Hidrógeno

HidrógenoHidrógenoUn elemento químico singularUn elemento químico singular

Fernando Carrillo. Química Inorgánica. UCLM

Hidrógeno

Introducción Propiedades generales Estado natural Comportamiento químico Obtención Usos y aplicaciones

Hidrógeno: introducción

PARACELSUS (SIGLO XVI)

ROBERT BOYLE (1671)

HENRY CAVENDISH (1766)

ANTOINE LAVOISIER (1783)

Hidrógeno: propiedades generales

Es un no metal Forma moléculas diatómicas H2

El elemento es menos reactivo que los halógenos X2

Un átomo H tiene un único electrón

Puede perderlo, para formar H+

Puede ganar otro, para formar H-

H1.00794

1s11s1

EL ELEMENTO: ISÓTOPOS

PROTIO HPROTIO H11HH

DEUTERIO DDEUTERIO D22HH

TRITIO TTRITIO T33HH

PESOPESO

ATÓMICOATÓMICO

1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160

ABUNDANCIA ABUNDANCIA RELATIVA (%)RELATIVA (%)

99.9899.98 0.0150.015 1010-17-17

SPIN NUCLEARSPIN NUCLEAR 1/21/2 11 1/21/2

P.F. EN EP.F. EN E22 (ºC) (ºC) -259.04-259.04 -254.27-254.27 -252.38-252.38

P.Eb. EN EP.Eb. EN E22 (ºC) (ºC) -252.61-252.61 -249.73-249.73 -247.96-247.96

E. Dis. (kJ/mol)E. Dis. (kJ/mol) 438.88438.88 443.35443.35 446.90446.90

11 1111

DEUTERIO:• O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D:

SEPARACIÓN D2O/H2O• SE UTILIZA PARA:

• ESTUDIOS MECANÍSTICOS• CONTROL DE REACCIONES NUCLEARES• RMN

DEUTERIO:• O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D:

SEPARACIÓN D2O/H2O• SE UTILIZA PARA:

• ESTUDIOS MECANÍSTICOS• CONTROL DE REACCIONES NUCLEARES• RMN

HH22O (s)O (s)

HH22O (l)O (l)

DD22O (s)O (s)

TRITIO:

N + n C + T T1/2=12,26 años

He + e ()

Li + n He + T (Reactor nuclear)

Sus principales usos se encuentran en la Sus principales usos se encuentran en la medicina nuclearmedicina nuclear

PESOPESO

ATÓMICOATÓMICO

1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160

99.9899.98 0.0150.015 1010-17-17

P.F. EN EP.F. EN E22 (ºC) (ºC) -259.04-259.04 -254.27-254.27 -252.38-252.38

11 1111

SPINES NUCLEARES

ORTO Y PARA HIDRÓGENO

ORTO PARA

Equilibrio orto-para del H2, D2 y T2

CATALIZADOR: C activo, Fe2O3

PESOPESO

ATÓMICOATÓMICO

1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160

99.9899.98 0.0150.015 1010-17-17

P.F. EN EP.F. EN E22 (ºC) (ºC) -259.04-259.04 -254.27-254.27 -252.38-252.38

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PESOPESO

ATÓMICOATÓMICO

1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160

99.9899.98 0.0150.015 1010-17-17

P.F. EN EP.F. EN E22 (ºC) (ºC) -259.04-259.04 -254.27-254.27 -252.38-252.38

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H2 2 H

• CALENTAMIENTO A ELEVADA TEMPERATURA

700ºC 3,7.10-4 % DISOCIACIÓN5500ºC 98.8 % DISOCIACIÓN

• DESCARGAS ELÉCTRICAS

• RADIACIONES

Densidad (g/ml) en fase gas 0.089

Punto de Fusión (K) 14.01

Punto de Ebullición (K) 20.28

Radio covalente en H2 (Å) 0.37

Radio iónico en LiH (Å) 1.53

Potencial de Ionización (eV) 13.54

Afinidad Electrónica (eV) 0.715

Electronegatividad

(E. Pauling)

Potencial normal (V) H+ + 1e- ½ H2 0.00

7% 1%Hidrógeno

UniversoUniverso

Espacio interestelar H

Estrellas H2 y H

Hidrógeno: estado natural

Hidrógeno: fusión nuclear En el ciclo básico de fusión del Hidrógeno, cuatro núcleos de hidrógeno (protones) se unen para formar un núcleo de Helio. Es importante recordar que esta fusión desprende energía en el centro de una estrella. Esta es la fusión que genera energía en nuestro Sol. Conocemos esta energía cuando sentimos calor en un día de verano, como hoy.

5. Se forma una partículaalfa y se liberan dos protonesy mucha energía

4. Se producen núcleos de helio que se fusionan

3. El deuterio fusionacon otro protón

1. Se fusionandos protones

2. Un protón setransmutaen un neutrón,formando deuterio

Se emiten un electrón y un neutrino

FUSIÓN DE DEUTERIO

FUSIÓN DEUTERIO-TRITIO

Hidrógeno: fusión nuclear

En la Tierra, parece que es más interesante realizar otro tipo de fusión para poder obtener una fuente de energía casi inagotable. Se trata de la fusión del Deuterio o, incluso mejor, de la fusión de Deuterio con Tritio.

Hidrógeno: fusión nuclear

ITER TOKAMAKITER TOKAMAK

REACTORREACTOREXPERIMENTALEXPERIMENTALDE FUSIÓNDE FUSIÓNPOR CONFINAMIENTOPOR CONFINAMIENTOMAGNÉTICOMAGNÉTICO

Cadarache (FR) 2015Cadarache (FR) 2015

Décimo elemento en peso más abundante de la corteza terrestre

Como H2O cubre el 80 % de la superficie terrestre

Constituye el 70% del cuerpo humano

Compuestos orgánicos

Combustibles fósiles (petróleo, gas natural, etc.)

Estratosfera en forma atómica

LA TIERRALA TIERRA

Hidrógeno: estado natural

Hidrógeno: comportamiento químicoLA REACCIÓN CON EL OXÍGENO:

H2 + ½ O2 H2O(g) H= -242 kJ.mol-1

H2 2HH + O2OH + OOH + H2 H2O + HO2 + HOH + H

OH + H H2OO + H2H2O

REACCIONES DE TERMINACIÓNREACCIONES DE TERMINACIÓN

Hidrógeno: comportamiento químico

LA REACCIÓN CON EL OXÍGENO:

El H2 se quema, al aire, en concentraciones entre4 y 75% (frente a 5.4-15% de G.N.)

La temperatura de combustión espontánea es de585ºC (frente a 540º de G.N.)

Es menos explosivo (conc. 13-64%)que el G.N. (conc. 6.3-14%)

Perder el electrón

Ganar un electrón

Compartir el electrón

E-HE-H

Hidrógeno: comportamiento químico

HnAmHnAm AH-

Hidrógeno: hidruros binarios

CLASIFICACIÓN DE PANETH

H-H- H+H+

Hidrógeno: hidruros iónicos

Electronegatividad

H-M < H M = G1 Y PESADOS G2

Radio (Å) Relación Q/r

H 0.32

H- 1.53 0.65

F- 1.19 0.84

Cl- 1.67 0.60

Redes iónicas tridimensionales

Puntos de fusión > 600ºC

Método de obtención

M + n/2 H2MHn

Hidrógeno: hidruros iónicos

Conducen la electricidad en fundido

La electrolisis produce H2 en el ánodo

Hidrógeno: hidruros covalentes

Moleculares

H2O HF

BeH2 B2H6Poliméricos

Hidrógeno: hidruros covalentes

HBe Be

HIDRUROS COMO ALMACÉN DE HIDRÓGENO: “HIDRUROS QUÍMICOS”

MBH4 + 2 H2O 4 H4 H22 + MBO2 + CALOR

NaBH4, KBH4, LiBH4

HIDRÓLISIS EN PRESENCIA DE UN CATALIZADOR

HIDRURO

CATALIZADOR

AGUA DE REFRIGERACIÓN

RECICLADO

SEPARADOR DE H2

PILACOMB

NaBH4/H2O/OH-

H2 + NaBO2

CCAALLOORR NaBO2

Otras variantes: LiH, NaH, MgH2 + ROH H2 + M(OR)x

NH3.BH3 NH2BH2 + H2 NHBH + H2

HIDRÓLISIS CON VAPOR DE AGUA

PRINCIPAL PROBLEMA: APROVISIONAMIENTO Y RECICLADO

Hidrógeno: hidruros metálicos

METÁLICOS:

• INTERSTICIALES

• ESTEQUIOMÉTRICOSCrH VH2

• NO ESTEQUIOMÉTRICOSTiH1.9 HfH2.1

Brillo metálico

Conducen la electricidad o son semiconductores

Propiedades magnéticas

Quebradizos

Almacén de H2

Absorben gran cantidad de H2, queliberan se puede liberar a conveniencia

% Capacidad hidrógeno

Carga a baja presión relativa y baja temperatura

Descarga a altatemperatura

METAL FASE FASE FASE (HIDRURO (HIDRURO (ADSORCIÓNINTERSTICIAL) METÁLICO) DE HIDRÓGENO)

BATERÍAS DE NIQUEL-HIDRURO

Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son:

descarga

2 Ni(O)(OH) + MHn n Ni(OH)2 + M

Como electrodo negativo se utilizan aleaciones de níquel (MHn)

muy complejas, distinguiéndose principalmente dos tipos: AB5 y AB2:

donde A = La, Ce, Pr, Nd

B = Ni, Co, Mn, Al

BATERÍAS DE NIQUEL-HIDRURO

Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son:

descarga

2 Ni(O)(OH) + MHn n Ni(OH)2 + M

Como electrodo negativo se utilizan aleaciones de níquel (MHn)

muy complejas, distinguiéndose principalmente dos tipos: AB5 y AB2:

donde A = La, Ce, Pr, Nd

B = Ni, Co, Mn, Al

Hidrógeno: obtención

OBTENCIÓN A ESCALA DE LABORATORIO

•M + H+ Mn+ + H2

Zn + HCl ZnCl2 + H2

•M + OH- M(OH)n + H2

Al + NaOH Na[Al(OH)4] + H2

•M + H2O M(OH)n + H2

Na + H2O NaOH + H2

•H- + H2O OH- + H2

LiH + H2O LiOH + H2

Na en agua

Fe en HCl

ELECTROLISIS DEL AGUA

CAT(-) 2 HCAT(-) 2 H++ + 2e + 2e-- HH22

ANOD(+) 2 OHANOD(+) 2 OH-- - 2e - 2e-- 1/2O 1/2O22 + H + H22OO

Electrolito: NaOH 25% 2-2.5V electrodos de Ni ó Fe0.2% producción mundial de H2

Mejor: FC FC*

H2O + FC* H2 + O2 + FC

energía solar

OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL

•REDUCCIÓN DE AGUA CON COQUE

H2O(g) + C H2 + CO (+ N2 gas de síntesis)2C + O2 2CO

H2O + CO CO2 + H2

CO2 + K2CO3(aq) 2KHCO3(aq)

Problemas: presencia de S escasez de C

1200ºC

•REDUCCIÓN DE AGUA CON HIDROCARBUROS

CH4 (GAS NATURAL) + H2O CO + H2

•OXIDACIÓN PARCIAL DE FUEL-OIL

CnHm + n/2O2 n CO + m/2 H2

•REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS

R-CH2-CH2-CH2-CH2-R 2 R-CH=CH2 + H2

•PROCESO CLORO-ÁLCALI: SUBPRODUCTOIMPORTANTE

Hidrógeno

Otro gas

Hidrógeno: usos y aplicaciones

Hindenburg, ardiendo en 1937

BMW Mini, con hidrógeno

Lanzadera espacial:500000 l de O2 líquidoy 1.5 millones de l de H2 líquido

Atolón de Bikini, 1954

PROD. PARTIDA

MARGARINAS

NAVES ESPACIALES. PILAS DE COMBUSTIBLE.

FERTILIZANTES PLÁSTICOS

PRODUCCIÓN DE METALES

JULES VERNE, EN “LA ISLA MISTERIOSA” (1874) DICE:“creo que algún día se utilizará el agua como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la componen, ya sean juntos o separados, proporcionarán una fuente inagotable de luz y calor, de una intensidad de la cual el carbón no es capaz. El agua será el carbón del futuro”.

½ O2 + 2e O2-

H2 2H+ + 2e

H2 + ½ O2 H2O

CAT(+)

ANOD(-)PILA DE COMBUSTIBLEPILA DE COMBUSTIBLEDE HIDRÓGENODE HIDRÓGENO

electrolito

catalizador

electroneselectrones

2H++O2- =H2O

O2+2e=O2-

H2=2H++2e

CALORCALOR

Tipos de pilas de combustible:

PAFC: PAFC: ÁCIDO FOSFÓRICOÁCIDO FOSFÓRICO

PEM: PEM: MEMBRANA INTERCAMBIADORAMEMBRANA INTERCAMBIADORA

MCFC: CARBONATO FUNDIDO

SOFC: ÓXIDO SÓLIDO

ALCALINAS: HIDRÓXIDO DE POTASIO

Usos actuales: Naves espaciales, submarinos, autobuses, industria militar.

Usos inminentes: Ordenadores portátiles, móviles, PDA, cámaras digitales, generadores portátiles, motos, vehículos híbridos, pequeñas fuentes de energía fijas.

Usos futuros: Coches eléctricos, fuentes de energía fijas de gran potencia.

1) Las pilas de hidrógeno son eficientes, ya que transforman el hidrógeno y el oxígeno directamente enelectricidad y agua sin ninguna combustión durante el proceso. La eficiencia del proceso se sitúa entreel 50 y el 60%, que equivale aproximadamente al doble de la eficiencia del motor de explosión. Teóricamente,se puede llegar al 100%.2) Las pilas de hidrógeno son limpias, porque no producen ninguna emisión, sólo la producción de aguapura. Al contrario que el motor de explosión, la pila de hidrógeno no emite ni dióxido de azufre (quecontribuye a la lluvia ácida), ni tampoco óxidos de nitrógeno (que contribuyen a la creación del smog)ni ningún tipo de partícula contaminante.3) Las pilas de hidrógeno son muy silenciosas, ya que no tienen ningún mecanismo móvil, aunque tienenun sistema de bomba y ventilador, así pues la producción de electricidad es bastante silenciosa. Muchasinstalaciones, como por ejemplo los hoteles, pueden sustituir la ingeniería diesel por pilas de hidrógenocomo suplemento al poder energético o bien como reservas de energía en caso de apagón.4) Las pilas de combustible son modulares, se pueden colocar juntas para conseguir la cantidad de energía necesaria. La pila de hidrógeno puede producir energía en un amplio margen desde pocos vatios a unos cuantos megavatios.5) Las pilas de hidrógeno no son peligrosas para el medio ambiente, no producen sustancias tóxicas, ya que el único desecho del proceso es el agua (o bien agua y dióxido de carbono en el casode las pilas de metanol).6) Las pilas de hidrógeno nos dan la oportunidad de poder obtener una gran cantidad de energía apartir de fuentes sostenibles: el agua y el aire.

1) La pila de hidrógeno deberá tener una aceptación en el mercado para tener éxito. Esta aceptacióndepende claramente del precio de las pilas, la duración y precisión y la accesibilidad al precio del combustible. Comparado con el precio de las actuales alternativas, como por ejemplo laingeniería del diesel y las baterías, las pilas de hidrógeno son realmente caras. Para ser competitivas,deben ser producidas con un bajo coste.

2) Desarrollo de infraestructuras para el mercado. Casi no existen infraestructuras para este tipo de combustibles. Es por ello que debemos confiar en las actividades de las compañías petroleras y de gas para que ellos las introduzcan. Sólo si los conductores son capaces de obtener el combustible a un precio razonable, serán desarrolladas nuevas aplicaciones para el motor.

3) Políticas adecuadas. Son necesarias políticas orientadas al desarrollo de esta tecnología. Las actuales leyes y regulaciones ambientales extremadamente rigurosas han reforzado la investigación en este campo.

4) El catalizador. Actualmente el platino es el componente clave de la pila de hidrógeno. El platino es un recurso natural escaso; la mayoría de sus fuentes están en Suráfrica, Rusia y Canadá. La escasez de platino es clave en el desarrollo de la pila de hidrógeno. Es necesaria una búsqueda de nuevos catalizadores.

¡QUÉ BONITO SERÍA SI….!

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