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FERNANDO CARRILLO HERMOSILLA Fernando.Carrillo@uclm.es

ÁREA DE QUÍMICA INORGÁNICA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS DE CIUDAD REAL UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA. EL HIDRÓGENO. FERNANDO CARRILLO HERMOSILLA Fernando.Carrillo@uclm.es. EL HIDRÓGENO: INTRODUCCIÓN. PARACELSUS (SIGLO XVI) ROBERT BOYLE (1671) HENRY CAVENDISH (1766)

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FERNANDO CARRILLO HERMOSILLA Fernando.Carrillo@uclm.es

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  1. ÁREA DE QUÍMICA INORGÁNICA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS DE CIUDAD REAL UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA EL HIDRÓGENO FERNANDO CARRILLO HERMOSILLA Fernando.Carrillo@uclm.es

  2. EL HIDRÓGENO: INTRODUCCIÓN • PARACELSUS (SIGLO XVI) • ROBERT BOYLE (1671) • HENRY CAVENDISH (1766) • ANTOINE LAVOISIER (1783)

  3. EL HIDRÓGENO: INTRODUCCIÓN • 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

  4. H Z 1 PESO ATÓMICO 1.0079 DENSIDAD (g/ml) 0.0700 VOLUMEN MOLAR (ml) 28.6 PTO. DE FUSIÓN (K) 13.957 a 54mm (pto. Triple) PTO. DE EBULLICIÓN (K) 20.39 CALOR DE VAPORIZACIÓN (Kj.mol-1) 0.903 POTENCIAL IONIZACIÓN (eV) 13.54 ENERGÍA DE HIDRATACIÓN H+ (Kcal.mol-1) 269 ENERGÍA DE ENLACE H-H (Kcal.mol-1) 104.2 RADIO COVALENTE EN H2 (Å) 0.3707 ELECTROAFINIDAD (eV) 0.715 RADIO IÓNICO H- (en LiH, Å) 1.36 ELECTRONEGATIVIDAD DE PAULING 2.1 ABUNDANCIA % EN CORTEZA Y ATM. 1 EL HIDRÓGENO: PROPIEDADES Propiedades del hidrógeno

  5. EL HIDRÓGENO: ISÓTOPOS

  6. EL HIDRÓGENO: ISÓTOPOS DEUTERIO: O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D: SEPARACIÓN D2O/H2O TRITIO: N + n C + T T1/2=12 años He + e (b) Li + n He + T (Reactor nuclear) 14 7 14 6 3 1 1 0 4 2 0 -1 6 3 1 0 4 2 3 1

  7. EL HIDRÓGENO: ISÓTOPOS H2O (s) H2O (l) H2O (l) D2O (s)

  8. EL HIDRÓGENO: EL ELEMENTO EL ELEMENTO: SE ENCUENTRA EN FORMA DE MOLÉCULA DIATÓMICA H2 INCOLORO, INODORO, PRÁCTICAMENTE INSOLUBLE EN AGUA MUY PEQUEÑA ---- PUNTOS DE F Y Eb MUY BAJOS LANGMUIR ----- SOPLETE DE HIDRÓGENO

  9. EL HIDRÓGENO: EL ELEMENTO DOS ISÓMEROS DE SPIN NUCLEAR ORTO PARA 3 1

  10. EL HIDRÓGENO: EL ELEMENTO Q ORTO PARA CATALIZADOR: C activo, Fe2O3

  11. EL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL Universo Estrellas H2 y H Espacio interestelar H

  12. EL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL 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. 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

  13. EL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL 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

  14. EL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL ITER TOKAMAK REACTOR EXPERIMENTAL DE FUSIÓN POR CONFINAMIENTO MAGNÉTICO Cadarache (FR) 2015

  15. EL 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

  16. EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN

  17. EL 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

  18. EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN • ELECTROLISIS DEL AGUA • 2 H+ + 2e- H2 • 2 OH- - 2e- 1/2O2 + H2O Electrolito: NaOH 25% 2-2.5V electrodos de Ni ó Fe Mejor: FC FC* H2O + FC* H2 + O2 + FC energía solar

  19. EL 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

  20. EL 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

  21. EL 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

  22. Hidrógeno Otro gas EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN

  23. EL HIDRÓGENO: USOS USOS DEL HIDRÓGENO. PROD. PARTIDA PRODUCCIÓN DE METALES MARGARINAS FERTILIZANTES PLÁSTICOS BATERIAS DE COMBUSTIBLE. COHETES

  24. EL HIDRÓGENO EL HIDRÓGENO: USOS • 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

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

  26. EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE ½ O2 + 2e O2- H2 2H+ + 2e H2 + ½ O2 H2O CAT(+) PILA DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO ANOD(-) electrones electrones electrolito H2O 2H++O2- = H2O H+ H2 H2=2H++2e O2 O2+2e=O2- catalizador CALOR

  27. EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE • Diferencias

  28. EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE • Eficiencia TURBINAS REACTOR QUÍMICO (COMBUSTIÓN) ENERGÍA MECÁNICA GENERADORES ELÉCTRICOS PISTONES ENERGÍA ELÉCTRICA COMBUSTIBLE FÓSIL REFORMADO O GASIFICACIÓN ENERGÍA QUÍMICA PILAS DE COMBUSTIBLE

  29. EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE • Tipos de pilas de combustible: • PEM: MEMBRANA INTERCAMBIADORA • PAFC: ÁCIDO FOSFÓRICO • ALCALINAS: HIDRÓXIDO DE POTASIO • SOFC: ÓXIDO SÓLIDO • MCFC: CARBONATO FUNDIDO

  30. EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE • 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: Fuentes de energía fijas de gran potencia, coches eléctricos

  31. EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE ¡QUÉ BONITO SERÍA SI….!

  32. EL HIDRÓGENO: DERIVADOS DERIVADOS HIDRURO

  33. EL HIDRÓGENO: DERIVADOS Perder el electrón H+ Ganar un electrón H- Compartir el electrón E-H

  34. Ad+-Hd- Hd+-Ad- A+H- EL HIDRÓGENO: DERIVADOS HnAm

  35. EL HIDRÓGENO: DERIVADOS CLASIFICACIÓN DE PANETH

  36. EL HIDRÓGENO: DERIVADOS H- Hd+ Hd- Xe

  37. H- EL HIDRÓGENO: HIDRUROS IÓNICOS Electronegatividad M = G1 Y PESADOS G2 M < H

  38. EL 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

  39. EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS

  40. EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS • METÁLICOS: • INTERSTICIALES • ESTEQUIOMÉTRICOS • CrH VH2 • NO ESTEQUIOMÉTRICOS • TiH1.9 HfH2.1

  41. EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS • Duros • Brillo metálico • Conducen la electricidad o son semiconductores • Propiedades magnéticas • Quebradizos

  42. Almacén de H2 EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS Absorben gran cantidad de H2, que liberan se puede liberar a conveniencia

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

  44. EL 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

  45. CH4 NH3 H2O HF BeH2 B2H6 Poliméricos EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES Moleculares

  46. EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES

  47. H H H B B H H H H B B . . H Tricéntrico B B EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES Deficientes en electrones 3c-2e

  48. EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES

  49. EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES d- 3c/2e - H d+ d+ Hidruro puente B B H en B 2 6 d+ H 3c/4e Enlace - d- d- de hidrógeno O O en el agua

  50. EL 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.

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