Hidrógeno, el elemento de la polémica.

Es el elemento químico más ligero. Con número atómico Z=1 (un protón en su núcleo), el hidrógeno (H) es el elemento químico más abundante del universo. Segundos después del Big Bang, cuando la temperatura había descendido lo suficiente, los núcleos de hidrógeno hicieron su aparición formándose a partir de la sopa primordial de quarks y leptones. Las altas temperaturas permitieron que los núcleos de hidrógeno colisionaran y se fusionaran para formar núcleos de helio y de litio (nucleosíntesis, proceso del que nos habló Jesús María Díez Martín en este artículo). Inmensas nubes de hidrógeno y helio  formarían las galaxias al mismo tiempo que comenzaría a formarse la materia oscura. El hidrógeno constituyó el punto de partida para la síntesis de los elementos químicos en el universo. Su puesto de honor en la Química es, sin duda alguna, incuestionable.

Pléyade de isótopos del hidrógeno: protio, deuterio, tritio. Los tres átomos presentan el mismo número de protones y electrones (Z=1, por ser los tres átomos de hidrógeno) pero difieren en el número de neutrones y por tanto, tendrán distinto número másico (A=nºprotones+nºneutrones) y, por consiguiente, distinta masa. Fuente: Mundo Respuestas.

Además, el hidrógeno constituye el 75% de la materia ordinaria y el 10% de nuestro organismo (en masa). Está presente en una molécula tan importante como el agua, en los compuestos orgánicos y en las biomoléculas, como el ADN, las proteínas o los lípidos.

Se piensa que Paracelso (1493-1541), el famoso alquimista y máximo representante de la transición entre el final de la alquimia cristiana y los albores de la Química moderna enfocada al uso de sustancias químicas como medicamentos (la Iatroquímica), lo descubrió aunque no llegó a caracterizarlo. Si bien  Robert Boyle se refirió a él como aire combustible en el siglo XVIII, será Henry Cavendish (1731-1810) el considerado como descubridor del hidrógeno. En 1766, Cavendish observó que dicho gas era capaz de reaccionar con el oxígeno para formar agua. No obstante, debido a la Teoría del flogisto imperante en el panorama de la Química del Siglo XVIII, no consiguió interpretar adecuadamente los resultados que obtuvo. Será, cómo no, el gran Lavoisier quien en 1781 demostrará que el hidrógeno es uno de los elementos que forman el agua, tradicionalmente considerado un elemento, por herencia aristotélica, y que gracias a Lavoisier pasó a ser considera como una combinación de hidrógeno y oxígeno, un compuesto. Lavoisier fue quien acuñó el término hidrógeno, que significa, generador de agua. Cada vez que nombramos a este elemento estamos haciendo referencia a un hecho que contribuyó a asentar las bases más elementales de la Química. Un duro golpe a la teoría del flogisto. ¡El triunfo del método científico!

Precisamente, ese método científico o perspectiva científica (pues métodos científicos hay varios), sigue activa en la Química actual. Tal y como se enseña la Química, esta ciencia parece ya desarrollada y, por qué no decirlo, completa y con pocos temas pendientes. Lo cierto es que no es así y precisamente el hidrógeno es una buena forma de demostrarlo y de recordar que los cimientos de la Química deben ser siempre revisados, su historia, conocida y su enseñanza, coordinada con aquella para eliminar la atemporalidad. ¡La Química no se construyó en un día! ¡Sigue viva! ¡Y se sigue construyendo!

Precisamente, este espíritu fue el que me invadió cuando descubrí esta noticia en el Grupo de Facebook Internacional Year of ChemistryJavier García Martínez había colgado una noticia que me fascinó. Rápidamente le pedí al maestro Bernardo que me consiguiera el artículo y me puse a devorarlo. De un artículo me fui a otro y debo decir que estuve varios días con ello en la cabeza. Pronto incluí la noticia en los contenidos de El nanoscopio #14 y escribí una breve reseña para la sección Noticias Científicas Relevantes del último número de Anales de Química (artículo disponible aquí, páginas 347-348). ¡Una noticia para hacer vibrar, opinar y debatir a la comunidad química! Una comunidad que sabe bien que el hidrógeno fue uno de los elementos más polémicos a la hora de situarlo en la Tabla Periódica (aunque también fue conflictivo el Grupo 3, pero de esa historia ya pudimos hablar en este otro post).

¡No te pierda el último número de Anales de Química! Muy pronto podrás leerlo online y descargar todos los artículos de forma gratuita en la web de la Real Sociedad Española de Química (rseq.org). 

Pero antes de analizar la noticia, ¿de dónde surge esta polémica? Veamos antes la Tabla Periódica de la IUPAC 2013. ¿Dónde está situado el hidrógeno? ¡En el grupo 1! La IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) es la institución que vela por el lenguaje y el cuidado del buen uso de los términos y conceptos químicos. Si la IUPAC sitúa al hidrógeno en el Grupo 1… ¡Tendrá sus motivos!

Sin embargo, ¿algún químico diría que el hidrógeno es un metal alcalino? ¡No!Siempre decimos que el grupo 1 está formado por el hidrógeno y los metales alcalinos, todos con configuración electrónica ns1 en su capa de valencia. No obstante, la Química del hidrógeno es aparentemente muy distinta a la de los metales alcalinos… Llegamos ya a la polémica.

Por su configuración electrónica y su capacidad para formar el ion monopositivo (catión hidrógeno o protón), el hidrógeno se parece bastante a los metales alcalinos. En cambio, el hecho de que forme moléculas diatómicas, que en condiciones ambientales sea un gas y su capacidad para formar el anion mononegativo (anión hidruro), recuerda a la Química de los halógenos (elementos del grupo 17), pese a que sus configuraciones electrónicas no se parecen. Aunque si te fijas, tanto en el hidrógeno como en los halógenos, conseguir un electrón más implica completar la capa de valencia… ¡Situación especialmente estable! Una curiosidad química que a veces pasa desapercibida. Por ello, y aunque son menos comunes, existen tablas periódicas en las que el hidrógeno es cabeza de serie del grupo 17 y no del grupo 1.

Tabla periódica en la que el hidrógeno figura como cabeza de serie del grupo 17 (halógenos). Esta tabla aparece en la obra La Tabla Periódica: Una breve introducción, de Eric Scerri. Para saber más sobre este libro, imprescindible para conocer la Tabla Periódica, no te pierdas esta reseña publicada en el último número de Anales de Química. 

Generalmente, la gran mayoría de libros de Química actuales se dienten aquí. Con estos datos, fácil es situarse a favor de la no inclusión del hidrógeno en el grupo 1. ¿Cómo vamos a colocar a un elemento que forma moléculas diatómicas con elementos metálicos? Pero, como ya señalábamos al comienzo del post, la Química avanza y hay que tener en cuenta los avances recientes de la Química que todavía no aparecen en los textos de Química General o de Química Inorgánica ni por supuesto en los libros de texto de ESO y Bachillerato (niveles en los que la polémica del hidrógeno sí está presente tanto a nivel de aula como entre el profesorado).

La Química del hidrógeno, a la luz de las investigaciones actuales, no es tan distinta a la de los elementos alcalinos más ligeros (como litio y sodio). Así, se ha comprobado que en organocatálisis, el hidrógeno también juega el papel de ácido de Lewis, (recuerda que no debes preguntar a un químico qué es un ácido si tienes prisa) como un centro metálico. Además, se sabe que el hidrógeno a altas presiones manifiesta carácter metálico (propiedad relacionada con la electronegatividad).

Al descender en un grupo y de derecha a izquierda en la Tabla Periódica aumenta el carácter metálico de los elementos químicos. En Química, el carácter metálico de un  elemento se manifiesta por una mayor tendencia de sus átomos a rodearse de otros átomos del mismo elemento (mayor índice de coordinación) lo cual es consecuencia de un aumento en la densidad electrónica de dichos átomos. De ahí que la variación de los tamaños atómicos y de la energía de los orbitales atómicos, a su vez relacionados con la carga nuclear efectiva (dentro del modelo de aproximación orbital), sean cruciales a la hora de evaluar la variación del carácter metálico en el sistema periódico de los elementos. 

Incluso, el litio puede presentar interacciones similares a los puentes de hidrógeno, (que no debe confundirse con los enlaces de hidrógeno, un error muy común incluso en libros de Química universitarios).

Los átomos de litio actúan como puente entre átomos de carbono. Puesto que la unión se establece por compartición de densidad electrónica con carácter direccional, C-Li-C, hablamos de unión covalente y el término puente es correcto. Tal y como podemos leer aquí, este tipo de interacciones recuerda a la interacción B-H-B en el diborano conocidas como puentes de hidrógeno. 

Desde hace unos meses contamos con otro hecho que apoya la decisión de la IUPAC. Pese a los resultados anteriores, aún no había evidencias estructurales de que el hidrógeno pudiese jugar un rol comparable al de los metales alcalinos en cristales moleculares.  Se sabe que el hidrógeno participa con relativa facilidad en interacciones de 2 y 3 centros, mientras que los átomos de metales alcalinos como litio y sodio suelen dar interacciones de como mínimo 4 centros (mayor tendencia a la coordinación, por su mayor densidad electrónica y, consecuentemente, con mayor carácter metálico).

So, where is my place? (Chem. Comm. 2013, 49, 11809)

Es aquí cuando llegamos a la noticia que hace unas semanas nos hacía vibrar a los apasionados de la Química. ¡Se había publicado una estructura en la que un átomo de hidrógeno estaba actuando con un papel estructural similar al de un metal alcalino! En estas especies, el átomo de hidrógeno se encuentra tetracoordinado, interaccionando con un átomo de nitrógeno y con tres átomos de oxígeno en una estructura pseudocúbica.

Estructura del compuesto de litio y sodio con tri-(2-hidroxi-3,5-dimetilbencil)amina como ligando; en los que los átomos metálicos y el oxígeno conforman una estructura pseudocúbica en la que uno de los vértices es un átomo de hidrógeno tetracoordinado (Chem. Comm. 2013, 49, 11809) . 

Como se comentó al comienzo del post, puedes leer el artículo aquí y la reseña publicada en el último número de Anales de Química en este enlace. Este tipo de noticias muestran al químico que siempre debemos actualizar nuestros conocimientos y nos recuerdan que ser químico no es únicamente tener una licenciatura, un máster o un doctorado. ¡Ser químico implica razonar químicamente! Revisando sus bases, conociendo su historia, cuidando su lenguaje… ¡Sigamos trabajando juntos por la Química!¡Porque no se detiene! Los resultados actuales avalan la posición del hidrógeno propuesta por la IUPAC  ( aunque el tema sigue abierto al debate, ¡como debe ser!, tal y como puedes comprobar en este artículo de Eric Scerri), pero en la Tabla Periódica aún hay muchas limitaciones que subsanar y quién sabe dentro de cuánto tiempo este post deba ser actualizado. Hacerlo será gratificante. ¡Nuestra Química crece!

NOTA: Este post participa en la Edición del Galio del Carnaval de Química alojada en el blog ZTFnews.

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