Desde el siglo XVII, los químicos observaban que un gas inflamable se liberaba durante la reacción de un metal con un ácido. En 1766, Henry Cavendish (1731-1810) aisló este gas y lo llamó "aire inflamable", demostrando que producía agua al quemarse. En 1783, Antoine Lavoisier (1743-1794) interpretó correctamente los resultados de Cavendish y demostró que el agua es un compuesto, no un elemento. Lo llamó hidrógeno (del griego hydro = agua y genes = crear).
El hidrógeno (símbolo H, número atómico 1) es el elemento químico más simple, compuesto por un solo protón y electrón, el protio (¹H). Existen otros isótopos: deuterio \(\,^{2}\mathrm{H}\), tritio \(\,^{3}\mathrm{H}\), \(\,^{4}\mathrm{H}\)...
A temperatura ambiente, el hidrógeno se encuentra en forma de gas diatómico (H₂), extremadamente ligero (densidad ≈ 0.08988 g/L), incoloro, inodoro y altamente inflamable. La temperatura a la que los estados líquido y sólido del hidrógeno pueden coexistir en equilibrio (punto de fusión): 13.99 K (−259.16 °C). La temperatura a partir de la cual pasa de estado líquido a gaseoso (punto de ebullición): 20.271 K (−252.879 °C).
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Decaimiento / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Protio — \(\,^{1}\mathrm{H}\,\) | 1 | 0 | 1.007825 u | ≈ 99.985 % | Estable | Núcleo reducido a un protón; base del hidrógeno atómico. |
| Deuterio — \(\,^{2}\mathrm{H}\) (D) | 1 | 1 | 2.014102 u | ≈ 0.0156 % | Estable | Un protón + un neutrón; núcleo ligado, utilizado en RMN y fusión. |
| Tritio — \(\,^{3}\mathrm{H}\) (T) | 1 | 2 | 3.016049 u | Traza | 12.32 años | Radiactivo β\(^-\) dando \(\,^{3}\mathrm{He}\). Producido en reactores y utilizado para la fusión D–T. |
| Isótopos neutrónicos extremos — \(\,^{4}\mathrm{H},\,^{5}\mathrm{H},\,^{6}\mathrm{H},\,^{7}\mathrm{H}\) | 1 | 3 — 6 | — (resonancias) | No naturales | \(10^{-22}\) — \(10^{-21}\) s | Estados muy inestables observados en laboratorio; desintegración inmediata por emisión de neutrones. |
N.B. :
Capas electrónicas: Cómo se organizan los electrones alrededor del núcleo.
El hidrógeno tiene 1 solo electrón distribuido en una única capa electrónica. Su configuración electrónica completa es: 1s¹, en la capa K. El hidrógeno es el elemento más simple de la tabla periódica.
Capa K (n=1): Contiene 1 solo electrón en el subnivel 1s. Esta única capa está incompleta, ya que puede contener hasta 2 electrones. Por lo tanto, falta 1 electrón para saturar esta primera capa y alcanzar la configuración estable del helio.
El único electrón (1s¹) es el electrón de valencia del hidrógeno. Esta configuración explica sus propiedades químicas particulares:
Al perder su electrón 1s, el hidrógeno forma el ion H⁺ (estado de oxidación +1), que en realidad es solo un protón aislado. Este estado es común en ácidos y soluciones acuosas.
Al ganar 1 electrón, el hidrógeno forma el ion hidruro H⁻ (estado de oxidación -1), presente en hidruros metálicos como NaH o LiH, adoptando así la configuración estable del helio [He].
El estado de oxidación 0 corresponde al dihidrógeno H₂, su forma molecular natural, donde dos átomos de hidrógeno comparten un par de electrones formando un enlace covalente simple.
La configuración electrónica del hidrógeno, con su único electrón 1s, le confiere una posición única y ambigua en la tabla periódica. Esta estructura le confiere propiedades características excepcionales: el hidrógeno puede tanto perder su electrón (como los metales alcalinos) como ganar uno (como los halógenos), lo que le da un comportamiento químico dual. Sin embargo, a diferencia de los alcalinos, el hidrógeno es un no metal en condiciones normales y forma principalmente enlaces covalentes en lugar de iónicos. El ion H⁺ es extremadamente pequeño (un simple protón) y nunca existe aislado en solución; siempre está asociado con moléculas de agua formando el ion hidronio H₃O⁺.
El dihidrógeno H₂ es un gas incoloro, inodoro, extremadamente ligero (la molécula más ligera que existe) y altamente inflamable. Su combustión con oxígeno produce solo agua, lo que lo convierte en un combustible limpio ideal. El hidrógeno forma enlaces covalentes con prácticamente todos los no metales y puede formar enlaces de hidrógeno, interacciones débiles pero esenciales para muchos fenómenos biológicos y químicos.
La importancia del hidrógeno es absolutamente fundamental y universal: el hidrógeno es el elemento más abundante del universo (alrededor del 75% de la masa bariónica), el constituyente principal de las estrellas donde se fusiona para formar helio y liberar energía solar; es esencial para toda la química orgánica y la vida, presente en el agua H₂O, en todos los compuestos orgánicos, ácidos y bases; los enlaces de hidrógeno estabilizan la estructura del ADN, las proteínas y determinan las propiedades únicas del agua; industrialmente, el hidrógeno se utiliza masivamente en el proceso Haber-Bosch para producir amoníaco NH₃ (la base de los fertilizantes), en el refinado del petróleo (hidrogenación), la producción de metanol, la síntesis de muchos productos químicos; el hidrógeno se considera el vector energético del futuro para una economía descarbonizada: las pilas de combustible convierten el hidrógeno en electricidad con el agua como único subproducto, los vehículos de hidrógeno se están desarrollando, y el hidrógeno puede almacenar el exceso de energía renovable; en metalurgia, el hidrógeno sirve como agente reductor; existen tres isótopos naturales: protio ¹H (99,98%), deuterio ²H o D (0,02%, utilizado como trazador y en la fusión nuclear), y tritio ³H o T (radiactivo, utilizado en datación e investigación de fusión).
El hidrógeno es un reductor potente y forma enlaces químicos con muchos elementos: halógenos, oxígeno, azufre, metales, etc. Forma hidruros y puede comportarse como un ácido (donador de protón) o una base (aceptor de protón) según el contexto. El hidrógeno interviene en la reducción de óxidos metálicos liberando un protón cuando actúa como ácido, y en la hidrogenación de compuestos orgánicos capturando un protón cuando actúa como base.
El hidrógeno representa aproximadamente el 75 % de la masa bariónica del universo. Se sintetizó en grandes cantidades durante el Big Bang. En las estrellas, sirve como combustible para las reacciones de fusión termonuclear a través del ciclo protón-protón o el ciclo CNO. En el medio interestelar, se encuentra en forma atómica (H I), molecular (H₂) o ionizada (H⁺). Su línea de 21 cm es una herramienta clave en radioastronomía para mapear la estructura galáctica.
El átomo de hidrógeno es el sistema cuántico más simple y sirve como modelo para probar las predicciones de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica (QED). Su espectro electrónico, muy bien medido, permite restringir las constantes fundamentales y explorar hipótesis sobre la variación de estas constantes en el tiempo o el espacio.
N.B.:
La línea de 21 cm es una señal de radio emitida por el hidrógeno neutro en el espacio. Ocurre cuando un ligero cambio en la orientación de los spines del protón y el electrón en el átomo de hidrógeno libera un fotón. Aunque esta transición es rara y muy débil, es muy útil para los astrónomos para "ver" la distribución del hidrógeno en nuestra galaxia y en galaxias cercanas, ya que atraviesa fácilmente las nubes de polvo que bloquean la luz visible.
