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Hidrógeno

Hidrógeno. Un elemento químico singular. FERNANDO CARRILLO HERMOSILLA QUÍMICA INORGÁNICA. UCLM. Hidrógeno. Introducción Propiedades generales Estado natural Comportamiento químico Obtención Usos y aplicaciones. Hidrógeno: introducción. PARACELSUS (SIGLO XVI) ROBERT BOYLE (1671)

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Presentation Transcript

  1. Hidrógeno Un elemento químico singular FERNANDO CARRILLO HERMOSILLA 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 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- 1 H 1.00794 1s1 H2

  5. Hidrógeno: propiedades generales EL ELEMENTO: ISÓTOPOS 1 1 1

  6. Hidrógeno: propiedades generales • DEUTERIO: • O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D: • SEPARACIÓN D2O/H2O • SE UTILIZA PARA: • ESTUDIOS MECANÍSTICOS • CONTROL DE REACCIONES NUCLEARES • RMN H2O (s) H2O (l) H2O (l) D2O (s)

  7. Hidrógeno: propiedades generales TRITIO: N + n C + T T1/2=12,26 años He + e (b) Li + n He + T (Reactor nuclear) 14 7 14 6 3 1 1 0 3 2 0 -1 3 1 4 2 6 3 1 0 Sus principales usos se encuentran en la medicina nuclear

  8. Hidrógeno: propiedades generales EL ELEMENTO: ISÓTOPOS 1 1 1

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

  10. Hidrógeno: propiedades generales Equilibrio orto-para del H2, D2 y T2

  11. Hidrógeno: propiedades generales Q ORTO PARA CATALIZADOR: C activo, Fe2O3

  12. Hidrógeno: propiedades generales EL ELEMENTO: ISÓTOPOS 1 1 1

  13. Hidrógeno: propiedades generales EL ELEMENTO: ISÓTOPOS 1 1 1

  14. Hidrógeno: propiedades generales H2 2 H • CALENTAMIENTO A ELEVADA TEMPERATURA • 700ºC 3,7.10-4 % DISOCIACIÓN • 5500ºC 98.8 % DISOCIACIÓN • DESCARGAS ELÉCTRICAS • RADIACIONES

  15. Hidrógeno: propiedades generales

  16. Hidrógeno: estado natural Universo Estrellas H2 y H Espacio interestelar H

  17. Hidrógeno: fusión nuclear Se emiten un electrón y un neutrino 1. Se fusionan dos protones 2. Un protón se transmuta en un neutrón, formando deuterio 3. El deuterio fusiona con otro protón 5. Se forma una partícula alfa y se liberan dos protones y mucha energía 4. Se producen núcleos de helio que se fusionan

  18. 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. FUSIÓN DE DEUTERIO FUSIÓN DEUTERIO-TRITIO

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

  20. Hidrógeno: estado natural LA TIERRA Décimo elemento en peso más abundante de la corteza terrestre Como H2O cubre el 80 % de la superficie terrestre Compuestos orgánicos Combustibles fósiles (petróleo, gas natural, etc.) Estratosfera en forma atómica

  21. Hidrógeno: comportamiento químico • LA REACCIÓN CON EL OXÍGENO: • H2 + ½ O2 H2O(g) DH= -242 kJ.mol-1 • H2 2H • H + O2 OH + O • OH + H2 H2O + H • O2 + H OH + H • OH + H H2O • O + H2 H2O REACCIONES DE TERMINACIÓN

  22. Hidrógeno: comportamiento químico • LA REACCIÓN CON EL OXÍGENO: • El H2 se quema, al aire, en concentraciones entre • 4 y 75% (frente a 5.4-15% de G.N.) • La temperatura de combustión espontánea es de • 585ºC (frente a 540º de G.N.) • Es menos explosivo (conc. 13-64%) • que el G.N. (conc. 6.3-14%)

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

  24. Ad+-Hd- Hd+-Ad- A+H- Hidrógeno: hidruros binarios HnAm

  25. Hidrógeno: hidruros binarios CLASIFICACIÓN DE PANETH

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

  27. H- Hidrógeno: hidruros iónicos Electronegatividad M = G1 Y PESADOS G2 M < H

  28. Hidrógeno: hidruros iónicos Redes iónicas tridimensionales Puntos de fusión > 600ºC Conducen la electricidad en fundido La electrolisis produce H2 en el ánodo Método de obtención D MHn M + n/2 H2

  29. d+ d- Li+H-+H2OH2+LiOH H2 H- Hd+ + Hd- Hidrógeno: hidruros binarios Afinidad protónica

  30. 2NaH+ O2 H2O + Na2O Hidrógeno: hidruros iónicos Carácter reductor H- ½ H2 + e- Eº = - 2.25 V

  31. Hidrógeno: hidruros metálicos

  32. Hidrógeno: hidruros metálicos • METÁLICOS: • INTERSTICIALES • ESTEQUIOMÉTRICOS • CrH VH2 • NO ESTEQUIOMÉTRICOS • TiH1.9 HfH2.1

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

  34. Almacén de H2 Hidrógeno: hidruros metálicos Absorben gran cantidad de H2, que liberan se puede liberar a conveniencia

  35. Presión parcial de H2 libre Descarga a alta temperatura Carga a baja presión relativa y baja temperatura % Capacidad hidrógeno Hidrógeno: hidruros metálicos g a +b a METAL FASE a FASE b FASE g (HIDRURO (HIDRURO (ADSORCIÓN INTERSTICIAL) METÁLICO) DE HIDRÓGENO)

  36. Hidrógeno: hidruros metálicos • BATERÍAS DE NIQUEL-HIDRURO • Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son: descarga 2 Ni(O)(OH) + MHn n Ni(OH)2 + M carga • 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

  37. Hidrógeno: hidruros metálicos

  38. CH4 NH3 H2O HF BeH2 B2H6 Poliméricos Hidrógeno: hidruros covalentes Moleculares

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

  40. Hidrógeno: hidruros covalentes (NH3)

  41. [AlH4]- Almacén de hidrógeno Hidrógeno: hidruros covalentes

  42. Hidrógeno: obtención

  43. Fe en HCl 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

  44. Hidrógeno: obtención ELECTROLISIS DEL AGUA CAT(-) 2 H+ + 2e- H2 ANOD(+) 2 OH- - 2e- 1/2O2 + H2O Electrolito: NaOH 25% 2-2.5V electrodos de Ni ó Fe 0.2% producción mundial de H2 Mejor: FC FC* H2O + FC* H2 + O2 + FC energía solar

  45. Hidrógeno: obtención • 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 Fe2O3

  46. Hidrógeno: obtención • OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL • REDUCCIÓN DE AGUA CON HIDROCARBUROS • CH4 (GAS NATURAL) + H2O CO + H2 Ni P T

  47. Hidrógeno: obtención OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL • OXIDACIÓN PARCIAL DE FUEL-OIL • CnHm + n/2 O2 n CO + m/2 H2 P T

  48. Hidrógeno: obtención • OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL • REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS • R-CH2-CH2-CH2-CH2-R 2 R-CH=CH2 + H2 • PROCESO CLORO-ÁLCALI: SUBPRODUCTO • IMPORTANTE

  49. Hidrógeno Otro gas Hidrógeno: obtención

  50. Hidrógeno: usos y aplicaciones Lanzadera espacial: 500000 l de O2 líquido y 1.5 millones de l de H2 líquido Hindenburg, ardiendo en 1937 Explosión Bomba H BMW Mini, con hidrógeno

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