¿Es inflamable el agua hidrogenada? El pequeño volumen de gas de las botellas, explicado

Una botella de agua hidrogenada utiliza la electrólisis para añadir gas hidrógeno disuelto al agua, y el hidrógeno gaseoso es realmente inflamable, así que, a primera vista, la preocupación no es descabellada. En la práctica, lo que importa es una pregunta más concreta: cuánto hidrógeno gaseoso produce realmente una botella y si esa cantidad, cuando se utiliza tal como está diseñada, se acerca siquiera a la concentración y las condiciones que la bibliografía sobre seguridad del hidrógeno asocia con la ignición. Al hacer los cálculos con los volúmenes reales, la respuesta se convierte en una cuestión de aritmética, no de intuición, y las cifras quedan muy por debajo del umbral que haría que una botella cerrada sobre la encimera supusiera un riesgo de incendio.

• El hidrógeno gaseoso mezclado con aire solo se inflama dentro de un intervalo de concentración específico, y una botella utilizada correctamente nunca se acerca a su límite inferior.
• El volumen de gas que produce una botella, calculado a partir de la concentración disuelta medida en laboratorio, equivale aproximadamente a un par de cucharadas, no al contenido de un tanque.
• Para que haya una explosión, se necesitan tanto hidrógeno como un oxidante, como el oxígeno, en un espacio confinado; una botella abierta y ventilada en el aire de una habitación no crea ese confinamiento.

Por qué surge esta pregunta

La respuesta breve es que la diminuta cantidad de hidrógeno gaseoso que genera una botella, liberada en una habitación abierta tal como está previsto que se utilice el producto, no crea una mezcla inflamable. El hidrógeno como elemento es inflamable, igual que el gas natural o los vapores de gasolina, y no tiene sentido fingir lo contrario. La pregunta más útil, y la que responde este artículo, es cuánto gas hay en un momento dado y qué concentración y entorno serían necesarios para que ese gas pudiera siquiera inflamarse. Planteada así, la física deja de ser un temor que exige un sí o un no y se convierte en una comparación sencilla entre una cantidad pequeña y medida y un umbral mucho mayor.

Qué ocurre realmente dentro de la botella cuando produce hidrógeno

Dentro de la botella, una celda de electrólisis PEM/SPE separa una parte de las moléculas de agua y produce hidrógeno disuelto a un lado de la membrana y oxígeno, junto con una pequeña cantidad de ozono, al otro. El mecanismo completo de la electrólisis se explica en detalle en otro artículo, así que aquí solo hace falta conocer el resultado: el hidrógeno termina disuelto en el agua, en lugar de acumularse como una bolsa de gas libre. La banda de ventilación automática del Core está diseñada teniendo en cuenta esa diferencia. Permite que los subproductos de oxígeno y ozono salgan de la cámara mientras el hidrógeno permanece disuelto en el agua, de modo que la celda no acumula hidrógeno gaseoso en un espacio sellado, como lo haría un tanque presurizado.

Qué se necesita realmente para que algo sea «inflamable»

La investigación sobre la seguridad del hidrógeno mide la inflamabilidad como un intervalo, no como un único punto de ignición. Según los Sandia National Laboratories, el límite inferior de inflamabilidad generalmente aceptado para el hidrógeno en aire, en el caso de una llama que se propaga hacia arriba, es del 4 % de hidrógeno por volumen; ese umbral aumenta, hasta aproximadamente el 8,5-9,5 %, para las llamas que se propagan hacia abajo o en forma esférica, debido a la baja densidad del hidrógeno (fuente: Límites de inflamabilidad de las mezclas de hidrógeno y aire, Sandia National Laboratories). El intervalo inflamable total va de aproximadamente el 4 % al 74 % de hidrógeno en aire y, aunque la energía mínima de ignición del hidrógeno cerca del punto medio de ese intervalo es muy baja, hace falta bastante más energía para inflamar una mezcla situada justo en el límite inferior (fuente: Ficha informativa sobre seguridad del hidrógeno, Departamento de Energía de EE. UU.). Para alcanzar cualquier punto de ese intervalo también hace falta un oxidante. La misma ficha informativa del Departamento de Energía señala que no puede producirse una explosión en un tanque ni en ningún espacio cerrado que contenga únicamente hidrógeno: también tiene que haber oxígeno, aproximadamente un 10 % de oxígeno puro o un 41 % de aire, para que la mezcla pueda llegar a ser explosiva.

Hidrógeno disuelto en agua frente a hidrógeno gaseoso libre en el aire: por qué el LEL no se aplica al agua

El límite inferior de inflamabilidad describe el hidrógeno gaseoso mezclado con aire, no el hidrógeno disuelto en agua líquida. Un vaso de agua hidrogenada sobre el escritorio no es en absoluto una mezcla de gas y aire, así que la cifra del 4 % no se puede aplicar hasta que parte del hidrógeno disuelto salga del agua y pase al aire circundante. Además, la flotabilidad, el pequeño tamaño molecular y la alta difusividad del hidrógeno hacen que, una vez que sale del agua, se disperse muy rápidamente hacia arriba y hacia los lados, en lugar de permanecer quieto en un mismo lugar. Esta es una de las principales razones por las que las recomendaciones de seguridad sobre el hidrógeno tratan de forma tan distinta las habitaciones abiertas y ventiladas y los recipientes sellados o los equipos cerrados.

Hagamos los cálculos: cuánto gas libera realmente una botella

Para calcular honestamente el volumen de gas, este ejemplo utiliza la cifra verificada de forma independiente en laboratorio, en lugar de la especificación comercial. La página del producto Core indica una producción «de hasta 5000 ppb», pero esa cifra describe el máximo declarado por el vendedor, no una medición. El informe de certificación de laboratorio independiente de Hydrion Core & Pulse recoge una prueba independiente de H2 Analytics, realizada mediante cromatografía de gases con gases de calibración trazables al NIST, y un análisis de seguridad del agua llevado a cabo por SGS Silver State Analytical Laboratory, que midió entre 9,00 y 9,14 mg/L de hidrógeno disuelto a los 20 minutos en una botella de 375 mL. Conviene destacar por sí solo ese volumen de prueba de 375 mL, ya que es distinto de la cámara de 300 mL indicada en la página del producto de venta al público; este ejemplo utiliza conjuntamente la cifra y el volumen medidos, en lugar de mezclar ambos.

Si se toma el valor medido más alto, 9,14 mg/L, para toda la botella de 375 mL (0,375 L), se obtienen unos 3,43 mg de hidrógeno disuelto en total. La masa molar del hidrógeno es de 2,016 g/mol, así que 3,43 mg equivalen aproximadamente a 0,0017 mol. En condiciones estándar de temperatura y presión, un mol de cualquier gas ocupa 22,4 litros (fuente: Ley de Avogadro, Chemistry LibreTexts), por lo que 0,0017 mol equivalen a unos 38 mililitros de hidrógeno gaseoso, o aproximadamente dos cucharadas y media. Este es un ejemplo de cálculo con un caso extremo: supone que todas las moléculas de hidrógeno disueltas en la botella salen del agua en forma de gas en el mismo instante, algo que no sucede durante el uso normal, cuando el hidrógeno permanece disuelto y se consume al beberlo, en lugar de liberarse de golpe.

Incluso en ese caso extremo de 38 mL, para alcanzar el límite inferior de inflamabilidad del 4 % habría que confinar todo ese gas, sin diluir, en un espacio sellado con menos de un litro de aire, ya que 38 mL divididos entre el 4 % dan un volumen total de mezcla de aproximadamente 950 mL. La comparación es hipotética a propósito: describe un recipiente sellado que contiene únicamente ese gas y una pequeña cantidad de aire, que no es la forma en que se abre, se utiliza ni se guarda la botella.

Por qué la botella no genera esas condiciones durante el uso normal

Una botella de agua hidrogenada se utiliza destapada entre ciclos y se tapa brevemente durante la electrólisis, en el aire normal de una habitación, en lugar de funcionar como un recipiente a presión sellado que contiene hidrógeno puro. El hidrógeno que sí sale del agua se dispersa casi de inmediato hacia arriba en el aire de la habitación, en lugar de acumularse hasta alcanzar una concentración inflamable, por las mismas razones relacionadas con la flotabilidad y la difusividad que se describen más arriba. La presión que a veces se nota al abrir la tapa, y el motivo por el que la botella tiene un pequeño orificio de ventilación en la base, son cuestiones mecánicas, no preocupaciones relacionadas con la inflamabilidad; se explican por separado en los artículos sobre por qué la botella sisea o cuesta abrirla y para qué sirve el orificio de ventilación de la parte inferior.

Uso normal y sensato

Nada de esto cambia la forma en que debes utilizar o guardar la botella: sigue las instrucciones que vienen con el Hydrion Core y considera el pequeño volumen de gas medido anteriormente como contexto, no como un motivo para cambiar tu rutina. También conviene ser precisos al formular la afirmación. Lo correcto es decir que el volumen de gas que produce una botella, a las concentraciones que realmente alcanza, está muy por debajo de lo que necesitaría un recipiente sellado para volverse inflamable; no que el hidrógeno disuelto sea incapaz de arder en cualquier circunstancia. Esa distinción hace que la tranquilidad que ofrece la explicación se base en las mismas cifras que acabamos de analizar, en lugar de apoyarse en una afirmación general que va más allá de lo que demuestra la evidencia. Para obtener una visión más amplia de los efectos secundarios, los mitos y la seguridad general más allá de la inflamabilidad en particular, el artículo ¿Es segura el agua hidrogenada? aborda esos temas; y, si quieres entender qué miden realmente las cifras de PPB en los productos de agua hidrogenada, PPB frente a PPM en el agua hidrogenada explica las unidades de las cifras de laboratorio utilizadas aquí.