Hidrógeno

Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo
HIDRÓGENO
reactividad
Atómico
oPropiedades
iones
p-H 2
y
H2
OM
Propiedades
nucleares
Molecular
Propiedades
y estructura
Aplicaciones:
Síntesis
Laboratorio
Efectos
isotópicos
RMN / IR
Abundancia
(nucleogénesis)
industrial
Compuestos más
importantes
(Hidruros)
- Celdas de combustible
- Refinamiento petróleo
- Combustibles
- Refinamieto de una
mena metálica
- Hidrogenación
-- materia prima proceso
Haber
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Hidrógeno
Nombre Hidrógeno
Número atómico 1
Valencia 1
Estado de oxidación +1;0; -1
Electronegatividad 2,1
Radio covalente (Å) 0,37
Radio aniónico (Å) 1,5 - 2,1
Radio atómico (Å) 0,5
Radio de van der Waals (Å) 1,20
Configuración electrónica 1s1
Primer potencial de ionización (eV) 13,65
Energía de hidratación (kcal-mol) -268
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
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Existen 3 isótopos del hidrógeno:
• protio: 11H (masa 1) se encuentra en más del 99.98% del
elemento natural
• deuterio: D= 21H (masa 2) se encuentra en la naturaleza
aproximadamente en un 0.02%
• tritio: T= 31H (masa 3) aparece en pequeñas cantidades en la
naturaleza (<1 en 1017), pero que puede producirse artificialmente
por medio de varias reacciones nucleares (Tmedia = 12,3 años)
[Orto-H2 ]= 3 [para-H2 ] a T ambiente (espín nuclear)
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Estructura de la molécula (OM)
σ∗u1s
σ∗u1s
E-E-
E+
E+
σg1s
σg1s
|E+-E1s|< |E--E1s|
Configuración electrónica del estado fundamental del H2: (σg1s)2 o (1σg)2
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2H
H2
H + + H-
H(g) → H+ (g) + eH- (g) → Ho (g) + eH+ (g) + nH2O
I= 1312 kj/mol
Ae= 77 kj/mol
+
→ H3O (ac)
∆Hh = -1091 kj/mol
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Hidruros
Salinos
H2
covalentes
Me
intersticiales
intermedios
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Puente hidrógeno: hidruros
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H2 O
Me +
H+
HO-
Electrólisis de sales,
Ácidos o bases acuosas
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Electrólisis
Biomasa:
- Gasificación.
- Pirólisis.
Fotoelectrólisis:
- Directa.
- Indirecta.
Producción fotobiológica
Ciclos termoquímicos
Hidrógeno
Combustibles fósiles:
Hidrocarburos:
- Reformado
- Oxidación parcial
Carbón:
- Gasificación
¿ Otros ?
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* A partir de hidrocarburos:
•
Reformado con vapor: el hidrocarburo es tratado con vapor de agua a temperaturas
entre 700 y 1100 ºC. El proceso se realiza en dos fases:
1ª fase: CH4 + H2O ⇒ CO + 3H2
2ª fase: CO + H2O ⇒ CO2 + H2
•
Oxidación parcial: reacción de combustión entre 1300 y 1500 ºC
1,4CH + 0,3 H2O + 0,4 O2 ⇒ 0,9 CO + 0,1 CO2 + H2.
*
A partir del agua:
•
Electrólisis: proceso mucho más caro que el reformado con vapor. Produce hidrógeno de
gran pureza, que se utiliza en la industria electrónica, farmacéutica o alimentaria.
Carbón
18%
electrólisis
4%
petróleo
30%
Gas natural
48%
Hoy en día aproximadamente el 96% del hidrógeno
se obtiene a partir de combustibles fósiles.
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Aplicaciones Convencionales del Hidrógeno
Refinerías
Industria alimenticia
Síntesis de amoníaco
Obtención de peróxido de hidrógeno
Industrias:
™ farmacéutica
™ de la química fina
™ electrónica
Gas de Síntesis
H2 + CO (CO2)
Mezcla de gran poder reductor
Industrias Químicas y Petroquímica
Metanol, isocianatos, ácido acético, acetatos
Industria Siderúrgica. Hierro esponja
Industria del vidrio
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La celda de combustible es un dispositivo que
produce electricidad y agua mediante un
proceso inverso a la electrólisis.
Electrólisis
Electricidad + agua
→
Hidrógeno + Oxígeno
Pila de combustible
Hidrógeno + Oxígeno
→
Electricidad + agua
Estructura típica de una
celda de combustible
Elementos básicos de una celda de combustible:
combustible
Dos electrodos (ánodo y cátodo).
Electrolito:
Electrolito sustancia encargada de transportar los iones producidos en las
reacciones redox.
El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador.
catalizador
H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.
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Las pilas alcalinas utilizan una solución de
hidróxido de potasio en agua como electrolito.
Como catalizador se pueden emplear diversos
metales no preciosos.
Ventajas:
Alto rendimiento y eficiencia.
Desventajas:
Son muy sensibles a la contaminación por CO2.
Menor duración debido a su susceptibilidad a ese
tipo de contaminación.
Aplicaciones:
Aplicaciones: ambientes donde hay contaminación
por CO2 (espacio, fondo del mar).
Características:
Temperatura: 65-220 ºC
Eficiencia (%): > 50
Potencia: 5-150 kW
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Celda de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico
•
Anodo: las moléculas de hidrógeno
pierden sus electrones
(catalizadores de platino).
•
Los electrones se traspasan al
cátodo a través de un circuito
externo que produce electricidad.
•
Los iones de hidrógeno pasan al
cátodo por la membrana de
intercambio protónico, donde se
unen con las moléculas de oxígeno
y electrones para producir agua.
El proceso químico es:
Ánodo: 2H2 --> 4H+ + 4eCátodo: 4e- + 4H+ + O2 --> 2H2O
Reacción Completa: 2H2 + O2 -->
2H2O
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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.
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 célda de combustible es silenciosa,
limpia y eficiente, por lo que nos olvidaremos
para siempre de los ruidos del motor.
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.