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Hidrógeno Un elemento químico singular Fernando Carrillo. Química Inorgánica. UCLM.

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1 Hidrógeno Un elemento químico singular Fernando Carrillo. Química Inorgánica. UCLM

2 Hidrógeno Introducción Propiedades generales Estado natural Comportamiento químico Obtención Usos y aplicaciones

3 Hidrógeno: introducción PARACELSUS (SIGLO XVI) ROBERT BOYLE (1671) HENRY CAVENDISH (1766) ANTOINE LAVOISIER (1783)

4 Hidrógeno: propiedades generales Es un no metal Forma moléculas diatómicas H 2 El elemento es menos reactivo que los halógenos X 2 Un átomo H tiene un único electrón Puede perderlo, para formar H + Puede ganar otro, para formar H - 1 H H s 1 H2H2 H2H2

5 Hidrógeno: propiedades generales EL ELEMENTO: ISÓTOPOS PROTIO H 1 H DEUTERIO D 2 H TRITIO T 3 H PESOATÓMICO ABUNDANCIA RELATIVA (%) SPIN NUCLEAR 1/211/2 P.F. EN E 2 (ºC) P.Eb. EN E 2 (ºC) E. Dis. (kJ/mol)

6 Hidrógeno: propiedades generales DEUTERIO: O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D: SEPARACIÓN D 2 O/H 2 O SE UTILIZA PARA: ESTUDIOS MECANÍSTICOS CONTROL DE REACCIONES NUCLEARES RMN DEUTERIO: O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D: SEPARACIÓN D 2 O/H 2 O SE UTILIZA PARA: ESTUDIOS MECANÍSTICOS CONTROL DE REACCIONES NUCLEARES RMN H 2 O (s) H 2 O (l) D 2 O (s)

7 Hidrógeno: propiedades generales TRITIO: N + n C + T T 1/2 =12,26 años He + e ( ) Li + n He + T(Reactor nuclear) Sus principales usos se encuentran en la medicina nuclear

8 Hidrógeno: propiedades generales EL ELEMENTO: ISÓTOPOS PROTIO H 1 H DEUTERIO D 2 H TRITIO T 3 H PESOATÓMICO ABUNDANCIA RELATIVA (%) SPIN NUCLEAR 1/211/2 P.F. EN E 2 (ºC) P.Eb. EN E 2 (ºC) E. Dis. (kJ/mol)

9 Hidrógeno: propiedades generales SPINES NUCLEARES ORTO Y PARA HIDRÓGENO ORTO PARA

10 Hidrógeno: propiedades generales Equilibrio orto-para del H 2, D 2 y T 2

11 Q ORTO PARA Hidrógeno: propiedades generales CATALIZADOR: C activo, Fe 2 O 3

12 Hidrógeno: propiedades generales EL ELEMENTO: ISÓTOPOS PROTIO H 1 H DEUTERIO D 2 H TRITIO T 3 H PESOATÓMICO ABUNDANCIA RELATIVA (%) SPIN NUCLEAR 1/211/2 P.F. EN E 2 (ºC) P.Eb. EN E 2 (ºC) E. Dis. (kJ/mol)

13 Hidrógeno: propiedades generales EL ELEMENTO: ISÓTOPOS PROTIO H 1 H DEUTERIO D 2 H TRITIO T 3 H PESOATÓMICO ABUNDANCIA RELATIVA (%) SPIN NUCLEAR 1/211/2 P.F. EN E 2 (ºC) P.Eb. EN E 2 (ºC) E. Dis. (kJ/mol)

14 Hidrógeno: propiedades generales H2H2 2 H CALENTAMIENTO A ELEVADA TEMPERATURA 700ºC 3, % DISOCIACIÓN 5500ºC 98.8 % DISOCIACIÓN DESCARGAS ELÉCTRICAS RADIACIONES

15 Hidrógeno: propiedades generales Densidad (g/ml) en fase gas0.089 Punto de Fusión (K)14.01 Punto de Ebullición (K)20.28 Radio covalente en H 2 (Å)0.37 Radio iónico en LiH (Å)1.53 Potencial de Ionización (eV)13.54 Afinidad Electrónica (eV)0.715 Electronegatividad (E. Pauling) 2.1 Potencial normal (V) H + + 1e - ½ H

16 Universo Espacio interestelar H Estrellas H 2 y H Hidrógeno: estado natural

17 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 partícula alfa y se liberan dos protones y mucha energía 4. Se producen núcleos de helio que se fusionan 3. El deuterio fusiona con otro protón 1. Se fusionan dos protones 2. Un protón se transmuta en un neutrón, formando deuterio Se emiten un electrón y un neutrino

18 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.

19 Hidrógeno: fusión nuclear ITER TOKAMAK REACTOREXPERIMENTAL DE FUSIÓN POR CONFINAMIENTO MAGNÉTICO Cadarache (FR) 2015

20 Décimo elemento en peso más abundante de la corteza terrestre Como H 2 O 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 TIERRA Hidrógeno: estado natural

21 Hidrógeno: comportamiento químico LA REACCIÓN CON EL OXÍGENO: H 2 + ½ O 2 H 2 O(g) H= -242 kJ.mol -1 H 2 2H H + O 2 OH + O OH + H 2 H 2 O + H O 2 + HOH + H OH + HH 2 O O + H 2 H 2 O REACCIONES DE TERMINACIÓN

22 Hidrógeno: comportamiento químico LA REACCIÓN CON EL OXÍGENO: El H 2 se quema, al aire, en concentraciones entre 4 y 75% (frente a % de G.N.) La temperatura de combustión espontánea es de 585ºC (frente a 540º de G.N.) Es menos explosivo (conc %) que el G.N. (conc %)

23 Perder el electrón Ganar un electrón Compartir el electrón H+H+H+H+ H-H-H-H- E-H Hidrógeno: comportamiento químico

24 H + A - HnAmHnAm HnAmHnAm A H - Hidrógeno: hidruros binarios

25 CLASIFICACIÓN DE PANETH

26 H - H-H- H-H- H + Xe Hidrógeno: hidruros binarios

27 H - H-H- H-H- + H INTERCAMBIO HF + H 2 O [H3O]F[H3O]F - + Li[BH 4 ] H - Li + H - + ½ (BH 3 ) 2 Hidrógeno: hidruros binarios

28 H2H2 H-H- H-H- H - Li + H - + H 2 O H 2 + LiOH - + H + +

29 Hidrógeno: hidruros iónicos Electronegatividad H-H- M < H M = G1 Y PESADOS G2 Radio (Å)Relación Q/r H0.32 H-H F-F Cl

30 Redes iónicas tridimensionales Puntos de fusión > 600ºC Método de obtención M + n/2 H 2 MH n Hidrógeno: hidruros iónicos Conducen la electricidad en fundido La electrolisis produce H 2 en el ánodo

31 H - + H + H2H2 Afinidad protónica Li + H - H 2 + Li + OH - H2OH2O - + H-OR - + H 2 + Li + OR - H-NH H 2 + Li + NH 2 - Hidrógeno: hidruros iónicos

32 H-H- ½ H 2 + e - Carácter reductor 2NaH + O 2 H 2 O + Na 2 O Eº = V

33 Hidrógeno: hidruros metálicos

34 METÁLICOS: INTERSTICIALES ESTEQUIOMÉTRICOS CrHVH 2 NO ESTEQUIOMÉTRICOS TiH 1.9 HfH 2.1

35 Hidrógeno: hidruros metálicos Duros Brillo metálico Conducen la electricidad o son semiconductores Propiedades magnéticas Quebradizos

36 Hidrógeno: hidruros metálicos Almacén de H 2 Absorben gran cantidad de H 2, que liberan se puede liberar a conveniencia

37 Hidrógeno: hidruros metálicos Presión parcial de H 2 libre % Capacidad hidrógeno Carga a baja presión relativa y baja temperatura Descarga a alta temperatura METALFASE FASE FASE (HIDRURO(HIDRURO(ADSORCIÓN INTERSTICIAL)METÁLICO)DE HIDRÓGENO)

38 BATERÍAS DE NIQUEL-HIDRURO Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son: descarga 2 Ni(O)(OH) + MH n n Ni(OH) 2 + M carga Como electrodo negativo se utilizan aleaciones de níquel (MH n ) muy complejas, distinguiéndose principalmente dos tipos: AB5 y AB2: dondeA = 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) + MH n n Ni(OH) 2 + M carga Como electrodo negativo se utilizan aleaciones de níquel (MH n ) muy complejas, distinguiéndose principalmente dos tipos: AB5 y AB2: dondeA = La, Ce, Pr, Nd B = Ni, Co, Mn, Al Hidrógeno: hidruros metálicos

39 Hidrógeno: hidruros covalentes Moleculares CH 4 H2OH2OHF NH 3 BeH 2 B2H6B2H6 Poliméricos

40 ENLACES DE HIDRÓGENO X H Y X H X H X muy electronegativo F > O > Cl > N > Br > I = S = C H pequeño, enlaza mejor con átomos peq. Hidrógeno: hidruros covalentes

41 (NH 3 )

42 Hidrógeno: hidruros covalentes

43 B H H B H HH H Deficientes en electrones BB H 3c-2eTricéntrico B B H..

44 Hidrógeno: obtención

45 OBTENCIÓN A ESCALA DE LABORATORIO M + H + M n+ + H 2 Zn + HCl ZnCl 2 + H 2 M + OH - M(OH) n + H 2 Al + NaOH Na[Al(OH) 4 ] + H 2 M + H 2 O M(OH) n + H 2 Na + H 2 O NaOH + H 2 H - + H 2 O OH - + H 2 LiH + H 2 O LiOH + H 2 Hidrógeno: obtención Na en agua Fe en HCl

46 ELECTROLISIS DEL AGUA CAT(-) 2 H + + 2e - H 2 ANOD(+) 2 OH - - 2e - 1/2O 2 + H 2 O Electrolito: NaOH 25%2-2.5V electrodos de Ni ó Fe 0.2% producción mundial de H 2 Mejor: FC FC* H 2 O + FC* H 2 + O 2 + FC energía solar Hidrógeno: obtención

47 OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL REDUCCIÓN DE AGUA CON COQUE H 2 O(g) + C H 2 + CO (+ N 2 gas de síntesis) 2C + O 2 2CO H 2 O + COCO 2 + H 2 CO 2 + K 2 CO 3 (aq)2KHCO 3 (aq) Problemas: presencia de S escasez de C Fe 2 O ºC Hidrógeno: obtención

48 OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL REDUCCIÓN DE AGUA CON HIDROCARBUROS CH 4 (GAS NATURAL) + H 2 O CO + H 2 OXIDACIÓN PARCIAL DE FUEL-OIL C n H m + n/2O 2 n CO + m/2 H 2 Ni P T Hidrógeno: obtención

49 OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS R-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -R 2 R-CH=CH 2 + H 2 PROCESO CLORO-ÁLCALI: SUBPRODUCTO IMPORTANTE Hidrógeno: obtención

50 Hidrógeno Otro gas Hidrógeno: obtención

51 Hidrógeno: usos y aplicaciones Hindenburg, ardiendo en 1937 BMW Mini, con hidrógeno Lanzadera espacial: l de O 2 líquido y 1.5 millones de l de H 2 líquido Atolón de Bikini, 1954

52 Hidrógeno: usos y aplicaciones PROD. PARTIDA MARGARINAS NAVES ESPACIALES. PILAS DE COMBUSTIBLE. FERTILIZANTES PLÁSTICOS PRODUCCIÓN DE METALES

53 Hidrógeno: usos y aplicaciones 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.

54 Hidrógeno: usos y aplicaciones ½ O 2 + 2e O 2- H 2 2H + + 2e H 2 + ½ O 2 H 2 O CAT(+) ANOD(-) PILA DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO electrolito catalizador H2OH2O O2O2 H2H2 H+H+ electrones 2H + +O 2- = H 2 O O 2 +2e=O 2- H 2 =2H + +2e CALOR

55 Tipos de pilas de combustible: PAFC: ÁCIDO FOSFÓRICO PEM: MEMBRANA INTERCAMBIADORA MCFC: CARBONATO FUNDIDO SOFC: ÓXIDO SÓLIDO ALCALINAS: HIDRÓXIDO DE POTASIO Hidrógeno: usos y aplicaciones

56 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. Hidrógeno: usos y aplicaciones

57 1) Las pilas de hidrógeno son eficientes, ya que transforman el hidrógeno y el oxígeno directamente en electricidad y agua sin ninguna combustión durante el proceso. La eficiencia del proceso se sitúa entre el 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 agua pura. Al contrario que el motor de explosión, la pila de hidrógeno no emite ni dióxido de azufre (que contribuye 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 tienen un sistema de bomba y ventilador, así pues la producción de electricidad es bastante silenciosa. Muchas instalaciones, como por ejemplo los hoteles, pueden sustituir la ingeniería diesel por pilas de hidrógeno como 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 caso de las pilas de metanol). 6) Las pilas de hidrógeno nos dan la oportunidad de poder obtener una gran cantidad de energía a partir de fuentes sostenibles: el agua y el aire. Hidrógeno: usos y aplicaciones

58 1) La pila de hidrógeno deberá tener una aceptación en el mercado para tener éxito. Esta aceptación depende 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 la ingeniería 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. Hidrógeno: usos y aplicaciones

59 ¡QUÉ BONITO SERÍA SI….!


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