Lugar en el sistema de las ciencias químicas
El estudio del hidrógeno abre el curso de química inorgánica, una rama que investiga todos los elementos químicos y sus compuestos. La excepción es la química orgánica, que se destaca como un área separada y examina sustancias con enlaces C–C y C–H. Dicha separación se debe a la enorme variedad de moléculas orgánicas, sus propiedades físico-químicas especiales y su papel biológico fundamental.
Históricamente (a principios del siglo XIX), la división entre química orgánica e inorgánica parecía estrictamente justificada:
- Las sustancias inorgánicas se consideraban predominantemente sólidas, refractarias e incombustibles. En ellas son típicas las estructuras iónicas y de red.
- Los compuestos orgánicos se describían como sustancias gaseosas o líquidas, térmicamente inestables, fácilmente combustibles y con estructura molecular.
Hoy en día esta división se considera convencional. Los límites entre las secciones se han difuminado: se han descubierto numerosas sustancias inorgánicas con estructura molecular y sustancias orgánicas con estructura iónica. Además, cualquier elemento químico puede formar enlaces con el carbono, dando lugar a una amplia clase de compuestos organometálicos y organometaloides.
Abundancia en la naturaleza
El hidrógeno es un elemento químico primario, tanto por su origen tras el Big Bang como por su posición en la tabla de D. I. Mendeléyev.
- En el Universo, es el indiscutible líder absoluto. En cuanto al número de átomos, representa alrededor del 90% (otro 10% corresponde al helio y solo el 1% a todos los demás elementos). En masa, el hidrógeno ocupa aproximadamente el 70% de la materia cósmica.
- En la Tierra, la situación es diferente. Durante la formación del planeta, al comprimirse y condensarse la nube de gas y polvo original, los gases ligeros se perdieron en gran medida. Por lo tanto, la fracción másica de hidrógeno en la Tierra es inferior al 1% (en particular, en la corteza terrestre y la hidrosfera es de aproximadamente el 0,7%, mientras que la del oxígeno es del 49,2%). Sin embargo, debido a la masa extremadamente pequeña del átomo, en cuanto al número de partículas, el hidrógeno representa un sólido 17%.
Estructura atómica
El átomo de hidrógeno tiene la estructura más simple. Es un sistema móvil que consta de solo dos partículas subatómicas:
- Un protón ($p^+$) con carga positiva en el núcleo.
- Un electrón ($e^-$) con carga negativa.
Esta composición es característica del isótopo natural principal del hidrógeno, el protio, que representa el 99,98% de la masa de todo el hidrógeno natural.
Estructura electrónica: El átomo tiene un electrón y un orbital de valencia.
- Configuración electrónica: $1s^1$.
- Característica energética: la energía del electrón ubicado en el orbital $1s$ es de $-1312$ kJ/mol.
Paradojas de su posición en la Tabla Periódica
A diferencia del helio, que se clasifica inequívocamente entre los gases nobles, la ubicación del hidrógeno en la tabla periódica genera debates. Sus propiedades tienen una naturaleza dual:
- Similitud con los metales alcalinos (grupo IA): Al igual que el litio, el sodio o el potasio, el hidrógeno tiene exactamente un electrón en su nivel de energía externo.
- Similitud con los halógenos (grupo VIIA): Al igual que el flúor o el cloro, al hidrógeno le falta un solo electrón para completar su nivel externo. Además, forma moléculas diatómicas ($H_2$), lo cual es típico de los halógenos ($F_2, Cl_2$), pero no ocurre en los metales alcalinos.
- Similitud con el carbono (grupo IVA): Su nivel de energía externo está lleno exactamente a la mitad (1 electrón de los 2 posibles en el hidrógeno, al igual que 4 de los 8 posibles en el carbono).
Debido a esta combinación de características, el hidrógeno no se puede asignar de manera concluyente a un solo grupo. Es lógico no dividir la casilla del hidrógeno en partes, ya que esto resalta su especificidad. Cabe destacar que, a presión extrema (superior a $10^8$ kPa), el hidrógeno es capaz de pasar a un estado metálico, lo que confirma su parentesco con los elementos del grupo IA.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué isótopos de hidrógeno existen en la naturaleza y cuál es la composición de sus núcleos?
En la naturaleza existen tres isótopos principales de hidrógeno, que se diferencian por el número de neutrones en el núcleo.
- Protio (${}^1_1\text{H}$): el núcleo consta de un protón y no tiene neutrones.
- Deuterio (${}^2_1\text{H}$): el núcleo contiene un protón y un neutrón.
- Tritio (${}^3_1\text{H}$): el núcleo incluye un protón y dos neutrones.
El protio es el isótopo natural más abundante, representando el 99,98% en masa.
¿Qué tipos de enlaces químicos forma el hidrógeno en los compuestos bioorgánicos?
En los compuestos bioorgánicos, el hidrógeno forma enlaces covalentes y de hidrógeno.
- Enlace covalente: el hidrógeno es siempre monovalente y forma un enlace con otros átomos.
- Enlace de hidrógeno: surge entre un átomo de hidrógeno con carga positiva y átomos electronegativos, por ejemplo, nitrógeno u oxígeno.
Los enlaces de hidrógeno participan en la interacción de los fármacos con los receptores.
¿Cuáles son las propiedades físicas del hidrógeno molecular en condiciones estándar?
En condiciones normales, el hidrógeno molecular es el gas más ligero, incoloro e inodoro.
- Densidad: es de $0,0893$ g/L.
- Solubilidad: tiene una solubilidad baja en agua ($K_v = 0,0221$ a $0\ ^\circ C$).
- Punto de ebullición: tiene uno de los puntos de ebullición más bajos, igual a $21,2\ K$.
¿Qué es el enlace de hidrógeno y cuál es su papel en la estructura de las macromoléculas biológicas?
El enlace de hidrógeno es la interacción entre un átomo de hidrógeno de un grupo polar y un átomo electronegativo, en la cual el hidrógeno se convierte en un «puente» entre dos moléculas o regiones de una molécula.
En las proteínas, los enlaces de hidrógeno son el factor principal para la estabilización de la estructura secundaria: la configuración en espiral o plegada de la cadena polipeptídica. El enlace surge entre el átomo de oxígeno de un grupo peptídico y el átomo de hidrógeno de otro grupo peptídico.
Para recordar la posición del hidrógeno,imagínelo como un «camaleón»: tiene 1 electrón (como los metales alcalinos del grupo IA), necesita 1 electrón para alcanzar el ideal (como los halógenos del grupo VIIA) y su nivel está lleno exactamente al 50% (como el carbono del grupo IVA).
Preguntas de clases y exámenes
¿Cuál es la composición atómica del isótopo principal del hidrógeno?
El isótopo principal (protio) consta de un protón en el núcleo y un electrón en el orbital 1s. Representa el 99,98% de la masa.
¿Por qué el hidrógeno representa el 90% de los átomos en el universo, pero solo el 17% en la Tierra?
Durante el proceso de formación de la Tierra a partir de la nube de gas y polvo, se produjo una pérdida significativa de gases ligeros, por lo que quedó poco hidrógeno en el planeta.
¿Puede el hidrógeno manifestar propiedades metálicas?
Sí, a una presión colosal (superior a $10^8$ kPa), el hidrógeno pasa al estado de lo que se conoce como hidrógeno metálico.
Qué más repasar sobre el tema
- Criterios de clasificación de las ciencias químicas y la historia de su desarrollo
- Especificidad y propiedades de los compuestos organometálicos
- Diferencias físico-químicas de los isótopos de hidrógeno
- Mecanismos de transición de los gases al estado metálico bajo presión ultraalta
- Análisis comparativo de las propiedades del hidrógeno y los halógenos
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