1 HISTORIA DE SU DESCUBRIMIENTO La primera referencia histórica escrita acerca del hidrógeno procede de Paracelso, célebre alquimista, quien en el s. XVI observó un aire (que se desprendía al hacer reaccionar un ácido sobre hierro) el cual era inflamable. Robert Boyle (1627-1691), químico y físico inglés, publicó en 1671 un trabajo en el cual describía la reacción entre el hierro y algunos ácidos diluidos dando lugar a lo que definió como inflammable solution of Mars. Henry Cavendish (1731-1810), otro físico y químico inglés, lo aisló, recogiéndolo sobre mercurio, por primera vez en 1766. Lo describió como un inflammable air from metals. Fue Lavoisier quien, finalmente, bautizó a este elemento con el nombre hidro-geno, debido a una de sus reacciones mas características: arde en presencia de oxígeno para formar agua. 2
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7 COMPORTAMIENTO QUÍMICO DEL HIDRÓGENO 1.- la pérdida de su único electrón (originando la especie H3O+) 2.- la ganancia de otro electrón, completando así su única capa (originando el anión hidruro, H-), o 3.- compartir dicho electrón con otro átomo al que se uniría mediante un enlace covalente más o menos polar. Pero la versatilidad del hidrógeno es mucho mayor puesto que además de lo dicho puede: 4.- participar en enlaces formados por dos electrones y que implica a tres centros. Es la situación típica de los hidruros de B, Al y Be, y normalmente se asocia a compuestos denominados genéricamente deficientes en electrones. 5.- formar hidruros intersticiales con metales de transición en los que el enlace con los átomos metálicos no está en modo alguno claro. 6.- cuando se enlaza con los átomos más electronegativos (F, O y N), exhibe una inusual fuerza atractiva: el enlace por puente de H. 8
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13 EL ENLACE DE HIDRÓGENO Cuando se representan los puntos de ebullición (o fusión) de los hidruros del bloque p, se observa una llamativa irregularidad. Los hidruros formados por los elementos cabeza de los grupos 15, 16 y 17 presentan unos puntos de ebullición muy por encima de lo esperable 14
Este comportamiento indica que las fuerzas que mantienen cohesionadas las moléculas de estos compuestos son mayores que las atracciones de van de Waals y dipolo-dipolo esperables en moléculas apolares. Esta fuerza cohesiva adicional se atribuye a la existencia del denominado enlace de hidrógeno. Tal enlace sólo se pone de manifiesto cuando el H se enlaza con los elementos más electronegativos como el N, O o F. Podemos concluir, por tanto que el enlace de hidrógeno es una interacción entre el hidrógeno unido a un átomo electronegativo que posea al menos un par de electrones solitarios. Dicha interacción es máxima cuando son los átomos de F, O o N los implicados en el mismo. 15 EL ENLACE DE HIDRÓGENO El hidrógeno que forma este puente se encuentra casi siempre en la línea recta que une los otros dos átomos implicados en el enlace. Esta línea imaginaria apuntaría hacia la región donde se sitúan los pares solitarios del átomo no enlazado covalentemente para favorecer el solapamiento entre los orbitales implicados: Normalmente el H no se sitúa de forma equidistante entre las dos átomos a los cuales se enlaza covalentemente y por puente de H. Sin embargo, en la especie [FHF]-, el hidrógeno se sitúa en un punto equidistante de los dos F (d(f F)=2.26Å, sensiblemente menor que la suma de los radios de van der Waals del átomo de F = 2*1.35Å)) 16
Algunas manifestaciones del enlace por puentes de hidrógeno: 1.- Anormalmente altas propiedades macroscópicas como densidad, viscosidad, presión de vapor y carácter ácido-base. 2.- Anormalmente altos puntos de fusión y ebullición. 3.- Pesos moleculares inesperadamente elevados para especies que contienen hidrógeno se deben en ocasiones a fuertes dimerizaciones como le ocurre a muchos ácidos carboxílicos disueltos en disolventes apolares o en fase vapor. 4.- Las frecuencias IR de enlaces O H y N H bajan debido a que, de algún modo, la libertad del hidrógeno se reduce al estar implicado en el enlace (vibra mas despacio debido a que esta únido a una segunda especie). Por ejemplo la frecuencia de vibracion O-H del H2O en estado vapor es 3756 cm-1 mientras que se reduce a 3453 cm-1 en hielo. Las bandas de absorción se ensanchan. 17 Importancia del enlace por puentes de hidrógeno: Es evidente, a la luz de la tendencia general mostrada, que si tal enlace no existiera, el punto de fusión del agua se situaría en torno a -70/-80ºC. En tales condiciones la vida, tal y conforme la conocemos en la actualidad, no podría haberse desarrollado ni evolucionado. Por otra parte, el enlace de hidrógeno es extraordinariamente direccional de tal modo que impone una disposición lineal de los tres átomos implicados en el enlace. Esto implica que en el hielo, las moléculas de agua están dispuestas en una estructura mucho más abierta de lo que cabría esperar si su disposición cristalina solo dependiera del criterio de máximo empaquetamiento. La consecuencia macroscópica de esta peculiaridad es que el hielo es menos denso que el agua lo que permite que flote sobre ella, lo que también tiene evidentes consecuencia en el desarrollo y evolución de la vida en el planeta. 18
Otra consecuencia directa del enlace de hidrógeno es la elevada conductividad eléctrica que muestran soluciones de H3O+ o OH-. La conductividad iónica es una medida de la velocidad a la que los iones se mueven a través de la disolución. En este caso, dicha conductividad está favorecida por la estructura que, aún en estado líquido, logran mantener los puentes de H. 19 Fluoruro de hidrógeno La estructura del HF(s) consiste en una cadena polimérica en zig-zag. No está clara la razón por la cual el enlace H F H es de 120º, muy diferente del esperable de 180º si la estructura estuviera dominada por un alineamiento electrostático de las muy polares moléculas de HF. En cualquier caso es claro el predominio de la predisposición a que el H mantenga un entorno lineal que una de las características fundamentales de este enlace. 20
21 Producción metales Metanol/combustibles Margarina Fertilizantes plasticos 22
23 ASPECTOS BIOLÓGICOS DEL HIDRÓGENO El hidrógeno es un elemento esencial para los organismos vivos; forma parte de todos los compuestos bioquímicos, juega un papel muy importante en muchas reacciones bioquímicas y además: 24