno, metano, silano, fosfina y otros. Sin embargo, son muy inflamables.
3. Los hidruros son compuestos con metales. Pertenecen a la clase de las sales.
4. Hidróxidos: bases, ácidos y compuestos anfóteros. Su composición incluye necesariamente átomos de hidrógeno, uno o más. Ejemplo: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 y otros.
5. Hidróxido de hidrógeno. Este compuesto es mejor conocido como agua. Otro nombre para el óxido de hidrógeno. La fórmula empírica se ve así: H 2 O.
6. Peróxido de hidrógeno. Este es el agente oxidante más fuerte, cuya fórmula es H 2 O 2.
7. Numerosos compuestos orgánicos: hidrocarburos, proteínas, grasas, lípidos, vitaminas, hormonas, aceites esenciales y otros.

Obviamente, la variedad de compuestos del elemento que estamos considerando es muy grande. Esto confirma una vez más su gran importancia para la naturaleza y el hombre, así como para todos los seres vivos.

es el mejor solvente

Como se mencionó anteriormente, el nombre común de esta sustancia es agua. Consta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, interconectados por enlaces polares covalentes. La molécula de agua es un dipolo, lo que explica muchas de sus propiedades. En particular, el hecho de que es un solvente universal.

Es en el medio acuático donde tienen lugar casi todos los procesos químicos. Las reacciones internas del metabolismo plástico y energético en los organismos vivos también se llevan a cabo con la ayuda del óxido de hidrógeno.

El agua es considerada la sustancia más importante del planeta. Se sabe que ningún organismo vivo puede vivir sin él. En la Tierra, puede existir en tres estados de agregación:

• líquido;
• gas (vapor);
• sólido (hielo).

Dependiendo del isótopo de hidrógeno que forme parte de la molécula, existen tres tipos de agua.

1. Luz o protio. Un isótopo con un número de masa de 1. La fórmula es H 2 O. Esta es la forma habitual que utilizan todos los organismos.
2. Deuterio o pesado, su fórmula es D 2 O. Contiene el isótopo 2 H.
3. Súper pesado o tritio. La fórmula parece T 3 O, el isótopo es 3 H.

Las reservas de agua dulce protium en el planeta son muy importantes. Ya falta en muchos países. Se están desarrollando métodos para tratar el agua salada con el fin de obtener agua potable.

El agua oxigenada es un remedio universal

Este compuesto, como se mencionó anteriormente, es un excelente agente oxidante. Sin embargo, con representantes fuertes también puede comportarse como reductor. Además, tiene un pronunciado efecto bactericida.

Otro nombre para este compuesto es peróxido. Es en esta forma que se usa en medicina. Una solución al 3% del hidrato cristalino del compuesto en cuestión es un fármaco médico que se utiliza para tratar pequeñas heridas con el fin de descontaminarlas. Sin embargo, se ha comprobado que en este caso aumenta la cicatrización de heridas con el tiempo.

Además, el peróxido de hidrógeno se utiliza en combustible para cohetes, en la industria para desinfección y blanqueo, como agente espumante para la producción de materiales apropiados (espuma, por ejemplo). Además, el peróxido ayuda a limpiar los acuarios, decolorar el cabello y blanquear los dientes. Sin embargo, al mismo tiempo daña los tejidos, por lo que los especialistas no lo recomiendan para este fin.

Hidrógeno

HIDRÓGENO-a; metro. Un elemento químico (H), un gas ligero, incoloro e inodoro que se combina con el oxígeno para formar agua.

◁ Hidrógeno, th, th. Conexiones en V. V bacterias. V-ésima bomba(bomba de enorme poder destructivo, cuyo efecto explosivo se basa en una reacción termonuclear). Hidrógeno, th, th.

hidrógeno

(lat. Hidrogenio), un elemento químico del grupo VII sistema periódico. En la naturaleza existen dos isótopos estables (protio y deuterio) y un isótopo radiactivo (tritio). La molécula es diatómica (H 2). Gas incoloro e inodoro; densidad 0,0899 g/l, t kip - 252,76°C. Se combina con muchos elementos para formar agua con oxígeno. El elemento más común en el espacio; constituye (en forma de plasma) más del 70% de la masa del Sol y las estrellas, la mayor parte de los gases del medio interestelar y las nebulosas. El átomo de hidrógeno forma parte de muchos ácidos y bases, la mayoría de los compuestos orgánicos. Se utilizan en la producción de amoníaco, ácido clorhídrico, para la hidrogenación de grasas, etc., en soldadura y corte de metales. Prometedor como combustible (ver. Energía de hidrógeno).

HIDRÓGENO

HIDRÓGENO (lat. Hydrogenium), H, un elemento químico con número atómico 1, masa atómica 1.00794. El símbolo químico del hidrógeno, H, se lee en nuestro país como "ceniza", como se pronuncia esta letra en francés.
El hidrógeno natural consiste en una mezcla de dos nucleidos estables (cm. NÚCLIDO) con números de masa 1.007825 (99.985% en la mezcla) y 2.0140 (0.015%). Además, pequeñas cantidades del nucleido radiactivo, el tritio, siempre están presentes en el hidrógeno natural. (cm. TRICIO) 3 H (vida media T 1/2 12,43 años). Dado que el núcleo del átomo de hidrógeno contiene solo 1 protón (no puede haber menos de protones en el núcleo de un átomo), a veces se dice que el hidrógeno forma el límite inferior natural del sistema periódico de elementos de D. I. Mendeleev (aunque el elemento el propio hidrógeno se encuentra en las tablas de la parte superior). El elemento hidrógeno se encuentra en el primer período de la tabla periódica. También pertenece al 1er grupo (grupo IA de metales alcalinos (cm. METALES ALCALINOS)), y al grupo 7 (grupo VIIA de halógenos (cm. HALÓGENOS)).
Las masas de los átomos en los isótopos de hidrógeno difieren mucho (en varias veces). Esto conduce a diferencias notables en su comportamiento en los procesos físicos (destilación, electrólisis, etc.) y a ciertas diferencias químicas (las diferencias en el comportamiento de los isótopos de un elemento se denominan efectos isotópicos; para el hidrógeno, los efectos isotópicos son los más significativos). Por lo tanto, a diferencia de los isótopos de todos los demás elementos, los isótopos de hidrógeno tienen símbolos y nombres especiales. El hidrógeno con un número de masa de 1 se llama hidrógeno ligero o protium (lat. Protium, del griego protos - el primero), denotado por el símbolo H, y su núcleo se llama protón (cm. PROTÓN (partícula elemental)), símbolo r. El hidrógeno con un número de masa de 2 se llama hidrógeno pesado, deuterio (cm. DEUTERIO)(Latín Deuterio, del griego deuteros - el segundo), los símbolos 2 H, o D (léase "de") se usan para designarlo, el núcleo d es el deuterón. Un isótopo radiactivo con un número de masa de 3 se llama hidrógeno superpesado o tritio (lat. Tritum, del griego tritos - el tercero), el símbolo 2 H o T (léase "aquellos"), el núcleo t es un tritón.
Configuración de una sola capa de electrones de un átomo de hidrógeno neutro no excitado 1 s 1 . En los compuestos, presenta estados de oxidación +1 y, con menos frecuencia, -1 (valencia I). El radio del átomo de hidrógeno neutro es de 0,024 nm. La energía de ionización del átomo es de 13,595 eV, la afinidad electrónica es de 0,75 eV. En la escala de Pauling, la electronegatividad del hidrógeno es 2,20. El hidrógeno es uno de los no metales.
En su forma libre, es un gas ligero e inflamable sin color, olor ni sabor.
Historial de descubrimiento
La liberación de gas combustible durante la interacción de ácidos y metales se observó en los siglos XVI y XVII en los albores de la formación de la química como ciencia. El famoso físico y químico inglés G. Cavendish (cm. Henry Cavendish) en 1766 investigó este gas y lo llamó "aire combustible". Cuando se quemó, el "aire combustible" dio agua, pero la adhesión de Cavendish a la teoría del flogisto (cm. FLOGISTO) le impidió sacar conclusiones correctas. químico francés A. Lavoisier (cm. Lavoisier Antoine Laurent) junto con el ingeniero J. Meunier (cm. MEUNIER Jean-Baptiste Marie Charles), utilizando gasómetros especiales, en 1783 llevó a cabo la síntesis del agua y luego su análisis, descomponiendo el vapor de agua con hierro al rojo vivo. Así, estableció que el “aire combustible” es parte del agua y se puede obtener de ella. En 1787, Lavoisier llegó a la conclusión de que el "aire combustible" es una sustancia simple y, por lo tanto, pertenece al número de elementos químicos. Le dio el nombre de hidrógeno (del griego hydor - agua y gennao - dar a luz) - "dar a luz agua". El establecimiento de la composición del agua puso fin a la "teoría del flogisto". El nombre ruso "hidrógeno" fue propuesto por el químico MF Solovyov (cm. SOLOVIEV Mijaíl Fiódorovich) en 1824. A la vuelta de los siglos 18 y 19, se encontró que el átomo de hidrógeno es muy ligero (en comparación con los átomos de otros elementos), y el peso (masa) del átomo de hidrógeno se tomó como unidad para comparar las masas atómicas de los elementos. A la masa del átomo de hidrógeno se le asignó un valor igual a 1.
estar en la naturaleza
El hidrógeno representa alrededor del 1% de la masa de la corteza terrestre (décimo lugar entre todos los elementos). El hidrógeno prácticamente nunca se encuentra en su forma libre en nuestro planeta (sus rastros se encuentran en la atmósfera superior), pero se distribuye en casi todas partes de la Tierra en la composición del agua. El elemento hidrógeno forma parte de compuestos orgánicos e inorgánicos de organismos vivos, gas natural, petróleo, carbón. Está contenido, por supuesto, en la composición del agua (alrededor del 11% en peso), en varios hidratos y minerales cristalinos naturales, que contienen uno o más hidroxogrupos OH.
El hidrógeno como elemento domina el Universo. Representa aproximadamente la mitad de la masa del Sol y otras estrellas, está presente en la atmósfera de varios planetas.
Recibo
El hidrógeno se puede obtener de muchas maneras. En la industria se utilizan para ello los gases naturales, así como los gases obtenidos del refino del petróleo, la coquización y la gasificación del carbón y otros combustibles. En la producción de hidrógeno a partir de gas natural (el componente principal es el metano), se lleva a cabo su interacción catalítica con el vapor de agua y la oxidación incompleta con el oxígeno:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 y CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
La separación del hidrógeno del gas de coque y los gases de refinería se basa en su licuefacción durante el enfriamiento profundo y la eliminación de la mezcla de gases que se licuan más fácilmente que el hidrógeno. En presencia de electricidad barata, el hidrógeno se obtiene por electrólisis del agua, pasando corriente a través de soluciones alcalinas. En condiciones de laboratorio, el hidrógeno se obtiene fácilmente mediante la interacción de metales con ácidos, por ejemplo, zinc con ácido clorhídrico.
Físico y Propiedades químicas
En condiciones normales, el hidrógeno es un gas incoloro ligero (densidad en condiciones normales 0,0899 kg/m 3 ). Punto de fusión -259,15 °C, punto de ebullición -252,7 °C. El hidrógeno líquido (en el punto de ebullición) tiene una densidad de 70,8 kg/m 3 y es el líquido más ligero. El potencial de electrodo estándar H 2 / H - en una solución acuosa se toma igual a 0. El hidrógeno es poco soluble en agua: a 0 ° C, la solubilidad es inferior a 0,02 cm 3 / ml, pero es muy soluble en algunos metales (hierro esponja y otros), especialmente bueno - en paladio metálico (alrededor de 850 volúmenes de hidrógeno en 1 volumen de metal). El calor de combustión del hidrógeno es 143,06 MJ/kg.
Existe en forma de moléculas diatómicas de H 2 . La constante de disociación de H 2 en átomos a 300 K es 2.56 10 -34. La energía de disociación de la molécula de H 2 en átomos es de 436 kJ/mol. La distancia internuclear en la molécula de H 2 es de 0,07414 nm.
Dado que el núcleo de cada átomo de H, que forma parte de la molécula, tiene su propio espín (cm. GIRAR), entonces el hidrógeno molecular puede estar en dos formas: en forma de ortohidrógeno (o-H 2) (ambos giros tienen la misma orientación) y en forma de parahidrógeno (p-H 2) (los giros tienen diferentes orientaciones). En condiciones normales, el hidrógeno normal es una mezcla de 75 % de o-H 2 y 25 % de p-H 2 . Las propiedades físicas de p- y o-H 2 difieren ligeramente entre sí. Por lo tanto, si el punto de ebullición puro o-n 2 20.45 K, luego p-H 2 puro - 20.26 K. La transformación de o-H 2 en p-H 2 se acompaña de la liberación de 1418 J / mol de calor.
Se ha argumentado repetidamente en la literatura científica que altas presiones(por encima de 10 GPa) ya bajas temperaturas (alrededor de 10 K e inferiores), el hidrógeno sólido, que suele cristalizar en una red de tipo molecular hexagonal, puede transformarse en una sustancia con propiedades metálicas, posiblemente incluso en un superconductor. Sin embargo, todavía no hay datos inequívocos sobre la posibilidad de tal transición.
Alta resistencia enlace químico entre los átomos en la molécula de H 2 (que, por ejemplo, usando el método de los orbitales moleculares, puede explicarse por el hecho de que en esta molécula el par de electrones está en el orbital de enlace, y el orbital de relajación no está poblado con electrones) lleva al hecho de que a temperatura ambiente, el hidrógeno gaseoso es químicamente inactivo. Entonces, sin calentar, con una simple mezcla, el hidrógeno reacciona (con una explosión) solo con flúor gaseoso:
H 2 + F 2 \u003d 2HF + Q.
Si una mezcla de hidrógeno y cloro a temperatura ambiente se irradia con luz ultravioleta, se observa una formación inmediata de cloruro de hidrógeno HCl. La reacción del hidrógeno con el oxígeno se produce con una explosión si se introduce en la mezcla de estos gases un catalizador, paladio metálico (o platino). Cuando se enciende, una mezcla de hidrógeno y oxígeno (el llamado gas explosivo (cm. GASES EXPLOSIVOS)) explota, y puede ocurrir una explosión en mezclas en las que el contenido de hidrógeno es de 5 a 95 por ciento en volumen. El hidrógeno puro en el aire o en el oxígeno puro se quema silenciosamente con la liberación de una gran cantidad de calor:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 kJ / mol
Si el hidrógeno interactúa con otros no metales y metales, solo bajo ciertas condiciones (calentamiento, alta presión, presencia de un catalizador). Así, el hidrógeno reacciona reversiblemente con el nitrógeno en Alta presión sanguínea(20-30 MPa y más) y a una temperatura de 300-400 ° C en presencia de un catalizador - hierro:
3H2 + N2 = 2NH3 + Q.
Además, solo cuando se calienta, el hidrógeno reacciona con azufre para formar sulfuro de hidrógeno H 2 S, con bromo, para formar bromuro de hidrógeno HBr, con yodo, para formar yoduro de hidrógeno HI. El hidrógeno reacciona con el carbón (grafito) para formar una mezcla de hidrocarburos de varias composiciones. El hidrógeno no interactúa directamente con el boro, el silicio y el fósforo; los compuestos de estos elementos con hidrógeno se obtienen indirectamente.
Cuando se calienta, el hidrógeno es capaz de reaccionar con álcalis, metales alcalinotérreos y magnesio para formar compuestos con carácter de enlace iónico, que contienen hidrógeno en el estado de oxidación –1. Entonces, cuando el calcio se calienta en una atmósfera de hidrógeno, se forma un hidruro similar a una sal de la composición CaH 2 . El hidruro de aluminio polimérico (AlH 3) x, uno de los agentes reductores más fuertes, se obtiene indirectamente (por ejemplo, utilizando compuestos de organoaluminio). Con muchos metales de transición (por ejemplo, circonio, hafnio, etc.), el hidrógeno forma compuestos de composición variable (soluciones sólidas).
El hidrógeno puede reaccionar no solo con muchas sustancias simples, sino también con sustancias complejas. En primer lugar, cabe señalar la capacidad del hidrógeno para reducir muchos metales a partir de sus óxidos (como el hierro, el níquel, el plomo, el tungsteno, el cobre, etc.). Entonces, cuando se calienta a una temperatura de 400-450 ° C y más, el hierro se reduce con hidrógeno de cualquiera de sus óxidos, por ejemplo:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
Cabe señalar que solo los metales ubicados en la serie de potenciales estándar más allá del manganeso pueden reducirse a partir de óxidos por hidrógeno. Los metales más activos (incluido el manganeso) no se reducen a metal a partir de óxidos.
El hidrógeno es capaz de añadir un enlace doble o triple a muchos compuestos orgánicos (estas son las llamadas reacciones de hidrogenación). Por ejemplo, en presencia de un catalizador de níquel, se puede llevar a cabo la hidrogenación de etileno C 2 H 4 y se forma etano C 2 H 6:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
La interacción del monóxido de carbono (II) y el hidrógeno en la industria produce metanol:
2H 2 + CO \u003d CH 3 OH.
En los compuestos en los que un átomo de hidrógeno está conectado a un átomo de un elemento más electronegativo E (E = F, Cl, O, N), se forman enlaces de hidrógeno entre las moléculas. (cm. ENLACE DE HIDRÓGENO)(dos átomos de E del mismo o dos elementos diferentes están interconectados a través del átomo de H: E "... N ... E"", y los tres átomos están ubicados en la misma línea recta). Tales enlaces existen entre las moléculas de agua, amoníaco, metanol, etc. y conducen a un aumento notable de los puntos de ebullición de estas sustancias, un aumento del calor de evaporación, etc.
Solicitud
El hidrógeno se utiliza en la síntesis de amoníaco NH 3 , cloruro de hidrógeno HCl, metanol CH 3 OH, en el hidrocraqueo (craqueo en atmósfera de hidrógeno) de hidrocarburos naturales, como agente reductor en la producción de ciertos metales. hidrogenación (cm. HIDROGENACIÓN) Los aceites vegetales naturales obtienen grasa sólida: margarina. El hidrógeno líquido encuentra uso como combustible para cohetes y también como refrigerante. En la soldadura se utiliza una mezcla de oxígeno e hidrógeno.
En un momento, se sugirió que, en un futuro próximo, la reacción de la combustión del hidrógeno se convertiría en la principal fuente de producción de energía y la energía del hidrógeno reemplazaría las fuentes tradicionales de producción de energía (carbón, petróleo, etc.). Al mismo tiempo, se supuso que para la producción de hidrógeno a gran escala sería posible utilizar la electrólisis del agua. La electrólisis del agua es un proceso bastante intensivo en energía, y actualmente no es rentable obtener hidrógeno por electrólisis a escala industrial. Pero se esperaba que la electrólisis se basara en el uso de calor de temperatura media (500-600 °C), que se produce en grandes cantidades durante el funcionamiento de las centrales nucleares. Este calor tiene un uso limitado, y la posibilidad de obtener hidrógeno con su ayuda resolvería tanto el problema de la ecología (cuando el hidrógeno se quema en el aire, la cantidad de sustancias nocivas para el medio ambiente que se forman es mínima) como el problema de la utilización de temperatura media. calor. Sin embargo, después del desastre de Chernobyl, el desarrollo energía nuclear coagula en todas partes, de modo que la fuente de energía especificada deja de estar disponible. Por lo tanto, las perspectivas para el uso generalizado del hidrógeno como fuente de energía siguen cambiando al menos hasta mediados del siglo XXI.
caracteristicas de la circulacion
El hidrógeno no es venenoso, pero al manipularlo, se debe tener en cuenta constantemente su alto riesgo de incendio y explosión, y el riesgo de explosión del hidrógeno aumenta debido a la alta capacidad del gas para difundirse incluso a través de algunos materiales sólidos. Antes de iniciar cualquier operación de calentamiento en una atmósfera de hidrógeno, debe asegurarse de que esté limpia (al encender el hidrógeno en un tubo de ensayo al revés, el sonido debe ser sordo, no como un ladrido).
Rol biológico
La importancia biológica del hidrógeno está determinada por el hecho de que forma parte de las moléculas de agua y de todos los grupos más importantes de compuestos naturales, incluidas las proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, carbohidratos. Aproximadamente el 10% de la masa de los organismos vivos es hidrógeno. La capacidad del hidrógeno para formar un enlace de hidrógeno juega un papel crucial en el mantenimiento de la estructura cuaternaria espacial de las proteínas, así como en la implementación del principio de complementariedad. (cm. COMPLEMENTARIO) en la construcción y funciones de los ácidos nucleicos (es decir, en el almacenamiento e implementación de la información genética), en general, en la implementación del "reconocimiento" a nivel molecular. El hidrógeno (ion H +) participa en los procesos y reacciones dinámicos más importantes del cuerpo: en la oxidación biológica, que proporciona energía a las células vivas, en la fotosíntesis de las plantas, en las reacciones de biosíntesis, en la fijación de nitrógeno y la fotosíntesis bacteriana, en el mantenimiento del ácido. equilibrio de base y homeostasis (cm. homeostasis), en procesos de transporte de membrana. Así, junto con el oxígeno y el carbono, el hidrógeno forma la base estructural y funcional de los fenómenos de la vida.

diccionario enciclopédico. 2009 .

Sinónimos:

Vea qué es "hidrógeno" en otros diccionarios:

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Tabla de nucleidos Información general Nombre, símbolo Hidrógeno 6, 6H Neutrones 5 Protones 1 Propiedades de los nucleidos Masa atómica 6.044940 (280) ... Wikipedia

Tabla de nucleidos Información general Nombre, símbolo Hidrógeno 7, 7H Neutrones 6 Protones 1 Propiedades de los nucleidos Masa atómica 7.052750 (1080) ... Wikipedia

El hidrógeno (Hydrogenium) fue descubierto en la primera mitad del siglo XVI por el médico y naturalista alemán Paracelso. En 1776, G. Cavendish (Inglaterra) estableció sus propiedades y señaló las diferencias con otros gases. Lavoisier fue el primero en obtener hidrógeno del agua y demostró que el agua es una combinación química de hidrógeno y oxígeno (1783).

El hidrógeno tiene tres isótopos: protio, deuterio o D y tritio o T. Sus números de masa son 1, 2 y 3. El protio y el deuterio son estables, el tritio es radiactivo (vida media 12,5 años). En los compuestos naturales, el deuterio y el protio están contenidos en promedio en una proporción de 1:6800 (según el número de átomos). El tritio se encuentra en la naturaleza en cantidades insignificantes.

El núcleo de un átomo de hidrógeno contiene un protón. Los núcleos de deuterio y tritio incluyen, además del protón, uno y dos neutrones, respectivamente.

La molécula de hidrógeno consta de dos átomos. Aquí hay algunas propiedades que caracterizan el átomo y la molécula de hidrógeno:

Energía de ionización del átomo, eV 13,60

Afinidad de un átomo por un electrón, eV 0,75

Electronegatividad relativa 2.1

Radio de un átomo, nm 0.046

Distancia internuclear en una molécula, nm 0,0741

Etalpía estándar de disociación de moléculas en 436.1

115. Hidrógeno en la naturaleza. Obtención de hidrógeno.

El hidrógeno en estado libre se encuentra en la Tierra solo en pequeñas cantidades. A veces se libera junto con otros gases durante las erupciones volcánicas, así como de pozos durante la extracción de petróleo. Pero en forma de compuestos, el hidrógeno es muy común. Esto ya se puede ver por el hecho de que constituye una novena parte de la masa del agua. El hidrógeno es un constituyente de todos los organismos animales y vegetales, del petróleo, del carbón duro y pardo, de los gases naturales y de varios minerales. La proporción de hidrógeno de toda la masa de la corteza terrestre, incluidos el agua y el aire, representa alrededor del 1%. Sin embargo, cuando se vuelve a calcular como porcentaje del número total de átomos, el contenido de hidrógeno en la corteza terrestre es del 17%.

El hidrógeno es el elemento más abundante en el espacio. Representa aproximadamente la mitad de la masa del Sol y la mayoría de las otras estrellas. Está contenido en nebulosas gaseosas, en gas interestelar, y forma parte de las estrellas. En el interior de las estrellas, los núcleos de átomos de hidrógeno se convierten en núcleos de átomos de helio. Este proceso continúa con la liberación de energía; para muchas estrellas, incluido el Sol, sirve como fuente principal de energía. La velocidad del proceso, es decir, la cantidad de núcleos de hidrógeno que se convierten en núcleos de helio en un metro cúbico en un segundo, es pequeña. Por lo tanto, la cantidad de energía liberada por unidad de tiempo por unidad de volumen es pequeña. Sin embargo, debido a la enorme masa del Sol, la cantidad total de energía generada y emitida por el Sol es muy grande. Corresponde a una disminución de la masa del Sol de aproximadamente un segundo.

En la industria, el hidrógeno se produce principalmente a partir del gas natural. Este gas, que consiste principalmente en metano, se mezcla con vapor de agua y oxígeno. Cuando una mezcla de gases se calienta en presencia de un catalizador, se produce una reacción que puede representarse esquemáticamente mediante la ecuación:

La mezcla resultante de gases se separa. El hidrógeno se purifica y se utiliza in situ o se transporta en cilindros de acero presurizados.

Un método industrial importante para producir hidrógeno es también su aislamiento del gas de horno de coque o de los gases de refinación de petróleo. Se lleva a cabo mediante un enfriamiento profundo, en el que se licuan todos los gases, excepto el hidrógeno.

En los laboratorios, el hidrógeno se produce principalmente por electrólisis de soluciones acuosas. La concentración de estas soluciones se elige para que coincida con su máxima conductividad eléctrica. Los electrodos suelen estar hechos de chapa de níquel. Este metal no se corroe en soluciones alcalinas, aun siendo un ánodo. Si es necesario, el hidrógeno resultante se purifica a partir de vapor de agua y trazas de oxígeno. De los demás métodos de laboratorio, el método más común es la extracción de hidrógeno a partir de soluciones de ácidos sulfúrico o clorhídrico por la acción del zinc sobre ellos. La reacción generalmente se lleva a cabo en un aparato Kipp (Fig. 105).

DEFINICIÓN

Hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica. Designación - H del latín "hidrogenio". Situado en el primer periodo, grupo IA. Se refiere a los no metales. La carga nuclear es 1.

El hidrógeno es uno de los elementos químicos más comunes: su participación es de aproximadamente el 1% de la masa de las tres capas de la corteza terrestre (atmósfera, hidrosfera y litosfera), que, cuando se convierte a porcentajes atómicos, da una cifra de 17.0.

La cantidad principal de este elemento está en un estado consolidado. Por lo tanto, el agua contiene alrededor de 11 wt. %, arcilla - alrededor del 1,5%, etc. En forma de compuestos con carbono, el hidrógeno forma parte del petróleo, de los gases naturales combustibles y de todos los organismos.

El hidrógeno es un gas incoloro e inodoro (en la Fig. 1 se muestra un diagrama de la estructura del átomo). Sus puntos de fusión y ebullición son muy bajos (-259 o C y -253 o C, respectivamente). A una temperatura (-240 o C) y bajo presión, el hidrógeno es capaz de licuarse, y con la rápida evaporación del líquido resultante, se convierte en de Estado sólido(cristales transparentes). Es ligeramente soluble en agua - 2:100 por volumen. El hidrógeno se caracteriza por su solubilidad en algunos metales, por ejemplo, en el hierro.

Arroz. 1. La estructura del átomo de hidrógeno.

Peso atómico y molecular del hidrógeno.

DEFINICIÓN

Masa atómica relativa elemento es la relación entre la masa de un átomo de un elemento dado y 1/12 de la masa de un átomo de carbono.

La masa atómica relativa es adimensional y se denota por A r (el subíndice "r" es la letra inicial palabra inglesa relativo, que traducido significa "pariente"). La masa atómica relativa del hidrógeno atómico es 1,008 uma.

Las masas de las moléculas, al igual que las masas de los átomos, se expresan en unidades de masa atómica.

DEFINICIÓN

peso molecular sustancia se denomina masa de la molécula, expresada en unidades de masa atómica. Peso molecular relativo Las sustancias son la relación entre la masa de una molécula de una sustancia dada y 1/12 de la masa de un átomo de carbono, cuya masa es 12 a.m.u.

Se sabe que la molécula de hidrógeno es diatómica - H 2 . El peso molecular relativo de una molécula de hidrógeno será igual a:

Señor (H 2) \u003d 1.008 × 2 \u003d 2.016.

Isótopos de hidrógeno

El hidrógeno tiene tres isótopos: protio 1 H, deuterio 2 H o D y tritio 3 H o T. Sus números másicos son 1, 2 y 3. El protio y el deuterio son estables, el tritio es radiactivo (vida media 12,5 años). En los compuestos naturales, el deuterio y el protio están contenidos en promedio en una proporción de 1:6800 (según el número de átomos). El tritio se encuentra en la naturaleza en cantidades insignificantes.

El núcleo del átomo de hidrógeno 1 H contiene un protón. Los núcleos de deuterio y tritio incluyen, además del protón, uno y dos neutrones.

Iones de hidrógeno

Un átomo de hidrógeno puede donar su único electrón para formar un ion positivo (que es un protón "desnudo") o ganar un electrón para convertirse en un ion negativo, que tiene una configuración electrónica de helio.

El desprendimiento completo de un electrón de un átomo de hidrógeno requiere el gasto de una energía de ionización muy grande:

H + 315 kcal = H + + e.

Como resultado, en la interacción del hidrógeno con los metaloides, no surgen enlaces iónicos, sino solo polares.

La tendencia de un átomo neutro a unir un exceso de electrones se caracteriza por el valor de su afinidad electrónica. En el hidrógeno, se expresa bastante débilmente (sin embargo, esto no significa que tal ion de hidrógeno no pueda existir):

H + e \u003d H - + 19 kcal.

Átomo y molécula de hidrógeno

La molécula de hidrógeno consta de dos átomos - H 2 . Aquí hay algunas propiedades que caracterizan el átomo y la molécula de hidrógeno:

Ejemplos de resolución de problemas

EJEMPLO 1

Ejercicio	Demostrar que existen hidruros de fórmula general ENx que contienen 12,5% de hidrógeno.
Solución	Calcular las masas del hidrógeno y del elemento desconocido, tomando como masa de la muestra 100 g: m(H) = m(EN x)×w(H); m(alto) = 100 × 0,125 = 12,5 g. m (E) \u003d m (EN x) - m (H); m (E) \u003d 100 - 12.5 \u003d 87.5 g. Encontremos la cantidad de sustancia de hidrógeno y un elemento desconocido, denotando la masa molar de este último como "x" (la masa molar de hidrógeno es 1 g / mol):

El hidrógeno es un elemento químico de símbolo H y número atómico 1. Con un peso atómico estándar de aproximadamente 1,008, el hidrógeno es el elemento más ligero de la tabla periódica. Su forma monoatómica (H) es la sustancia química más abundante en el universo, representando aproximadamente el 75% de la masa total de un barión. Las estrellas están compuestas principalmente de hidrógeno en estado de plasma. El isótopo más común de hidrógeno, llamado protio (este nombre rara vez se usa, símbolo 1H), tiene un protón y ningún neutrón. La aparición generalizada del hidrógeno atómico se produjo por primera vez en la era de la recombinación. A temperaturas y presiones estándar, el hidrógeno es un gas diatómico incoloro, inodoro, insípido, no tóxico, no metálico e inflamable con la fórmula molecular H2. Debido a que el hidrógeno forma fácilmente enlaces covalentes con la mayoría de los elementos no metálicos, la mayor parte del hidrógeno en la Tierra existe en formas moleculares como el agua o los compuestos orgánicos. El hidrógeno juega un papel particularmente importante en las reacciones ácido-base porque la mayoría de las reacciones a base de ácido involucran el intercambio de protones entre moléculas solubles. En los compuestos iónicos, el hidrógeno puede tomar la forma de una carga negativa (es decir, un anión) y se conoce como hidruro, o como una especie cargada positivamente (es decir, un catión), denotada por el símbolo H+. El catión de hidrógeno se describe como formado por un protón simple, pero los cationes de hidrógeno reales en los compuestos iónicos son siempre más complejos. Como único átomo neutro para el que se puede resolver analíticamente la ecuación de Schrödinger, el hidrógeno (es decir, el estudio de la energía y la unión de su átomo) ha jugado un papel clave en el desarrollo de la mecánica cuántica. El gas hidrógeno se produjo artificialmente por primera vez a principios del siglo XVI mediante la reacción de ácidos con metales. En 1766-81. Henry Cavendish fue el primero en reconocer que el hidrógeno gaseoso es una sustancia discreta, y que produce agua cuando se quema, de ahí su nombre: hidrógeno en griego significa "productor de agua". La producción industrial de hidrógeno está asociada principalmente a la conversión en vapor del gas natural y, con menor frecuencia, a métodos más intensivos en energía como la electrólisis del agua. La mayor parte del hidrógeno se usa cerca de donde se produce, siendo los dos usos más comunes el procesamiento de combustibles fósiles (por ejemplo, hidrocraqueo) y la producción de amoníaco, principalmente para el mercado de fertilizantes. El hidrógeno es una preocupación en la metalurgia porque puede hacer quebradizos muchos metales, lo que dificulta el diseño de tuberías y tanques de almacenamiento.

Propiedades

Combustión

El hidrógeno gaseoso (dihidrógeno o hidrógeno molecular) es un gas inflamable que se quemará en el aire en un rango muy amplio de concentraciones del 4% al 75% por volumen. La entalpía de combustión es 286 kJ/mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

El gas hidrógeno forma mezclas explosivas con el aire en concentraciones de 4-74% y con cloro en concentraciones de hasta 5,95%. Las reacciones explosivas pueden ser causadas por chispas, calor o luz solar. La temperatura de autoignición del hidrógeno, la temperatura de ignición espontánea en el aire, es de 500 °C (932 °F) . Las llamas de hidrógeno-oxígeno puro emiten radiación ultravioleta y, con una mezcla alta de oxígeno, son casi invisibles a simple vista, como lo demuestra la débil columna del motor principal del transbordador espacial en comparación con la columna altamente visible del propulsor de cohete sólido del transbordador espacial, que utiliza un compuesto de perclorato de amonio. Puede ser necesario un detector de llamas para detectar una fuga de hidrógeno en llamas; tales fugas pueden ser muy peligrosas. La llama de hidrógeno en otras condiciones es azul y se asemeja a la llama azul del gas natural. El hundimiento del dirigible "Hindenburg" es un ejemplo notorio de quema de hidrógeno, y el caso aún está en discusión. La llama naranja visible en este incidente fue causada por la exposición a una mezcla de hidrógeno y oxígeno combinados con compuestos de carbono de la piel de la aeronave. El H2 reacciona con todos los elementos oxidantes. El hidrógeno puede reaccionar espontáneamente a temperatura ambiente con cloro y flúor para formar los correspondientes haluros de hidrógeno, cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno, que también son ácidos potencialmente peligrosos.

Niveles de energía de electrones

El nivel de energía del estado fundamental de un electrón en un átomo de hidrógeno es −13,6 eV, lo que equivale a un fotón ultravioleta con una longitud de onda de aproximadamente 91 nm. Los niveles de energía del hidrógeno se pueden calcular con bastante precisión utilizando el modelo de Bohr del átomo, que conceptualiza el electrón como un protón "orbital", similar a la órbita de la Tierra del Sol. Sin embargo, el electrón y el protón atómico se mantienen unidos por la fuerza electromagnética, mientras que los planetas y los objetos celestes se mantienen unidos por la gravedad. Debido a la discretización del momento angular postulado en los primeros mecánica cuántica Bohr, el electrón en el modelo de Bohr solo puede ocupar ciertas distancias permitidas del protón y, por lo tanto, solo ciertas energías permitidas. Una descripción más precisa del átomo de hidrógeno proviene de un tratamiento puramente mecánico cuántico que utiliza la ecuación de Schrödinger, la ecuación de Dirac o incluso el circuito integrado de Feynman para calcular la distribución de densidad de probabilidad de un electrón alrededor de un protón. Los métodos de procesamiento más complejos le permiten obtener pequeños efectos. teoría especial Relatividad y polarización del vacío. En el mecanizado cuántico, el electrón en el átomo de hidrógeno en estado fundamental no tiene par, lo que ilustra cómo una "órbita planetaria" difiere del movimiento de un electrón.

Formas moleculares elementales

Hay dos isómeros de espín diferentes de moléculas de hidrógeno diatómicas que difieren en el espín relativo de sus núcleos. En la forma de ortohidrógeno, los espines de los dos protones son paralelos y forman un estado de triplete con un número cuántico de espín molecular de 1 (1/2 + 1/2); en la forma de parahidrógeno, los espines son antiparalelos y forman un singlete con un número cuántico de espín molecular de 0 (1/2 1/2). A temperatura y presión estándar, el gas hidrógeno contiene alrededor del 25% de la forma para y el 75% de la forma orto, también conocida como la "forma normal". La relación de equilibrio de ortohidrógeno a parahidrógeno depende de la temperatura, pero debido a que la forma orto está en un estado excitado y tiene una energía más alta que la forma para, es inestable y no se puede purificar. A temperaturas muy bajas, el estado de equilibrio consiste casi exclusivamente en la forma para. Propiedades termales Las fases líquida y gaseosa del parahidrógeno puro difieren significativamente de las propiedades de la forma normal debido a las diferencias en las capacidades caloríficas de rotación, que se analizan con más detalle en los isómeros de espín del hidrógeno. La diferencia orto/par también ocurre en otras moléculas que contienen hidrógeno o grupos funcionales como el agua y el metileno, pero esto tiene poca importancia para sus propiedades térmicas. La interconversión no catalizada entre para y orto H2 aumenta al aumentar la temperatura; por lo tanto, el H2 rápidamente condensado contiene grandes cantidades forma ortogonal de alta energía, que se convierte muy lentamente a la forma para. La relación orto/para en H2 condensado es un factor importante en la preparación y almacenamiento de hidrógeno líquido: la conversión de orto a para es exotérmica y proporciona suficiente calor para vaporizar parte del hidrógeno líquido, lo que resulta en la pérdida de material licuado. Catalizadores para conversión orto-para tales como óxido de hierro, Carbón activado En el enfriamiento con hidrógeno se utilizan amianto platinado, metales de tierras raras, compuestos de uranio, óxido de cromo o algunos compuestos de níquel.

Etapas

Gas de hidrogeno

hidrógeno líquido

hidrógeno de lodo

hidrógeno sólido

hidrógeno metálico

Conexiones

Compuestos orgánicos y covalentes

Si bien el H2 no es muy reactivo en condiciones estándar, forma compuestos con la mayoría de los elementos. El hidrógeno puede formar compuestos con elementos que son más electronegativos, como los halógenos (por ejemplo, F, Cl, Br, I) o el oxígeno; en estos compuestos, el hidrógeno adquiere una carga positiva parcial. Cuando se une al flúor, oxígeno o nitrógeno, el hidrógeno puede participar en forma de un enlace no covalente de fuerza media con el hidrógeno de otras moléculas similares, un fenómeno llamado enlace de hidrógeno, que es fundamental para la estabilidad de muchas moléculas biológicas. El hidrógeno también forma compuestos con elementos menos electronegativos, como metales y metaloides, donde adquiere una carga negativa parcial. Estos compuestos a menudo se conocen como hidruros. El hidrógeno forma una amplia variedad de compuestos con el carbono, llamados hidrocarburos, y una variedad aún mayor de compuestos con heteroátomos, que, por su común asociación con los seres vivos, se denominan compuestos orgánicos. El estudio de sus propiedades es química Orgánica, y su estudio en el contexto de los organismos vivos se conoce como bioquímica. Según algunas definiciones, los compuestos "orgánicos" deben contener solo carbono. Sin embargo, la mayoría también contiene hidrógeno, y dado que es el enlace carbono-hidrógeno el que le da a esta clase de compuestos muchas de sus características químicas específicas, se requieren enlaces carbono-hidrógeno en algunas definiciones de la palabra "orgánico" en química. Se conocen millones de hidrocarburos, y generalmente se forman por vías sintéticas complejas que rara vez involucran hidrógeno elemental.

hidruros

Los compuestos de hidrógeno a menudo se llaman hidruros. El término "hidruro" sugiere que el átomo de H ha adquirido un carácter negativo o aniónico, denominado H-, y se usa cuando el hidrógeno forma un compuesto con un elemento más electropositivo. La existencia de un anión hidruro, propuesto por Gilbert N. Lewis en 1916 para los hidruros que contienen sales de los grupos 1 y 2, fue demostrada por Moers en 1920 mediante electrólisis de hidruro de litio fundido (LiH), produciendo una cantidad estequiométrica de hidrógeno por ánodo. Para los hidruros distintos de los metales del grupo 1 y 2, el término es engañoso dada la baja electronegatividad del hidrógeno. Una excepción en los hidruros del grupo 2 es BeH2, que es polimérico. En el hidruro de litio y aluminio, el anión AlH-4 lleva centros de hidruro firmemente unidos al Al(III). Aunque se pueden formar hidruros en casi todos los elementos del grupo principal, el número y combinación de posibles compuestos varía mucho; por ejemplo, se conocen más de 100 hidruros de borano binarios y solo un hidruro de aluminio binario. Aún no se ha identificado el hidruro de indio binario, aunque existen grandes complejos. En química inorgánica, los hidruros también pueden servir como ligandos puente que unen dos centros metálicos en un complejo de coordinación. Esta función es especialmente característica de los elementos del grupo 13, especialmente en los boranos (hidruros de boro) y complejos de aluminio, así como en los carboranos agrupados.

Protones y ácidos

La oxidación del hidrógeno elimina su electrón y da H+, que no contiene electrones ni núcleo, que generalmente consta de un solo protón. Esta es la razón por la cual el H+ a menudo se denomina protón. Este punto de vista es fundamental para la discusión de los ácidos. Según la teoría de Bronsted-Lowry, los ácidos son donantes de protones y las bases son aceptores de protones. El protón desnudo, H+, no puede existir en solución o en cristales iónicos debido a su atracción irresistible hacia otros átomos o moléculas con electrones. Excepto por las altas temperaturas asociadas con los plasmas, estos protones no pueden eliminarse de las nubes de electrones de los átomos y las moléculas y permanecerán adheridos a ellas. Sin embargo, el término "protón" a veces se usa metafóricamente para referirse al hidrógeno cargado positivamente o catiónico unido a otras especies de esta manera, y como tal se designa como "H+" sin ningún significado de que los protones individuales existan libremente como especie. Para evitar la aparición de un "protón solvatado" desnudo en solución, a veces se cree que las soluciones acuosas ácidas contienen una especie ficticia menos improbable llamada "ion hidronio" (H 3 O+). Sin embargo, incluso en este caso, tales cationes de hidrógeno solvatados se perciben de manera más realista como grupos organizados que forman especies cercanas a H 9O+4. Otros iones de oxonio se encuentran cuando el agua está en una solución ácida con otros solventes. A pesar de ser exótico en la Tierra, uno de los iones más comunes en el universo es el H+3, conocido como hidrógeno molecular protonado o catión trihidrógeno.

isótopos

El hidrógeno tiene tres isótopos naturales, designados 1H, 2H y 3H. Otros núcleos altamente inestables (4H a 7H) se han sintetizado en el laboratorio pero no se han observado en la naturaleza. 1H es el isótopo más común de hidrógeno, con una abundancia de más del 99,98%. Dado que el núcleo de este isótopo consta de un solo protón, se le da el nombre formal descriptivo pero raramente utilizado protium. El 2H, el otro isótopo estable del hidrógeno, se conoce como deuterio y contiene un protón y un neutrón en el núcleo. Se cree que todo el deuterio del universo se produjo durante el Big Bang y ha existido desde entonces hasta ahora. El deuterio no es un elemento radiactivo y no presenta un peligro de toxicidad significativo. El agua enriquecida en moléculas que incluyen deuterio en lugar de hidrógeno normal se denomina agua pesada. El deuterio y sus compuestos se utilizan como marcador no radiactivo en experimentos químicos y en disolventes para la espectroscopia 1H-NMR. El agua pesada se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante para reactores nucleares. El deuterio también es un combustible potencial para la fusión nuclear comercial. El 3H se conoce como tritio y contiene un protón y dos neutrones en el núcleo. Es radiactivo y se descompone en helio-3 a través de la desintegración beta con una vida media de 12,32 años. Es tan radiactivo que puede usarse en pintura luminosa, lo que lo hace útil para fabricar relojes con esferas luminosas, por ejemplo. El vidrio evita que se escape una pequeña cantidad de radiación. Una pequeña cantidad de tritio se produce naturalmente por la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos; también se liberó tritio durante las pruebas armas nucleares. Se utiliza en reacciones de fusión nuclear como indicador de la geoquímica de isótopos y en dispositivos de iluminación autoalimentados especializados. El tritio también se ha utilizado en experimentos de etiquetado químico y biológico como marcador radiactivo. El hidrógeno es el único elemento que tiene diferentes nombres para sus isótopos que son de uso común en la actualidad. Durante el estudio inicial de la radiactividad, se dieron varios isótopos radiactivos pesados nombres propios, pero tales nombres ya no se usan, con la excepción de deuterio y tritio. Los símbolos D y T (en lugar de 2H y 3H) a veces se usan para el deuterio y el tritio, pero el símbolo correspondiente para el protio P ya se usa para el fósforo y, por lo tanto, no está disponible para el protio. En sus pautas de nomenclatura, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada permite el uso de cualquiera de los símbolos de D, T, 2H y 3H, aunque se prefieren 2H y 3H. El átomo exótico muonio (símbolo Mu), que consta de un antimuón y un electrón, también se considera a veces un radioisótopo ligero de hidrógeno debido a la diferencia de masa entre el antimuón y el electrón, que se descubrió en 1960. Durante la vida útil del muón, 2,2 μs, el muonio puede entrar en compuestos como el cloruro de muonio (MuCl) o el muonuro de sodio (NaMu), de manera similar al cloruro de hidrógeno y al hidruro de sodio, respectivamente.

Historia

Descubrimiento y uso

En 1671, Robert Boyle descubrió y describió la reacción entre las limaduras de hierro y los ácidos diluidos que da como resultado gas hidrógeno. En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el gas de hidrógeno como una sustancia discreta, nombrándolo "aire inflamable" debido a la reacción metal-ácido. Sugirió que el "aire inflamable" era de hecho idéntico a una sustancia hipotética llamada "flogisto" y descubrió nuevamente en 1781 que el gas producía agua cuando se quemaba. Se cree que fue él quien descubrió el hidrógeno como elemento. En 1783, Antoine Lavoisier le dio al elemento el nombre de hidrógeno (del griego ὑδρο-hydro que significa "agua" y -γενής genes que significa "creador") cuando él y Laplace reprodujeron los datos de Cavendish de que se formaba agua cuando se quemaba hidrógeno. Lavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos de conservación de la masa haciendo reaccionar una corriente de vapor con hierro metálico a través de una lámpara incandescente calentada al fuego. La oxidación anaeróbica del hierro por protones de agua a alta temperatura se puede representar esquemáticamente mediante un 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, como el circonio, experimentan una reacción similar con el agua para producir hidrógeno. El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898 usando refrigeración regenerativa y su invento, el frasco de vacío. Al año siguiente, produjo hidrógeno sólido. El deuterio fue descubierto en diciembre de 1931 por Harold Uray y el tritio fue preparado en 1934 por Ernest Rutherford, Mark Oliphant y Paul Harteck. El agua pesada, que se compone de deuterio en lugar de hidrógeno ordinario, fue descubierta por el grupo de Yurey en 1932. François Isaac de Rivaz construyó el primer motor Rivaz, el motor Combustión interna, propulsado por hidrógeno y oxígeno, en 1806. Edward Daniel Clark inventó el tubo de gas hidrógeno en 1819. El acero de Döbereiner (el primer encendedor completo) se inventó en 1823. El primer globo de hidrógeno fue inventado por Jacques Charles en 1783. El hidrógeno proporcionó el surgimiento de la primera forma confiable de tráfico aéreo después de la invención de Henri Giffard en 1852 de la primera aeronave impulsada por hidrógeno. El conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de aeronaves rígidas levantadas en el aire por hidrógeno, que luego se llamaron Zeppelins; el primero de ellos voló por primera vez en 1900. Los vuelos regulares comenzaron en 1910 y al comienzo de la Primera Guerra Mundial en agosto de 1914 habían transportado 35.000 pasajeros sin mayores incidentes. Durante la guerra, los dirigibles de hidrógeno se utilizaron como plataformas de observación y bombarderos. El primer vuelo transatlántico sin escalas lo realizó el dirigible británico R34 en 1919. El servicio regular de pasajeros se reanudó en la década de 1920 y se suponía que el descubrimiento de reservas de helio en los Estados Unidos mejoraría la seguridad de la aviación, pero el gobierno de los EE. UU. se negó a vender gas para este propósito, por lo que se utilizó H2 en el dirigible Hindenburg, que fue destruido en el Incendio de Milán en Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937. El incidente fue transmitido en vivo por radio y grabado en video. Se asumió ampliamente que la causa de la ignición fue una fuga de hidrógeno, sin embargo, investigaciones posteriores indican que el revestimiento de tela aluminizado se incendió por la electricidad estática. Pero en ese momento, la reputación del hidrógeno como gas elevador ya se había dañado. Ese mismo año, el primer turbogenerador enfriado por hidrógeno con gas hidrógeno como refrigerante en el rotor y el estator entró en funcionamiento en 1937 en Dayton, Ohio, por Dayton Power & Light Co; debido a la conductividad térmica del gas hidrógeno, es el gas más común para usar en este campo en la actualidad. La batería de níquel-hidrógeno se utilizó por primera vez en 1977 a bordo del US Navigation Technology Satellite 2 (NTS-2). La ISS, Mars Odyssey y Mars Global Surveyor están equipadas con baterías de níquel-hidrógeno. En la parte oscura de su órbita, el telescopio espacial Hubble también funciona con baterías de níquel-hidrógeno, que finalmente fueron reemplazadas en mayo de 2009, más de 19 años después del lanzamiento y 13 años después de su diseño.

Papel en la teoría cuántica

Debido a su estructura atómica simple de solo un protón y un electrón, el átomo de hidrógeno, junto con el espectro de luz creado o absorbido por él, ha sido fundamental para el desarrollo de la teoría de la estructura atómica. Además, el estudio de la simplicidad correspondiente de la molécula de hidrógeno y el catión H+2 correspondiente condujo a una comprensión de la naturaleza del enlace químico, que pronto siguió al tratamiento físico del átomo de hidrógeno en la mecánica cuántica a mediados de 2020. Uno de los primeros efectos cuánticos que se observó claramente (pero que no se entendió en ese momento) fue la observación de Maxwell sobre el hidrógeno medio siglo antes de que existiera una teoría mecánica cuántica completa. Maxwell señaló que calor especifico El H2 sale irreversiblemente del gas diatómico por debajo de la temperatura ambiente y comienza a parecerse cada vez más a la capacidad calorífica específica del gas monoatómico a temperaturas criogénicas. De acuerdo a Teoría cuántica, este comportamiento surge del espaciamiento de los niveles de energía rotacional (cuantificados), que están especialmente espaciados en H2 debido a su baja masa. Estos niveles ampliamente espaciados impiden una división equitativa de la energía térmica en movimiento de rotación en el hidrógeno a bajas temperaturas. Los gases de diatomeas, que están compuestos por átomos más pesados, no tienen niveles tan espaciados y no exhiben el mismo efecto. El antihidrógeno es el análogo antimaterial del hidrógeno. Consiste en un antiprotón con un positrón. El antihidrógeno es el único tipo de átomo de antimateria que se ha obtenido a partir de 2015.

estar en la naturaleza

El hidrógeno es el elemento químico más abundante en el universo, constituye el 75% de la materia normal en masa y más del 90% en número de átomos. (Sin embargo, la mayor parte de la masa del universo no tiene la forma de este elemento químico, pero se cree que tiene formas de masa aún no descubiertas, como materia oscura y energía oscura). Este elemento se encuentra en gran abundancia en estrellas y gigantes gaseosos. Las nubes moleculares H2 están asociadas con la formación de estrellas. El hidrógeno juega un papel vital en la activación de estrellas a través de la reacción protón-protón y la fusión nuclear del ciclo CNO. En todo el mundo, el hidrógeno se presenta principalmente en estados atómicos y de plasma con propiedades muy diferentes a las del hidrógeno molecular. Como plasma, el electrón y el protón del hidrógeno no están unidos entre sí, lo que da como resultado una conductividad eléctrica muy alta y una emisividad alta (generando luz del Sol y otras estrellas). Las partículas cargadas se ven fuertemente afectadas por campos magnéticos y eléctricos. Por ejemplo, en el viento solar, interactúan con la magnetosfera de la Tierra, creando corrientes de Birkeland y la aurora. El hidrógeno se encuentra en un estado atómico neutral en el medio interestelar. Se cree que la gran cantidad de hidrógeno neutro que se encuentra en los sistemas Liman-alfa evanescentes domina la densidad bariónica cosmológica del Universo hasta el corrimiento al rojo z = 4. En condiciones normales en la Tierra, el hidrógeno elemental existe como un gas diatómico, H2. Sin embargo, el hidrógeno gaseoso es muy raro en la atmósfera terrestre (1 ppm por volumen) debido a su peso ligero, lo que le permite vencer la gravedad de la Tierra más fácilmente que los gases más pesados. Sin embargo, el hidrógeno es el tercer elemento más abundante en la superficie terrestre y existe principalmente en forma de compuestos químicos como los hidrocarburos y el agua. El gas hidrógeno es producido por algunas bacterias y algas y es un componente natural de la flauta, al igual que el metano, que es una fuente de hidrógeno cada vez más importante. Una forma molecular llamada hidrógeno molecular protonado (H+3) se encuentra en el medio interestelar, donde se genera por la ionización del hidrógeno molecular de los rayos cósmicos. Este ion cargado también se ha observado en la atmósfera superior del planeta Júpiter. El ion es relativamente estable en ambiente debido a la baja temperatura y densidad. H+3 es uno de los iones más abundantes en el universo y juega un papel destacado en la química del medio interestelar. El hidrógeno triatómico neutro H3 solo puede existir en forma excitada y es inestable. En contraste, el ion de hidrógeno molecular positivo (H+2) es una molécula rara en el universo.

Producción de hidrógeno

El H2 se produce en laboratorios químicos y biológicos, a menudo como subproducto de otras reacciones; en la industria para la hidrogenación de sustratos insaturados; y en la naturaleza como un medio para desplazar equivalentes reductores en reacciones bioquímicas.

Reformado con vapor

El hidrógeno se puede producir de varias formas, pero desde el punto de vista económico, los procesos más importantes implican la eliminación del hidrógeno de los hidrocarburos, ya que aproximadamente el 95 % de la producción de hidrógeno en 2000 provino del reformado con vapor. Comercialmente, se suelen producir grandes volúmenes de hidrógeno mediante reformado con vapor de gas natural. A altas temperaturas(1000-1400 K, 700-1100 °C o 1300-2000 °F) vapor (vapor) reacciona con metano para producir monóxido de carbono y H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Esta reacción funciona mejor a bajas presiones, pero aún puede llevarse a cabo a altas presiones (2,0 MPa, 20 atm o 600 pulgadas de mercurio). Esto se debe a que el H2 a alta presión es el producto más popular y los sistemas de limpieza presurizados con sobrecalentamiento funcionan mejor a presiones más altas. La mezcla de productos se conoce como "gas de síntesis" porque a menudo se usa directamente para producir metanol y compuestos relacionados. Los hidrocarburos distintos del metano se pueden utilizar para producir gas de síntesis con diversas proporciones de productos. Una de las muchas complicaciones de esta tecnología altamente optimizada es la formación de coque o carbón:

CH4 → C + 2 H2

Por lo tanto, el reformado con vapor suele utilizar un exceso de H2O. Se puede recuperar hidrógeno adicional del vapor usando monóxido de carbono a través de una reacción de cambio de gas de agua, especialmente usando un catalizador de óxido de hierro. Esta reacción también es una fuente industrial común de dióxido de carbono:

CO + H2O → CO2 + H2

Otros métodos importantes para el H2 incluyen la oxidación parcial de hidrocarburos:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Y la reacción del carbón, que puede servir como preludio de la reacción de desplazamiento descrita anteriormente:

C + H2O → CO + H2

A veces, el hidrógeno se produce y consume en el mismo proceso industrial, sin separación. En el proceso Haber para la producción de amoniaco se genera hidrógeno a partir de gas natural. La electrólisis de la solución salina para producir cloro también produce hidrógeno como subproducto.

ácido metálico

En el laboratorio, el H2 generalmente se produce haciendo reaccionar ácidos no oxidantes diluidos con ciertos metales reactivos como el zinc con un aparato Kipp.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

El aluminio también puede producir H2 cuando se trata con bases:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

La electrólisis del agua es una forma sencilla de producir hidrógeno. Una corriente de bajo voltaje fluye a través del agua y se genera oxígeno gaseoso en el ánodo, mientras que hidrógeno gaseoso se genera en el cátodo. Por lo general, el cátodo está hecho de platino u otro metal inerte en la producción de hidrógeno para almacenamiento. Sin embargo, si el gas se va a quemar in situ, es deseable la presencia de oxígeno para promover la combustión y, por lo tanto, ambos electrodos estarán hechos de metales inertes. (Por ejemplo, el hierro se oxida y por lo tanto reduce la cantidad de oxígeno liberado). La eficiencia máxima teórica (electricidad utilizada en relación con el valor energético del hidrógeno producido) está en el rango de 80-94%.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Se puede utilizar una aleación de aluminio y galio en forma de gránulos añadidos al agua para producir hidrógeno. Este proceso también produce alúmina, pero el costoso galio, que evita que se forme una capa de óxido en los gránulos, se puede reutilizar. Esto tiene importantes implicaciones potenciales para la economía del hidrógeno, ya que el hidrógeno se puede producir localmente y no es necesario transportarlo.

Propiedades termoquímicas

Hay más de 200 ciclos termoquímicos que se pueden usar para separar el agua, alrededor de una docena de estos ciclos, como el ciclo del óxido de hierro, el ciclo del óxido de cerio (IV), el ciclo del óxido de cerio (III), el ciclo del óxido de zinc-zinc El ciclo de yodo de azufre, el ciclo de cobre y el ciclo híbrido de cloro y azufre están bajo investigación y pruebas para producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua y calor sin el uso de electricidad. Varios laboratorios (incluidos los de Francia, Alemania, Grecia, Japón y EE. UU.) están desarrollando métodos termoquímicos para producir hidrógeno a partir de energía solar y agua.

Corrosión anaeróbica

En condiciones anaeróbicas, las aleaciones de hierro y acero se oxidan lentamente por protones de agua mientras se reducen en hidrógeno molecular (H2). La corrosión anaeróbica del hierro conduce primero a la formación de hidróxido de hierro (óxido verde) y puede describirse mediante la siguiente reacción: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. A su vez, en condiciones anaeróbicas, el hidróxido de hierro (Fe (OH) 2) puede ser oxidado por protones de agua para formar magnetita e hidrógeno molecular. Este proceso se describe mediante la reacción de Shikorra: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 hidróxido de hierro → magnesio + agua + hidrógeno. La magnetita bien cristalizada (Fe3O4) es termodinámicamente más estable que el hidróxido de hierro (Fe(OH)2). Este proceso ocurre durante la corrosión anaeróbica del hierro y el acero en condiciones anóxicas. agua subterránea y al restaurar suelos por debajo del nivel freático.

Origen geológico: reacción de serpentinización

En ausencia de oxígeno (O2) en profundidad condiciones geologicas, que prevalece lejos de la atmósfera terrestre, el hidrógeno (H2) se forma en el proceso de serpentinización por oxidación anaeróbica por protones de agua (H+) de silicato de hierro (Fe2 +) presentes en la red cristalina de fayalita (Fe2SiO4, olivino-hierro terminal) . La reacción correspondiente conduce a la formación de magnetita (Fe3O4), cuarzo (SiO2) e hidrógeno (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalita + agua → magnetita + cuarzo + hidrógeno. Esta reacción se parece mucho a la reacción de Shikorra observada en la oxidación anaeróbica del hidróxido de hierro en contacto con el agua.

Formación en transformadores

De todos los gases peligrosos que se producen en los transformadores de potencia, el hidrógeno es el más común y se genera en la mayoría de las fallas; por lo tanto, la formación de hidrógeno es una señal temprana de problemas graves en el ciclo de vida de un transformador.

Aplicaciones

Consumo en varios procesos

Se necesitan grandes cantidades de H2 en las industrias petrolera y química. El mayor uso de H2 es para el procesamiento ("mejora") de combustibles fósiles y para la producción de amoníaco. En plantas petroquímicas, el H2 se utiliza en hidrodesalquilación, hidrodesulfuración e hidrocraqueo. H2 tiene varios otros usos importantes. El H2 se utiliza como agente hidrogenante, en particular para aumentar el nivel de saturación de grasas y aceites insaturados (que se encuentran en productos como la margarina) y en la producción de metanol. También es una fuente de hidrógeno en la producción de ácido clorhídrico. El H2 también se utiliza como agente reductor para minerales metálicos. El hidrógeno es altamente soluble en muchas tierras raras y metales de transición y es soluble tanto en metales nanocristalinos como amorfos. La solubilidad del hidrógeno en los metales depende de distorsiones o impurezas locales en la red cristalina. Esto puede ser útil cuando el hidrógeno se purifica al pasar por discos de paladio calientes, pero la alta solubilidad del gas es un problema metalúrgico que fragiliza muchos metales, lo que dificulta el diseño de tuberías y tanques de almacenamiento. Además de usarse como reactivo, el H2 tiene una amplia gama de aplicaciones en física e ingeniería. Se utiliza como gas de protección en métodos de soldadura como la soldadura con hidrógeno atómico. El H2 se utiliza como refrigerante de rotor en generadores eléctricos en centrales eléctricas porque tiene la conductividad térmica más alta de todos los gases. El H2 líquido se utiliza en la investigación criogénica, incluida la investigación sobre la superconductividad. Debido a que el H2 es más liviano que el aire, con un poco más de 1/14 de la densidad del aire, alguna vez fue ampliamente utilizado como gas de elevación en globos y aeronaves. En aplicaciones más nuevas, el hidrógeno se usa solo o mezclado con nitrógeno (a veces llamado gas formador) como gas trazador para la detección instantánea de fugas. El hidrógeno se utiliza en las industrias automotriz, química, energética, aeroespacial y de telecomunicaciones. El hidrógeno es un aditivo alimentario permitido (E 949) que permite la prueba de fugas de alimentos, entre otras propiedades antioxidantes. Los isótopos raros de hidrógeno también tienen usos específicos. El deuterio (hidrógeno-2) se utiliza en aplicaciones de fisión nuclear como moderador de neutrones lentos y en reacciones de fusión nuclear. Los compuestos de deuterio se utilizan en el campo de la química y la biología en el estudio de los efectos isotópicos de la reacción. El tritio (hidrógeno-3), producido en reactores nucleares, se utiliza en la fabricación de bombas de hidrógeno, como marcador isotópico en las ciencias biológicas y como fuente de radiación en pinturas luminosas. La temperatura del punto triple del hidrógeno en equilibrio es el punto fijo definitorio en la escala de temperatura ITS-90 a 13,8033 Kelvin.

Medio de refrigeración

El hidrógeno se usa comúnmente en centrales eléctricas como refrigerante en generadores debido a una serie de propiedades favorables que son el resultado directo de sus moléculas diatómicas ligeras. Estos incluyen baja densidad, baja viscosidad y la mayor capacidad de calor específico y conductividad térmica de cualquier gas.

Portador de energía

El hidrógeno no es un recurso energético, excepto en el contexto hipotético de plantas de energía de fusión comercial que utilizan deuterio o tritio, una tecnología que actualmente está lejos de estar madura. La energía del Sol proviene de la fusión nuclear del hidrógeno, pero este proceso es difícil de lograr en la Tierra. El hidrógeno elemental de fuentes solares, biológicas o eléctricas requiere más energía para producirlo que para quemarlo, por lo que en estos casos el hidrógeno funciona como un portador de energía, similar a una batería. El hidrógeno se puede obtener de fuentes fósiles (como el metano), pero estas fuentes son agotables. La densidad de energía por unidad de volumen tanto del hidrógeno líquido como del hidrógeno gaseoso comprimido a cualquier presión prácticamente alcanzable es significativamente menor que las fuentes de energía convencionales, aunque la densidad de energía por unidad de masa de combustible es mayor. Sin embargo, el hidrógeno elemental ha sido ampliamente discutido en el contexto energético como un posible portador de energía para toda la economía en el futuro. Por ejemplo, el secuestro de CO2 seguido de la captura y almacenamiento de carbono podría realizarse en el punto de producción de H2 a partir de combustibles fósiles. El hidrógeno utilizado en el transporte se quemará de forma relativamente limpia, con algunas emisiones de NOx pero sin emisiones de carbono. Sin embargo, el costo de infraestructura asociado con una conversión total a una economía de hidrógeno será significativo. Las celdas de combustible pueden convertir el hidrógeno y el oxígeno directamente en electricidad de manera más eficiente que los motores de combustión interna.

la industria de semiconductores

El hidrógeno se utiliza para saturar los enlaces colgantes de silicio amorfo y carbono amorfo, lo que ayuda a estabilizar las propiedades del material. También es un posible donante de electrones en varios materiales de óxido, incluidos ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 y SrZrO3.

reacciones biológicas

El H2 es un producto de algún metabolismo anaeróbico y es producido por varios microorganismos, generalmente a través de reacciones catalizadas por enzimas que contienen hierro o níquel llamadas hidrogenasas. Estas enzimas catalizan una reacción redox reversible entre el H2 y sus componentes de dos protones y dos electrones. La creación de hidrógeno gaseoso ocurre mediante la transferencia de equivalentes reductores producidos por la fermentación del piruvato al agua. El ciclo natural de producción y consumo de hidrógeno por parte de los organismos se denomina ciclo del hidrógeno. La división del agua, el proceso por el cual el agua se descompone en sus protones, electrones y oxígeno constituyentes, ocurre en reacciones de luz en todos los organismos fotosintéticos. Algunos de estos organismos, incluidas las algas Chlamydomonas Reinhardtii y las cianobacterias, han desarrollado una segunda etapa en reacciones oscuras en las que los protones y electrones se reducen para formar gas H2 mediante hidrogenasas especializadas en el cloroplasto. Se han realizado intentos para modificar genéticamente las hidrasas de cianobacterias para sintetizar eficientemente gas H2 incluso en presencia de oxígeno. También se han realizado esfuerzos utilizando algas modificadas genéticamente en un biorreactor.