¿Por qué hay tan poco hidrógeno libre en la Tierra?
El hidrógeno representa cerca del 75 % de la masa bariónica del universo. En la corteza terrestre no llega al 0,15 % en masa, y prácticamente nada de esa cantidad está en forma de H₂ libre. La diferencia no es un accidente de la formación planetaria: es una consecuencia directa de la teoría cinética.
La velocidad media de una molécula depende de su masa y de la temperatura. En la exosfera, a unos 1 000 K, una molécula de H₂ alcanza velocidades del orden de varios kilómetros por segundo. La velocidad de escape terrestre es de 11,2 km/s. La distribución de Maxwell-Boltzmann tiene una cola: siempre hay moléculas mucho más rápidas que la media. Para el hidrógeno esa cola cruza el umbral de escape con frecuencia suficiente como para vaciar el depósito en escalas de tiempo geológicas.
Una molécula de nitrógeno, dieciséis veces más pesada, se mueve cuatro veces más despacio a la misma temperatura y prácticamente nunca escapa. De ahí que la atmósfera terrestre sea de nitrógeno y oxígeno, y que Júpiter —con una velocidad de escape de 60 km/s— conserve el hidrógeno con el que se formó.
El hidrógeno terrestre no ha desaparecido, sino que está atrapado. Cada molécula de agua contiene dos átomos, y los océanos guardan una reserva enorme. Pero sacarlo de ahí cuesta energía, y ese coste define toda la industria.
¿Qué significa la configuración 1s¹?
Un único electrón en el orbital 1s. Es la configuración más sencilla posible, y por eso el hidrógeno es el único átomo cuya ecuación de Schrödinger tiene solución analítica exacta.
Esa solución es la base de toda la química cuántica. Los orbitales que se dibujan para cualquier otro átomo —s esféricos, p con dos lóbulos, d con cuatro— son formas derivadas del hidrógeno y adaptadas mediante aproximaciones. Con dos electrones, el término de repulsión entre ambos impide ya una solución cerrada.
Ese electrón solitario explica también la ambigüedad de posición del hidrógeno en la tabla. Comparte con los alcalinos un electrón s exterior y la capacidad de cederlo. Pero le falta un electrón para completar la capa, igual que a los halógenos, y forma H⁻ con metales activos. Distintas tablas lo colocan encima del litio, encima del flúor, en ambos sitios o flotando aparte. Ninguna elección es enteramente satisfactoria.
¿En qué se diferencian el protio, el deuterio y el tritio?
En el número de neutrones, y las consecuencias son mayores de lo habitual.
El protio, con un protón y ningún neutrón, constituye el 99,98 % del hidrógeno natural. El deuterio añade un neutrón y duplica la masa del átomo. El tritio añade dos, es radiactivo y decae por emisión beta con un periodo de 12,32 años.
Duplicar la masa es una anomalía. Entre el carbono 12 y el carbono 13 la diferencia relativa es del 8 %; entre el protio y el deuterio, del 100 %. Esa proporción hace que el hidrógeno sea el único elemento cuyos isótopos tienen propiedades químicas apreciablemente distintas y nombres propios.
El agua pesada, D₂O, hierve a 101,4 °C en vez de 100 °C, congela a 3,8 °C y es un 11 % más densa. Las reacciones en que se rompe un enlace con hidrógeno transcurren más despacio con deuterio, a veces seis o siete veces más despacio. Los químicos aprovechan ese efecto isotópico cinético para averiguar qué enlace se rompe en la etapa lenta de un mecanismo.
¿Qué distingue el hidrógeno verde del azul y del gris?
No el gas, que es idéntico en los tres casos, sino de dónde procede y qué ocurre con el carbono.
El hidrógeno gris se obtiene por reformado de metano con vapor. El metano y el agua reaccionan sobre níquel a unos 800 °C:
CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂
CO + H₂O → CO₂ + H₂El dióxido de carbono se libera a la atmósfera. Por cada tonelada de hidrógeno se emiten entre nueve y doce toneladas de CO₂.
El hidrógeno azul emplea el mismo proceso, pero captura ese dióxido de carbono y lo almacena bajo tierra. La captura nunca es completa, y la discusión sobre su eficacia real gira en torno a qué fracción se retiene y durante cuánto tiempo.
El hidrógeno verde procede de la electrólisis del agua con electricidad renovable. No emite carbono, pero exige más energía: separar el agua cuesta como mínimo 39,4 kWh por kilogramo de hidrógeno en el límite termodinámico, y los electrolizadores reales consumen alrededor de 50.
Esa cifra explica por qué el 95 % del hidrógeno mundial sigue siendo gris. No es un problema de voluntad, sino de precio de la electricidad frente al precio del gas natural.
¿Para qué se usa realmente el hidrógeno?
Menos para energía de lo que sugiere el debate público. El grueso del consumo mundial se reparte entre dos aplicaciones industriales.
La primera es la síntesis de amoníaco por el proceso Haber-Bosch, que combina hidrógeno y nitrógeno bajo presión sobre un catalizador de hierro. De ahí sale la mayor parte de los fertilizantes nitrogenados del planeta. Se calcula que cerca de la mitad del nitrógeno presente en el cuerpo humano ha pasado por una planta de amoníaco.
La segunda es el refino del petróleo, donde el hidrógeno elimina el azufre de los combustibles. Sin ese tratamiento, la gasolina y el gasóleo liberarían dióxido de azufre al quemarse.
Las pilas de combustible y los vehículos de hidrógeno consumen todavía una fracción menor. El obstáculo no es la química, que funciona bien, sino el almacenamiento: el hidrógeno tiene una densidad energética por unidad de masa excelente y una densidad por unidad de volumen pésima. Comprimirlo a 700 bar o licuarlo a 20 K resuelve el volumen a costa de energía y de infraestructura.