Combinación del hidrógeno con el oxígeno

Hasta finales del siglo XVIII, el agua, al igual que el aire, se consideraban elementos químicos propiamente dichos.

Hacia el año 1781, Priestley, Watt y Cavendish reconocieron que el hidrógeno, al arder en el aire, produce agua. En 1789, Lavoisier demostró que el agua está compuesta de hidrógeno y oxígeno, y que estos dos gases forman, al combinarse entre sí, una cantidad de agua representada por la suma de sus pesos.

Análisis y síntesis del agua

Se demuestra que el agua está formada por oxígeno e hidrógeno:

1. Al encender un chorro de hidrógeno seco debajo de una campana, se observa que esta se recubre por dentro de gotas de agua cuyo número aumenta mientras dura la combustión.
2. Al poner el agua en contacto con metales que la descomponen, ya sea en frío, como el potasio, o a una temperatura elevada, como el hierro, el estaño, etc. En esta descomposición, el oxígeno del agua se combina con los metales y el hidrógeno se libera.
3. Al descomponer el agua con ayuda de una pila, el oxígeno se dirige al polo positivo y el hidrógeno al polo negativo. El volumen del primero de estos gases es aproximadamente la mitad del del segundo.

A representa una pila, B un recipiente de vidrio cuyo fondo está atravesado por dos hilos de platino que están cubiertos por pequeñas campanas graduadas llenas de agua.

Este líquido se convierte en buen conductor de la electricidad al añadirle un poco de ácido sulfúrico. En cuanto se pone cada hilo de platino en contacto con los reóforos (cordones metálicos especialmente flexibles y recubiertos de seda) de la pila, el agua se descompone; el oxígeno se dirige al polo positivo C y el hidrógeno al polo negativo D.

Una vez demostrado mediante estos experimentos que el agua está formada por hidrógeno y oxígeno, queda por establecer con exactitud la proporción de sus dos elementos.

Los análisis eudiométricos (procedimiento de análisis de gases mediante combustión) realizados con el mayor cuidado por Gay-Lussac y de Humboldt demuestran que el agua está formada por dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno.

En efecto, si se introducen en un eudiómetro 200 volúmenes de hidrógeno y 200 volúmenes de oxígeno, y se hace pasar por la mezcla una chispa eléctrica, la combinación se produce de inmediato, el instrumento se recubre por dentro de una capa de humedad y quedan en el eudiómetro 100 volúmenes de oxígeno puro, que pueden ser absorbidos por completo por el fósforo. De este experimento se deduce, por tanto, que 200 volúmenes de hidrógeno se han combinado con 100 volúmenes de oxígeno para formar agua.

La composición ponderal del agua se establece con precisión mediante la síntesis, reduciendo un peso conocido de un óxido (óxido de cobre, por ejemplo), con hidrógeno puro y seco; la composición del agua se reduce a partir del peso del agua formada durante la operación.

Sea P un peso conocido de óxido de cobre, P’ su peso después de la reducción (es decir, el peso del cobre). P - P’ dará el peso del oxígeno contenido en el óxido. Al pesar con exactitud el agua producida, y al restar del peso de esta agua el peso del oxígeno P - P’, el resto da la cantidad de hidrógeno unida al oxígeno para formar agua.

Así se ha determinado el peso de los dos elementos que constituyen el agua.

El método anterior fue aplicado por primera vez a la síntesis del agua por Berélius y Dulong. Estos químicos habían encontrado que 100 g de agua estaban formados por 88,91 g de oxígeno y 11,09 g de hidrógeno. El método de Berélius y Dulong fue perfeccionado posteriormente por Dumas. Aquí daremos algunos detalles sobre el aparato que Dumas empleó para determinar la composición del agua mediante la síntesis. Dumas se dedicó especialmente a purificar por completo el hidrógeno y a producir en cada experimento una calidad de agua que, en general, ascendía a 50 o 60 gramos.

El hidrógeno obtenido por el método ordinario, mediante zinc, agua y ácido sulfúrico comercial, puede contener vapores nitrosos, ácido sulfuroso, hidrógeno carbonado, ácido sulfúrico e hidrógeno arseniado. Para obtener hidrógeno en un estado de pureza absoluta, es indispensable trabajar con un ácido sulfúrico libre de ácido sulfuroso y de ácido nítrico.

Los demás cuerpos extraños proceden del carbón, del azufre y del arsénico que a menudo contiene en pequeñas cantidades el zinc comercial. El gas se despoja de ellos al atravesar tres tubos en U llenos de fragmentos de vidrio humedecidos con diversas disoluciones: el hidrógeno carbonado queda retenido por la potasa cáustica; el ácido sulfhídrico por el nitrato de plomo; el hidrógeno arseniado por el sulfato de plata o el bicloruro de mercurio.

El hidrógeno se seca al pasar por una resina de tubos que contienen ácido sulfúrico y ácido fosfórico anhidro dividido por fragmentos de piedra pómez. El óxido de cobre se coloca en un matraz de vidrio muy duro, capaz de soportar el calor rojo durante un día entero sin deformarse. El matraz se calienta mediante una potente lámpara de alcohol.

El matraz que contiene el óxido se ha sometido primero a una deshidratación prolongada; se hace el vacío en su interior antes de comenzar la operación. El agua formada en el experimento se condensa en un matraz y después en una serie de tubos desecantes, destinados a retener el vapor acuoso arrastrado por el hidrógeno en exceso.

La síntesis del agua se realiza en varias etapas sucesivas:

1. Liberación de hidrógeno en el aparato para desplazar el aire de su interior
2. Pesaje del matraz lleno de óxido de cobre y vacío de aire
3. Pesaje de los aparatos destinados a retener el agua
4. Ajuste del aparato
5. Reducción
6. Enfriamiento del matraz, manteniendo la corriente de hidrógeno
7. Pesaje del matraz frío y vacío de hidrógeno
8. Desplazamiento del hidrógeno de los aparatos que contienen el agua, mediante una corriente de aire seco.

De los numerosos experimentos realizados por Dumas se deduce que el agua está formada por 100 g de oxígeno por cada 12,50 g de hidrógeno.

La composición del agua en centésimas pasa a ser entonces: Oxígeno: 88,888; Hidrógeno: 11,112: AGUA: 100,000.

También se puede deducir la composición del agua a partir de las densidades del oxígeno y del hidrógeno.

Se ha visto que el agua está formada por dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno: 0,13852 = 2 veces la densidad del hidrógeno; 1,10563 = 1 vez la densidad del oxígeno. Estos números guardan entre sí la misma proporción que 12,50 y 100. Para determinar la relación que existe entre el volumen del agua y los volúmenes de los gases que la constituyen, basta con comparar la densidad del vapor de agua con la suma de la densidad del oxígeno y del doble de la densidad del hidrógeno.

La densidad del vapor de agua determinada por Gay-Lussac es de 0,624, y según el Sr. Regnault de 0,622.

Al añadir al doble de la densidad del hidrógeno = 0,43582, la densidad del oxígeno = 1,10563, la suma 1,24445 coincide exactamente con el doble de la densidad del vapor de agua.

Se observa, por tanto, que un volumen de oxígeno y dos volúmenes de hidrógeno representan dos volúmenes de vapor acuoso, o que un volumen de vapor de agua está formado por un volumen de hidrógeno y medio volumen de oxígeno.

En resumen, el agua contiene en centésimas 88,888 de oxígeno; 11,112 de hidrógeno.

En equivalentes, está formada por un equivalente de oxígeno = 100 y un equivalente de hidrógeno = 12,50.

En volúmenes, contiene dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno que representan dos volúmenes de vapor acuoso.