Hidrógeno Un Elemento Químico Singular

5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular

1/65

HidrHidrgenogenoUn elemento quUn elemento qumico singularmico singular

Fernando Carrillo. Puertollano 2005


2/65

Hidrgeno Introduccin

Propiedades generales

Estado natural

Comportamiento qumico

Obtencin

Usos y aplicaciones


3/65

Hidrgeno: introduccin

PARACELSUS (SIGLO XVI)

ROBERT BOYLE (1671)

HENRY CAVENDISH (1766)

ANTOINE LAVOISIER (1783)


4/65

Hidrgeno: propiedades

generales Es un no metal Forma molculas diatmicas H2 El elemento es menos reactivo

que los halgenos X2 Un tomo H tiene un nico

electrn Puede perderlo, para formar H+

Puede ganar otro, para formar H-

1

H1.00794

1

H1.00794

1s11s1

H2H2


5/65


generalesEL ELEMENTO: ISTOPOS

PROTIO HPROTIO H11HH

DEUTERIO DDEUTERIO D22HH

TRITIO TTRITIO T33HH

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

P.FP.F. EN E. EN E22 ((CC)) --259.04259.04 --254.27254.27 --252.38252.38

P.EbP.Eb. EN E. EN E22 ((CC)) --252.61252.61 --249.73249.73 --247.96247.96

PESOPESO

ATATMICOMICO

1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160

ABUNDANCIAABUNDANCIARELATIVA (%)RELATIVA (%)

99.9899.98 0.0150.015 1010--1717

E.E. DisDis. (. (kJkJ/mol)/mol) 438.88438.88 443.35443.35 446.90446.90

11 1111


6/65


generalesDEUTERIO: O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D:

SEPARACIN D2O/H2O SE UTILIZA PARA:

ESTUDIOS MECANSTICOS CONTROL DE REACCIONES NUCLEARES RMN

HH22O (s)O (s)

HH22O (l)O (l)

HH22O (l)O (l)

DD22O (s)O (s)


7/65


generales

TRITIO:

N + n C + T T1/2=12,26 aos

He + e ()

Li + n He + T (Reactor nuclear)

Sus principales usos se encuentran en la medicina

nuclear

147

10

146

31

32

0-1

63

10

42

31


8/65







P.FP.F. EN E. EN E22 ((CC)) --259.04259.04 --254.27254.27 --252.38252.38

P.EbP.Eb. EN E. EN E22 ((CC)) --252.61252.61 --249.73249.73 --247.96247.96

PESOPESO

ATATMICOMICO

1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160


99.9899.98 0.0150.015 1010--1717


11 1111


9/65


generalesSPINES NUCLEARES

ORTO Y PARA HIDRGENO

ORTO PARA


10/65


generales

Equilibrio orto-para del H2, D2 y T2


11/65


generales

QORTO

PARA

CATALIZADOR: C activo, Fe2O3


12/65







P.FP.F. EN E. EN E22 ((CC)) --259.04259.04 --254.27254.27 --252.38252.38

P.EbP.Eb. EN E. EN E22 ((CC)) --252.61252.61 --249.73249.73 --247.96247.96

PESOPESO

ATATMICOMICO

1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160


99.9899.98 0.0150.015 1010--1717


11 1111


13/65







P.FP.F. EN E. EN E22 ((CC)) --259.04259.04 --254.27254.27 --252.38252.38

P.EbP.Eb. EN E. EN E22 ((CC)) --252.61252.61 --249.73249.73 --247.96247.96

PESOPESO

ATATMICOMICO

1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160


99.9899.98 0.0150.015 1010--1717


11 1111


14/65


generales

H2 2 H

CALENTAMIENTO A ELEVADA TEMPERATURA

700C 3,7.10-4 % DISOCIACIN

5500C 98.8 % DISOCIACIN

DESCARGAS ELCTRICAS

RADIACIONES


15/65


generalesDensidad (g/ml) en fase gas 0.089

Punto de Fusin (K) 14.01

Punto de Ebullicin (K) 20.28

Radio covalente en H2 () 0.37

Radio inico en LiH () 1.36

Potencial de Ionizacin (eV) 13.54

Afinidad Electrnica (eV) 0.715

Electronegatividad

(E. Pauling)

2.1

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


16/65

92%

7% 1%

Hidrgeno

He

Resto

UniversoUniverso

Espacio interestelar H

Estrellas H2 y H

Hidrgeno: estado natural


17/65

Hidrgeno: fusin nuclearEn el ciclo bsico de fusindel Hidrgeno, cuatroncleos de hidrgeno(protones) se unen paraformar un ncleo de Helio.Es importante recordar queesta fusin desprendeenerga en el centro de una

estrella. Esta es la fusinque genera energa ennuestro Sol. Conocemosesta energa cuandosentimos calor en un da de

verano, como hoy.5. Se forma unapartculaalfa y se liberan dosprotonesy mucha energa

4. Se producenncleos de helio quese fusionan

3. El deuteriofusionacon otro protn

1. Se fusionandos protones

2. Un protn setransmuta

en un neutrn,formandodeuterio

Se emiten un electrn yun neutrino


18/65

Hidrgeno: fusin nuclearEn la Tierra, parece que es

ms interesante realizar otrotipo de fusin para poderobtener una fuente deenerga casi inagotable. Se

trata de la fusin delDeuterio o, incluso mejor, dela fusin de Deuterio conTritio.

FUSIN DE DEUTERIO

FUSIN DEUTERIO-TRITIO


19/65

Hidrgeno: fusin nuclear

ITER TOKAMAKITER TOKAMAK

REACTORREACTOR

EXPERIMENTALEXPERIMENTALDE FUSIDE FUSINNPOR CONFINAMIENTOPOR CONFINAMIENTO

MAGNMAGNTICOTICO

CadaracheCadarache (FR) 2015(FR) 2015


20/65

Hidrgeno: estado natural

LA TIERRALA TIERRA

Dcimo elemento en peso ms abundante de lacorteza terrestre

Como H2O cubre el 80 % de la superficie terrestre

Constituye el 70% del cuerpo humano

Compuestos orgnicos

Combustibles fsiles (petrleo, gas natural, etc.)

Estratosfera en forma atmica


21/65

Hidrgeno: comportamiento

qumicoLA REACCIN CON EL OXGENO:

H2 + O2 H2O(g) H= -242 kJ.mol-1

H2 2HH + O2 OH + OOH + H2 H2O + HO2 + H OH + H

OH + H H2O

O + H2 H2O

REACCIONES DE TERMINACIREACCIONES DE TERMINACINN


22/65


qumicoLA REACCIN CON EL OXGENO:

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

La temperatura de combustin espontnea es de585C (frente a 540 de G.N.)

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


23/65


qumico

Perder el electrn HH++

Ganar un electrn HH--

Compartir el electrn EE--HH


24/65

Hidrgeno: hidruros binarios

H+A-

AH-HnAmHnAm

A

H-


25/65


CLASIFICACIN DE PANETH


26/65

H-H-H-H- H+H+

Xe



27/65


H-H-H-H-H-H

-H-H

-

++

INTERCAMBIO

H+H+H+H+ +

HF + H2O-++ -

[H3O]F

-+Li[BH4]Li+HH-- + (BH3)2


28/65


H-H-

H-H

-H2H+H

++

Li+H- + H2O H2 + LiOH-+


29/65

Hidrgeno: hidruros inicos

Electronegatividad

H- M = G1 Y PESADOS G2M < H

Radio () Relacin Q/rH 0.32

H-

1.53 0.65F- 1.19 0.84

Cl- 1.67 0.60


30/65

Redes inicas tridimensionalesPuntos de fusin > 600C

Mtodo de obtencin

M + n/2 H2 MHn


Conducen la electricidad en fundido

La electrolisis produce H2

en el nodo


31/65


Afinidad protnica

H- + H+ H2

Li+H- H2 + Li+OH-H2O

-+

H-OR-+

H2 + Li+OR-

H-NH2-+

H2 + Li+NH2-


32/65


Carcter reductor

H-

H2 + e-

E = - 2.25 V

2NaH + O2 H2O + Na2O

Hid hid


33/65

Hidrgeno: hidruros

metlicos

Hidrgeno: hidruros


34/65

Hidrgeno: hidruros

metlicos

METLICOS:

INTERSTICIALES

ESTEQUIOMTRICOSCrH VH

2

NO ESTEQUIOMTRICOSTiH1.9 HfH2.1

Hidrgeno: hidruros


35/65

Hidrgeno: hidruros

metlicos Duros

Brillo metlico

Conducen la electricidado son semiconductores

Propiedades magnticas

Quebradizos

Hidrgeno: hidruros


36/65

Hidrgeno: hidruros

metlicos

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

Almacn de H2

Hidrgeno: hidruros


37/65

Hidrgeno: hidruros

metlicos

Presin

parcialde

H2

libre

% Capacidad hidrgeno

Carga a baja presin relativa y baja temperatura

Descarga a altatemperatura

Hidrgeno: hidruros


38/65

BATERAS DE NIQUEL-HIDRURO

Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son:

descarga

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

Como electrodo negativo se utilizan aleaciones de nquel (MHn) muy

complejas, distinguindose principalmente dos tipos: AB5 y AB2:

dnde A = La, Ce, Pr, Nd

B = Ni, Co, Mn, Al

Hidrgeno: hidruros

metlicos

Hidrgeno: hidruros


39/65

Hidrgeno: hidruros

covalentes

MolecularesCH4

H2O HF

NH3

BeH2 B2H6Polimricos

Hidrgeno: hidruros


40/65

Hidrgeno: hidruros

covalentesENLACES DE HIDRGENO

XX HH YY

XX HH XX HHXX muy electronegativomuy electronegativo

F > O > Cl > N >F > O > Cl > N > BrBr> I = S = C> I = S = C

HH pequepequeo, enlaza mejor cono, enlaza mejor con tomostomos peqpeq..

Hidrgeno: hidruros


41/65

Hidrgeno: hidruros

covalentes

(NH3)

Hidrgeno: hidruros


42/65

Hidrgeno: hidruros

covalentes

BHH

BH

H H

HBe H

HBe Be

H

H

AlH

H

Al

H

H H

H

H

H

Al

H

H

Al

Hidrgeno: hidruros


43/65

Hidrgeno: hidruros

covalentes

Deficientes en electrones

BH

H

B

H

H H

H

B B

H..

B BH

Tricntrico3c-2e

Hidrgeno: hidruros


44/65

Hidrgeno: hidruros

covalentes

B B

B BH

H

B BH

B sp3

H 1s

B-H-B

3

3

Hidrgeno: hidruros


45/65

Hidrgeno: hidruros

covalentes

B B

H

O O

H

3c/2e-

Hidruro puente

en B2H6

3c/4e- Enlacede hidrgeno

en el agua

Hidrgeno: hidruros


46/65

Hidrgeno: hidruros

covalentes

L = CO, PR3, Cp-

MHxLyCOMPLEJOS HIDRURO

Hidrgeno: hidruros


47/65

Hidrgeno: hidruros

covalentes

Complejos hidruro no clsicos

H2 como ligando

W(CO)3(H2)(PiPr3)2

G. Kubas, 1984

Hidrgeno: hidruros


48/65

Hidrgeno: hidruros

covalentes

LnMH

HLnM

H

H

d

LnM

H

H

LnM

H

H

d

Hidrgeno: hidruros


49/65

Hidrgeno: hidruros

covalentes

Qu favorece este comportamiento no clsico?

Naturaleza del centro metlico: poco dadores

Carga neta del complejo: neutros, catinicos

Ligandos unidos al metal: aceptores

LnM

H

HLnM

H

H

Hidrgeno: hidruros


50/65

g

covalenteshidrogenacin

isomerizacin de olefinas

hidroformilacin

polimerizacin de olefinas

Procesoscatalticos

CH3-CH3+ H2

nn

CH3-CH2-CHO+ H2 + CO

Hid bt i


51/65

Hidrgeno: obtencin

Hidrgeno obtencin


52/65

OBTENCIN A ESCALA DE LABORATORIO

M + H+ Mn+ + H2Zn + HCl ZnCl2 + H2

M + OH- M(OH)n + H2Al + NaOH Na[Al(OH)4] + H2

M + H2O M(OH)n + H2Na + H2O NaOH + H2

H- + H2O OH- + H

2LiH + H2O LiOH + H2

Hidrgeno: obtencin

Na en agua

Fe en HCl

Hidrgeno: obtencin


53/65

Hidrgeno: obtencin

ELECTROLISIS DEL AGUA

CAT(-) 2 H+ + 2e- H2

ANOD(+) 2 OH-

- 2e-

1/2O2 + H2OElectrolito: NaOH 25% 2-2.5V electrodos de Ni Fe0.2% produccin mundial de H2

Mejor: FC FC*

H2O + FC* H2 + O2 + FC

energa solar

Hidrgeno: obtencin


54/65

OBTENCIN A ESCALA INDUSTRIAL

REDUCCIN DE AGUA CON COQUE

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

H2O + CO CO2 + H2

CO2 + K2CO3(aq) 2KHCO3(aq)

Problemas: presencia de S escasez de C

Fe2O3

1200C

Hidrgeno: obtencin

Hidrgeno: obtencin


55/65

OBTENCIN A ESCALA INDUSTRIAL.

REDUCCIN DE AGUA CON HIDROCARBUROS

CH4 (GAS NATURAL) + H2O CO + H2

OXIDACIN PARCIAL DE FUEL-OIL

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

Ni

P T

P T

Hidrgeno: obtencin

Hidrgeno: obtencin


56/65

OBTENCIN A ESCALA INDUSTRIAL.

REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS

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

PROCESO CLORO-LCALI: SUBPRODUCTOIMPORTANTE

Hidrgeno: obtencin

Hidrgeno: obtencin


57/65

Hidrgeno

Otro gas

Hidrgeno: obtencin

Hidrgeno: usos y


58/65

aplicaciones

Hindenburg, ardiendo en 1937

BMW Mini, con hidrgeno

Lanzadera espacial:

500000 l de O2 lquidoy 1.5 millones de l deH2 lquido

Atoln de Bikini,1954

Hidrgeno: usos y


59/65

aplicaciones

PROD. PARTIDA

MARGARINAS

NAVES ESPACIALES. PILAS

DE COMBUSTIBLE.

FERTILIZANTESPLSTICOS

PRODUCCIN DEMETALES

Hidrgeno: usos y


60/65

aplicacionesJULES VERNE, EN LA ISLA MISTERIOSA (1874) DICE:creo que algn da se utilizar el agua como combustible, que el hidrgenoy el oxgeno que la componen, ya sean juntos o separados, proporcionarnuna fuente inagotable de luz y calor, de una intensidad de la cual el carbnno es capaz. El agua ser el carbn del futuro

Hidrgeno: usos y


61/65

aplicaciones O2 + 2e O2-H2 2H+ + 2e

H2 + O2 H2O

CAT(+)

ANOD(-)PILA DE COMBUSTIBLEPILA DE COMBUSTIBLE

DE HIDRDE HIDR

GENOGENO

electrolito

catalizador

H2O

H2H+

electroneselectrones

2H++O2- =H2O

O2+2e=O2-

H2=2H++2e

O2

CALORCALOR

Hidrgeno: usos y


62/65

aplicaciones1) Las pilas de hidrgeno son eficientes, ya que transforman el hidrgeno y el oxgeno directamente en

electricidad y agua sin ninguna combustin durante el proceso. La eficiencia del proceso se sita entreel 50 y el 60%, que equivale aproximadamente al doble de la eficiencia del motor de explosin.2) Las pilas de hidrgeno son limpias, porqu no producen ninguna emisin, slo la produccin de aguapura. Al contrario que el motor de explosin, la pila de hidrgeno no emite ni dixido de azufre (quecontribuye a la lluvia cida), ni tampoco el xido de nitrgeno (que contribuye a la creacin del smog)ni ningn tipo de partcula contaminante.

3) Las pilas de hidrgeno son muy silenciosas, ya que no tienen ningn mecanismo mvil, aunque tieneun sistema de bomba y ventilador, as pues la produccin de electricidad es bastante silenciosa. Muchasinstalaciones, como por ejemplo los hoteles, pueden sustituir la ingeniera diesel por pilas de hidrgenocomo suplemento al poder energtico o bien como reservas de energa en caso de apagn.4) Las pilas de combustible son modulares, se pueden colocar juntas para conseguir la cantidad de energanecesaria. La pila de hidrgeno puede producir energa en un amplio margen desde pocos vatios a unoscuantos megavatios.5) Las pilas de hidrgeno no son peligrosas para el medio ambiente, no producen sustancias txicas,ya que el nico desecho del proceso es el agua (o bien agua y dixido de carbono en el casode las pilas de metanol).6) Las pilas de hidrgeno nos dan la oportunidad de poder obtener una gran cantidad de energa a

partir de fuentes sostenibles: el agua y el aire.

Hidrgeno: usos y


63/65

aplicaciones

1) La pila de hidrgeno deber tener una aceptacin en el mercado para tener xito. Esta aceptacindepende claramente del precio de las pilas, la duracin y precisin y la accesibilidad al precio delcombustible. Comparado con el precio de las actuales alternativas, como por ejemplo laingeniera del diesel y las bateras, las pilas de hidrgeno 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 decombustibles. Es por ello que nosotros debemos confiar en las actividades de las compaas petrolerasy de gas para que ellos las introduzcan. Slo si los conductores son capaces de obtener el combustiblea un precio razonable, sern desarrolladas unas nuevas aplicaciones para el motor.

3) Polticas adecuadas. Son necesarias polticas orientadas al desarrollo de esta tecnologa. Las actualesleyes y regulaciones ambientales extremadamente rigurosas han reforzado la investigacin en este campo.

4) El catalizador. Actualmente el platino es el componente clave de la pila de hidrgeno. El platino es unrecurso natural escaso; la mayora de sus fuentes estn en Surfrica, Rusia y Canad. La escasez deplatino no est prevista en el desarrollo de la pila de hidrgeno.

Hidrgeno: usos y


64/65

aplicacionesQU BONITO SERA SI.!

Tambin aqu


65/65

http://www.ajusa.es/pilas_combustible/pilas_combustible.htm

Tambin aqu

Documents

Hidrógeno Un Elemento Químico Singular