Elementos químicos: el hidrógeno.

El hidrógeno (símbolo: H) es el átomo más sencillo que existe. Sólo un protón en su núcleo y un electrón alrededor de él. El hidrógeno ha sido muy importante en el desarrollo de los fundamentos de la Química: la explicación de las estructuras atómicas y molecular.

El protón es una partícula subatómica con carga positiva y el electrón es una partícula subatómica con carga negativa. La tercera partícula subatómica importante es el neutrón que también está en el núcleo atómico y que es neutra eléctricamente. El protón y el neutrón tiene aproximadamente la misma masa. El electrón es mucho más ligero (aproximadamente 1836 veces en reposo).

La principal característica de un elemento químico es el número de protones del núcleo, que se define como el número atómico. Puesto que la masa del protón y del neutrónes aproximadamente iguales, la suna del número de protones y neutrones es, redondeando a números enteros, la masa atómica (también frecuentemente denominado peso atómico). La masa de los electrones se desprecia a la hora de calcular la masa de los átomos.

Los elementos químicos pueden tener más de un tipo de átomos, que se conocen como isótopos. Los isótopos son los átomos de un elemento químico que, teniendo el mismo número de protones (que define el elemento en cuestión), poseen diferente número de neutrones; por lo tanto, masas distintas.

El hidrógeno es el componente más abundante del universo, constituyendo aproximadamente el 75% de la masa conocida y más del 90% de los átomos del universo. El hidrógeno (número atómico, 1), el helio (número atómico, 2) y el litio (número atómico, 3) fueron los tres elementos que se formaron en el big-bang . Todos los elementos químicos naturales (hasta el número 92 en la tabla Periódica) se formaron como consecuencia de la nucleosíntesis tras el big-bang, primero el hidrógeno, luego el helio y, así sucesivamente, los elementos más pesados según su número atómico.

Las estrellas están principalmente constituida por hidrógeno en forma de plasma (un estado de la materia distinta  a las habituales que conocemos: gas, líquido o sólido). En un plasma hay separación de iones. En las estrellas, los núcleos de hidrógeno (cargados positivamente) están agrupados y los electrones (cargados negativamente) están separados de los núcleos. Este estado de la materia tiene una altísima conductividad eléctrica. El núcleo del Sol está formado por hidrófgeno, altamente comprimido y a muy alta temperatura (13 millones de grados). La densidad del núcleo del Sol es aproximadamente de 200 kg/l (compara con la densidad del hidrógeno en condiciones normales de presión y temperatura, que es de 0’00009 kg/l, 2’2 millones de veces menor. En estas condiciones, los nucleos de hidrógeno se fusionan. De esta fusión niclear se genera gran cantidad de energía (lo que se pretende hacer en las plantas de fusión nuclear, como el ITER). La radiación generada en el núcleo del Sol tarda un millón  de años en alcanzar la superficie de la estrella. El Sol convierte 600 millones de toneladas de hidrógeno en helio por segundo, convirtiendo alrededor de 5 millones de toneladas de materia en energía (según la ecuación de Einstein,   E = mc2.

El hidrógeno (elemento de número atómico = 1, ocupando el primer lugar en la Tabla Periódica) tiene tres isótopos; que difieren en el número de neutrones del núcleo, pudiendo ser cero, uno o dos. El que tiene un solo protón se denomina hidrógeno (o protio, un término poco usado) y es el isótopo más abundante. Se denota por 1H (el superíndice indica el peso del isótopo = número de protones + número de neutrones). El otro isótopo del hidrógeno es el deuterio, que tiene un protón y un neutrón en el núcleo, simbolizándose por 2H. La proporción de isótopos del hidrógeno en nuestro planeta es de entre 12500 y 1800 átomos de protio por cada átomo de deuterio (dependiendo del compuesto químico y de su origen). El deuterio fue aislado por Harold Urey en 1931, recibiendo el Premio Nobel en 1934.

Existe un tercer isótopo del hidrógeno (el tritio, 3H) que tiene dos neutrones en el núcleo. Es mucho menos abundante que el deuterio. Se forma por la interacción de rayos cósmicos con la atmósfera terrestre. También se genera intencionadamente en reactores nucleares, pues tiene aplicaciones en investigaciones químicas, físicas y biológicas.

Un átomo, para mantener su neutralidad eléctrica, tiene que tener el mismo número de electrones que de protones. Si uno de ellos está en exceso, se forman los iones, que pueden ser negativos o positivos, dependiendo de que haya más electrones que protones (iones negativos o aniones) o menos electrones que protones (iones positivos o cationes).

Excepto en el caso de los gases nobles más ligeros, que se encuentran en estado monoatómico; el estado normal de todas las sustancias químicas es formar moléculas: los átomos quieren combinarse entre sí, compartiendo electrones que forman los enlaces químicos. Aunque el hidrógeno se puede generar en estado atómico, esto se consigue en condiciones muy especiales. La forma en la que el elemento químico hidrógeno se encuentra en la naturaleza es en forma de una molécula con dos átomos de hidrógeno, generando la molécula de dihidrógeno (H2, dónde el subíndice indica cuantos átomos están combinados en esa estructura), frecuentemente denominada sólo “hidrógeno” o “hidrógeno molecular”. El dihidrógeno es un gas con un punto de ebullición de 20 K y con punto de fusión de 14 K a presión atmosférica.

El hidrógeno fue generado en el siglo XVII por Robert Boyle al tratar ciertos metales, como zinc o hierro, con ácidos fuertes; y fue aislado por Henry Cavendish en 1766. El dihidrógeno se produce industrialmente por reacción de metano con agua generando una mezcla de monóxido de carbono (CO) y H2, que se denomina gas de síntesis (que también se puede obtener a partir de carbón). También se puede generar por electrolisis de la molécula de agua.

La principal aplicación industrial del hidrógeno es la producción del amoniaco; el compuesto químico más importante en la fabricación de abonos y fertilizantes, que mejoran nuestras cosechas proporcionando alimentos.

El dihidrógeno es un gas muy inflamable. Esta propiedad es debida a que la reacción con oxígeno genera mucho calor. Esta reacción, aunque potencialmente peligrosa, se puede usar de manera controlada para producir energía. La energía generada por la combustión del hidrógeno es limpia y eficaz. Si se resuelven problemas científico-técnicos, como la producción eficiente de H2 y su almacenamiento y transporte seguros; podremos beneficiarnos de la energía química del H2, llegando a alcanzar la denominada economía basada en el hidrógeno.

Otras características importantes del elemento hidrógeno (a comentar en un próximo post) son su capacidad para formar enlaces no covalentes débiles (enlace de hidrógeno) o sus propiedades espectroscópicas que sirvieron de estímulo para el desarrollo de la teoría cuántica.

Lecturas recomendadas:

John Emsley, Nature’s Building Blocks, Oxford University Press, 2003.

Theodore Gray, The Elements. A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe, Black Dog & Leventhal Publishers, 2009.

Conceptos de química, para ampliar la información:

  • Protón
  • Neutrón
  • Electrón
  • Enlace químico
  • Nucleosíntesis
  • Fusión nuclear
  • Tabla periódica
  • Número atómico
  • Peso atómico. Peso atómico estándar.
  • Modelos atómicos: desarrollo histórico
  • Experimentos que permitieron descubrir las partículas sub-atómicas
  • Rayos catódicos
  • Espectrometría de masas
  • ¿Hay alguna partícula más pequeña que forme el neutrón? ¿Y el protón? ¿Y el electrón?
  • Busca quién fue Henry Moseley y por qué fue importante en el desarrollo de la teoría atómica.
  • Busca datos de la biografía de Henry Cavendish. ¿Qué te llama la atención de su biografía? ¿Qué destacas de positivo y negativo de su biografía? ¿Te gustaría ser como él?
  • Buscar aplicaciones científicas y médicas de isótopos radiactivos.
  • Gases nobles. ¿Qué son? ¿Cómo se descubrieron? ¿Dónde se encuentran en la Tabla Periódica? ¿Cual es su característica química principal? ¿Por qué?
  • Reacción de producción de amoniaco.
  • Reacción de electrolisis del agua.
  • Reacción de oxidación del hidrógeno.
  • Fertilizantes y abonos.
  • Gas de síntesis.
  • Economía basada en el hidrógeno.

Actualizado de mis artículos anteriores publicados en:

http://www.quimica2011.es/ciencia-central/el-hidrógeno-¿futura-fuente-de-energí

http://www.losavancesdelaquimica.com/blog/2011/08/31/divulgacion/ensenanza/el-hidrogeno/

Esta entrada participa en el VII Carnaval de Química que aloja Feelsynapsis (http://feelsynapsis.com/pg/groups/116746/carnaval-de-qumica-vii-edicin/)

Bernardo Herradón-G.

CSIC

herradon@iqog.csic.es

El hidrógeno

El hidrógeno (símbolo: H) es el átomo más sencillo que existe. Sólo un protón en su núcleo y un electrón alrededor de él. El hidrógeno ha sido muy importante en el desarrollo de los fundamentos de la Química: la explicación de las estructuras atómicas y molecular.

El protón es una partícula subatómica con carga positiva y el electrón es una partícula subatómica con carga negativa. La tercera partícula subatómica importante es el neutrón que también está en el núcleo atómico y que es neutra eléctricamente. El protón y el neutrón tiene aproximadamente la misma masa. El electrón es mucho más ligero (aproximadamente 1836 veces en reposo).

La principal característica de un elemento químico es el número de protones del núcleo, que se define como el número atómico. Puesto que la masa del protón y del neutrónes aproximadamente iguales, la suna del número de protones y neutrones es, redondeando a números enteros, la masa atómica (también frecuentemente denominado peso atómico). La masa de los electrones se desprecia a la hora de calcular la masa de los átomos.

Los elementos químicos pueden tener más de un tipo de átomos, que se conocen como isótopos. Los isótopos son los átomos de un elemento químico que, teniendo el mismo número de protones (que define el número atómico), poseen diferente número de neutrones; por lo tanto, masas distintas.

El hidrógeno es el componente más abundante del universo, constituyendo aproximadamente el 75% de la masa conocida y más del 90% de los átomos del universo. La razón de su abundancia es que fue el elemento químico que se formó primero en el origen del universo. Todos los elementos químicos naturales (hasta el número 92 en la tabla Periódica) se formaron como consecuencia de la nucleosíntesis tras el big-bang, primero el hidrógeno, luego el helio y, así sucesivamente, los elementos más pesados según su número atómico.

Las estrellas están principalmente constituida por hidrógeno en forma de plasma (un estado de la materia distinta  a las habituales que conocemos: gas, líquido o sólido). En un plasma hay separación de iones. En las estrellas, los núcleos de hidrógeno (cargados positivamente) están agrupados y los electrones (cargados negativamente) están separados de los núcleos. Este estado de la materia tiene una altísima conductividad eléctrica.

El hidrógeno (elemento de número atómico = 1, ocupando el primer lugar en la Tabla Periódica) tiene tres isótopos; que difieren en el número de neutrones del núcleo, pudiendo ser cero, uno o dos. El que tiene un solo protón se denomina hidrógeno (o protio, un término poco usado) y es el isótopo más abundante. Se denota por 1H (el superíndice indica el peso del isótopo = número de protones + número de neutrones). El otro isótopo del hidrógeno es el deuterio, que tiene un protón y un neutrón en el núcleo, simbolizándose por 2H. La proporción de isótopos del hidrógeno en nuestro planeta es de entre 12500 y 1800 átomos de protio por cada átomo de deuterio (dependiendo del compuesto químico y de su origen). Existe un tercer isótopo del hidrógeno (el tritio, 3H) que tiene dos neutrones en el núcleo. Es mucho menos abundante que el deuterio. Se forma por la interacción de rayos cósmicos con la atmósfera terrestre. También se genera intencionadamente en reactores nucleares, pues tiene aplicaciones en investigaciones químicas, físicas y biológicas.

Un átomo, para mantener su neutralidad eléctrica, tiene que tener el mismo número de electrones que de protones. Si uno de ellos está en exceso, se forman los iones, que pueden ser negativos o positivos, dependiendo de que haya más electrones que protones (iones negativos o aniones) o menos electrones que protones (iones positivos o cationes).

Excepto en el caso de los gases nobles más ligeros, que se encuentran en estado monoatómico; el estado normal de todas las sustancias químicas es formar moléculas: los átomos quieren combinarse entre sí, compartiendo electrones que forman los enlaces químicos. Aunque el hidrógeno se puede generar en estado atómico, esto se consigue en condiciones muy especiales. La forma en la que el elemento químico hidrógeno se encuentra en la naturaleza es en forma de una molécula con dos átomos de hidrógeno, generando la molécula de dihidrógeno (H2, dónde el subíndice indica cuantos átomos están combinados en esa estructura), frecuentemente denominada sólo “hidrógeno” o “hidrógeno molecular”. El dihidrógeno es un gas con un punto de ebullición de 20 K y con punto de fusión de 14 K a presión atmosférica.

El hidrógeno fue generado en el siglo XVII por Robert Boyle al tratar ciertos metales, como zinc o hierro, con ácidos fuertes; y fue aislado por Cavendish en 1766. El dihidrógeno se produce industrialmente por reacción de metano con agua generando una mezcla de monóxido de carbono (CO) y H2, que se denomina gas de síntesis (que también se puede obtener a partir de carbón). También se puede generar por electrolisis de la molécula de agua.

La principal aplicación industrial del hidrógeno es la producción del amoniaco; el compuesto químico más importante en la fabricación de abonos y fertilizantes, que mejoran nuestras cosechas proporcionando alimentos.

El dihidrógeno es un gas muy inflamable. Esta propiedad es debida a que la reacción con oxígeno genera mucho calor. Esta reacción, aunque potencialmente peligrosa, se puede usar de manera controlada para producir energía. La energía generada por la combustión del hidrógeno es limpia y eficaz. Si se resuelven problemas científico-técnicos, como la producción eficiente de H2 y su almacenamiento y transporte seguros; podremos beneficiarnos de la energía química del H2, llegando a alcanzar la denominada economía basada en el hidrógeno.

Bernardo Herradón-G.

CSIC

herradon@iqog.csic.es

La tabla periódica de los artistas

La Sociedad Química Australiana (Royal Australian Chemical Institute, RACI) ha creado una tabla periódica dónde cada elemento químico se representa por un grabado. El trabajo ha sido realizado en colaboración entre 38 grabadores tasmanos y 75 químicos australianos. La tabla periódica se puede visualizar en INTERNET y pulsando sobre cada elemento proporciona la imagen en tamaño mayor y una breve información sobre el elemento.

Bernardo Herradón-G.

CSIC

herradon@iqog.csic.es

Ciencia, Tecnología y Sociedad en el futuro de la enseñanza de las ciencias.

Se está organizando el VII Seminario Ibérico/III Seminario Iberoamericano CTS en la enseñanza de las Ciencias “Ciencia, Tecnología y Sociedad en el futuro de la enseñanza de las ciencias

Se celebrará en Madrid los días 3, 4, 5 y 6 de julio de 2012.

En este VII Seminario, auspiciado y apoyado por la OEI y la AECID, se pretende continuar en la línea establecida por los seminarios anteriores, dando cabida a todas las innovaciones, investigaciones y experiencias que se vienen realizando en los distintos países iberoamericanos. Está dirigido a profesores de educación científica de los distintos niveles e investigadores, con la intención de reflexionar y difundir el trabajo que cada uno está realizando. Constará de conferencias, mesas redondas, talleres, comunicaciones orales y posters.

Más información:

http://www.oei.es/seminariocts/

Información remitida por:

Miguel Angel Gómez Crespo
El rincón de la Ciencia
http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/rincon.htm
IES Victoria Kent

Ciencia, Tecnología y Sociedad en el futuro de la enseñanza de las ciencias

Se está organizando el VII Seminario Ibérico/III Seminario Iberoamericano CTS en la enseñanza de las Ciencias “Ciencia, Tecnología y Sociedad en el futuro de la enseñanza de las ciencias

Se celebrará en Madrid los días 3, 4, 5 y 6 de julio de 2012.

En este VII Seminario, auspiciado y apoyado por la OEI y la AECID, se pretende continuar en la línea establecida por los seminarios anteriores, dando cabida a todas las innovaciones, investigaciones y experiencias que se vienen realizando en los distintos países iberoamericanos. Está dirigido a profesores de educación científica de los distintos niveles e investigadores, con la intención de reflexionar y difundir el trabajo que cada uno está realizando. Constará de conferencias, mesas redondas, talleres, comunicaciones orales y posters.

Más información:

http://www.oei.es/seminariocts/

Información remitida por:

Miguel Angel Gómez Crespo
El rincón de la Ciencia
http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/rincon.htm
IES Victoria Kent

Bienal de Química: Síntesis Orgánica.

El resto del congreso asistí a conferencias y comunicaciones del simposio de Síntesis Orgánica. Debido a un cambio en el programa, sólo pude asistir al final de la conferencia invitada en el Simposio de Síntesis Orgánica de Shû Kobayashi, excelente químico de la Universidad de Tokyo, que seguro que tuvo gran nivel sobre nuevos catalizadores ácido/base y sus aplicaciones sintéticas. El resumen de la conferencia invitada se puede descargar aquí.

El simposio de Síntesis Orgánica continuó con la comunicación seleccionada de Juan I. Padrón (IPNA-CSIC, La Laguna), que explicó su investigación en síntesis orgánica encaminada a desarrollar metodología orientada a la química sostenible. Las transformaciones que expuso fueron reacciones tipo Prins catalizadas por sales de hierro, que actúan como ácido de Lewis y oxidantes. La metodología sirve para obtener heterociclos oxigenados y nitrogenados de tamaño medio (5-7 eslabones). Realiza estudios mecanísticos y aplicaciones a síntesis de productos naturales (coniina e isolaurepano). El resumen de la comunicación se puede descargar aquí.

La última sesión de la mañana y la primera de la tarde del simposio de Síntesis Orgánica estuvieron dedicadas a comunicaciones flash de temática muy variada:

  • Síntesis de triazoles por reacciones multicomponentes
  • Metátesis de azanorbornenos.
  • Síntesis de piridinas y de 5,6,7,8-tetrahidroisoquinolinas por reacciones multicomponentes
  • Reacciones de tosilhidrazonas catalizadas por metales de transición, principalmente complejos de Pd. En esta comunicación se describieron transformaciones muy interesantes de gran utilidad sintética, como la reacción de tosilhidrazona y ácidos borónicos, con formación enlace C-C con eliminación del gupo tosilhidrazona y ácido borónico (60-99% de rendimiento); alquilación reductora; y el acoplamiento regio y estereoselectivo de tosilhidrazona y arilborónico, que es una alternativa a la reacción de olefinación clásica.
  • Síntesis de madangaminas, alcaloides policíclicos con dos anillos macrocíclicos.
  • Síntesis de taxanos.
  • Reacciones de apertura de nitrocetonas bicíclicas para dar compuestos cíclicos de tamaño medio.
  • Síntesis de piridinas con actividad farmacológica. Investigación realizada la empresa JANSSEN.
  • Síntesis del alcaloide pumiliotoxin C. Una síntesis muy corta y versátil.

Me encargué de moderar la última sesión del Simposio de Síntesis Orgánica, que contó con una comunicación seleccionada y una conferencia invitada.

El Dr. Imanol Tellitu (Universidad del Pais Vasco, Bilbao) impartíó una comunicación sobre la aplicación de reactivos de yodo hipervalente para la preparación de diversos sistemas heterocíclicos. Una copia de la comunicación se puede descargar aquí.

La última conferencia invitada corrió a cargo del profesor Pedro Molina (Universidad de Murcia). El grupo de Molina tiene amplia experiencia en la síntesis de heterociclos. En los últimos años ha aplicado este conocimiento a la preparación de compuestos útiles como sensores. En la conferencia explicó la aplicación para detectar cationes (mercurio y plomo, principalmente) y aniones (entre ellos, fosfato). La detección es dual, electroquímica y fotoquímica, lo que hace que sea un método muy sensible y selectivo para detectar cationes y aniones con impacto medioambiental. Una copia del resumen de la conferencia se puede descargar aquí.

Aparte de moderar esta sesión, también presenté dos carteles de temática variada. Uno de ellos en el simposio de Didáctica e Historia de la Ciencia, sobre el uso de lo cotidiano, las noticias de prensa y la historia como herramientas didácticas en la enseñanza de la química. Una copia del resumen se puede descargar aquí. La otra comunicación, cuyo autor principal es Irene de Miguel y en la que también participa Enrique Mann, describe resultados de reacciones secuenciales para la síntesis de heterociclos polianulares. Una copia del resumen de esta comunicación se puede descargar aquí.

Durante los días 27 y 28 de julio se expuso la exposición Entre Moléculas en la sede del congreso. Esta exposición itinerante ha sido preparada en el CSIC y tiene un carácter divulgativo y educativo.

El congreso fue excelente, con un nivel científico muy alto, como lo prueba el nivel de los conferenciantes (con un Premio Nobel y cuatro de los 100 químicos más citados en la última década; esta información se puede consultar aquí). También hay que destacar la alta calidad de los conferenciantes invitados a las distintas sesiones científicas, muchos de los cuales serían conferenciantes plenarios en congresos internacionales de primer nivel. Mi único lamento es haberme perdido algunas conferencias, pues coincidían con otras u otros actos paralelos.

Desde aquí quiero felicitar y agradecer a los organizadores por el magnífico congreso, especialmente a Gregorio Asensio, presidente del Comité Organizador de la XXXIII Bienal de la Real Sociedad Española de Química.

Quiero disculparme por tardar tanto en enviar esta última crónica, pero he estado unos días en Inglaterra y he tenido acceso limitado a INTERNET. En un próximo post contaré mis impresiones sobre algunos museos, bibliotecas, librerías e instituciones científicas del Reino Unido.

 

Bernardo Herradón-G.

CSIC

herradon@iqog.csic.es

Bienal de Química: Reacción de Stille, Química Analítica y la Tabla Periódica.

El último día del congreso asistí a conferencias y comunicaciones orales muy variadas: química organometálica, química analítica, historia de la química y síntesis orgánica. Para no hacer un post muy largo, lo colgaré en dos partes.

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Bienal de Química: Síntesis orgánica, historia, glicobiología y ribosomas.

La tercera jornada de la XXXIII Reunión Bienal de la RSEQ fue muy intensa. Asistí a dos conferencias plenarias, dos conferencias invitadas, tres comunicaciones de póster seleccionados y a una sesión de presentaciones flash. Los temas fueron variados: metodológía sintética, moléculas complejas de quiralidad plana, interacciones carbohidrato-proteína, historia de la química y la toxicología, y ribosomas, RNA, proteínas y su significado biológico. Los resúmenes y mis impresiones se indican a continuación,

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XXXIII Reunión Bienal de Química. Segundo día.

El segundo día de la XXXIII Reunión Bienal de Química también tuvo un programa intenso con dos conferencias plenarias, sesión de póster y cinco sesiones paralelas. Como no se puede ir a todo, asistí a las dos conferencias plenarias, a otra invitada, a dos comunicaciones seleccionadas y a dos sesiones de comunicaciones flash. Escuché mucha y buena químca (en algunos casos frontera con la física, la ciencia de los materiales y la ingeniería) sobre superconductores, mecanismos de reacciones orgánicas, efecto invernadero, polímeros quirales y células solares.

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