HIDROGENO (1)

8/18/2019 HIDROGENO (1)

1/61

EL HIDRÓGENO

8/18/2019 HIDROGENO (1)

2/61

PARACELSUS (SIGLO XVI)

ROBERT BOYLE (1671)

HENRY CAVENDISH (1766)

ANTOINE LAVOISIER (1783)

EL HIDRÓGENO: INTRODUCCIÓN

8/18/2019 HIDROGENO (1)

3/61

Es un no metal Forma moléculas diatómicas

H2 El elemento es menos reactivoque los halógenos X2

Un átomo H tiene un único

electrón Puede perderlo, para formar

H+

Puede ganar otro, para formarH-

1

H1.00794

1s1

H2

EL HIDRÓGENO: INTRODUCCIÓN

8/18/2019 HIDROGENO (1)

4/61

EL HIDRÓGENO: PROPIEDADES

Propiedades del hidrógeno

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

) 269ENERGÍA DE ENLACE H

-

H (Kcal.mol

-

1

) 104.2

RADIO COVALENTE EN H

2

(Å) 0.3707

ELECTROAFINIDAD (eV) 0.715

RADIO IÓNICO H

-

(en LiH, Å) 1.36

ELECTRONEGATIVIDAD DE PAULING 2.1ABUNDANCIA % EN CORTEZA Y ATM. 1

8/18/2019 HIDROGENO (1)

5/61

EL HIDRÓGENO: ISÓTOPOS

PROTIO H1

H

DEUTERIO D2

H

TRITIO T3

H

PESOATÓMICO

1.0078 2.0141 3.0160

ABUNDANCIA

RELATIVA (%)99.98 0.015 10

-

17

SPIN NUCLEAR 1/2 1 1/2

P.F. EN E

2

(ºC) -

259.04 -

254.27 -

252.38

P.Eb. EN E

2

(ºC) -

252.61 -

249.73 -

247.96

E. Dis. (kJ/mol) 438.88 443.35 446.90

8/18/2019 HIDROGENO (1)

6/61


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

1

0

14

6

3

1

4

2

0

-1

6

3

1

0

4

2

3

1

8/18/2019 HIDROGENO (1)

7/61

H2O (s)

H2O (l)

H2O (l)

D2O (s)


8/18/2019 HIDROGENO (1)

8/61

EL HIDRÓGENO: EL ELEMENTO

EL ELEMENTO:

SE ENCUENTRA EN FORMA DE MOLÉCULADIATÓMICA

H2 INCOLORO, INODORO,PRÁCTICAMENTE INSOLUBLE EN

AGUAMUY PEQUEÑA ---- PUNTOS DE F Y Eb

MUY BAJOS

LANGMUIR ----- SOPLETE DE HIDRÓGENO

8/18/2019 HIDROGENO (1)

9/61


DOS ISÓMEROS DE SPIN NUCLEAR

ORTO PARA

3 1

8/18/2019 HIDROGENO (1)

10/61

QORTO

PARA

CATALIZADOR: C activo, Fe2O3


8/18/2019 HIDROGENO (1)

11/61

92%

7% 1%Hidrógeno

He

Resto

Universo

Espacio interestelar H

Estrellas H2 y H

EL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL

8/18/2019 HIDROGENO (1)

12/61

En el ciclo básico de fusión delHidrógeno, cuatro núcleos dehidrógeno (protones) se unenpara formar un núcleo de Helio.

Es importante recordar que estafusión desprende energía en elcentro de una estrella. Esta es lafusión que genera energía ennuestro Sol. Conocemos estaenergía cuando sentimos calor en un día de verano.

5. Se forma unapartículaalfa y se liberan dosprotonesy mucha energía

4. Se producennúcleos de helio quese fusionan

3. El deuteriofusionacon otro protón

1. Se fusionandos protones

2. Un protón setransmuta

en un neutrón,formandodeuterio

Se emiten un electrón y

un neutrino


8/18/2019 HIDROGENO (1)

13/61

FUSIÓN DE DEUTERIO

FUSIÓN DEUTERIO-TRITIO

En la Tierra, parece que esmás interesante realizar otrotipo de fusión para poder obtener una fuente deenergía casi inagotable. Setrata de la fusión delDeuterio o, incluso mejor, dela fusión de Deuterio conTritio.

* EL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL

8/18/2019 HIDROGENO (1)

14/61


ITER TOKAMAK

REACTOREXPERIMENTALDE FUSIÓNPOR CONFINAMIENTO

MAGNÉTICO

Cadarache (FR) 2015

8/18/2019 HIDROGENO (1)

15/61


Décimo elemento en peso más abundante de la

corteza terrestreComo H2O cubre el 80 % de la superficie terrestre

Constituye el 70% del cuerpo humano

Compuestos orgánicosCombustibles fósiles (petróleo, gas natural, etc.)

Estratosfera en forma atómica

LA TIERRA

8/18/2019 HIDROGENO (1)

16/61

EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN

8/18/2019 HIDROGENO (1)

17/61

OBTENCIÓN A ESCALA DE LABORATORIO.•M + H+ Mn+ + H2Zn + HCl ZnCl

2

+ H2

•M + OH- M(OH)n + H2 Al + NaOH Na[Al(OH)4] + H2

•M + H2O M(OH)n + H2Na + H2O NaOH + H2

•H- + H2O OH- + H2

LiH + H2O LiOH + H2


8/18/2019 HIDROGENO (1)

18/61

•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*H

2O + FC* H

2+ O

2+ FC

energía solar


8/18/2019 HIDROGENO (1)

19/61

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

Fe2O3

1200ºC


8/18/2019 HIDROGENO (1)

20/61


•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


8/18/2019 HIDROGENO (1)

21/61


•REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS

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

•PROCESO CLORO-ÁLCALI: SUBPRODUCTOIMPORTANTE


8/18/2019 HIDROGENO (1)

22/61

HidrógenoOtro gas


8/18/2019 HIDROGENO (1)

23/61

USOS DEL HIDRÓGENO.

PROD. PARTIDA

MARGARINAS

BATERIAS DECOMBUSTIBLE. COHETES

FERTILIZANTESPLÁSTICOS

PRODUCCIÓN DEMETALES

EL HIDRÓGENO: USOS

8/18/2019 HIDROGENO (1)

24/61

LA REACCIÓN CON EL OXÍGENO:

H2 + ½ O2 H2O(g) DH= -242 kJ.mol-1

H2 2HH + O2 OH + OOH + H2 H2O + H

O2 + H OH + H

OH + H H2O

O + H2 H2O

REACCIONES DE TERMINACIÓN

EL HIDRÓGENOEL HIDRÓGENO: USOS

8/18/2019 HIDROGENO (1)

25/61

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 de585ºC (frente a 540º del Gas Natural)

Es menos explosivo (conc. 13-64%)que el Gas Natural (conc. 6.3-14%)

EL HIDRÓGENO: USOS

8/18/2019 HIDROGENO (1)

26/61

EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE

½ O2 + 2e O2-

H2 2H+ + 2e

H2 + ½ O2 H2O

CAT(+)

ANOD(-)PILA DE COMBUSTIBLE

DE HIDRÓGENO

electrolito

catalizador

H2O

O2

H2H+

electroneselectrones

2H++O2- =

H2O

O2+2e=O2-H2=2H++2e

CALOR

8/18/2019 HIDROGENO (1)

27/61

H2SO4

SO42- SO4

2-

P b

P b 2

+

+

2 e

-

P b O

2

+

2 e

-

P b

2 +

- +

V

ÁNODO CÁTODO

ELECTROLITO

- +

V

ÁNODO CÁTODO

ELECTROLITO

H+

H 2

2 H

+

+

2 e

-

1 / 2 O

2

+

2 H

+

+

2 e

-

H 2

O

e- e-

e- e-

BATERÍA CONVENCIONAL PILA DE HIDRÓGENO

H2

AIRE

Diferencias


8/18/2019 HIDROGENO (1)

28/61

COMBUSTIBLEFÓSIL

REFORMADOO

GASIFICACIÓN

REACTORQUÍMICO

(COMBUSTIÓN)

TURBINAS

PISTONES

ENERGÍAQUÍMICA

ENERGÍA

MECÁNICA

GENERADORES

ELÉCTRICOS

ENERGÍAELÉCTRICA

PILASDE COMBUSTIBLE

*Eficiencia


8/18/2019 HIDROGENO (1)

29/61

* Tipos de pilas de combustible:

1. PEM: MEMBRANA INTERCAMBIADORA2. PAFC: ÁCIDO FOSFÓRICO3. ALCALINAS: HIDRÓXIDO DE POTASIO4. SOFC: ÓXIDO SÓLIDO

5. MCFC: CARBONATO FUNDIDO


8/18/2019 HIDROGENO (1)

30/61

*Usos actuales: Naves espaciales, submarinos,autobuses, industria militar.

*Usos inminentes: Ordenadores portátiles, móviles,PDA, cámaras digitales, generadores portátiles,

motos, vehículos híbridos, pequeñas fuentes deenergía fijas.

*Usos futuros: Fuentes de energía fijas de granpotencia, coches eléctricos


8/18/2019 HIDROGENO (1)

31/61

¡QUÉ BONITO SERÍA SI….!


8/18/2019 HIDROGENO (1)

32/61

EL HIDRÓGENO: DERIVADOS

DERIVADOS HIDRURO

8/18/2019 HIDROGENO (1)

33/61

Perder el electrón

Ganar un electrón

Compartir el electrón

H+

H-

E-H


8/18/2019 HIDROGENO (1)

34/61

Hd+ Ad-

HnAm A H-

Ad Hd-


8/18/2019 HIDROGENO (1)

35/61

CLASIFICACIÓN DE PANETH


8/18/2019 HIDROGENO (1)

36/61

Hd-

H- Hd+

Xe


8/18/2019 HIDROGENO (1)

37/61

Electronegatividad

H-M < H M = G1 Y PESADOS G2

Radio (Å) Relación Q/r

H 0.32

H-

1.53 0.65F- 1.19 0.84

Cl- 1.67 0.60

EL HIDRÓGENO: HIDRUROS IÓNICOS

8/18/2019 HIDROGENO (1)

38/61

Redes iónicas tridimensionales

Puntos de fusión > 600ºC

Método de obtención

M + n/2 H2 MHnD

Conducen la electricidad en fundido

La electrolisis produce H2

en el ánodo

EL HIDRÓGENO: HIDRUROS IÓNICOS

8/18/2019 HIDROGENO (1)

39/61

EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS

8/18/2019 HIDROGENO (1)

40/61

METÁLICOS:

• INTERSTICIALES

• ESTEQUIOMÉTRICOSCrH VH

2

• NO ESTEQUIOMÉTRICOSTiH1.9 HfH2.1


8/18/2019 HIDROGENO (1)

41/61

Duros

Brillo metálico

Conducen la electricidado son semiconductores

Propiedades magnéticas

Quebradizos


8/18/2019 HIDROGENO (1)

42/61

Almacén de H2

Absorben gran cantidad de H2, queliberan se puede liberar a conveniencia


8/18/2019 HIDROGENO (1)

43/61

P r e s i ó n

p a r c

i a l d e

H 2

l i b r e

% Capacidad hidrógeno

Carga a baja presión relativa y baja temperatura

Descarga a altatemperatura

METAL FASE a FASE b FASE g(HIDRURO (HIDRURO (ADSORCIÓN

INTERSTICIAL) METÁLICO) DE HIDRÓGENO)

a

a +b

g


8/18/2019 HIDROGENO (1)

44/61

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


8/18/2019 HIDROGENO (1)

45/61

Moleculares

CH4

H2O HF

NH3

BeH2 B2H6Poliméricos

EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES

8/18/2019 HIDROGENO (1)

46/61

AlH

H

Al

H

H H

H

H

H

Al

H

H

Al

BH

H

B

H

H H

H

BeH

H

Be Be

H

H


8/18/2019 HIDROGENO (1)

47/61

BH

H

B

H

H H

H

Deficientes en electrones

B BH

3c-2e Tricéntrico

B

B

H..


8/18/2019 HIDROGENO (1)

48/61

B B

B B

H

H

B BH

B sp3

H 1s

B-H-B


8/18/2019 HIDROGENO (1)

49/61

B B

H

O O

H

3c/2e-

Hidruro puenteen B2H6

3c/4e- Enlacede hidrógenoen el agua

d

d

d

d

d

d


8/18/2019 HIDROGENO (1)

50/61

ENLACES DE HIDRÓGENO

X H Y

X H X H

X muy electronegativo

F > O > Cl > N > Br > I = S = C

H pequeño, enlaza mejor con átomos peq.


8/18/2019 HIDROGENO (1)

51/61

(NH3)


8/18/2019 HIDROGENO (1)

52/61

L = CO, PR3, Cp-

MHxLyCOMPLEJOS HIDRURO


8/18/2019 HIDROGENO (1)

53/61

W(CO)3(H2)(Pi Pr 3)2

G. Kubas, 1984

Complejos hidruro“no clásicos”

H2 como ligando


8/18/2019 HIDROGENO (1)

54/61

LnM

H

H

d s OMs d p OMp*

LnM

H

H

LnMH

H

LnMH

H


8/18/2019 HIDROGENO (1)

55/61

¿Qué favorece este comportamiento “no clásico”?

Naturaleza del centro metálico: poco dadores

Carga neta del complejo: neutros, catiónicos

Ligandos unidos al metal: aceptores p

LnMH

HLnM

H

H


8/18/2019 HIDROGENO (1)

56/61

hidrogenación

isomerización de olefinas

hidroformilación

polimerización de olefinas

Procesoscatalíticos

+ H2 CH3-CH3

nn

+ H2

+ CO CH3

-CH2

-CHO


8/18/2019 HIDROGENO (1)

57/61

EL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DEDERIVADOS HIDRURO

REACTIVIDAD DE DERIVADOSHIDRURO

8/18/2019 HIDROGENO (1)

58/61

Li+H- + ½ (BH3)2

Hd-H-

+

Hd- Hd-

Hd+Hd+ +

+INTERCAMBIO

HF + H2Od-++ d-

[H3O]F

d-+ Li[BH4]


8/18/2019 HIDROGENO (1)

59/61

Comportamiento ácido-base

Ad

Hd-

A

H

-

BÁSICO

Ad

Hd+

ÁCIDO / BÁSICO

HF(g) + H2O(l)d-++ d-

H3O+(ac) + F-(ac)

Na+H-(s) + H2O(l)d-+

H2(g) + Na+

(ac) + OH-(ac)

NH3(g) + H2O(l)d-++-

NH4+

(ac) + OH-(ac)


8/18/2019 HIDROGENO (1)

60/61

H- + H+ H2

Afinidad protónica

Li+H- H2 + Li+OH-H2O

d-+

H-OR-+

H2 + Li+OR-

H-NH2d-+

H2 + Li+NH2

-


8/18/2019 HIDROGENO (1)

61/61

H-½ H2 + e-

Carácter reductor

2NaH + O2 H2O + Na2O


Documents

HIDROGENO (1)