Resumen Fundamentos Químicos: El Hidrógeno

UNED. Química aplicada a la ingeniería.

Resumen Tema 8: El hidrógeno

Tema 8: EL HIDRÓGENO.
8.1. El hidrógeno en la naturaleza.
El hidrógeno atómico es el elemento más simple de los conocidos, su átomo está formado únicamente por un núcleo conteniendo un solo protón, y la corteza con un solo electrón. Su estructura atómica es la más sencilla posible: 1s1. Los átomos de hidrógeno tienden aformar hidrógeno molecular (1σ2). La reacción es fuertemente o exotérmica: H(g)+ H(g) H2(g) ∆H =-436kJ/mol La energía liberada se puede aprovechar para obtener altas temperaturas (~4000ºC), de gran utilidad en las soldaduras de metales, como en metales de alto punto de fusión como el platino, y también para fundir óxidos refractarios. Es el elemento más abundante del Universo. En la corteza de laTierra, es el noveno en peso y el tercero en número de átomos. Nunca se encuentra en átomos libres y raramente en forma molecular, en pequeñas cantidades en forma de H2 en el gas natural. Muy frecuente en composición con otros elementos, como agua, hidrocarbunos y compuestos inorgánicos y orgánicos: proteínas, grasas, carbohidratos, etc., que son compuestos básicos para la vida.

8.2. Isótopos.Se conocen tres isótopos del hidrógeno, por orden de abundancia:  Protio: 1H1 (1 protón y 1 electrón). El más abundante (99,98%)  Deuterio: 2H1 o 2D1 (1protón, 1 neutrones y 1 electrón). El deuterio (0,0145%)  Tritio: 3H1 o 3T1 (1protón, 2 neutrones y 1 electrón). El tritio muy poco en capas altas de la atmósfera: reacción nuclear por los neuitrones de las radiaciones cósmicas. Efectoisótopico: los tres isótopos son químicamente iguales pero presentan diferencias que dependen de su masa isotópica. Y presentan diferencias físicas y en las reacciones que intervienen, sobre todo cinéticas. Este efecto es importante en las reacciones químicas y biológicas. Pueden formar moléculas como el agua pesada D2O.

8.5. Síntesis industrial del hidrógeno.
Se encuentra en el gas natural y en elpetróleo. Pero es muy demandado y es necesaria su producción a escala industrial. Todos los métodos de síntesis parten del agua, de su descomposición aportando energía. Es igual que la energía de formación pero signo contrario. H2O(L) H2(g) + ½O2(g) ∆Go=236kJ/mol ENERGÍA La energía se puede aportar: eléctrica, térmica, fotónica o ciclos termoquímicos. Métodos:

8.5.1. Reformado del gas natural yde las Naftas (solo leer).
Es el 50% de la producción. Se realiza en dos etapas:  1ª. Gas natural + vapor agua + catalizador(Ni-Co) + 800ºC  gas de agua (CO + H2).  2ª. Gas de agua + catalizador + vapor de agua + óxidos de Fe  obtención hidrógeno. Es un proceso global endotérmico. La energía se consigue del propio gas natural.

8.5.2. Gasificación del carbón con vapor de agua (solo leer).Es el 25% de la producción. Usa carbones de baja calidad y vapor de agua. También en dos etapas, parecidas a la anterior. Se hace pasar corriente de vapor de agua sobre carbón a 1500ºC y ~4MPa. Se produce la combustión del carbón  proceso exotérmico.

8.5.4. Electrolisis industrial del agua.
Es un método tradicional. Actualmente en desventaja con otros procesos por su coste, por el valor de laenergía eléctrica. Puede ser rentable con el uso de las nuevas fuentes de energía. Se basa en la descomposición electrolítica del agua. H2O(L) ↔ H2(g) + ½O2(g) Será necesario un aporte energético de ∆G o=236kJ/mol (Energía libre: ∆Go = ∆Ho - T∆So) El valor del potencial eléctrico: ∆Go = -nEoF  Eo=1,23voltios (por mol).
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Lo que supone un valor alto de electricidad. Los componentes básicos de los electrolizadores son los mismos de una cuba electrolítica: dos electrodos, baño electrolítico, interfase (diafragma o puente salino), y la fuente de energía eléctrica. Los factores importantes para el rendimiento es la temperatura de trabajo: se trabaja a altas temperaturas (800-1000ºC) y presión 2,8MPa....