Hidrógeno

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 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) Sus principales usos se encuentran en la medicina nuclear 14 7 14 6 3 1 1 0 3 2 0 -1 6 3 1 0 4 2 3 1

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 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. 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 Constituye el 70% del cuerpo humano 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. CH4 NH3 H2O HF BeH2 B2H6 Poliméricos Hidrógeno: hidruros covalentes Moleculares

30. Hidrógeno: hidruros covalentes

31. H2 H- Hd+ + Hd- Hidrógeno: hidruros binarios

32. Hidrógeno: hidruros binarios HIDRUROS COMO ALMACÉN DE HIDRÓGENO: “HIDRUROS QUÍMICOS” MBH4 + 2 H2O 4 H2 + MBO2 + CALOR NaBH4, KBH4, LiBH4 HIDRÓLISIS EN PRESENCIA DE UN CATALIZADOR

33. Hidrógeno: hidruros binarios H2O H2 PILA COMB H2 + NaBO2 CATALIZADOR HIDRURO CALOR SEPARADOR DE H2 NaBO2 NaBH4/H2O/ OH- RECICLADO AGUA DE REFRIGERACIÓN

34. Hidrógeno: hidruros binarios Otras variantes: • LiH, NaH, MgH2 + ROH H2 + M(OR)x • NH3.BH3 NH2BH2 + H2 NHBH + H2 • HIDRÓLISIS CON VAPOR DE AGUA PRINCIPAL PROBLEMA: APROVISIONAMIENTO Y RECICLADO

35. Hidrógeno: hidruros metálicos

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

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

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

39. 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)

40. 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

41. Hidrógeno: obtención

42. 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 Na en agua Fe en HCl

43. 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

44. 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

45. Hidrógeno: obtención • OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL • REDUCCIÓN DE AGUA CON HIDROCARBUROS • CH4 (GAS NATURAL) + H2O CO + H2 • OXIDACIÓN PARCIAL DE FUEL-OIL • CnHm + n/2O2 n CO + m/2 H2 Ni P T P T

46. 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

47. Hidrógeno Otro gas Hidrógeno: obtención

48. Hidrógeno: usos y aplicaciones Lanzadera espacial: 500000 l de O2 líquido y 1.5 millones de l de H2 líquido Hindenburg, ardiendo en 1937 Atolón de Bikini, 1954 BMW Mini, con hidrógeno

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

50. 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”.