quimic

HidrgenoUn elemento qumico singular

Fernando Carrillo. Qumica Inorgnica. UCLM

Buenas tardes, el objetivo que se ha planteado para esta charla es muy generalista, pues intenta describir, de forma resumida, las caractersticas bsicas del hidrgeno y de su qumica, como introduccin al resto de exposiciones del curso, mucho ms concretas.

HidrgenoIntroduccinPropiedades generalesEstado naturalComportamiento qumicoObtencinUsos y aplicaciones

De esta manera, tras una introduccin sobre el descubrimiento del hidrgeno, describir las propiedades generales y el estado natural del elemento, para entrar despus en su comportamiento qumico ms bsico, su obtencin a nivel de laboratorio e industrialmente, para finalizar con una breve introduccin a sus usos y aplicaciones, ya que esto est siendo discutido ms ampliamente por los otros participantes del curso

Hidrgeno: introduccinPARACELSUS (SIGLO XVI)

ROBERT BOYLE (1671)

HENRY CAVENDISH (1766)

ANTOINE LAVOISIER (1783)

Al parecer, fue Paracelsus el primero que produjo hidrgeno, aunque lo confundi con una mezcla de gases inflamables. Tambin hay referencias de que Boyle, en 1671, obtiene un gas de la reaccin entre hierro y cido clorhdrico que se quema muy fcilmente. Cavendish estudia ms ampliamente este nuevo gas y Lavoisier lo reconoce como un elemento, junto con el oxgeno, y le pone el nombre de hidrgeno, el que genera agua.

Hidrgeno: propiedades generalesEs un no metalForma molculas diatmicas H2El elemento es menos reactivo que los halgenos X2Un tomo H tiene un nico electrnPuede perderlo, para formar H+Puede ganar otro, para formar H-

1H1.007941s1H2

Como dice el ttulo de la charla, el hidrgeno es un elemento singular. Su situacin en la T.P. es complicada, y se ha resuelto siempre de manera desacertada, situndolo junto a los grupos 1 17. Y es que no es un metal, lo que impide relacionarlo con el litio o el sodio, aunque tiene una capa de valencia similar. Forma molculas diatmicas y aniones monovalentes, hidruros, como los halgenos, pero es mucho menos reactivo.

Hidrgeno: propiedades generalesEL ELEMENTO: ISTOPOS111

PROTIO H1HDEUTERIO D2HTRITIO T3HPESOATMICO1.00782.01413.0160ABUNDANCIA RELATIVA (%)99.980.01510-17SPIN NUCLEAR1/211/2

P.F. EN E2 (C)-259.04-254.27-252.38P.Eb. EN E2 (C)-252.61-249.73-247.96E. Dis. (kJ/mol)438.88443.35446.90

El elemento presenta tres istopos: el protio, que contiene un nico protn en su ncleo y que es con el que vulgarmente se asocia al hidrgeno, por ser el ms abundante. El deuterio presenta un protn y un neutrn y el tritio, el menos abundante, presenta un segundo neutrn.

Hidrgeno: propiedades generales

DEUTERIO: O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D:

SEPARACIN D2O/H2O SE UTILIZA PARA: ESTUDIOS MECANSTICOS CONTROL DE REACCIONES NUCLEARES RMN

H2O (s)H2O (l)H2O (l)D2O (s)

La obtencin del deuterio se suele llevar a cabo a partir del agua deuterada contenida en el agua normal. Para la separacin de ambos compuestos se recurre una electrolisis fraccionada. El efecto isotpico hace que el agua conteniendo protio se electrolice antes en hidrgeno y oxgeno moleculares, dejando un resto de agua deuterada sin electrolizar. Una vez separados los compuestos la electrolisis del agua deuterada permite obtener deuterio molecular. Este agua deuterada tambin se conoce como agua pesada, no slo porque su peso molecular sea mayor que el del agua con protio. Como podemos ver, mientras que el hielo de agua normal flota en agua, el hielo de agua deuterada se hunde. Es una manifestacin ms, muy evidente, del efecto istopico por la diferencia de ncleos. Este efecto se utiliza tambin en estudio mecansticos de reacciones, en el control de reactores nucleares y en resonancia magntica nuclear.


TRITIO:

N + n C + T T1/2=12,26 aos

He + e (b)

Li + n He + T(Reactor nuclear)

Sus principales usos se encuentran en la medicina nuclear147101463132 0-163104231

El tritio es el istopo menos abundante. Esto se debe, entre otras cosas, a que se trata de un istopo radiactivo con una baja vida media. En la naturaleza, se produce por el bombardeo de rayos csmicos sobre las capas altas de la atmsfera, lo que da lugar a la transformacin de ncleos de nitrgeno 14 en carbono 14 y tritio. Este se degrada con formacin de ncleos de helio 3 y radiacin beta, con una vida media de 12,26 aos, que explica su baja presencia. Artificialmente, se prepara en reactores nucleares por bombardeo de ncleos de litio 6 con neutrones. Sus principales usos se encuentran en la medicina nuclear.




Los tres ncleos presentan spin nuclear, de para protio y tritio y de 1 para deuterio.

Hidrgeno: propiedades generalesSPINES NUCLEARES

ORTO Y PARA HIDRGENO

ORTO PARA

La presencia de ese spin da lugar a que las molculas de cada uno de estos istopos presente la denominada isomera de spin. Son posibles dos orientaciones de spin para los ncleos de estas molculas diatmicas: una, con los spines paralelos, girando en el mismo sentido, denominada orto, y otra con spines antiparalelos, denominada para.


Equilibrio orto-para del H2, D2 y T2

Aqu se muestra la proporcin de cada una de ellas, en cada tipo de istopo, en funcin de la temperatura. Fijndonos en el ms interesante por abundante, el H2, vemos que, a temperatura ambiente, hay 3 veces de otro por cada una de para. Pero cuando se baja la temperatura, la forma para es la ms estable y podemos conseguirla con mucha pureza, mientras que no es posible obtener la forma orto pura. Este efecto nuclear, que parece parte de la mstica de la fsica cuntica es muy relevante desde un punto de vista prctico, como seguro que se comentar en otras charlas. Para almacenar hidrgeno, es ms adecuado hacerlo en forma de lquido y, como veremos despus, para ello hay que enfriar mucho. Si tomamos una muestra de hidrgeno a temperatura ambiente con 3 a 1 de orto/para, y lo enfriamos rpidamente hasta licuarlo, cerca de 20K, seguiremos teniendo esa relacin.


QORTOPARACATALIZADOR: C activo, Fe2O3

Pero como a esa temperatura, la forma estable es la para, la forma orto se transforma en ella. Y el problema es que es un proceso exotrmico, que libera calor, calor suficiente como para que el hidrgeno lquido deje de serlo y pase a gas, con el consiguiente peligro, si se ha almacenado en un recipiente pequeo. Para evitar este problema, la licuefaccin se lleva a cabo en presencia de catalizadores que van transformando la forma orto en la para segn se desciende la temperatura. Estos catalizadores suelen ser carbn activado, xido frrico y algunos otros.




Las diferencias isotpicas afectan a los puntos de fusin y ebullicin, aun siendo todos extremadamente bajos. Luego volveremos sobre esto.




Igualmente se ve afectada la energa de enlace entre los tomos, siendo ms alta segn aumenta el peso.


H22 H CALENTAMIENTO A ELEVADA TEMPERATURA

700C 3,7.10-4 % DISOCIACIN5500C 98.8 % DISOCIACIN

DESCARGAS ELCTRICAS

RADIACIONES

En cualquier caso, se trata de valores de entre los ms altos, debido al pequeo tamao de los tomos implicados y el buen solapamiento entre sus nubes electrnicas. Slo en condiciones drsticas es posible una ruptura de la molcula en sus tomos constituyentes, con elevadas temperaturas, descargas elctricas o radiaciones intensas.


Densidad (g/ml) en fase gas0.089Punto de Fusin (K)14.01Punto de Ebullicin (K)20.28Radio covalente en H2 ()0.37Radio inico en LiH ()1.53Potencial de Ionizacin (eV)13.54Afinidad Electrnica (eV)0.715Electronegatividad(E. Pauling)2.1Potencial normal (V) H+ + 1e- H20.00

El pequeo tamao del tomo de hidrgeno y, con ello, de sus molculas, es determinante para entender sus propiedades elementales. Aun siendo una molcula tan pequea, una masa de hidrgeno ocupa un gran espacio, cuando se encuentra en forma de gas, con una densidad de tan solo 0.089g/ml. La explicacin a este hecho se encuentra como digo en el pequeo tamao de estas molculas apolares, que se mantienen unidas entre ellas por fuerzas de van der waals de dispersin extremadamente dbiles. Eso explicara sus bajos puntos de fusin y ebullicin, igualmente. Otras propiedades o caractersticas interesantes desde el punto de vista qumico son el radio covalente, el ms pequeo, un radio inico mucho mayor, debido a la poca atraccin del segundo electrn por el ncleo, un potencial de ionizacin elevado, que nos habla de la dificultad para formar el catin H+ o una afinidad electrnica inferior a la de los halgenos, que implica que el anin hidruro se forme slo con metales muy reductores. Por ltimo, el valor del potencial normal de reduccin es cero, porque se impone como electrodo de referencia para establecer el potencial de otras semirreacciones.

Hidrgeno: estado natural

UniversoEspacio interestelar HEstrellasH2 y H

Y dnde lo encontramos. Pues es fcil, porque es el elemento ms abundante del universo, lo cual tiene su lgica, porque es el ms sencillo. En las estrellas, como nuestro sol, se encuentra en forma de molculas y tomos individuales, formando un plasma de ncleos y electrones en la parte externa y el denominado hidrgeno metlico, en su ncleo, sometido a una intensa presin gravitacional. Algo parecido hay en el interior de Jpiter o Saturno. Tambin encontramos hidrgeno en el espacio interestelar, en forma, por ejemplo, de radiaciones csmicas, formadas, entre otras cosas, por ncleos de hidrgeno.

Hidrgeno: fusin nuclear

En el ciclo bsico de fusin del Hidrgeno, cuatro ncleos de hidrgeno (protones) se unen para formar un ncleo de Helio. Es importante recordar que esta fusin desprende energa en el centro de una estrella. Esta es la fusin que genera energa en nuestro Sol. Conocemos esta energa cuando sentimos calor en un da de verano, como hoy.5. Se forma una partculaalfa y se liberan dos protonesy mucha energa4. Se producen ncleos de helio que se fusionan3. El deuterio fusionacon otro protn1. Se fusionandos protones2. Un protn setransmutaen un neutrn,formando deuterioSe emiten un electrn y un neutrino

Dediquemos unos minutos a estudiar lo que ocurre con el hidrgeno en el interior de las estrellas. Este es el ciclo bsico de fusin del Hidrgeno, en el que dos protones o ncleos de hidrgeno se fusionan para formar deuterio, por transformacin de un protn en un neutrn, un electrn y un neutrino. El deuterio se fusiona con otro protn y forma helio 3. Finalmente, dos ncleos de helio 3 se fusionan para formar una partcula alfa o helio 4. Lo importante es recordar que esta fusin desprende energa en el centro de una estrella. Esta es la fusin que genera energa en nuestro Sol. Conocemos esta energa cuando sentimos calor en un da de verano, como hoy.


FUSIN DE DEUTERIOFUSIN DEUTERIO-TRITIO En la Tierra, parece que es ms interesante realizar otro tipo de fusin para poder obtener una fuente de energa casi inagotable. Se trata de la fusin del Deuterio o, incluso mejor, de la fusin de Deuterio con Tritio.

En la Tierra parece ms interesante desde el punto de vista de obtencin de energa, la fusin del deuterio, que genera helio 3 o tritio, o la fusin de este ltimo y el deuterio, que genera partculas alfa y mucha energa.


ITER TOKAMAK

REACTOREXPERIMENTALDE FUSINPOR CONFINAMIENTOMAGNTICO

Cadarache (FR) 2015

La combinacin en este siglo de una poblacin mundial cada vez ms grande, la cada vez ms amplia expectativa de vida y a un nivel ms alto, y la creciente demanda de electricidad personal ha dado lugar a iniciativas como el ITER o reactor experimental de fusin, que, si todo va bien, se construir en Cadarache, en Francia, hacia el 2015. Es un reactor de fusin por confinamiento magntico que servir como modelo para futuras instalaciones por todo el mundo que podran proporcionan energa abundante y con pocos deshechos. Es el proyecto cientfico-tcnico ms importante del mundo.

Hidrgeno: estado natural

Dcimo elemento en peso ms abundante de la corteza terrestre

Como H2O cubre el 80 % de la superficie terrestre

Constituye el 70% del cuerpo humano

Compuestos orgnicos

Combustibles fsiles (petrleo, gas natural, etc.)

Estratosfera en forma atmica

LA TIERRA

Pero volvamos al hidrgeno y su presencia en la Tierra. Bsicamente, lo encontramos en forma de agua, en los mares y ocanos, as como formando parte de la corteza de terrestre. Es evidente que si forma parte del agua, y tambin de los compuestos orgnicos, lo encontramos en los seres vivos. Constituye el 70% de nuestro cuerpo. Y claro, despus de mucho tiempo, acaba formando parte de los combustibles fsiles, de los que veremos, se obtiene. Igualmente, hay algo en nuestra atmsfera, pero la mayor parte de lo que hubo escap al espacio, por su bajo peso.

Hidrgeno: comportamiento qumicoLA REACCIN CON EL OXGENO:

H2 + O2H2O(g) DH= -242 kJ.mol-1

H22HH + O2OH + OOH + H2H2O + HO2 + HOH + H

OH + HH2OO + H2H2OREACCIONES DE TERMINACIN

Pasemos ahora a hablar un poco de su comportamiento qumico. Antes de nada, hay que mencionar la reaccin ms famosa, la que tiene lugar con el oxgeno para formar agua. Esta reaccin, que ocurre en presencia de alguna energa de activacin, permite obtener a su vez una gran cantidad de energa. Se trata de una reaccin via radicales, una reaccin en cadena. Comentar pelcula

Hidrgeno: comportamiento qumicoLA REACCIN CON EL OXGENO:

El H2 se quema, al aire, en concentraciones entre4 y 75% (frente a 5.4-15% de G.N.)

La temperatura de combustin espontnea es de585C (frente a 540 de G.N.)

Es menos explosivo (conc. 13-64%)que el G.N. (conc. 6.3-14%)

Para que se produzca esta combustin del hidrgeno con aire, necesitamos unas concentraciones entre el 4 y el 75 por ciento, mientras que es mucho menor para el gas natural. Algo parecido pasa con la temperatura de combustin espontnea, menor para el gas natural. Por ltimo, hacen falta concentraciones ms altas de hidrgeno en el aire que de gas natural para que se produzca una explosin. En resumen, el gas natural parece ms peligroso que el hidrgeno, pero casi todo el mundo lo tiene en su casa.

Perder el electrn

Ganar un electrn

Compartir el electrn

H+H-E-HHidrgeno: comportamiento qumico

De forma ms general, podemos decir que el hidrgeno puede perder un electrn y forman el catin hidrgeno. Hablando estrictamente este catin slo se encuentra como tal en condiciones muy especiales, tales como tratamientos con descargas elctricas, radiaciones, etc. Aun as es comn hablar de cationes hidrgeno o de protones formando parte de compuestos o disoluciones. En todos estos casos, el catin est solvatado, o formando un compuesto en el que no existe como tal, como puede existir el catin sodio.Lo que se s existe es el anin hidruro. Es decir, hay compuestos inicos en los que los aniones que forman la red son aniones hidruro. Por ltimo, lo ms habitual es que el hidrgeno comparta su electrn con otro elemento formando enlaces covalentes.

HnAmHidrgeno: hidruros binarios

Como sera imposible resumir todos los compuestos del hidrgeno, quedmonos con los ms sencillos, los binarios. En estas combinaciones, el hidrogno puede tener una carga parcial positiva o negativa, o una verdadera carga negativa, como hemos comentado.

Hidrgeno: hidruros binariosCLASIFICACIN DE PANETH

Existe una clasificaciones de estos hidruros binarios, en funcin de la naturaleza del enlace, que depende mucho de los elementos a los que se une. Esta clasificacin de paneth los divide en hidruros inicos, con los elementos de los grupos 1 y 2, excepto berilio y magnesio, que junto con algunos metales de los grupos principales forma hidruros intermedios, intermedios entre los inicos y los covalentes, que se forman con elementos de los grupos principales de electronegatividad similar o superior al hidrgeno. Por ltimo, encontramos los denominados hidruros metlicos, de metales de transicin y transicin interna. Como se puede ver, todava hay elementos que no presentan hidruros binarios.

Hd-H-Hd+XeHidrgeno: hidruros binarios

En el caso de hidruros inicos, el hidrgeno se comporta con un verdadero anin, mientras que en los intermedios y covalentes, el enlace tiene ms de dicho carcter covalente, y dependiendo de las electronegatividades relativas, el hidrgeno posee cierta carga positiva o negativa.

Hidrgeno: hidruros inicosElectronegatividad

M < HM = G1 Y PESADOS G2

Radio ()Relacin Q/rH0.32H-1.530.65F-1.190.84Cl-1.670.60

Centrndonos en los hidruros inicos, se forman con elementos muy electropositivos como son los metales del grupo 1 y los ms pesados del grupo 2. El anin hidruro se comporta, estructuralmente, de manera muy similar al anin cloruro, como se deduce de sus radios inicos y de las relaciones carga/radio.

Redes inicas tridimensionales

Puntos de fusin > 600C

Mtodo de obtencin

M + n/2 H2MHnDHidrgeno: hidruros inicosConducen la electricidad en fundido

La electrolisis produce H2 en el nodo

Estas sustancias presentan las caractersticas tpicas de los compuestos de este tipo, formando redes tridimensionales slidas, de puntos de fusin altos. Conducen la electricidad en fundido y, en estas condiciones, se electrolizan para formar hidrgeno en el nodo. Se obtienen por reaccin del metal, que como hemos visto es poco electronegativo, con hidrgeno.

Hidrgeno: hidruros covalentesMoleculares

Nos quedan los hidruros covalentes, muy abundantes. Junto los totalmente moleculares como el metano o el agua, podemos aadir los denominados intermedios o polmericos, que se encuentran entre una situacin inica y una claramente molecular, como el hidruro de berilio.

Hidrgeno: hidruros covalentes

Como hemos visto, hay un tipo de hidruros intermedios o polimricos, que como indica su nombre, presentan agregaciones de tomos unidos por tomos de hidrgeno, formando puentes.

Hidrgeno: hidruros binarios

La reaccin entre hidruros de diferente signo se puede utilizar como generadora de hidrgeno molecular

Hidrgeno: hidruros binariosHIDRUROS COMO ALMACN DE HIDRGENO: HIDRUROS QUMICOSMBH4 + 2 H2O4 H2 + MBO2 + CALOR

NaBH4, KBH4, LiBH4

HIDRLISIS EN PRESENCIA DE UN CATALIZADOR

Algunos de estos hidruros pueden ser utilizados como almacn de hidrgeno, son denominados hidruros qumicos y son una forma adecuada de almacenar hidrgeno y transportarlo, para disponer de l en el momento deseado mediante una hidrlisis catalizada. Suelen ser hidroboratos. Es una reaccin que ocurre en condiciones cidas, pero no bsicas, lo que permite estabilizarlos como suspensiones o disoluciones bsicas. Es una reaccin muy eficiente, pues una parte del hidrgeno viene del compuesto y otra del agua. Adems estos hidroboratos son abundantes, baratos y fciles de manejar sin mucho peligro.

Hidrgeno: hidruros binariosHIDRUROCATALIZADORAGUA DE REFRIGERACINRECICLADOSEPARADOR DE H2PILACOMBNaBH4/H2O/OH-H2OH2 + NaBO2H2CALORNaBO2

Este es un diseo para el uso de estos hidruros qumicos como fuente de hidrgeno para alimentar una pila de combustible. Comentar dibujo

Hidrgeno: hidruros binariosOtras variantes:LiH, NaH, MgH2 + ROH H2 + M(OR)x

NH3.BH3 NH2BH2 + H2 NHBH + H2

HIDRLISIS CON VAPOR DE AGUA

PRINCIPAL PROBLEMA: APROVISIONAMIENTO Y RECICLADO

Existen otras opciones como la alcoholisis de hidruros inicos, la descomposicin trmica del aducto entre amonaco y borano, o la hidrlisis con vapor de agua y sin catalizador.En todos los casos, el principal problema para una implantacin adecuada es el aprovisionamiento y el reciclado de los productos de la reaccin, que tiene que hacerse fuera de un posible vehculo que los utilizara.

Hidrgeno: hidruros metlicos

Muy interesantes, sobre todo en este curso, son los hidruros metlicos, que como hemos dicho, se forman con metales de los grupos de transicin y transicin interna, aunque no con todos.

Hidrgeno: hidruros metlicos

METLICOS:

INTERSTICIALES

ESTEQUIOMTRICOS

CrHVH2

NO ESTEQUIOMTRICOS

TiH1.9HfH2.1

Los hidruros metlicos se conocen tambin como intersticiales, ya que los tomos de hidrgeno ocupan los huecos tetradricos presentes y a veces los octadricos en la red cristalina del metal en cuestin. El resultado son hidruros estequiomtricos, pero tambin muchos no estequiomtricos.

Hidrgeno: hidruros metlicos Duros

Brillo metlico

Conducen la electricidad

o son semiconductores Propiedades magnticas

Quebradizos

Estos hidruros mantienen caractersticas tpicas de sustancias metlicas, duras, brillantes, conductoras o semiconductoras de la electricidad, con propiedades magnticas, pero son ms quebradizos que los metales puros, lo que indica que la introduccin de hidrgeno debilita el enlace metlico deslocalizado.

Hidrgeno: hidruros metlicosAbsorben gran cantidad de H2, queliberan se puede liberar a conveniencia

Un hecho llamativo y muy interesante es la capacidad que tienen muchos metales para adsorber y absorber hidrgeno dentro de su red, con formacin de tomos de hidrgeno, como ya hemos visto, pero que pueden ser liberados de nuevo como molculas adecuando la temperatura o la presin. Esto los hace muy tiles como almacenes slidos de hidrgeno.

Hidrgeno: hidruros metlicosMETALFASE aFASE bFASE g(HIDRURO(HIDRURO(ADSORCININTERSTICIAL)METLICO)DE HIDRGENO)aa +bg

Cuando la presin parcial se aumenta, el hidrgeno se disuelve en el metal o la aleacin, y comienza a enlazarse con los tomos metlicos. Durante el perodo de enlace, la presin permanece constante a partir del momento en el que el 10 % del hidrgeno ha sido almacenado hasta que aproximadamente el 90 % de la capacidad de almacenaje se ha alcanzado. Despus del punto del 90 %, se requieren presiones ms altas que alcancen el 100 % de la capacidad de almacenaje de hidruro. El calor liberado durante la formacin de hidruro debe ser eliminado continuamente para evitar el sobrecalentamiento del hidruro. Para recuperar el hidrgeno del hidruro metlico, se debe calentar para romper las interacciones de enlace metal-hidrgeno. Cuanto ms alta sea la temperatura, ms alta ser presin parcial del gas liberado. La ltima porcin de hidrgeno retenido, un 10%, es la ms difcil de extraer por ser la que presenta los enlaces ms fuertes con el metal. En este tratamiento, el metal reacciona con el hidrgeno para formar la fase alfa, de hidruro intersticial, casi sin interaccin con el metal, que, a determinadas temperaturas pasa a formar un verdadero hidruro metlico, con electrones cedidos del metal al hidrgeno y, finalmente, se produce la adsorcin de ms hidrgeno sobre ese hidruro para formar la fase gamma.

BATERAS 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 nquel (MHn) muy complejas, distinguindose principalmente dos tipos: AB5 y AB2:

dondeA = La, Ce, Pr, NdB = Ni, Co, Mn, Al Hidrgeno: hidruros metlicos

Una aplicacin de los hidruros metlicos la encontramos en las bateras de hidruros de niquel, donde se produce una reaccin entre oxohidrxido de niquel y un hidruro de una aleacin de niquel y otros elementos muy compleja, con un electrolito alcalino de KOH

Hidrgeno: obtencin

Pero volviendo al hidrgeno, cmo lo obtenemos? Bueno, una parte de la qumica descrita nos servir para entenderlo

OBTENCIN 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 + H2Hidrgeno: obtencinNa en aguaFe en HCl

Las opciones a nivel de laboratorio o pequea escala implican reacciones de oxidacin de metales en medio acuoso, neutro, cido o bsico, dependiendo mucho del metal. Por ejemplo, el cinc o el hierro se oxidan fcilmente con cido diluido para generar hidrgeno y sus sales, como vemos en esta foto en la que un poco de hierro se oxida a hierro ii, azul verdoso con desprendimiento de hidrgeno. Algo parecido ocurre con el aluminio en medio bsico. Los metales muy reductores como el sodio dan reacciones violentas con el agua, como podemos apreciar en la otra imagen, tambin generando hidrgeno. Otra opcin es usar el carcter bsico de los hidruros inicos para combinarlos con hidruros covalentes cidos, como vimos antes.

ELECTROLISIS DEL AGUA

CAT(-) 2 H+ + 2e-H2

ANOD(+) 2 OH- - 2e- 1/2O2 + H2OElectrolito: NaOH 25%2-2.5V electrodos de Ni Fe0.2% produccin mundial de H2

Mejor: FC FC*

H2O + FC* H2 + O2 + FCenerga solarHidrgeno: obtencin

Un mtodo ampliamente conocido es la electrolisis del agua. En este caso, el paso de corriente por una disolucin acuosa de algn electrolito, tpicamente sosa, genera hidrgeno en el ctodo y oxgeno en el nodo. Es este un proceso que no se lleva a cabo a gran escala excepto donde la energa elctrica sea asequible, como cerca de saltos de agua. Por ello, slo supone un 0.2% de la produccin mundial de hidrgeno. En cualquier caso, permite obtener hidrgeno de elevadsima pureza. Una opcin en desarrollo que seguro ser ms comentada es utilizar energa solar y fotocatalizadores que utilicen esa energa para fraccionar el agua en sus elementos, de tal forma que el hidrgeno se convierte en una especie de contenedor qumico de la energa solar.

OBTENCIN A ESCALA INDUSTRIAL

REDUCCIN DE AGUA CON COQUE

H2O(g) + C H2 + CO (+ N2 gas de sntesis)2C + O22CO

H2O + COCO2 + H2

CO2 + K2CO3(aq)2KHCO3(aq)

Problemas: presencia de S escasez de CFe2O31200CHidrgeno: obtencin

Pero ahora nos hace falta mucho hidrgeno, para fines que comentaremos al final. Los procedimientos industriales actuales se basan en el uso de combustibles fsiles. Por ejemplo, la reduccin o reformado del agua con carbn, permite obtener H2 y CO. El CO a su vez, por reaccin con agua forma ms hidrgeno y CO2, que o bien se emite a la atmsfera o bien se atrapa en forma de carbonatos. Este procedimiento presenta los problemas de la escasez de C y de la presencia de contaminantes, fundamentalmente derivados del azufre, incompatibles con muchas de las aplicaciones posteriores del hidrgeno.


REDUCCIN DE AGUA CON HIDROCARBUROS

CH4 (GAS NATURAL) + H2O CO + H2

OXIDACIN PARCIAL DE FUEL-OIL

CnHm + n/2O2n CO + m/2 H2Ni

P TP THidrgeno: obtencin

De forma similar, se puede reducir agua con metano, proveniente del gas natural, mucho ms abundante, o bien por oxidacin parcial de hidrocarburos. En todos los casos, se produce CO2 que suele acabar en el aire.


REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS

R-CH2-CH2-CH2-CH2-R 2 R-CH=CH2 + H2

PROCESO CLORO-LCALI: SUBPRODUCTO

IMPORTANTE

Hidrgeno: obtencin

Otra fuente importante de hidrgeno aparece en las plantas de refino, durante el proceso de craqueo de hidrocarburos pesados a otros menores. Finalmente, comentar su obtencin como subproducto importante en el proceso de obtencin del cloro.

Hidrgeno: obtencin

Como he comentado, para muchas de las aplicaciones finales es necesario un hidrgeno bastante puro, por lo que la purificacin es una etapa importante de la obtencin. Aprovechando la capacidad ya mencionada de muchos metales de absorber hidrgeno existen sistemas de purificacin basados en aleaciones de paladio-plata que filtran el hidrgeno de otros gases, gracias a la posibilidad del hidrgeno de introducirse a travs de la red cristalina del metal y luego ser eliminado.

Hidrgeno: usos y aplicacionesHindenburg, ardiendo en 1937BMW Mini, con hidrgenoLanzadera espacial:500000 l de O2 lquidoy 1.5 millones de l de H2 lquidoAtoln de Bikini, 1954

Para ir acabando, comentar, por encima, algunas posibles aplicaciones, ya que otros participantes dedicarn ms tiempo a este tema. Cuatro imgenes llamativas del uso del hidrgeno, para empezar. Seguro que a muchos les suena el incendio de este famoso dirigible alemn, el hindenburg, en EE.UU. Los alemanes usaban el hidrgeno para rellenar los dirigibles, y tambin como parte de la mezcla combustible de sus motores. Este espectacular incendio, que ahora se sabe que no fue por culpa del hidrgeno, hizo que se dejaran de utilizar tanto los dirigibles como el hidrgeno como un posible combustible. Gran parte del miedo actual al hidrgeno proviene de este hecho, muy mediatizado ya en aquella poca.Otra mala imagen del uso del hidrgeno es su uso como fuente de energa para las bombas de fusin nuclear o bombas termonucleares, de las que hay unos miles en el mundo. Por cosas como estas y otras, durante mucho tiempo el hidrgeno ha quedado slo para transportes muy especiales, como los de las lanzaderas espaciales, que para su despegue utilizan hidrgeno como combustible. El accidente del challenger fue un nuevo golpe al uso del hidrgeno. Pero el petrleo se acaba, o eso dicen, as que quiz en unas dcadas sea ms habitual ver situaciones como la de este mini, en la que la maquina de la estacin de servicio diga: ha elegido usted superhidrgeno De momento, eso es algo difcil, porque si se usara toda la produccin mundial de hidrgeno, que es unos 45 millones de tm al ao, para usarla de combustible, slo se conseguira un 1% de la demanda energtica actual.

Hidrgeno: usos y aplicacionesPROD. PARTIDAMARGARINASNAVES ESPACIALES. PILAS DE COMBUSTIBLE. FERTILIZANTES PLSTICOSPRODUCCIN DE METALES

Pero volviendo al da de hoy, el hidrgeno es usado para obtener muchas cosas necesarias para nuestra sociedad. Casi la mitad se consume en el proceso haber-bosch de sntesis del amonaco que a su vez en materia prima para obtener fertilizantes, plsticos, explosivos, fibrasOtra buena parte se dedica a la hidrogenacin de aceites vegetales, para obtener margarinas. Tambin se utiliza, junto con el CO, para obtener productos orgnicos oxigenados que a su vez permiten obtener otros muchos, o tambin para producir metales a partir de sus xidos, por reduccin. Como ya he comentado, tambin se usa como combustible espacial. Pero de lo que ms vamos a or hablar es de las pilas de combustible, en las que se realiza la reaccin contraria a la electrolisis del agua y el hidrgeno y el oxgeno se combinan para formar agua y producir electricidad.

Hidrgeno: usos y aplicacionesJULES VERNE, EN LA ISLA MISTERIOSA (1874) DICE:creo que algn da se utilizar el agua como combustible, que el hidrgeno y el oxgeno que la componen, ya sean juntos o separados, proporcionarn una fuente inagotable de luz y calor, de una intensidad de la cual el carbn no es capaz. El agua ser el carbn del futuro.

Julio Verne ya nos contaba en su isla misteriosa, all por el 1874, lo siguiente LEER

Hidrgeno: usos y aplicaciones

O2 + 2e O2-

H2 2H+ + 2e

H2 + O2 H2OCAT(+)ANOD(-)

PILA DE COMBUSTIBLEDE HIDRGENOelectrolitocatalizadorH2OO2H2H+electroneselectrones2H++O2- =H2OO2+2e=O2-H2=2H++2eCALOR

Comentemos un poco los procesos qumicos que ocurren en una de estas pilas. La celda consta de dos electrodos porosos, que contienen un catalizador de platino para favorecer las semirreacciones, separados por una zona donde se encuentra un electrolito en disolucin o slido, basado en polmeros especiales. En el nodo, se produce la oxidacin del hidrgeno. Los electrones producidos viajan por el circuito externo, y llegan al ctodo donde se produce la reduccin del oxgeno. Los iones xido, junto con los iones hidronio que viajan a travs del electrolito, forman agua. La pila tambin desprende una cantidad apreciable de calor que puede ser aprovechada para cogeneracin de energa. Para conseguir una potencia y tensin adecuadas se acumulan varias pilas en serie.

Hidrgeno: usos y aplicacionesTipos de pilas de combustible:PAFC: CIDO FOSFRICOPEM: MEMBRANA INTERCAMBIADORAMCFC: CARBONATO FUNDIDOSOFC: XIDO SLIDOALCALINAS: HIDRXIDO DE POTASIO

Las pilas de combustible se clasifican en funcin del electrolito:Las de cido fosfrico utilizan disoluciones concentradas de este cido y trabajan a gran temperatura. Se utilizan como fuentes de energa suplementarias en hoteles, hospitales, etc.Las PEM son, junto con las anteriores, las ms desarrolladas. Utilizan un polmero intercambiador de protones como electrolito slido. Trabajan a menor temperatura y estn destinadas a aplicaciones de menor tamao como vehculos o aparatos electrnicos.Las de carbonato fundido permiten utilizar otros combustibles diferentes del hidrgeno, hidrocarburos. Estn en desarrollo.Las de xido slido utilizan una cermica dopada con zirconio e itrio como electrolito slido, lo que permite altas temperaturas. Se desarrollan para fuentes de energa grandes.Las alcalinas son usadas por la NASA desde hace aos.

Hidrgeno: usos y aplicacionesUsos actuales: Naves espaciales, submarinos, autobuses, industria militar.Usos inminentes: Ordenadores porttiles, mviles, PDA, cmaras digitales, generadores porttiles, motos, vehculos hbridos, pequeas fuentes de energa fijas.Usos futuros: Coches elctricos, fuentes de energa fijas de gran potencia.

Estas son las utilidades actuales y futuras de estas fuentes de energa.

1) Las pilas de hidrgeno son eficientes, ya que transforman el hidrgeno y el oxgeno directamente enelectricidad y agua sin ninguna combustin durante el proceso. La eficiencia del proceso se sita entreel 50 y el 60%, que equivale aproximadamente al doble de la eficiencia del motor de explosin. Tericamente,se puede llegar al 100%.2) Las pilas de hidrgeno son limpias, porque no producen ninguna emisin, slo la produccin de aguapura. Al contrario que el motor de explosin, la pila de hidrgeno no emite ni dixido de azufre (quecontribuye a la lluvia cida), ni tampoco xidos de nitrgeno (que contribuyen a la creacin del smog)ni ningn tipo de partcula contaminante.3) Las pilas de hidrgeno son muy silenciosas, ya que no tienen ningn mecanismo mvil, aunque tienenun sistema de bomba y ventilador, as pues la produccin de electricidad es bastante silenciosa. Muchasinstalaciones, como por ejemplo los hoteles, pueden sustituir la ingeniera diesel por pilas de hidrgenocomo suplemento al poder energtico o bien como reservas de energa en caso de apagn.4) Las pilas de combustible son modulares, se pueden colocar juntas para conseguir la cantidad de energa necesaria. La pila de hidrgeno puede producir energa en un amplio margen desde pocos vatios a unos cuantos megavatios.5) Las pilas de hidrgeno no son peligrosas para el medio ambiente, no producen sustancias txicas, ya que el nico desecho del proceso es el agua (o bien agua y dixido de carbono en el casode las pilas de metanol).6) Las pilas de hidrgeno nos dan la oportunidad de poder obtener una gran cantidad de energa apartir de fuentes sostenibles: el agua y el aire.Hidrgeno: usos y aplicaciones

Las pilas presentan grandes ventajas

Hidrgeno: usos y aplicaciones

1) La pila de hidrgeno deber tener una aceptacin en el mercado para tener xito. Esta aceptacindepende claramente del precio de las pilas, la duracin y precisin y la accesibilidad al precio del combustible. Comparado con el precio de las actuales alternativas, como por ejemplo laingeniera del diesel y las bateras, las pilas de hidrgeno 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 compaas petroleras y de gas para que ellos las introduzcan. Slo si los conductores son capaces de obtener el combustible a un precio razonable, sern desarrolladas nuevas aplicaciones para el motor.

3) Polticas adecuadas. Son necesarias polticas orientadas al desarrollo de esta tecnologa. Las actuales leyes y regulaciones ambientales extremadamente rigurosas han reforzado la investigacin en este campo.

4) El catalizador. Actualmente el platino es el componente clave de la pila de hidrgeno. El platino es un recurso natural escaso; la mayora de sus fuentes estn en Surfrica, Rusia y Canad. La escasez de platino es clave en el desarrollo de la pila de hidrgeno. Es necesaria una bsqueda de nuevos catalizadores.

E inconvenientes

Hidrgeno: usos y aplicacionesQU BONITO SERA SI.!

Combinando varias de las ideas planteadas en la charla, un futuro ms o menos cercano implicara usar la energa solar para producir oxgeno e hidrgeno del agua, y usar en una pila de combustible que generara electricidad y agua como subproducto no contaminante. Puede que entonces Julio Verne acierte como con casi todo lo dems que nos propuso y algn da, este dibujito sea representativo de la forma de obtener energa limpia y abundante en la Tierra. O eso, o volver a la edad media

Buenas tardes, el objetivo que se ha planteado para esta charla es muy generalista, pues intenta describir, de forma resumida, las caractersticas bsicas del hidrgeno y de su qumica, como introduccin al resto de exposiciones del curso, mucho ms concretas.De esta manera, tras una introduccin sobre el descubrimiento del hidrgeno, describir las propiedades generales y el estado natural del elemento, para entrar despus en su comportamiento qumico ms bsico, su obtencin a nivel de laboratorio e industrialmente, para finalizar con una breve introduccin a sus usos y aplicaciones, ya que esto est siendo discutido ms ampliamente por los otros participantes del cursoAl parecer, fue Paracelsus el primero que produjo hidrgeno, aunque lo confundi con una mezcla de gases inflamables. Tambin hay referencias de que Boyle, en 1671, obtiene un gas de la reaccin entre hierro y cido clorhdrico que se quema muy fcilmente. Cavendish estudia ms ampliamente este nuevo gas y Lavoisier lo reconoce como un elemento, junto con el oxgeno, y le pone el nombre de hidrgeno, el que genera agua.Como dice el ttulo de la charla, el hidrgeno es un elemento singular. Su situacin en la T.P. es complicada, y se ha resuelto siempre de manera desacertada, situndolo junto a los grupos 1 17. Y es que no es un metal, lo que impide relacionarlo con el litio o el sodio, aunque tiene una capa de valencia similar. Forma molculas diatmicas y aniones monovalentes, hidruros, como los halgenos, pero es mucho menos reactivo.El elemento presenta tres istopos: el protio, que contiene un nico protn en su ncleo y que es con el que vulgarmente se asocia al hidrgeno, por ser el ms abundante. El deuterio presenta un protn y un neutrn y el tritio, el menos abundante, presenta un segundo neutrn.La obtencin del deuterio se suele llevar a cabo a partir del agua deuterada contenida en el agua normal. Para la separacin de ambos compuestos se recurre una electrolisis fraccionada. El efecto isotpico hace que el agua conteniendo protio se electrolice antes en hidrgeno y oxgeno moleculares, dejando un resto de agua deuterada sin electrolizar. Una vez separados los compuestos la electrolisis del agua deuterada permite obtener deuterio molecular. Este agua deuterada tambin se conoce como agua pesada, no slo porque su peso molecular sea mayor que el del agua con protio. Como podemos ver, mientras que el hielo de agua normal flota en agua, el hielo de agua deuterada se hunde. Es una manifestacin ms, muy evidente, del efecto istopico por la diferencia de ncleos. Este efecto se utiliza tambin en estudio mecansticos de reacciones, en el control de reactores nucleares y en resonancia magntica nuclear.El tritio es el istopo menos abundante. Esto se debe, entre otras cosas, a que se trata de un istopo radiactivo con una baja vida media. En la naturaleza, se produce por el bombardeo de rayos csmicos sobre las capas altas de la atmsfera, lo que da lugar a la transformacin de ncleos de nitrgeno 14 en carbono 14 y tritio. Este se degrada con formacin de ncleos de helio 3 y radiacin beta, con una vida media de 12,26 aos, que explica su baja presencia. Artificialmente, se prepara en reactores nucleares por bombardeo de ncleos de litio 6 con neutrones. Sus principales usos se encuentran en la medicina nuclear.Los tres ncleos presentan spin nuclear, de para protio y tritio y de 1 para deuterio.La presencia de ese spin da lugar a que las molculas de cada uno de estos istopos presente la denominada isomera de spin. Son posibles dos orientaciones de spin para los ncleos de estas molculas diatmicas: una, con los spines paralelos, girando en el mismo sentido, denominada orto, y otra con spines antiparalelos, denominada para. Aqu se muestra la proporcin de cada una de ellas, en cada tipo de istopo, en funcin de la temperatura. Fijndonos en el ms interesante por abundante, el H2, vemos que, a temperatura ambiente, hay 3 veces de otro por cada una de para. Pero cuando se baja la temperatura, la forma para es la ms estable y podemos conseguirla con mucha pureza, mientras que no es posible obtener la forma orto pura. Este efecto nuclear, que parece parte de la mstica de la fsica cuntica es muy relevante desde un punto de vista prctico, como seguro que se comentar en otras charlas. Para almacenar hidrgeno, es ms adecuado hacerlo en forma de lquido y, como veremos despus, para ello hay que enfriar mucho. Si tomamos una muestra de hidrgeno a temperatura ambiente con 3 a 1 de orto/para, y lo enfriamos rpidamente hasta licuarlo, cerca de 20K, seguiremos teniendo esa relacin.Pero como a esa temperatura, la forma estable es la para, la forma orto se transforma en ella. Y el problema es que es un proceso exotrmico, que libera calor, calor suficiente como para que el hidrgeno lquido deje de serlo y pase a gas, con el consiguiente peligro, si se ha almacenado en un recipiente pequeo. Para evitar este problema, la licuefaccin se lleva a cabo en presencia de catalizadores que van transformando la forma orto en la para segn se desciende la temperatura. Estos catalizadores suelen ser carbn activado, xido frrico y algunos otros.Las diferencias isotpicas afectan a los puntos de fusin y ebullicin, aun siendo todos extremadamente bajos. Luego volveremos sobre esto.Igualmente se ve afectada la energa de enlace entre los tomos, siendo ms alta segn aumenta el peso.En cualquier caso, se trata de valores de entre los ms altos, debido al pequeo tamao de los tomos implicados y el buen solapamiento entre sus nubes electrnicas. Slo en condiciones drsticas es posible una ruptura de la molcula en sus tomos constituyentes, con elevadas temperaturas, descargas elctricas o radiaciones intensas.El pequeo tamao del tomo de hidrgeno y, con ello, de sus molculas, es determinante para entender sus propiedades elementales. Aun siendo una molcula tan pequea, una masa de hidrgeno ocupa un gran espacio, cuando se encuentra en forma de gas, con una densidad de tan solo 0.089g/ml. La explicacin a este hecho se encuentra como digo en el pequeo tamao de estas molculas apolares, que se mantienen unidas entre ellas por fuerzas de van der waals de dispersin extremadamente dbiles. Eso explicara sus bajos puntos de fusin y ebullicin, igualmente. Otras propiedades o caractersticas interesantes desde el punto de vista qumico son el radio covalente, el ms pequeo, un radio inico mucho mayor, debido a la poca atraccin del segundo electrn por el ncleo, un potencial de ionizacin elevado, que nos habla de la dificultad para formar el catin H+ o una afinidad electrnica inferior a la de los halgenos, que implica que el anin hidruro se forme slo con metales muy reductores. Por ltimo, el valor del potencial normal de reduccin es cero, porque se impone como electrodo de referencia para establecer el potencial de otras semirreacciones.Y dnde lo encontramos. Pues es fcil, porque es el elemento ms abundante del universo, lo cual tiene su lgica, porque es el ms sencillo. En las estrellas, como nuestro sol, se encuentra en forma de molculas y tomos individuales, formando un plasma de ncleos y electrones en la parte externa y el denominado hidrgeno metlico, en su ncleo, sometido a una intensa presin gravitacional. Algo parecido hay en el interior de Jpiter o Saturno. Tambin encontramos hidrgeno en el espacio interestelar, en forma, por ejemplo, de radiaciones csmicas, formadas, entre otras cosas, por ncleos de hidrgeno.Dediquemos unos minutos a estudiar lo que ocurre con el hidrgeno en el interior de las estrellas. Este es el ciclo bsico de fusin del Hidrgeno, en el que dos protones o ncleos de hidrgeno se fusionan para formar deuterio, por transformacin de un protn en un neutrn, un electrn y un neutrino. El deuterio se fusiona con otro protn y forma helio 3. Finalmente, dos ncleos de helio 3 se fusionan para formar una partcula alfa o helio 4. Lo importante es recordar que esta fusin desprende energa en el centro de una estrella. Esta es la fusin que genera energa en nuestro Sol. Conocemos esta energa cuando sentimos calor en un da de verano, como hoy.En la Tierra parece ms interesante desde el punto de vista de obtencin de energa, la fusin del deuterio, que genera helio 3 o tritio, o la fusin de este ltimo y el deuterio, que genera partculas alfa y mucha energa.La combinacin en este siglo de una poblacin mundial cada vez ms grande, la cada vez ms amplia expectativa de vida y a un nivel ms alto, y la creciente demanda de electricidad personal ha dado lugar a iniciativas como el ITER o reactor experimental de fusin, que, si todo va bien, se construir en Cadarache, en Francia, hacia el 2015. Es un reactor de fusin por confinamiento magntico que servir como modelo para futuras instalaciones por todo el mundo que podran proporcionan energa abundante y con pocos deshechos. Es el proyecto cientfico-tcnico ms importante del mundo.Pero volvamos al hidrgeno y su presencia en la Tierra. Bsicamente, lo encontramos en forma de agua, en los mares y ocanos, as como formando parte de la corteza de terrestre. Es evidente que si forma parte del agua, y tambin de los compuestos orgnicos, lo encontramos en los seres vivos. Constituye el 70% de nuestro cuerpo. Y claro, despus de mucho tiempo, acaba formando parte de los combustibles fsiles, de los que veremos, se obtiene. Igualmente, hay algo en nuestra atmsfera, pero la mayor parte de lo que hubo escap al espacio, por su bajo peso.Pasemos ahora a hablar un poco de su comportamiento qumico. Antes de nada, hay que mencionar la reaccin ms famosa, la que tiene lugar con el oxgeno para formar agua. Esta reaccin, que ocurre en presencia de alguna energa de activacin, permite obtener a su vez una gran cantidad de energa. Se trata de una reaccin via radicales, una reaccin en cadena. Comentar pelculaPara que se produzca esta combustin del hidrgeno con aire, necesitamos unas concentraciones entre el 4 y el 75 por ciento, mientras que es mucho menor para el gas natural. Algo parecido pasa con la temperatura de combustin espontnea, menor para el gas natural. Por ltimo, hacen falta concentraciones ms altas de hidrgeno en el aire que de gas natural para que se produzca una explosin. En resumen, el gas natural parece ms peligroso que el hidrgeno, pero casi todo el mundo lo tiene en su casa.De forma ms general, podemos decir que el hidrgeno puede perder un electrn y forman el catin hidrgeno. Hablando estrictamente este catin slo se encuentra como tal en condiciones muy especiales, tales como tratamientos con descargas elctricas, radiaciones, etc. Aun as es comn hablar de cationes hidrgeno o de protones formando parte de compuestos o disoluciones. En todos estos casos, el catin est solvatado, o formando un compuesto en el que no existe como tal, como puede existir el catin sodio.Lo que se s existe es el anin hidruro. Es decir, hay compuestos inicos en los que los aniones que forman la red son aniones hidruro. Por ltimo, lo ms habitual es que el hidrgeno comparta su electrn con otro elemento formando enlaces covalentes.Como sera imposible resumir todos los compuestos del hidrgeno, quedmonos con los ms sencillos, los binarios. En estas combinaciones, el hidrogno puede tener una carga parcial positiva o negativa, o una verdadera carga negativa, como hemos comentado.Existe una clasificaciones de estos hidruros binarios, en funcin de la naturaleza del enlace, que depende mucho de los elementos a los que se une. Esta clasificacin de paneth los divide en hidruros inicos, con los elementos de los grupos 1 y 2, excepto berilio y magnesio, que junto con algunos metales de los grupos principales forma hidruros intermedios, intermedios entre los inicos y los covalentes, que se forman con elementos de los grupos principales de electronegatividad similar o superior al hidrgeno. Por ltimo, encontramos los denominados hidruros metlicos, de metales de transicin y transicin interna. Como se puede ver, todava hay elementos que no presentan hidruros binarios.En el caso de hidruros inicos, el hidrgeno se comporta con un verdadero anin, mientras que en los intermedios y covalentes, el enlace tiene ms de dicho carcter covalente, y dependiendo de las electronegatividades relativas, el hidrgeno posee cierta carga positiva o negativa.Centrndonos en los hidruros inicos, se forman con elementos muy electropositivos como son los metales del grupo 1 y los ms pesados del grupo 2. El anin hidruro se comporta, estructuralmente, de manera muy similar al anin cloruro, como se deduce de sus radios inicos y de las relaciones carga/radio.Estas sustancias presentan las caractersticas tpicas de los compuestos de este tipo, formando redes tridimensionales slidas, de puntos de fusin altos. Conducen la electricidad en fundido y, en estas condiciones, se electrolizan para formar hidrgeno en el nodo. Se obtienen por reaccin del metal, que como hemos visto es poco electronegativo, con hidrgeno.Nos quedan los hidruros covalentes, muy abundantes. Junto los totalmente moleculares como el metano o el agua, podemos aadir los denominados intermedios o polmericos, que se encuentran entre una situacin inica y una claramente molecular, como el hidruro de berilio.Como hemos visto, hay un tipo de hidruros intermedios o polimricos, que como indica su nombre, presentan agregaciones de tomos unidos por tomos de hidrgeno, formando puentes.La reaccin entre hidruros de diferente signo se puede utilizar como generadora de hidrgeno molecularAlgunos de estos hidruros pueden ser utilizados como almacn de hidrgeno, son denominados hidruros qumicos y son una forma adecuada de almacenar hidrgeno y transportarlo, para disponer de l en el momento deseado mediante una hidrlisis catalizada. Suelen ser hidroboratos. Es una reaccin que ocurre en condiciones cidas, pero no bsicas, lo que permite estabilizarlos como suspensiones o disoluciones bsicas. Es una reaccin muy eficiente, pues una parte del hidrgeno viene del compuesto y otra del agua. Adems estos hidroboratos son abundantes, baratos y fciles de manejar sin mucho peligro. Este es un diseo para el uso de estos hidruros qumicos como fuente de hidrgeno para alimentar una pila de combustible. Comentar dibujoExisten otras opciones como la alcoholisis de hidruros inicos, la descomposicin trmica del aducto entre amonaco y borano, o la hidrlisis con vapor de agua y sin catalizador.En todos los casos, el principal problema para una implantacin adecuada es el aprovisionamiento y el reciclado de los productos de la reaccin, que tiene que hacerse fuera de un posible vehculo que los utilizara.Muy interesantes, sobre todo en este curso, son los hidruros metlicos, que como hemos dicho, se forman con metales de los grupos de transicin y transicin interna, aunque no con todos.Los hidruros metlicos se conocen tambin como intersticiales, ya que los tomos de hidrgeno ocupan los huecos tetradricos presentes y a veces los octadricos en la red cristalina del metal en cuestin. El resultado son hidruros estequiomtricos, pero tambin muchos no estequiomtricos.Estos hidruros mantienen caractersticas tpicas de sustancias metlicas, duras, brillantes, conductoras o semiconductoras de la electricidad, con propiedades magnticas, pero son ms quebradizos que los metales puros, lo que indica que la introduccin de hidrgeno debilita el enlace metlico deslocalizado.Un hecho llamativo y muy interesante es la capacidad que tienen muchos metales para adsorber y absorber hidrgeno dentro de su red, con formacin de tomos de hidrgeno, como ya hemos visto, pero que pueden ser liberados de nuevo como molculas adecuando la temperatura o la presin. Esto los hace muy tiles como almacenes slidos de hidrgeno.Cuando la presin parcial se aumenta, el hidrgeno se disuelve en el metal o la aleacin, y comienza a enlazarse con los tomos metlicos. Durante el perodo de enlace, la presin permanece constante a partir del momento en el que el 10 % del hidrgeno ha sido almacenado hasta que aproximadamente el 90 % de la capacidad de almacenaje se ha alcanzado. Despus del punto del 90 %, se requieren presiones ms altas que alcancen el 100 % de la capacidad de almacenaje de hidruro. El calor liberado durante la formacin de hidruro debe ser eliminado continuamente para evitar el sobrecalentamiento del hidruro. Para recuperar el hidrgeno del hidruro metlico, se debe calentar para romper las interacciones de enlace metal-hidrgeno. Cuanto ms alta sea la temperatura, ms alta ser presin parcial del gas liberado. La ltima porcin de hidrgeno retenido, un 10%, es la ms difcil de extraer por ser la que presenta los enlaces ms fuertes con el metal. En este tratamiento, el metal reacciona con el hidrgeno para formar la fase alfa, de hidruro intersticial, casi sin interaccin con el metal, que, a determinadas temperaturas pasa a formar un verdadero hidruro metlico, con electrones cedidos del metal al hidrgeno y, finalmente, se produce la adsorcin de ms hidrgeno sobre ese hidruro para formar la fase gamma. Una aplicacin de los hidruros metlicos la encontramos en las bateras de hidruros de niquel, donde se produce una reaccin entre oxohidrxido de niquel y un hidruro de una aleacin de niquel y otros elementos muy compleja, con un electrolito alcalino de KOHPero volviendo al hidrgeno, cmo lo obtenemos? Bueno, una parte de la qumica descrita nos servir para entenderloLas opciones a nivel de laboratorio o pequea escala implican reacciones de oxidacin de metales en medio acuoso, neutro, cido o bsico, dependiendo mucho del metal. Por ejemplo, el cinc o el hierro se oxidan fcilmente con cido diluido para generar hidrgeno y sus sales, como vemos en esta foto en la que un poco de hierro se oxida a hierro ii, azul verdoso con desprendimiento de hidrgeno. Algo parecido ocurre con el aluminio en medio bsico. Los metales muy reductores como el sodio dan reacciones violentas con el agua, como podemos apreciar en la otra imagen, tambin generando hidrgeno. Otra opcin es usar el carcter bsico de los hidruros inicos para combinarlos con hidruros covalentes cidos, como vimos antes.Un mtodo ampliamente conocido es la electrolisis del agua. En este caso, el paso de corriente por una disolucin acuosa de algn electrolito, tpicamente sosa, genera hidrgeno en el ctodo y oxgeno en el nodo. Es este un proceso que no se lleva a cabo a gran escala excepto donde la energa elctrica sea asequible, como cerca de saltos de agua. Por ello, slo supone un 0.2% de la produccin mundial de hidrgeno. En cualquier caso, permite obtener hidrgeno de elevadsima pureza. Una opcin en desarrollo que seguro ser ms comentada es utilizar energa solar y fotocatalizadores que utilicen esa energa para fraccionar el agua en sus elementos, de tal forma que el hidrgeno se convierte en una especie de contenedor qumico de la energa solar.Pero ahora nos hace falta mucho hidrgeno, para fines que comentaremos al final. Los procedimientos industriales actuales se basan en el uso de combustibles fsiles. Por ejemplo, la reduccin o reformado del agua con carbn, permite obtener H2 y CO. El CO a su vez, por reaccin con agua forma ms hidrgeno y CO2, que o bien se emite a la atmsfera o bien se atrapa en forma de carbonatos. Este procedimiento presenta los problemas de la escasez de C y de la presencia de contaminantes, fundamentalmente derivados del azufre, incompatibles con muchas de las aplicaciones posteriores del hidrgeno.De forma similar, se puede reducir agua con metano, proveniente del gas natural, mucho ms abundante, o bien por oxidacin parcial de hidrocarburos. En todos los casos, se produce CO2 que suele acabar en el aire.Otra fuente importante de hidrgeno aparece en las plantas de refino, durante el proceso de craqueo de hidrocarburos pesados a otros menores. Finalmente, comentar su obtencin como subproducto importante en el proceso de obtencin del cloro.Como he comentado, para muchas de las aplicaciones finales es necesario un hidrgeno bastante puro, por lo que la purificacin es una etapa importante de la obtencin. Aprovechando la capacidad ya mencionada de muchos metales de absorber hidrgeno existen sistemas de purificacin basados en aleaciones de paladio-plata que filtran el hidrgeno de otros gases, gracias a la posibilidad del hidrgeno de introducirse a travs de la red cristalina del metal y luego ser eliminado.Para ir acabando, comentar, por encima, algunas posibles aplicaciones, ya que otros participantes dedicarn ms tiempo a este tema. Cuatro imgenes llamativas del uso del hidrgeno, para empezar. Seguro que a muchos les suena el incendio de este famoso dirigible alemn, el hindenburg, en EE.UU. Los alemanes usaban el hidrgeno para rellenar los dirigibles, y tambin como parte de la mezcla combustible de sus motores. Este espectacular incendio, que ahora se sabe que no fue por culpa del hidrgeno, hizo que se dejaran de utilizar tanto los dirigibles como el hidrgeno como un posible combustible. Gran parte del miedo actual al hidrgeno proviene de este hecho, muy mediatizado ya en aquella poca.Otra mala imagen del uso del hidrgeno es su uso como fuente de energa para las bombas de fusin nuclear o bombas termonucleares, de las que hay unos miles en el mundo. Por cosas como estas y otras, durante mucho tiempo el hidrgeno ha quedado slo para transportes muy especiales, como los de las lanzaderas espaciales, que para su despegue utilizan hidrgeno como combustible. El accidente del challenger fue un nuevo golpe al uso del hidrgeno. Pero el petrleo se acaba, o eso dicen, as que quiz en unas dcadas sea ms habitual ver situaciones como la de este mini, en la que la maquina de la estacin de servicio diga: ha elegido usted superhidrgeno De momento, eso es algo difcil, porque si se usara toda la produccin mundial de hidrgeno, que es unos 45 millones de tm al ao, para usarla de combustible, slo se conseguira un 1% de la demanda energtica actual.Pero volviendo al da de hoy, el hidrgeno es usado para obtener muchas cosas necesarias para nuestra sociedad. Casi la mitad se consume en el proceso haber-bosch de sntesis del amonaco que a su vez en materia prima para obtener fertilizantes, plsticos, explosivos, fibrasOtra buena parte se dedica a la hidrogenacin de aceites vegetales, para obtener margarinas. Tambin se utiliza, junto con el CO, para obtener productos orgnicos oxigenados que a su vez permiten obtener otros muchos, o tambin para producir metales a partir de sus xidos, por reduccin. Como ya he comentado, tambin se usa como combustible espacial. Pero de lo que ms vamos a or hablar es de las pilas de combustible, en las que se realiza la reaccin contraria a la electrolisis del agua y el hidrgeno y el oxgeno se combinan para formar agua y producir electricidad.Julio Verne ya nos contaba en su isla misteriosa, all por el 1874, lo siguiente LEERComentemos un poco los procesos qumicos que ocurren en una de estas pilas. La celda consta de dos electrodos porosos, que contienen un catalizador de platino para favorecer las semirreacciones, separados por una zona donde se encuentra un electrolito en disolucin o slido, basado en polmeros especiales. En el nodo, se produce la oxidacin del hidrgeno. Los electrones producidos viajan por el circuito externo, y llegan al ctodo donde se produce la reduccin del oxgeno. Los iones xido, junto con los iones hidronio que viajan a travs del electrolito, forman agua. La pila tambin desprende una cantidad apreciable de calor que puede ser aprovechada para cogeneracin de energa. Para conseguir una potencia y tensin adecuadas se acumulan varias pilas en serie.Las pilas de combustible se clasifican en funcin del electrolito:Las de cido fosfrico utilizan disoluciones concentradas de este cido y trabajan a gran temperatura. Se utilizan como fuentes de energa suplementarias en hoteles, hospitales, etc.Las PEM son, junto con las anteriores, las ms desarrolladas. Utilizan un polmero intercambiador de protones como electrolito slido. Trabajan a menor temperatura y estn destinadas a aplicaciones de menor tamao como vehculos o aparatos electrnicos.Las de carbonato fundido permiten utilizar otros combustibles diferentes del hidrgeno, hidrocarburos. Estn en desarrollo.Las de xido slido utilizan una cermica dopada con zirconio e itrio como electrolito slido, lo que permite altas temperaturas. Se desarrollan para fuentes de energa grandes.Las alcalinas son usadas por la NASA desde hace aos.Estas son las utilidades actuales y futuras de estas fuentes de energa.Las pilas presentan grandes ventajasE inconvenientesCombinando varias de las ideas planteadas en la charla, un futuro ms o menos cercano implicara usar la energa solar para producir oxgeno e hidrgeno del agua, y usar en una pila de combustible que generara electricidad y agua como subproducto no contaminante. Puede que entonces Julio Verne acierte como con casi todo lo dems que nos propuso y algn da, este dibujito sea representativo de la forma de obtener energa limpia y abundante en la Tierra. O eso, o volver a la edad media

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