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Foto: Enseñarás a volar, pero no volarán tu vuelo. Enseñarás a soñar, pero no soñarán tu sueño. Enseñarás a vivir, pero no vivirán tu vida. Sin embargo… en cada vuelo, en cada vida, en cada sueño, perdurará siempre la huella del camino enseñado. Madre Teresa De Calcuta

 

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El físico Stephen Hawking, a pesar de su incapacidad, postrado en una silla de ruedas y comunicándose a través de un sistema electrónico, es uno de los mayores conocedores de la Cuántica…

Teoría Cuántica

La física cuántica, también conocida como mecánica ondulatoria, es la rama de la física que estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de ésta son tan pequeñas, en torno a 1.000 átomos, que empiezan a notarse efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud la posición de una partícula, o su energía, o conocer simultáneamente su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula (descrito según el principio de incertidumbre de Heisenberg).

Surgió a lo largo de la primera mitad del siglo XX en respuesta a los problemas que no podían ser resueltos por medio de la física clásica.

Los dos pilares de esta teoría son:

• Las partículas intercambian energía en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, denominado quantum (cuanto) de energía.
• La posición de las partículas viene definida por una función que describe la probabilidad de que dicha partícula se halle en tal posición en ese instante

Ratificación Experimental

El hecho de que la energía se intercambie de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales, inexplicables con las herramientas de la mecánica clásica, como los siguientes:

Según la Física Clásica, la energía radiada por un cuerpo negro, objeto que absorbe toda la energía que incide sobre él, era infinita, lo que era un desastre. Esto lo resolvió Max Plank mediante la cuantización de la energía, es decir, el cuerpo negro tomaba valores discretos de energía cuyos paquetes mínimos denominó “quantum”. Este cálculo era, además, consistente con la ley de Wien (que es un resultado de la termodinámica, y por ello independiente de los detalles del modelo empleado). Según esta última ley, todo cuerpo negro irradia con una longitud de onda (energía) que depende de su temperatura.

La dualidad onda corpúsculo, también llamada onda partícula, resolvió una aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia pueden, a la vez, poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias. Actualmente se considera que la dualidad onda - partícula es un "concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa".


El tamaño medio de un átomo es de una diez millonésima de milímetro, es decir, un millón de átomos situados en fila constituirían el grosor de un cabello humano … 

Aplicaciones de la Teoría Cuántica

El marco de aplicación de la Teoría Cuántica se limita, casi exclusivamente, a los niveles atómico, subatómico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. Pero también lo es en otros ámbitos, como la electrónica (en el diseño de transistores, microprocesadores y todo tipo de componentes electrónicos), en la física de nuevos materiales, (semiconductores y superconductores), en la física de altas energías, en el diseño de instrumentación médica (láseres, tomógrafos, etc.), en la criptografía y la computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo temprano.

Un nuevo concepto de información, basado en la naturaleza cuántica de las partículas elementales, abre posibilidades inéditas al procesamiento de datos. La nueva unidad de información es el qubit (quantum bit), que representa la superposición de 1 y 0, una cualidad imposible en el universo clásico que impulsa una criptografía indescifrable, detectando, a su vez, sin esfuerzo, la presencia de terceros que intentaran adentrarse en el sistema de transmisión. La otra gran aplicación de este nuevo tipo de información se concreta en la posibilidad de construir un ordenador cuántico, que necesita de una tecnología más avanzada que la criptografía, en la que ya se trabaja, por lo que su desarrollo se prevé para un futuro más lejano.

La teleportación de hombres, aunque en un futuro lejano, es una de las aplicaciones más atractivas de la mecánica cuántica…

En la medicina, la teoría cuántica es utilizada en campos tan diversos como la cirugía láser, o la exploración radiológica. En el primero, son utilizados los sistemas láser, que aprovechan la cuantificanción energética de los orbitales nucleares para producir luz monocromática, entre otras característcias. En el segundo, la resonancia magnética nuclear permite visualizar la forma de de algunos tejidos al ser dirigidos los electrones de algunas sustancias corporales hacia la fuente del campo magnético en la que se ha introducido al paciente.

Otra de las aplicaciones de la mecánica cuántica es la que tiene que ver con su propiedad inherente de la probabilidad. La Teoría Cuántica nos habla de la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, no de cuándo ocurrirá ciertamente el suceso en cuestión.

Cualquier suceso, por muy irreal que parezca, posee una probabilidad de que suceda, como el hecho de que al lanzar una pelota contra una pared ésta pueda traspasarla. Aunque la probabilidad de que esto sucediese sería infinitamente pequeña, podría ocurrir perfectamente.

La teleportación de los estados cuánticos (qubits) es una de las aplicaciones más innovadoras de la probabilidad cuántica, si bien parecen existir limitaciones importantes a lo que se puede conseguir en principio con dichas técnicas. En 2001, un equipo suizo logró teleportar un fotón una distancia de 2 km, posteriormente, uno austriaco logró hacerlo con un rayo de luz (conjunto de fotones) a una distancia de 600 m., y lo último ha sido teleportar un átomo, que ya posee masa, a 5 micras de distancia...

Referencias
https://www.geocities.com/fisica_que/
https://www.tendencias21.net/La-realidad-cuantica-revoluciona-el-mundo-de-la-informacion_a133.html

Mecánica cuántica

Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, en el que se aprecia cómo un mismo fenómeno puede ser percibido de dos modos distintos.

La mecánica cuántica1 2 es una de las ramas principales de la Física y uno de los más grandes avances del siglo XX en el conocimiento humano. Explica el comportamiento de la materia y de la energía. Su aplicación ha hecho posible el descubrimiento y desarrollo de muchas tecnologías, como por ejemplo los transistores, componentes profusamente utilizados en casi todos los aparatos que tengan alguna parte funcional electrónica.

La mecánica cuántica describe, en su visión más ortodoxa, cómo en cualquier sistema físico –y por tanto, en todo el universo– existe una diversa multiplicidad de estados, los cuales habiendo sido descritos mediante ecuaciones matemáticas por los físicos, son denominados estados cuánticos. De esta forma la mecánica cuántica puede explicar la existencia del átomo y desvelar los misterios de la estructura atómica, tal como hoy son entendidos; fenómenos que no puede explicar debidamente la física clásica o más propiamente la mecánica clásica.

De forma específica, se considera también mecánica cuántica, a la parte de ella misma que no incorpora la relatividad en su formalismo, tan sólo como añadido mediante la teoría de perturbaciones.3 La parte de la mecánica cuántica que sí incorpora elementos relativistas de manera formal y con diversos problemas, es la mecánica cuántica relativista o ya, de forma más exacta y potente, la teoría cuántica de campos (que incluye a su vez a la electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica y teoría electrodébil dentro del modelo estándar)4 y más generalmente, la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo. La única interacción que no se ha podido cuantificar ha sido la interacción gravitatoria.

La mecánica cuántica es el fundamento de los estudios del átomo, su núcleo y las partículas elementales (siendo necesario el enfoque relativista). También en teoría de la información, criptografía y química.

Las técnicas derivadas de la aplicación de la mecánica cuántica suponen, en mayor o menor medida, el 30 por ciento del PIB de los Estados Unidos.5

Contenido

Contexto histórico

La mecánica cuántica es, cronológicamente, la última de las grandes ramas de la física. Comienza a principios del siglo XX, en el momento en que dos de las teorías que intentaban explicar ciertos fenómenos, la ley de gravitación universal y la teoría electromagnética clásica, se volvían insuficientes para esclarecerlos. La teoría electromagnética generaba un problema cuando intentaba explicar la emisión de radiación de cualquier objeto en equilibrio, llamada radiación térmica, que es la que proviene de la vibración microscópica de las partículas que lo componen. Usando las ecuaciones de la electrodinámica clásica, la energía que emitía esta radiación térmica tendía al infinito si se suman todas las frecuencias que emitía el objeto, con ilógico resultado para los físicos.

Es en el seno de la mecánica estadística donde surgen las ideas cuánticas en 1900. Al físico alemán Max Planck se le ocurrió un artificio matemático: si en el proceso aritmético se sustituía la integral de esas frecuencias por una suma no continua, se dejaba de obtener infinito como resultado, con lo que se eliminaba el problema; además, el resultado obtenido concordaba con lo que después era medido.

Fue Max Planck quien entonces enunció la hipótesis de que la radiación electromagnética es absorbida y emitida por la materia en forma de «cuantos» de luz o fotones de energía mediante una constante estadística, que se denominó constante de Planck. Su historia es inherente al siglo XX, ya que la primera formulación cuántica de un fenómeno fue dada a conocer por el mismo Planck el 14 de diciembre de 1900 en una sesión de la Sociedad Física de la Academia de Ciencias de Berlín.6

La idea de Planck habría quedado muchos años sólo como hipótesis si Albert Einstein no la hubiera retomado, proponiendo que la luz, en ciertas circunstancias, se comporta como partículas de energía independientes (los cuantos de luz o fotones). Fue Albert Einstein quien completó en 1905 las correspondientes leyes de movimiento en su teoría especial de la relatividad, demostrando que el electromagnetismo era una teoría esencialmente no mecánica. Culminaba así lo que se ha dado en llamar física clásica, es decir, la física no-cuántica.

Usó este punto de vista llamado por él «heurístico», para desarrollar su teoría del efecto fotoeléctrico, publicando esta hipótesis en 1905, lo que le valió el Premio Nobel de Física de 1921. Esta hipótesis fue aplicada también para proponer una teoría sobre el calor específico, es decir, la que resuelve cuál es la cantidad de calor necesaria para aumentar en una unidad la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo.

El siguiente paso importante se dio hacia 1925, cuando Louis De Broglie propuso que cada partícula material tiene una longitud de onda asociada, inversamente proporcional a su masa, (a la que llamó momentum), y dada por su velocidad. Poco tiempo después Erwin Schrödinger formuló una ecuación de movimiento para las «ondas de materia», cuya existencia había propuesto De Broglie y varios experimentos sugerían que eran reales.

La mecánica cuántica introduce una serie de hechos contraintuitivos que no aparecían en los paradigmas físicos anteriores; con ella se descubre que el mundo atómico no se comporta como esperaríamos. Los conceptos de incertidumbre o cuantización son introducidos por primera vez aquí. Además la mecánica cuántica es la teoría científica que ha proporcionado las predicciones experimentales más exactas hasta el momento, a pesar de estar sujeta a las probabilidades.

Desarrollo histórico

Artículo principal: Historia de la mecánica cuántica.

La teoría cuántica fue desarrollada en su forma básica a lo largo de la primera mitad del siglo XX. El hecho de que la energía se intercambie de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales como los siguientes, inexplicables con las herramientas teóricas anteriores de la mecánica clásica o la electrodinámica:

Fig. 1: La función de onda del electrón de un átomo de hidrógeno posee niveles de energía definidos y discretos denotados por un número cuántico n=1, 2, 3,... y valores definidos de momento angular caracterizados por la notación: s, p, d,... Las áreas brillantes en la figura corresponden a densidades elevadas de probabilidad de encontrar el electrón en dicha posición.
  • Espectro de la radiación del cuerpo negro, resuelto por Max Planck con la cuantización de la energía. La energía total del cuerpo negro resultó que tomaba valores discretos más que continuos. Este fenómeno se llamó cuantización, y los intervalos posibles más pequeños entre los valores discretos son llamados quanta (singular: quantum, de la palabra latina para «cantidad», de ahí el nombre de mecánica cuántica). El tamaño de un cuanto es un valor fijo llamado constante de Planck, y que vale: 6.626 ×10-34 julios por segundo.
  • Bajo ciertas condiciones experimentales, los objetos microscópicos como los átomos o los electrones exhiben un comportamiento ondulatorio, como en la interferencia. Bajo otras condiciones, las mismas especies de objetos exhiben un comportamiento corpuscular, de partícula, («partícula» quiere decir un objeto que puede ser localizado en una región concreta del espacio), como en la dispersión de partículas. Este fenómeno se conoce como dualidad onda-partícula.
  • Las propiedades físicas de objetos con historias asociadas pueden ser correlacionadas, en una amplitud prohibida para cualquier teoría clásica, sólo pueden ser descritos con precisión si se hace referencia a ambos a la vez. Este fenómeno es llamado entrelazamiento cuántico y la desigualdad de Bell describe su diferencia con la correlación ordinaria. Las medidas de las violaciones de la desigualdad de Bell fueron algunas de las mayores comprobaciones de la mecánica cuántica.
  • Explicación del efecto fotoeléctrico, dada por Albert Einstein, en que volvió a aparecer esa "misteriosa" necesidad de cuantizar la energía.
  • Efecto Compton.

El desarrollo formal de la teoría fue obra de los esfuerzos conjuntos de varios físicos y matemáticos de la época como Schrödinger, Heisenberg, Einstein, Dirac, Bohr y Von Neumann entre otros (la lista es larga). Algunos de los aspectos fundamentales de la teoría están siendo aún estudiados activamente. La mecánica cuántica ha sido también adoptada como la teoría subyacente a muchos campos de la física y la química, incluyendo la física de la materia condensada, la química cuántica y la física de partículas.

La región de origen de la mecánica cuántica puede localizarse en la Europa central, en Alemania y Austria, y en el contexto histórico del primer tercio del siglo XX.

Suposiciones más importantes

Artículo principal: Interpretaciones de la Mecánica cuántica.

Las suposiciones más importantes de esta teoría son las siguientes:

  • Al ser imposible fijar a la vez la posición y el momento de una partícula, se renuncia al concepto de trayectoria, vital en mecánica clásica. En vez de eso, el movimiento de una partícula queda regido por una función matemática que asigna, a cada punto del espacio y a cada instante, la probabilidad de que la partícula descrita se halle en tal posición en ese instante (al menos, en la interpretación de la Mecánica cuántica más usual, la probabilística o interpretación de Copenhague). A partir de esa función, o función de ondas, se extraen teóricamente todas las magnitudes del movimiento necesarias.
  • Existen dos tipos de evolución temporal, si no ocurre ninguna medida el estado del sistema o función de onda evolucionan de acuerdo con la ecuación de Schrödinger, sin embargo, si se realiza una medida sobre el sistema, éste sufre un «salto cuántico» hacia un estado compatible con los valores de la medida obtenida (formalmente el nuevo estado será una proyección ortogonal del estado original).
  • Existen diferencias perceptibles entre los estados ligados y los que no lo están.
  • La energía no se intercambia de forma continua en un estado ligado, sino en forma discreta lo cual implica la existencia de paquetes mínimos de energía llamados cuantos, mientras en los estados no ligados la energía se comporta como un continuo.

Descripción de la teoría bajo la interpretación de Copenhague

Artículo principal: Interpretación de Copenhague.

Para describir la teoría de forma general es necesario un tratamiento matemático riguroso, pero aceptando una de las tres interpretaciones de la mecánica cuántica (a partir de ahora la Interpretación de Copenhague), el marco se relaja. La mecánica cuántica describe el estado instantáneo de un sistema (estado cuántico) con una función de onda que codifica la distribución de probabilidad de todas las propiedades medibles, u observables. Algunos observables posibles sobre un sistema dado son la energía, posición, momento y momento angular. La mecánica cuántica no asigna valores definidos a los observables, sino que hace predicciones sobre sus distribuciones de probabilidad. Las propiedades ondulatorias de la materia son explicadas por la interferencia de las funciones de onda.

Estas funciones de onda pueden variar con el transcurso del tiempo. Esta evolución es determinística si sobre el sistema no se realiza ninguna medida aunque esta evolución es estocástica y se produce mediante colapso de la función de onda cuando se realiza una medida sobre el sistema (Postulado IV de la MC). Por ejemplo, una partícula moviéndose sin interferencia en el espacio vacío puede ser descrita mediante una función de onda que es un paquete de ondas centrado alrededor de alguna posición media. Según pasa el tiempo, el centro del paquete puede trasladarse, cambiar, de modo que la partícula parece estar localizada más precisamente en otro lugar. La evolución temporal determinista de las funciones de onda es descrita por la Ecuación de Schrödinger.

Algunas funciones de onda describen estados físicos con distribuciones de probabilidad que son constantes en el tiempo, estos estados se llaman estacionarios, son estados propios del operador hamiltoniano y tienen energía bien definida. Muchos sistemas que eran tratados dinámicamente en mecánica clásica son descritos mediante tales funciones de onda estáticas. Por ejemplo, un electrón en un átomo sin excitar se dibuja clásicamente como una partícula que rodea el núcleo, mientras que en mecánica cuántica es descrito por una nube de probabilidad estática que rodea al núcleo.

Cuando se realiza una medición en un observable del sistema, la función de ondas se convierte en una del conjunto de las funciones llamadas funciones propias o estados propios del observable en cuestión. Este proceso es conocido como colapso de la función de onda. Las probabilidades relativas de ese colapso sobre alguno de los estados propios posibles son descritas por la función de onda instantánea justo antes de la reducción. Considerando el ejemplo anterior sobre la partícula en el vacío, si se mide la posición de la misma, se obtendrá un valor impredecible x. En general, es imposible predecir con precisión qué valor de x se obtendrá, aunque es probable que se obtenga uno cercano al centro del paquete de ondas, donde la amplitud de la función de onda es grande. Después de que se ha hecho la medida, la función de onda de la partícula colapsa y se reduce a una que esté muy concentrada en torno a la posición observada x.

La ecuación de Schrödinger es en parte determinista en el sentido de que, dada una función de onda a un tiempo inicial dado, la ecuación suministra una predicción concreta de qué función tendremos en cualquier tiempo posterior. Durante una medida, el eigen-estado al cual colapsa la función es probabilista y en este aspecto es no determinista. Así que la naturaleza probabilista de la mecánica cuántica nace del acto de la medida.

Formulación matemática

Artículos principales: Postulados de la mecánica cuántica y Notación braket.

En la formulación matemática rigurosa, desarrollada por Dirac y von Neumann, los estados posibles de un sistema cuántico están representados por vectores unitarios (llamados estados) que pertenecen a un Espacio de Hilbert complejo separable (llamado el espacio de estados). Qué tipo de espacio de Hilbert es necesario en cada caso depende del sistema; por ejemplo, el espacio de estados para los estados de posición y momento es el espacio de funciones de cuadrado integrable \scriptstyle L^2(\R^3), mientras que la descripción de un sistema sin traslación pero con un espín \scriptstyle n\hbar es el espacio \scriptstyle \mathbb{C}^{2n+1}. La evolución temporal de un estado cuántico queda descrita por la ecuación de Schrödinger, en la que el hamiltoniano, el operador correspondiente a la energía total del sistema, tiene un papel central.

Cada magnitud observable queda representada por un operador lineal hermítico definido sobre un dominio denso del espacio de estados. Cada estado propio de un observable corresponde a un eigenvector del operador, y el valor propio o eigenvalor asociado corresponde al valor del observable en aquel estado propio. El espectro de un operador puede ser continuo o discreto. La medida de un observable representado por un operador con espectro discreto sólo puede tomar un conjunto numerable de posibles valores, mientras que los operadores con espectro continuo presentan medidas posibles en intervalos reales completos. Durante una medida, la probabilidad de que un sistema colapse a uno de los eigenestados viene dada por el cuadrado del valor absoluto del producto interior entre el estado propio o auto-estado (que podemos conocer teóricamente antes de medir) y el vector estado del sistema antes de la medida. Podemos así encontrar la distribución de probabilidad de un observable en un estado dado computando la descomposición espectral del operador correspondiente. El principio de incertidumbre de Heisenberg se representa por la aseveración de que los operadores correspondientes a ciertos observables no conmutan.

Relatividad y la mecánica cuántica

El mundo moderno de la física se funda notablemente en dos teorías principales, la relatividad general y la mecánica cuántica, aunque ambas teorías parecen contradecirse mutuamente. Los postulados que definen la teoría de la relatividad de Einstein y la teoría del quántum están apoyados por rigurosa y repetida evidencia empírica. Sin embargo, ambas se resisten a ser incorporadas dentro de un mismo modelo coherente.

El mismo Einstein es conocido por haber rechazado algunas de las demandas de la mecánica cuántica. A pesar de ser claramente inventivo en su campo, Einstein no aceptó la interpretación ortodoxa de la mecánica cuántica tales como la aserción de que una sola partícula subatómica puede ocupar numerosos espacios al mismo tiempo. Einstein tampoco aceptó las consecuencias de entrelazamiento cuántico aún más exóticas de la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (o EPR), la cual demuestra que medir el estado de una partícula puede instantáneamente cambiar el estado de su socio enlazado, aunque las dos partículas pueden estar a una distancia arbitraria. Sin embargo, este efecto no viola la causalidad, puesto que no hay transferencia posible de información. De hecho, existen teorías cuánticas que incorporan a la relatividad especial —por ejemplo, la electrodinámica cuántica, la cual es actualmente la teoría física más comprobada— y éstas se encuentran en el mismo corazón de la física moderna de partículas.solo  la vida ense;a que es la fisica y lo que es y no es...ocga

 

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05.07.2012 20:29

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16.07.2012 12:46

Exoesqueleto mecánico

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Exoesqueleto mecánico o exoesqueleto robot es un armazón metálico externo que ayuda a moverse a su portador y a realizar cierto tipo de actividades, como lo es el cargar peso.

Durante su funcionamiento, una serie de sensores biométricos detectan las señales nerviosas que el cerebro envía a los músculos de nuestras extremidades cuando vamos a comenzar a andar. La unidad de procesamiento del exoesqueleto responde entonces a estas señales, las procesa y hace actuar al exoesqueleto en una fracción de segundo. Entonces decimos que un exoesqueleto es básicamente un "robot que se viste"

Contenido

El proyecto HAL

Traje prototipo de HAL.

En un principio el proyecto iba orientado a ayudar a las personas ancianas o discapacitadas a andar por “su propio pie”, cosa que se consiguió en el 2000 con el HAL-3. En el 2005 se dotó al último modelo, el HAL-5 de prótesis de cintura para arriba, de unidades de potencia más compactas, se le redujo el peso, se aumentó la duración de la batería y se mejoró su diseño externo.

HAL son las siglas en inglés de Hybrid Assistive Limb que describen la funcionalidad del traje respecto a la ayuda híbrida a las extremidades.

Sarcos XOS

El Raytheon Sarcos XOS es un exoesqueleto que está en fase de desarrollo con fines militares. De momento ya se ha conseguido que la persona que use el XOS pueda levantar y transportar pesos con mayor facilidad sin perder agilidad, pero el “traje” aún necesita alimentación externa.

En la cultura popular

  • Iron Man: El genio en armas Tony Stark crea su propia armadura que le permite convertirse en un superhéroe
  • Star Kid (1998): Un tímido chico de séptimo grado cuya vida cambia al estrellarse una nave extraterrestre cerca de su casa, Spencer Griffith decide ir a ver creyendo que se trataba de un meteoro, al llegar al lugar descubre que la nave tenia un extraño traje, el cual decidió probarse, descubriendo que se trabataba de una armadura capaz de aumentar las habilidades del usuario.
  • Crash Nebula: Dentro del mundo ficticio de los Padrinos Mágicos, Crash Nebula es un personaje de televisión del cual Timmy es fan, es un niño grangero normal que por simple suerte logra salvarle la vida a una princesa extraterrestre, hecho que le gano un cupo en una escuela de guerreros extraterrestres, en la cual se roba una armadura de combate para salvar a una compañera de estudios de un agujero negro, la cual después le es regalada por su innata habilidad para controlarla y por descubrir una nueva fuente de combustible para la misma, abono de su granja.
  • Spartan 117: Dentro del universo ficticio de halo tiene fuerza sobrehumana y una gran capacidad de razonamiento gracias a las modificaciones geneticas y a su traje de combate MJOLNIR Mark VI que le añade todavia mas fuerza
  • En el videojuego Crysis, algunas fuerzas especiales de los Estados Unidos poseen "Nanotrajes", armaduras que usan nanotecnología para distribuir energía en 4 sistemas: Armadura (Mayor resistencia a daño), Velocidad (Mayor velocidad, si se esprinta se avanza muchísimo más rápido), Fuerza (Mayor salto, menor retroceso del arma) o Camuflaje óptico. Los Coreanos también poseen esa tecnología, pero a una escala mucho menor.
  • Aceleradores Delta 6: Es el nombre que tienen los costosos trajes que usan los guerreros G.I. Joe.
  • Servoarmadura: El icono de Warhammer 40k, los Marines espaciales, tanto leales como traidores, son conocidos por utilizar ampliamente servoarmaduras y armaduras de exterminador(versiones más lentas y pesadas que las servoarmaduras). Estas armaduras compuestas por ceramita, plastiacero y adamantio ofrecen una protección inigualable a su portador y agudizan sus sentidos, su fuerza, su resistencia y velocidad.
  • Metal Gear Solid (Saga): En el primer juego de esta saga aparece Gray Fox con un exoesqueleto que le permite hacer movimientos que un humano no puede hacer por sí solo y aparentar ser un ninja. En el segundo juego es Olga Gurlukuvich quien lleva este exoesqueleto y, al igual que Gray Fox, toma la apariencia de un cyborg ninja. Sin embargo en el tercer juego no aparece ninguno, al remontarse a la época de la Guerra Fría. En el último juego vuelve a aparecer el exoesqueleto con Raiden quien sirve de inspiración para el próximo Metal Gear Solid: Rising
  • S.T.A.L.K.E.R.: Shadow of Chernobyl: En los tres episodios, los jugadores usan un exoesqueleto.

Power suit: en Metroid la cazarrecompensas Samus Aran tiene como arma una armadura Chozo con un cañon varias habilidades ma

exoesqueletos

16.07.2012 12:43

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hidro..-.

16.07.2012 12:27

idrógeno - H

 

 

Propiedades químicas del Hidrógeno - Efectos del Hidrógeno sobre la salud - Efectos ambientales del Hidrógeno

Nombre

Hidrógeno

Número atómico

1

Valencia

1
Estado de oxidación

+1

Electronegatividad

2,1

Radio covalente (Å)

0,37

Radio iónico (Å)

2,08

Radio atómico (Å)

-

Configuración electrónica

1s1

Primer potencial de ionización (eV)

13,65

Masa atómica (g/mol)

1,00797

Densidad (g/ml)

0,071

Punto de ebullición (ºC)

-252,7

Punto de fusión (ºC)

-259,2

Descubridor

Boyle en 1671


Hidrógeno

Primer elemento de la tabla periódica. En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e insípido, compuesto de moléculas diatómicas, H2. El átomo de hidrógeno, símbolo H, consta de un núcleo de unidad de carga positiva y un solo electrón. Tiene número atómico 1 y peso atómico de 1.00797. Es uno de los constituyentes principales del agua y de toda la materia orgánica, y está distribuido de manera amplia no sólo en la Tierra sino en todo el universo. Existen 3 isótopos del hidrógeno: el protio, de masa 1, que se encuentra en más del 99.98% del elemento natural; el deuterio, de masa 2, que se encuentra en la naturaleza aproximadamente en un 0.02%, y el tritio, de masa 3, que aparece en pequeñas cantidades en la naturaleza, pero que puede producirse artificialmente por medio de varias reacciones nucleares.

  
Usos: El empleo más importante del hidrógeno es en la síntesis del amoniaco. La utilización del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de refinación del petróleo, como el rompimiento por hidrógeno (hydrocracking), y en el tratamiento con higrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la manufactura de productos químicos orgánicos. Grandes cantidades de hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, y como un propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear.
Propiedades: El hidrógeno común tiene un peso molecular de 2.01594. El gas tiene una densidad de 0.071 g/l a 0ºC y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con la del aire, es de 0.0695. El hidrógeno es la sustancia más inflamable de todas las que se conocen. El hidrógeno es un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua. Muchos metales absorben hidrógeno. La adsorción del hidrógeno en el acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para procesos químicos.

A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia poco reactiva a menos que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es muy reactivo.

Aunque por lo general es diatómico, el hidrógeno molecular se disocia a temperaturas elevadas en átomos libres. El hidrógeno atómico es un agente reductor poderoso, aun a la temperatura ambiente. Reacciona con los óxidos y los cloruros de muchos metales, entre ellos la plata, el cobre, el plomo, el bismuto y el mercurio, para producir los metales libres. Reduce a su estado metálico algunas sales, como los nitratos, nitritos y cianuros de sodio y potasio. Reacciona con cierto número de elementos, tanto metales como no metales, para producir hidruros, como el NaH, KH, H2S y PH3. El hidrógeno atómico produce peróxido de hidrógeno, H2O2, con oxígeno. Con compuestos orgánicos, el hidrógeno atómico reacciona para generar una mezcla compleja de productos; con etileno, C2H4, por ejemplo, los productos son etano, C2H6, y butano, C4H10. El calor que se libera cuando los átomos de hidrógeno se recombinan para formar las moléculas de hidrógeno se aprovecha para obtener temperaturas muy elevadas en soldadura de hidrógeno atómico.

El hidrógeno reacciona con oxígeno para formar agua y esta reacción es extraordinariamente lenta a temperatura ambiente; pero si la acelera un catalizador, como el platino, o una chispa eléctrica, se realiza con violencia explosiva. Con nitrógeno, el hidrógeno experimenta una importante reacción para dar amoniaco. El hidrógeno reacciona a temperaturas elevadas con cierto número de metales y produce hidruros. Los óxidos de muchos metales son reducidos por el hidrógeno a temperaturas elevadas para obtener el metal libre o un óxido más bajo. El hidrógeno reacciona a temperatura ambiente con las sales de los metales menos electropositivos y los reduce a su estado metálico. En presencia de un catalizador adecuado, el hidrógeno reacciona con compuestos orgánicos no saturados adicionándose al enlace doble.

Compuestos principales: El hidrógeno es constituyente de un número muy grande de compuestos que contienen uno o más de otros elementos. Esos compuestos incluyen el agua, los ácidos, las bases, la mayor parte de los compuestos orgánicos y muchos minerales. Los compuestos en los cuales el hidrógeno se combina sólo con otro elemento se denominan generalmente hidruros.

Preparación: Se pueden aplicar muy diversos métodos para preparar hidrógeno gaseoso. La elección del método depende de factores como la cantidad de hidrógeno deseada, la pureza requerida y la disponibilidad y costo de la materia prima. Entre los procesos que más se emplean están las reacciones de metales con agua o con ácidos, la electrólisis del agua, la reacción de vapor con hidrocarburos u otros materiales orgánicos, y la descomposición térmica de hidrocarburos. La principal materia prima para la producción de hidrógeno son los hidrocarburos, como el gas natural, gas de aceite refinado, gasolina, aceite combustible y petróleo crudo.

Efectos del Hidrógeno sobre la salud

Efectos de la exposición al hidrógeno: Fuego: Extremadamente inflamable. Muchas reacciones pueden causar fuego o explosión. Explosión: La mezcla del gas con el aire es explosiva. Vías de exposición: La sustancia puede ser absorbida por el cuerpo por inhalación. Inhalación: Altas concentraciones de este gas pueden causar un ambiente deficiente de oxígeno. Los individuos que respiran esta atmósfera pueden experimentar síntomas que incluyen dolores de cabeza, pitidos en los oídos, mareos, somnolencia, inconsciencia, náuseas, vómitos y depresión de todos los sentidos. La piel de una víctima puede presentar una coloración azul. Bajo algunas circunstancias se puede producir la muerte. No se supone que el hidrógeno cause mutagénesis, embriotoxicidad, teratogenicidad o toxicidad reproductiva. Las enfermedades respiratorias pre-existentes pueden ser agravadas por la sobreexposición al hidrógeno. Riesgo de inhalación: Si se producen pérdidas en su contenedor, se alcanza rápidamente una concentración peligrosa.

Peligros físicos: El gas se mezcla bien con el aire, se forman fácilmente mezclas explosivas. El gas es más ligero que el aire.

Peligros químicos: El calentamiento puede provocar combustión violenta o explosión. Reacciona violentamente con el aire, oxígeno, halógenos y oxidantes fuertes provocando riesgo de incendio y explosión. Los catalizadores metálicos, tales como platino y níquel, aumentan enormemente estas reacciones.

Elevadas concentraciones en el aire provocan una deficiencia de oxígeno con el riesgo de inconsciencia o muerte. Comprobar el contenido de oxígeno antes de entrar en la habitación. No hay advertencia de olor si hay concentraciones tóxicas presentes. Medir concentraciones de hidrógeno con un detector de gas adecuado (un detector normal de gas inflamable no es adecuado para este propósito).

Efectos ambientales del Hidrógeno

Estabilidad ambiental: El hidrógeno existe naturalmente en la atmósfera. El gas se disipará rápidamente en áreas bien ventiladas.

Efecto sobre plantas o animales: Cualquier efecto en animales será debido a los ambientes deficientes de oxígeno. No se anticipa que tenga efectos adversos sobre las plantas, aparte de la helada producida en presencia de los gases de expansión rápida.

Efecto sobre la vida acuática: Actualmente no se dispone de evidencia sobre el efecto del hidrógeno en la vida acuática

hidrogeno

16.07.2012 12:22

Hidrógeno

Este artículo trata sobre un elemento químico. Para la molécula (H2), formada por dos átomos de hidrógeno, véase Dihidrógeno.
Para otros usos de este término véase Hidrógeno (desambiguación).
 Hidrógeno → Helio
      Hexagonal.svg Capa electrónica 001 Hidrógeno.svg
 
1		 H
   
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tabla completa • Tabla ampliada
H,1.jpg
Incoloro
Información general
Nombre, símbolo, número Hidrógeno, H, 1
Serie química No metales
Grupo, período, bloque 1, 1, s
Configuración electrónica 1s1
Electrones por nivel 1 (imagen)
Propiedades atómicas
Radio medio 25 pm
Electronegatividad 2,2 (Pauling)
Radio atómico (calc) 53 pm (Radio de Bohr)
Radio covalente 37 pm
Radio de van der Waals 120 pm
Estado(s) de oxidación 1, -1
Óxido Anfótero
1.ª Energía de ionización 1312 kJ/mol
Propiedades físicas
Estado ordinario Gas
Densidad 0,089 9 kg/m3
Punto de fusión 14,025 K (-259 °C)
Punto de ebullición 20,268 K (-253 °C)
Punto de inflamabilidad 255 K (-18 °C)
Entalpía de vaporización 0,44936 kJ/mol
Entalpía de fusión 0,05868 kJ/mol
Presión de vapor 209 Pa a 23 K
Punto crítico 23,97 K (-249 °C)
1,293·106 Pa
Volumen molar 22,42×10-3 m3/mol
Varios
Estructura cristalina Hexagonal
N° CAS 1333-74-0
N° EINECS 215-605-7
Calor específico 1,4304·104 J/(K·kg)
Conductividad eléctrica - S/m
Conductividad térmica 0,1815 W/(K·m)
Velocidad del sonido 1270 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del hidrógeno
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
1H 99,985 % Estable con 0 neutrones
2H 0,015 % Estable con 1 neutrón
3H trazas 12,33 años β 0,019 3He
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.
Representación animada de un átomo de deuterio, uno de los isótopos del hidrógeno.

El hidrógeno es un elemento químico representado por el símbolo H1 y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. Con una masa atómica de 1,00794(7) u, el hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 73,9% de la materia visible del universo.2

En su ciclo principal, las estrellas están compuestas por hidrógeno en estado de plasma. El hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.

Sus principales aplicaciones industriales son el refinado de combustibles fósiles (por ejemplo, el hidrocracking) y la producción de amoníaco (usado principalmente para fertilizantes).

El isótopo del hidrógeno más común en la naturaleza, conocido como protio (término muy poco usado), tiene un solo protón y ningún neutrón. En los compuestos iónicos, el hidrógeno puede adquirir carga positiva (convirtiéndose en un catión llamado hidrón, H+, compuesto únicamente por un protón, a veces acompañado de algún neutrón); o carga negativa (convirtiéndose en un anión conocido como hidruro, H-).

El hidrógeno puede formar compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. Desempeña un papel particularmente importante en la química ácido - base, en la que muchas reacciones conllevan el intercambio de protones (iones hidrógeno, H+) entre moléculas solubles. Puesto que es el único átomo neutro para el cual la ecuación de Schrödinger puede ser resuelta analíticamente, el estudio de la energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fundamental para el desarrollo de la mecánica cuántica.

Contenido

Nomenclatura

Hidrógeno, del latín "hydrogenium", y éste del griego antiguo ὕδωρ (hydro): "agua" y γένος-ου(genos): "generador". "generador de agua"

La palabra hidrógeno puede referirse tanto al átomo de hidrógeno (descrito en este artículo), como a la molécula diatómica (H2) que se encuentra a nivel de trazas en la atmósfera terrestre. Los químicos tienden a referirse a esta molécula como dihidrógeno,3 molécula de hidrógeno, o hidrógeno diatómico, para distinguirla del átomo del elemento, que no existe de forma aislada en las condiciones ordinarias.

Historia

Descubrimiento del hidrógeno

El hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue formalmente descrito por primera vez por T. Von Hohenheim (más conocido como Paracelso, 1493-1541) que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes. Paracelso no era consciente de que el gas inflamable generado en estas reacciones químicas estaba compuesto por un nuevo elemento químico. En 1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reacción que se producía entre limaduras de hierro y ácidos diluidos, y que generaba hidrógeno gaseoso.4

En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, identificando el gas producido en la reacción metal - ácido como "aire inflamable" y descubriendo que la combustión del gas generaba agua. Cavendish tropezó con el hidrógeno cuando experimentaba con ácidos y mercurio. Aunque asumió erróneamente que el hidrógeno era un componente liberado por el mercurio y no por el ácido, fue capaz de describir con precisión varias propiedades fundamentales del hidrógeno. Tradicionalmente, se considera a Cavendish el descubridor de este elemento.

En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrógeno (en francés Hydrogène, del griego ὕδωρ, ὕδᾰτος, "agua" y γένος-ου, "generador") cuando comprobó (junto a Laplace) el descubrimiento de Cavendish.

En el artículo teoría del flogisto se narra un poco más acerca de esta historia.

Papel del hidrógeno en la Teoría Cuántica

Gracias a su estructura atómica relativamente simple, consistente en un solo protón y un solo electrón para el isótopo más abundante (protio), el átomo de hidrógeno posee un espectro de absorción que pudo ser explicado cuantitativamente lo que supuso un punto central del modelo atómico de Bohr que sirvió como un hito en el desarrollo la Teoría de la Estructura Atómica. Además, la consiguiente simplicidad de la molécula de hidrógeno diatómico y el correspondiente catión dihidrógeno, H2+, permitió una comprensión más completa de la naturaleza del enlace químico, que continuó poco después con el tratamiento mecano - cuántico del átomo de hidrógeno, que había sido desarrollado a mediados de la década de 1920 por Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg.

Uno de los primeros efectos cuánticos que fue explícitamente advertido (pero no entendido en ese momento) fue una observación de Maxwell en la que estaba involucrado el hidrógeno, medio siglo antes de que se estableciera completamente la Teoría Mecano - Cuántica. Maxwell observó que el calor específico del H2, inexplicablemente, se desviaba del correspondiente a un gas diatómico por debajo de la temperatura ambiente y comenzaba a parecerse cada vez más al correspondiente a un gas monoátomico a temperaturas muy bajas. De acuerdo con la Teoría Cuántica, este comportamiento resulta del espaciamiento de los niveles energéticos rotacionales (cuantizados), que se encuentran particularmente separados en el H2 debido a su pequeña masa. Estos niveles tan separados impiden el reparto equitativo de la energía calorífica para generar movimiento rotacional en el hidrógeno a bajas temperaturas. Los gases diatómicos compuestos de átomos pesados no poseen niveles energéticos rotacionales tan separados y, por tanto, no presentan el mismo efecto que el hidrógeno.5

Sólo hay un elemento en la tabla periódica que no pertenezca a ningún grupo en particular: el hidrógeno. Este elemento tiene una química singular. Además sus tres isótopos difieren tanto en sus masas moleculares que las propiedades físicas y químicas son sensiblemente diferentes.

Abundancia

NGC 604, una enorme región de hidrógeno ionizado en la Galaxia del Triángulo.

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, suponiendo más del 75% en masa y más del 90% en número de átomos.6 Este elemento se encuentra en abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes. Las nubes moleculares de H2 están asociadas a la formación de las estrellas. El hidrógeno también juega un papel fundamental como combustible de las estrellas por medio de las reacciones de fusión nuclear entre núcleos de hidrógeno.

En el universo, el hidrógeno se encuentra principalmente en su forma atómica y en estado de plasma, cuyas propiedades son bastante diferentes a las del hidrógeno molecular. Como plasma, el electrón y el protón del hidrógeno no se encuentran ligados, por lo que presenta una alta conductividad eléctrica y una gran emisividad (origen de la luz emitida por el Sol y otras estrellas). Las partículas cargadas están fuertemente influenciadas por los campos eléctricos y magnéticos. Por ejemplo, en los vientos solares las partículas interaccionan con la magnetosfera terrestre generando corrientes de Birkeland y el fenómeno de las auroras.

Bajo condiciones ordinarias en la Tierra, el hidrógeno existe como gas diatómico, H2. Sin embargo, el hidrógeno gaseoso es extremadamente poco abundante en la atmósfera de la Tierra (1 ppm en volumen), debido a su pequeña masa que le permite escapar al influjo de la gravedad terrestre más fácilmente que otros gases más pesados. Aunque los átomos de hidrógeno y las moléculas diatómicas de hidrógeno abundan en el espacio interestelar, son difíciles de generar, concentrar y purificar en la Tierra. El hidrógeno es el decimoquinto elemento más abundante en la superficie terrestre7 La mayor parte del hidrógeno terrestre se encuentra formando parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el agua.8 El hidrógeno gaseoso es producido por algunas bacterias y algas, y es un componente natural de las flatulencias. El metano es una fuente de enorme importancia para la obtención del hidrógeno.

El átomo de hidrógeno

Niveles energéticos electrónicos

Representación de los niveles energéticos del átomo de hidrógeno.

El nivel energético del estado fundamental electrónico de un átomo de hidrógeno es -13,6 eV, que equivale a un fotón ultravioleta de, aproximadamente, 92 nm de longitud de onda.

Los niveles energéticos del hidrógeno pueden calcularse con bastante precisión empleando el modelo atómico de Bohr, que considera que el electrón orbita alrededor del protón de forma análoga a la órbita terrestre alrededor del Sol. Sin embargo, la fuerza electromagnética hace que el protón y el electrón se atraigan, de igual modo que los planetas y otros cuerpos celestes se atraen por la fuerza gravitatoria. Debido al carácter discreto (cuantizado) del momento angular postulado en los inicios de la Mecánica Cuántica por Bohr, el electrón en el modelo de Bohr sólo puede orbitar a ciertas distancias permitidas alrededor del protón y, por extensión, con ciertos valores de energía permitidos. Una descripción más precisa del átomo de hidrógeno viene dada mediante un tratamiento puramente mecano - cuántico que emplea la ecuación de onda de Schrödinger o la formulación equivalente de las integrales de camino de Feynman para calcular la densidad de probabilidad del electrón. El tratamiento del electrón a través de la hipótesis de De Broglie (dualidad onda - partícula) reproduce resultados químicos (tales como la configuración del átomo de hidrógeno) de manera más natural que el modelo de partículas de Bohr, aunque la energía y los resultados espectrales son los mismos. Si en la construcción del modelo se emplea la masa reducida del núcleo y del electrón (como se haría en el problema de dos cuerpos en Mecánica Clásica), se obtiene una mejor formulación para los espectros del hidrógeno, y los desplazamientos espectrales correctos para el deuterio y el tritio. Pequeños ajustes en los niveles energéticos del átomo de hidrógeno, que corresponden a efectos espectrales reales, pueden determinarse usando la Teoría Mecano - Cuántica completa, que corrige los efectos de la Relatividad Especial (ver ecuación de Dirac), y computando los efectos cuánticos originados por la producción de partículas virtuales en el vacío y como resultado de los campos eléctricos (ver Electrodinámica Cuántica).

En el hidrógeno gaseoso, el nivel energético del estado electrónico fundamental está dividido a su vez en otros niveles de estructura hiperfina, originados por el efecto de las interacciones magnéticas producidas entre los espines del electrón y del protón. La energía del átomo cuando los espines del protón y del electrón están alineados es superior que cuando los espines no lo están. La transición entre esos dos estados puede tener lugar mediante la emisión de un fotón a través de una transición de dipolo magnético. Los radiotelescopios pueden detectar la radiación producida en este proceso, lo que sirve para crear mapas de distribución del hidrógeno en la galaxia.

Isótopos

Artículo principal: Isótopos de hidrógeno.
Tubo de descarga lleno de hidrógeno puro.
Tubo de descarga lleno de deuterio puro.
El protio, el isótopo más común del hidrógeno, tiene un protón y un electrón. Es el único isótopo estable que no posee neutrones.

El hidrógeno posee tres isótopos naturales que se denotan como 1H, 2H y 3H. Otros isótopos altamente inestables (del 4H al 7H) han sido sintetizados en laboratorio, pero nunca observados en la naturaleza.9 10

  • 1H, conocido como protio, es el isótopo más común del hidrógeno con una abundancia de más del 99,98%. Debido a que el núcleo de este isótopo está formado por un solo protón se le ha bautizado como protio, nombre que a pesar de ser muy descriptivo, es poco usado.
  • 2H, el otro isótopo estable del hidrógeno, es conocido como deuterio y su núcleo contiene un protón y un neutrón. El deuterio representa el 0,0026% o el 0,0184% (según sea en fracción molar o fracción atómica) del hidrógeno presente en la Tierra, encontrándose las menores concentraciones en el hidrógeno gaseoso, y las mayores (0,015% o 150 ppm) en aguas oceánicas. El deuterio no es radiactivo, y no representa un riesgo significativo de toxicidad. El agua enriquecida en moléculas que incluyen deuterio en lugar de hidrógeno 1H (protio), se denomina agua pesada. El deuterio y sus compuestos se emplean en marcado no radiactivo en experimentos y también en disolventes usados en espectroscopia 1H - RMN. El agua pesada se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante en reactores nucleares. El deuterio es también un potencial combustible para la fusión nuclear con fines comerciales.
  • 3H se conoce como tritio y contiene un protón y dos neutrones en su núcleo. Es radiactivo, desintegrándose en 32He+ a través de una emisión beta. Posee un periodo de semidesintegración de 12,33 años.8 Pequeñas cantidades de tritio se encuentran en la naturaleza por efecto de la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos. También ha sido liberado tritio por la realización de pruebas de armamento nuclear. El tritio se usa en reacciones de fusión nuclear, como trazador en Geoquímica Isotópica, y en dispositivos luminosos auto - alimentados. Antes era común emplear el tritio como radiomarcador en experimentos químicos y biológicos, pero actualmente se usa menos.

El hidrógeno es el único elemento que posee diferentes nombres comunes para cada uno de sus isótopos (naturales). Durante los inicios de los estudios sobre la radiactividad, a algunos isótopos radiactivos pesados les fueron asignados nombres, pero ninguno de ellos se sigue usando. Los símbolos D y T (en lugar de 2H y 3H) se usan a veces para referirse al deuterio y al tritio, pero el símbolo P corresponde al fósforo y, por tanto, no puede usarse para representar al protio. La IUPAC declara que aunque el uso de estos símbolos sea común, no es lo aconsejado.

Formas elementales moleculares

Las primeras trazas observadas en una cámara de burbujas de hidrógeno líquido en el Bevatron.

Existen dos tipos distintos de moléculas diatómicas de hidrógeno que difieren en la relación entre los espines de sus núcleos:11

  • Orto - hidrógeno: los espines de los dos protones se encuentran paralelos y conforman un estado triplete.
  • Para - hidrógeno: los espines de los dos protones se encuentran antiparalelos y conforman un estado singlete.

En condiciones normales de presión y temperatura el hidrógeno gaseoso contiene aproximadamente un 25% de la forma para y un 75% de la forma orto, también conocida como "forma normal".12 La relación del equilibrio entre orto - hidrógeno y para - hidrógeno depende de la temperatura, pero puesto que la forma orto es un estado excitado, y por tanto posee una energía superior, es inestable y no puede ser purificada. A temperaturas muy bajas, el estado de equilibrio está compuesto casi exclusivamente por la forma para. Las propiedades físicas del para - hidrógeno puro difieren ligeramente de las de la forma normal (orto).13 La distinción entre formas orto / para también se presenta en otras moléculas o grupos funcionales que contienen hidrógeno, tales como el agua o el metileno.

La interconversión no catalizada entre el para - hidrógeno y el orto - hidrógeno se incrementa al aumentar la temperatura; por esta razón, el H2 condensado rápidamente contiene grandes cantidades de la forma orto que pasa a la forma para lentamente.14 La relación orto / para en el H2 condensado es algo importante a tener en cuenta para la preparación y el almacenamiento del hidrógeno líquido: la conversión de la forma orto a la forma para es exotérmica y produce el calor suficiente para evaporar el hidrógeno líquido, provocando la pérdida del material licuado. Catalizadores para la interconversión orto / para, tales como compuestos de hierro, son usados en procesos de refrigeración con hidrógeno.15

Una forma molecular llamada "hidrógeno molecular protonado", H3+, se encuentra en el medio interestelar, donde se genera por la ionización del hidrógeno molecular provocada por los rayos cósmicos. También se ha observado en las capas superiores de la atmósfera de Júpiter. Esta molécula es relativamente estable en el medio del espacio exterior debido a las bajas temperaturas y a la bajísima densidad. El H3+ es uno de los iones más abundantes del universo, y juega un papel notable en la química del medio interestelar.16

Hidrógeno metálico

Artículo principal: Hidrógeno metálico.

Si bien se suele catalogar al hidrógeno como no metal, a bajas temperaturas y altas presiones puede comportarse como metal. En marzo de 1996, un grupo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore informó de que habían producido casualmente, durante un microsegundo y a temperaturas de miles de kelvins y presiones de más de un millón de atmósferas (> 100 GPa), el primer hidrógeno metálico identificable.17

Aplicaciones

El átomo de hidrógeno no puede aislarse, siempre se encuentra formando moléculas o compuestos. La molécula más sencilla es el hidrógeno diatómico. Para conocer información adicional de alguna sustancia que contiene átomos de hidrógeno, diríjase a los artículos sobre dihidrógeno, hidruro, ácido, o hidrocarburo.

Compuestos

Compuestos covalentes y orgánicos

A pesar de que el H2 no es muy reactivo en condiciones normales, forma multitud de compuestos con la mayoría de los elementos químicos. Se conocen millones de hidrocarburos, pero no se generan por la reacción directa del hidrógeno elemental con el carbono (aunque la producción del gas de síntesis seguida del proceso Fischer - Tropsch para sintetizar hidrocarburos parece ser una excepción pues comienza con carbón e hidrógeno elemental generado in situ). El hidrógeno puede formar compuestos con elementos más electronegativos, tales como los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo) o los calcógenos (oxígeno, azufre, selenio); en estos compuestos, el hidrógeno adquiere carga parcial positiva debido a la polaridad del enlace covalente. Cuando se encuentra unido al flúor, al oxígeno o al nitrógeno, el hidrógeno puede participar en una modalidad de enlace no covalente llamado "enlace de hidrógeno" o "puente de hidrógeno", que es fundamental para la estabilidad de muchas moléculas biológicas. El hidrógeno puede también formar compuestos con elementos menos electronegativos, tales como metales o semi - metales, en los cuales adquiere carga parcial negativa. Estos compuestos se conocen como hidruros.

El hidrógeno forma una enorme variedad de compuestos con el carbono. Debido a su presencia en los seres vivos, estos compuestos se denominan compuestos orgánicos; el estudio de sus propiedades es la finalidad de la Química Orgánica, y el estudio en el contexto de los organismos vivos se conoce como Bioquímica. Atendiendo a algunas definiciones, los compuestos "orgánicos" requieren la presencia de carbono para ser denominados así (ahí tenemos el clásico ejemplo de la urea) pero no todos los compuestos de carbono se consideran orgánicos (es el caso del monóxido de carbono, o los carbonatos metálicos. La mayoría de los compuestos orgánicos también contienen hidrógeno y, puesto que es el enlace carbono-hidrógeno el que proporciona a estos compuestos muchas de sus principales características, se hace necesario mencionar el enlace carbono-hidrógeno en algunas definiciones de la palabra "orgánica" en Química. (Estas recientes definiciones no son perfectas, sin embargo, ya que un compuesto indudablemente orgánico como la urea no podría ser catalogado como tal atendiendo a ellas).

En la Química Inorgánica, los hidruros pueden servir también como ligandos puente que unen dos centros metálicos en un complejo de coordinación. Esta función es particularmente común en los elementos del grupo 13, especialmente en los boranos (hidruros de boro) y en los complejos de aluminio, así como en los clústers de carborano.8

Algunos ejemplos de compuestos covalentes importantes que contienen hidrógeno son: amoniaco (NH3), hidracina (N2H4), agua (H2O), peróxido de hidrógeno (H2O2), sulfuro de hidrógeno (H2S), etc.

Hidruros

A menudo los compuestos del hidrógeno se denominan hidruros, un término usado con bastante inexactitud. Para los químicos, el término "hidruro" generalmente implica que el átomo de hidrógeno ha adquirido carga parcial negativa o carácter aniónico (denotado como H-). La existencia del anión hidruro, propuesta por G. N. Lewis en 1916 para los hidruros iónicos del grupo 1 (I) y 2 (II), fue demostrada por Moers en 1920 con la electrolisis del hidruro de litio (LiH) fundido, que producía una cantidad estequiométrica de hidrógeno en el ánodo.18 Para los hidruros de metales de otros grupos, el término es bastante erróneo, considerando la baja electronegatividad del hidrógeno. Una excepción en los hidruros del grupo II es el BeH2, que es polimérico. En el tetrahidruroaluminato (III) de litio, el anión AlH4- posee sus centros hidrúricos firmemente unidos al aluminio (III).

Representación del ion hidronio (H3O+), en la que se puede apreciar la condensación de carga negativa en el átomo de oxígeno, y el carácter positivo de los átomos de hidrógeno.

Aunque los hidruros pueden formarse con casi todos los elementos del grupo principal, el número y combinación de posibles compuestos varía mucho; por ejemplo, existen más de 100 hidruros binarios de boro conocidos, pero solamente uno de aluminio.19 El hidruro binario de indio no ha sido identificado aún, aunque existen complejos mayores.20

"Protones" y ácidos

La oxidación del H2 formalmente origina el protón, H+. Esta especie es fundamental para explicar las propiedades de los ácidos, aunque el término "protón" se usa imprecisamente para referirse al hidrógeno catiónico o ion hidrógeno, denotado H+. Un protón aislado H+ no puede existir en disolución debido a su fuerte tendencia a unirse a átomos o moléculas con electrones mediante un enlace coordinado o enlace dativo. Para evitar la cómoda, aunque incierta, idea del protón aislado solvatado en disolución, en las disoluciones ácidas acuosas se considera la presencia del ion hidronio (H3O+) organizado en clústers para formar la especie H9O4+.21 Otros iones oxonio están presentes cuando el agua forma disoluciones con otros disolventes.22

Aunque exótico en la Tierra, uno de los iones más comunes en el universo es el H3+, conocido como hidrógeno molecular protonado o catión hidrógeno triatómico.23

Véase también

 

Referencias

  1. ↑ Lista símbolos alfabetizables en el diccionario panhispánico de dudas, apéndice 3
  2. ↑ Hydrogen in the Universe, NASA Website. URL visitada el 2 de junio de 2006.
  3. ↑ Kubas, G. J., Metal Dihydrogen and σ-Bond Complexes, Kluwer Academic/Plenum Publishers: New York, 2001
  4. ↑ «Webelements – Hydrogen historical information». Consultado el 15 de septiembre de 2005.
  5. ↑ Berman R, Cooke AH, Hill RW. Cryogenics, Ann. Rev. Phys. Chem. 7 (1956). 1–20.
  6. ↑ «Jefferson Lab – Hydrogen». Consultado el 15 de septiembre de 2005.
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Existen dos tipos básicos de motor de combustión que emplean hidrógeno como combustible. El primero y más importante es el motor de combustión de hidrógeno de cuatro tiempos, que es en esencia un motor típico de combustión interna, y el segundo se trata del motor Wankel.

Motor Wankel

Motor rotativo de MazdaEste tipo de motor rotativo parece dar buenos resultados al emplear hidrógeno como combustible, según lo atestiguan ensayos realizados con dinamómetro y una vez resueltos los problemas que presentaba en lo que a estanqueidad se refiere. Estos buenos resultados se deben a la configuración de este motor, el cual minimiza las dificultades de combustión que se dan en otros tipos de motores. El motor rotativo no suele dar problemas de autoencendido pues, tal y como se puede apreciar en la fotografía del motor, la cámara de combustión presenta una geometría adecuada para la combustión del hidrógeno, o sea, presenta una relación volumen/superficie muy elevada. De todos modos, suponiendo que los gases de escape fueran responsables del autoencendido, tampoco plantearían problemas en el motor Wankel ya que, cuando los gases frescos entran, la cámara ya se encuentra vacía y los gases de escape se encuentran lejos.

En el motor Wankel es posible el aprovechamiento de la alta temperatura de ignición del hidrógeno. Se está investigando la posibilidad de incluir agua pulverizada en la mezcla de entrada, la cual se evapora al quemarse el hidrógeno llegando a ejercer presiones muy altas de forma elástica, a diferencia de lo que ocurre en el pistón, en el cual se da una detonación. Actualmente se está tratando de conseguir que la mayor parte de la potencia se deba a la acción del vapor de agua y no al hidrógeno.
Otra ventaja más de este motor radica en su relación potencia/peso, este motor desarrolla una alta potencia en comparación con su tamaño lo que permite tener un sistema motriz de alta potencia sin emisiones y de reducido tamaño. La compañía Reg Technologies ha conseguido una relación potencia/peso cerca de los 0,34 kg por caballo 9 de potencia, una cantidad ínfima comparada con los 2,72 kg/CV que presenta el motor de émbolo.
No obstante, el motor Wankel no está libre de defectos pues presenta un problema en lo que a lubricación se refiere. El aceite empleado en la lubricación de los sellos se encuentra en contacto con la mezcla de combustible y aire, con lo que, al producirse la combustión, no sólo se quemará el hidrógeno sino que además lo hará el aceite. En realidad este hecho constituye dos problemas, el primero es la desaparición del lubricante con lo que el consumo del mismo aumentará, mientras que el segundo afectará a las emisiones del motor. El aceite, al ser quemado, producirá CO2 además de otros contaminantes como pueden ser los sulfuros, NOx, etc. Lo cual ha provocado que los automóviles con motor rotativo no lleguen a ser considerados Z. E. V., es decir, de emisión cero. Además esta clase de motor no posee la característica de los motores de pistón de actuar como freno, comúnmente llamado freno motor. Otro problema, que aún hoy no ha sido resuelto del todo, es el denominado dieseling. El dieseling se produce a causa de la precisión del punto de combustión pues, en caso de retrasarse un poco, puede ocurrir que la combustión comience antes de que el rotor gire por sí mismo. En este
caso, que se suele dar cuando la velocidad es baja, la explosión empuja al rotor en sentido contrario al ciclo de rotación y cabe esperar daños en el motor.

A pesar de todo, la compañía Mazda ha desarrollado varios modelos de coche que cuentan con este tipo de motor desde los años 70 y que, según la propia compañía, ofrecen unas prestaciones casi iguales que la de los motores de cuatro tiempos convencionales. No obstante, en la década de los 70 la tecnología no estaba lo suficientemente desarrollada como para que los motores Wankel fuesen equiparables a los de pistón. Durantes estos años la compañía japonesa ha adaptado algunos modelos
de forma que empleen hidrógeno como combustible. Dichos modelos son el HR-X1, HR-X2, y el MX-5 .

Motor de cuatro tiempos

Motor BMWEl diseño de este motor es básicamente el mismo que el de un motor a gasolina, es decir, un motor que sigue el ciclo Otto, con sus pistones, válvulas y demás sistemas. Esta clase de motores permiten aprovechar las especiales características que presenta el hidrógeno como combustible, a saber: – Alta velocidad de llama en flujo laminar. – Alto número de octanos efectivo – Ninguna toxicidad y no llega a formar ozono Por esto, con un adecuado diseño podemos conseguir un motor con un rendimiento energético mayor que el equivalente en gasolina y totalmente ecológico. El alto número de octanos permite elevar la relación de compresión que redundará en un aumento del rendimiento energético, mientras que la alta velocidad de llama en flujo laminar contribuye a la reducción de las emisiones de NOx, pues es posible emplear dosados muy bajos, tan bajos que han llegado al 0,2. Gracias a esta posibilidad se puede aumentar también el rendimiento. Con todo esto se han conseguido aumentos del rendimiento del 25-30% con respecto a los motores equivalentes en gasolina.

 

El motor de hidrógeno se ha convertido en una de las alternativas más comentadas para los nuevos vehículos no contaminantes. El hidrógeno posee más potencia en relación energía/ peso que cualquier otro combustible, y además produce poca o ninguna contaminación, ya que sólo libera vapor de agua en su combustión.

Casi todos los grandes fabricantes están trabajando en nuevos modelos que incluyen motor de hidrógeno (Honda FCX, BMW 745H, Nissan X-Trail FCV, Toyota HighLander FCHV, Opel Zafira Hydrogen 3 o Mercedes Clase B Fuel Cell).

La mayoría de ellos siguen un esquema similar. El motor eléctrico situado debajo del capó, recibe la alimentación desde las células de combustible, que generan electricidad al mezclar el hidrógeno que contiene el depósito de combustible y el oxígeno del aire. El único residuo que genera esta reacción es vapor de agua.

Motor de hidrógeno

Una celda o célula de combustible es un generador que se basa en procesos químicos para producir energía al combinar el hidrógeno y el oxígeno. La célula de combustible produce corriente eléctrica como una batería, pero al contrario que ésta, nunca se descarga mientras se disponga de combustible en el depósito de hidrógeno.Una cñelula de combustible es silenciosa, limpia y eficiente, por lo que nos olvidaremos para siempre de los ruidos del motor.