Un elemento químico singular. Fernando Carrillo. Química Inorgánica. UCLM

Transcripción

1 idrógeno Un elemento químico singular Fernando Carrillo. Química Inorgánica. UCLM

2 idrógeno Introducción Propiedades generales Estado natural Comportamiento químico Obtención Usos y aplicaciones

3 idrógeno: introducción PARACELSUS (SIGLO XVI) ROBERT BOYLE (1671) ENRY CAVENDIS (1766) ANTOINE LAVOISIER (1783)

4 idrógeno: propiedades generales Es un no metal Forma moléculas diatómicas 2 El elemento es menos reactivo que los halógenos X 2 Un átomo tiene un único electrón Puede perderlo, para formar + Puede ganar otro, para formar s 1 2

5 idrógeno: propiedades generales PESO ATÓMICO ABUNDANCIA RELATIVA (%) SPIN NUCLEAR EL ELEMENTO: ISÓTOPOS PROTIO /2 DEUTERIO D 1 TRITIO T /2 P.F.. EN E 2 (ºC) P.Eb.. EN E 2 (ºC) E. Dis.. (kj( kj/mol)

6 idrógeno: propiedades generales DEUTERIO: DEUTERIO: O- O- SE SE ELECTROLIZA ELECTROLIZA ANTES ANTES QUE QUE O-D: O-D: SEPARACIÓN SEPARACIÓN D 2 O/ 2 O/ 2 O 2 SE SE UTILIZA UTILIZA PARA: PARA: ESTUDIOS ESTUDIOS MECANÍSTICOS MECANÍSTICOS CONTROL CONTROL DE DE REACCIONES REACCIONES NUCLEARES NUCLEARES RMN RMN 2 O (s) 2 O (l) 2 O (l) D 2 O (s)

7 idrógeno: propiedades generales TRITIO: N + n C + T T 1/2 =12,26 años e + e (β) Li + n e + T (Reactor nuclear) Sus principales usos se encuentran en la medicina nuclear

8 idrógeno: propiedades generales PESO ATÓMICO ABUNDANCIA RELATIVA (%) SPIN NUCLEAR EL ELEMENTO: ISÓTOPOS PROTIO /2 DEUTERIO D 1 TRITIO T /2 P.F.. EN E 2 (ºC) P.Eb.. EN E 2 (ºC) E. Dis.. (kj( kj/mol)

9 idrógeno: propiedades generales SPINES NUCLEARES ORTO Y PARA IDRÓGENO ORTO PARA

10 idrógeno: propiedades generales Equilibrio orto-para del 2, D 2 y T 2

11 idrógeno: propiedades generales ORTO Q PARA CATALIZADOR: C activo, Fe 2 O 3

12 idrógeno: propiedades generales PESO ATÓMICO ABUNDANCIA RELATIVA (%) SPIN NUCLEAR EL ELEMENTO: ISÓTOPOS PROTIO /2 DEUTERIO D 1 TRITIO T /2 P.F.. EN E 2 (ºC) P.Eb.. EN E 2 (ºC) E. Dis.. (kj( kj/mol)

13 idrógeno: propiedades generales PESO ATÓMICO ABUNDANCIA RELATIVA (%) SPIN NUCLEAR EL ELEMENTO: ISÓTOPOS PROTIO /2 DEUTERIO D 1 TRITIO T /2 P.F.. EN E 2 (ºC) P.Eb.. EN E 2 (ºC) E. Dis.. (kj( kj/mol)

14 idrógeno: propiedades generales 2 2 CALENTAMIENTO A ELEVADA TEMPERATURA 700ºC 3, % DISOCIACIÓN 5500ºC 98.8 % DISOCIACIÓN DESCARGAS ELÉCTRICAS RADIACIONES

15 idrógeno: propiedades generales Densidad (g/ml ml) ) en fase gas Punto de Fusión n (K) Punto de Ebullición n (K) Radio covalente en 2 (Å) Radio iónico i en Li (Å) Potencial de Ionización n (ev( ev) Afinidad Electrónica (ev( ev) Electronegatividad (E. Pauling) Potencial normal (V) + + 1e - ½

16 idrógeno: estado natural Universo 7% 1% idrógeno e Resto 92% Estrellas 2 y Espacio interestelar

17 idrógeno: 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 4. Se producen núcleos de helio que se fusionan 5. Se forma una partícula alfa y se liberan dos protones y mucha energía

18 idrógeno: 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 idrógeno: fusión nuclear ITER TOKAMAK REACTOR EXPERIMENTAL DE FUSIÓN POR CONFINAMIENTO MAGNÉTICO Cadarache (FR) 2015

20 idrógeno: estado natural LA TIERRA Décimo elemento en peso más abundante de la corteza terrestre Como 2 O cubre el 80 % de la superficie terrestre Compuestos orgánicos Combustibles fósiles (petróleo, gas natural, etc.) Estratosfera en forma atómica

21 idrógeno: comportamiento químico LA REACCIÓN CON EL OXÍGENO: 2 + ½ O 2 2 O(g) = -242 kj.mol O 2 O + 2 O O + O 2 O + O + O + O O 2 O REACCIONES DE TERMINACIÓN

22 idrógeno: comportamiento químico LA REACCIÓN CON EL OXÍGENO: El 2 se quema, al aire, en concentraciones entre 4 y 75% (frente a % de G.N.) La temperatura de combustión espontánea es de 585ºC (frente a 540º de G.N.) Es menos explosivo (conc %) que el G.N. (conc %)

23 idrógeno: comportamiento químico Perder el electrón + Ganar un electrón - Compartir el electrón E-

24 idrógeno: hidruros binarios δ+ A δ- n A m A + - A δ+ δ-

25 idrógeno: hidruros binarios CLASIFICACIÓN DE PANET

26 idrógeno: hidruros binarios -- δ+ δ+ δ- δ- Xe

27 idrógeno: hidruros iónicos Electronegatividad M < - M = G1 Y PESADOS G2 Radio (Å) Relación Q/r F Cl

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

29 idrógeno: hidruros binarios Afinidad protónica -- δ- δ- + δ+ δ+ 2 Li + - δ+ δ- + 2 O 2 + LiO

30 idrógeno: hidruros iónicos Carácter reductor ½ + 2 e - - Eº = V 2Na + O 2 2 O + Na 2 O

31 idrógeno: hidruros metálicos

32 idrógeno: hidruros metálicos METÁLICOS: INTERSTICIALES ESTEQUIOMÉTRICOS Cr V 2 NO ESTEQUIOMÉTRICOS Ti 1.9 f 2.1

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

34 idrógeno: hidruros metálicos Absorben gran cantidad de 2, que liberan se puede liberar a conveniencia Almacén de 2

35 idrógeno: hidruros metálicos Presión parcial de 2 libre Descarga a alta temperatura α +β γ α Carga a baja presión relativa y baja temperatura % Capacidad hidrógeno METAL FASE α FASE β FASE γ (IDRURO (IDRURO (ADSORCIÓN INTERSTICIAL) METÁLICO) DE IDRÓGENO)

36 idrógeno: hidruros metálicos BATERÍAS DE NIQUEL-IDRURO Las Las reacciones que que tienen lugar en en los los electrodos son: son: descarga 2 Ni(O)(O) + M M n n n Ni(O) M carga Como electrodo negativo se se utilizan aleaciones de de níquel (M (M n ) n ) muy muy complejas, distinguiéndose principalmente dos dos tipos: AB5 AB5 y AB2: donde donde A = La, La, Ce, Ce, Pr, Pr, Nd Nd B = Ni, Ni, Co, Co, Mn, Mn, Al Al

37 idrógeno: hidruros metálicos

38 idrógeno: hidruros covalentes Moleculares C 4 2 O N 3 F Poliméricos Be 2 B 2 6

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

40 idrógeno: hidruros covalentes (N 3 )

41 idrógeno: hidruros covalentes B B Be Be Be Al Al Al [Al 4 ] - Al Almacén de hidrógeno

42 idrógeno: obtención

43 idrógeno: obtención OBTENCIÓN A ESCALA DE LABORATORIO M + + M n+ + 2 Zn + Cl ZnCl Fe en Cl M + O - M(O) n + 2 Al + NaO Na[Al(O) 4 ] + 2 M + 2 O M(O) n + 2 Na + 2 O NaO O O Li + 2 O LiO + 2

44 idrógeno: obtención ELECTROLISIS DEL AGUA CAT(-) ) e - 2 ANOD(+) 2 O - - 2e - 1/2O O Electrolito: NaO 25% 2-2.5V electrodos de Ni ó Fe 0.2% producción mundial de 2 energía solar Mejor: FC FC* 2 O + FC* 2 + O 2 + FC

45 idrógeno: obtención OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL REDUCCIÓN DE AGUA CON COQUE 2 O(g) + C 1200ºC 2 + CO (+ N 2 gas de síntesis) 2C + O 2 2CO Fe 2 O + CO 2 O 3 CO CO 2 + K 2 CO 3 (aq) 2KCO 3 (aq) Problemas: presencia de S escasez de C

46 idrógeno: obtención OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL REDUCCIÓN DE AGUA CON IDROCARBUROS Ni C 4 (GAS NATURAL) + 2 O CO + 2 P T

47 idrógeno: obtención OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL OXIDACIÓN PARCIAL DE FUEL-OIL P T C n m + n/2 O 2 n CO + m/2 2

48 idrógeno: obtención OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL REFINO: CRAQUEO DE IDROCARBUROS R-C 2 -C 2 -C 2 -C 2 -R 2 R-C=C PROCESO CLORO-ÁLCALI: SUBPRODUCTO IMPORTANTE

49 idrógeno: obtención idrógeno Otro gas

50 idrógeno: usos y aplicaciones Lanzadera espacial: l de O 2 líquido y 1.5 millones de l de 2 líquido indenburg, ardiendo en 1937 Explosión Bomba BMW Mini, con hidrógeno

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

52 idrógeno: 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.

53 idrógeno: usos y aplicaciones

54 Pilas de combustible Experimento de Grove: primera pila de hidrógeno (1845) Sir William Robert Grove ( ) asta 1959,, no se construyó una pila de utilidad

55 idrógeno: usos y aplicaciones CAT(+) ½O 2 + 2e O 2- PILA DE COMBUSTIBLE DE IDRÓGENO ANOD(-) e 2 + ½ O 2 2 O electrones electrones 2 O electrolito 2 + +O 2- = 2 O + 2 =2 + +2e 2 O 2 O 2 +2e=O 2- catalizador CALOR

56 COMBUSTIBLE FÓSIL COMBUSTIBLE FÓSIL REFORMADO O GASIFICACIÓN REFORMADO O GASIFICACIÓN REACTOR QUÍMICO (COMBUSTIÓN) REACTOR QUÍMICO (COMBUSTIÓN) TURBINAS TURBINAS PISTONES PISTONES ENERGÍA QUÍMICA ENERG ENERGÍA QU QUÍMICA MICA ENERGÍA MECÁNICA ENERG ENERGÍA MEC MECÁNICA NICA GENERADORES ELÉCTRICOS GENERADORES ELÉCTRICOS ENERG ENERGÍA EL ELÉCTRICA CTRICA PILAS DE COMBUSTIBLE PILAS DE COMBUSTIBLE Eficiencia idrógeno: usos y aplicaciones

57 idrógeno: usos y aplicaciones Tipos de pilas de combustible: PAFC: ÁCIDO FOSFÓRICO PEM: MEMBRANA INTERCAMBIADORA MCFC: CARBONATO FUNDIDO SOFC: ÓXIDO SÓLIDO ALCALINAS: IDRÓXIDO DE POTASIO

58 idrógeno: usos y aplicaciones 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: Coches eléctricos, fuentes de energía fijas de gran potencia.

59 idrógeno: usos y aplicaciones 1) Las pilas de hidrógeno son eficientes, ya que transforman el hidrógeno y el oxígeno directamente en electricidad y agua sin ninguna combustión durante el proceso. La eficiencia del proceso se sitúa entre el 50 y el 60%, que equivale aproximadamente al doble de la eficiencia del motor de explosión. Teóricamente, se puede llegar al 100%. 2) Las pilas de hidrógeno son limpias, porque no producen ninguna emisión, sólo la producción de agua pura. Al contrario que el motor de explosión, la pila de hidrógeno no emite ni dióxido de azufre (que contribuye a la lluvia ácida), ni tampoco óxidos de nitrógeno (que contribuyen a la creación del smog) ni ningún tipo de partícula contaminante. 3) Las pilas de hidrógeno son muy silenciosas, ya que no tienen ningún mecanismo móvil, aunque tienen un sistema de bomba y ventilador, así pues la producción de electricidad es bastante silenciosa. Muchas instalaciones, como por ejemplo los hoteles, pueden sustituir la ingeniería diesel por pilas de hidrógeno como suplemento al poder energético o bien como reservas de energía en caso de apagón. 4) Las pilas de combustible son modulares, se pueden colocar juntas para conseguir la cantidad de energía necesaria. La pila de hidrógeno puede producir energía en un amplio margen desde pocos vatios a unos cuantos megavatios. 5) Las pilas de hidrógeno no son peligrosas para el medio ambiente, no producen sustancias tóxicas, ya que el único desecho del proceso es el agua (o bien agua y dióxido de carbono en el caso de las pilas de metanol). 6) Las pilas de hidrógeno nos dan la oportunidad de poder obtener una gran cantidad de energía a partir de fuentes sostenibles: el agua y el aire.

60 idrógeno: usos y aplicaciones 1) La pila de hidrógeno deberá tener una aceptación en el mercado para tener éxito. Esta aceptación depende claramente del precio de las pilas, la duración y precisión y la accesibilidad al precio del combustible. Comparado con el precio de las actuales alternativas, como por ejemplo la ingeniería del diesel y las baterías, las pilas de hidrógeno 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 de combustibles. Es por ello que debemos confiar en las actividades de las compañías petroleras y de gas para que ellos las introduzcan. Sólo si los conductores son capaces de obtener el combustible a un precio razonable, serán desarrolladas nuevas aplicaciones para el motor. 3) Políticas adecuadas. Son necesarias políticas orientadas al desarrollo de esta tecnología. Las actuales leyes y regulaciones ambientales extremadamente rigurosas han reforzado la investigación en este campo. 4) El catalizador. Actualmente el platino es el componente clave de la pila de hidrógeno. El platino es un recurso natural escaso; la mayoría de sus fuentes están en Suráfrica, Rusia y Canadá. La escasez de platino es clave en el desarrollo de la pila de hidrógeno. Es necesaria una búsqueda de nuevos catalizadores.

61 idrógeno: usos y aplicaciones

62 idrógeno: usos y aplicaciones Si el 10% de los coches usara baterías de combustible se produciría una reducción de contaminantes de 1 MTm/a y de 60 MTm/a de CO 2, con un ahorro del 13% de las importaciones de petróleo.

63 FUENTE: UE MUCAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN