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 Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo 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 Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo 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) Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo 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 Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo 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 Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo Hidruros Salinos H2 covalentes Me intersticiales intermedios Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo Puente hidrógeno: hidruros Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo H2 O Me + H+ HO- Electrólisis de sales, Ácidos o bases acuosas Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo Electrólisis Biomasa: - Gasificación. - Pirólisis. Fotoelectrólisis: - Directa. - Indirecta. Producción fotobiológica Ciclos termoquímicos Hidrógeno Combustibles fósiles: Hidrocarburos: - Reformado - Oxidación parcial Carbón: - Gasificación ¿ Otros ? Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo * 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. Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo 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 Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo 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. Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo 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 Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo 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 Química Inorgánica-63.13- Dra.Silvia E. Jacobo 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.