8/18/2019 HIDROGENO (1)
1/61
EL HIDRÓGENO
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2/61
PARACELSUS (SIGLO XVI)
ROBERT BOYLE (1671)
HENRY CAVENDISH (1766)
ANTOINE LAVOISIER (1783)
EL HIDRÓGENO: INTRODUCCIÓN
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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
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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
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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
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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
1
0
14
6
3
1
4
2
0
-1
6
3
1
0
4
2
3
1
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H2O (s)
H2O (l)
H2O (l)
D2O (s)
EL HIDRÓGENO: ISÓTOPOS
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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
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EL HIDRÓGENO: EL ELEMENTO
DOS ISÓMEROS DE SPIN NUCLEAR
ORTO PARA
3 1
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QORTO
PARA
CATALIZADOR: C activo, Fe2O3
EL HIDRÓGENO: EL ELEMENTO
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92%
7% 1%Hidrógeno
He
Resto
Universo
Espacio interestelar H
Estrellas H2 y H
EL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL
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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
EL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL
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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
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EL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL
ITER TOKAMAK
REACTOREXPERIMENTALDE FUSIÓNPOR CONFINAMIENTO
MAGNÉTICO
Cadarache (FR) 2015
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EL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL
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
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EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN
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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
EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN
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•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
EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN
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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
EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN
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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
EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN
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OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL.
•REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS
R-CH2-CH2-CH2-CH2-R 2 R-CH=CH2 + H2
•PROCESO CLORO-ÁLCALI: SUBPRODUCTOIMPORTANTE
EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN
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HidrógenoOtro gas
EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN
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USOS DEL HIDRÓGENO.
PROD. PARTIDA
MARGARINAS
BATERIAS DECOMBUSTIBLE. COHETES
FERTILIZANTESPLÁSTICOS
PRODUCCIÓN DEMETALES
EL HIDRÓGENO: USOS
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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
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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
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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
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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
EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE
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COMBUSTIBLEFÓSIL
REFORMADOO
GASIFICACIÓN
REACTORQUÍMICO
(COMBUSTIÓN)
TURBINAS
PISTONES
ENERGÍAQUÍMICA
ENERGÍA
MECÁNICA
GENERADORES
ELÉCTRICOS
ENERGÍAELÉCTRICA
PILASDE COMBUSTIBLE
*Eficiencia
EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE
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* Tipos de pilas de combustible:
1. PEM: MEMBRANA INTERCAMBIADORA2. PAFC: ÁCIDO FOSFÓRICO3. ALCALINAS: HIDRÓXIDO DE POTASIO4. SOFC: ÓXIDO SÓLIDO
5. MCFC: CARBONATO FUNDIDO
EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE
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*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
EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE
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¡QUÉ BONITO SERÍA SI….!
EL HIDRÓGENO: PILAS DE COMBUSTIBLE
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EL HIDRÓGENO: DERIVADOS
DERIVADOS HIDRURO
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Perder el electrón
Ganar un electrón
Compartir el electrón
H+
H-
E-H
EL HIDRÓGENO: DERIVADOS
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Hd+ Ad-
HnAm A H-
Ad Hd-
EL HIDRÓGENO: DERIVADOS
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CLASIFICACIÓN DE PANETH
EL HIDRÓGENO: DERIVADOS
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Hd-
H- Hd+
Xe
EL HIDRÓGENO: DERIVADOS
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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
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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
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EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS
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METÁLICOS:
• INTERSTICIALES
• ESTEQUIOMÉTRICOSCrH VH
2
• NO ESTEQUIOMÉTRICOSTiH1.9 HfH2.1
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS
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Duros
Brillo metálico
Conducen la electricidado son semiconductores
Propiedades magnéticas
Quebradizos
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS
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Almacén de H2
Absorben gran cantidad de H2, queliberan se puede liberar a conveniencia
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS
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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
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS
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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
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOS
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Moleculares
CH4
H2O HF
NH3
BeH2 B2H6Poliméricos
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
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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
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
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BH
H
B
H
H H
H
Deficientes en electrones
B BH
3c-2e Tricéntrico
B
B
H..
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
8/18/2019 HIDROGENO (1)
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B B
B B
H
H
B BH
B sp3
H 1s
B-H-B
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
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B B
H
O O
H
3c/2e-
Hidruro puenteen B2H6
3c/4e- Enlacede hidrógenoen el agua
d
d
d
d
d
d
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
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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.
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
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(NH3)
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
8/18/2019 HIDROGENO (1)
52/61
L = CO, PR3, Cp-
MHxLyCOMPLEJOS HIDRURO
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
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53/61
W(CO)3(H2)(Pi Pr 3)2
G. Kubas, 1984
Complejos hidruro“no clásicos”
H2 como ligando
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
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54/61
LnM
H
H
d s OMs d p OMp*
LnM
H
H
LnMH
H
LnMH
H
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
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¿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
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
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hidrogenación
isomerización de olefinas
hidroformilación
polimerización de olefinas
Procesoscatalíticos
+ H2 CH3-CH3
nn
+ H2
+ CO CH3
-CH2
-CHO
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES
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EL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DEDERIVADOS HIDRURO
REACTIVIDAD DE DERIVADOSHIDRURO
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Li+H- + ½ (BH3)2
Hd-H-
+
Hd- Hd-
Hd+Hd+ +
+INTERCAMBIO
HF + H2Od-++ d-
[H3O]F
d-+ Li[BH4]
EL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DEDERIVADOS HIDRURO
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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)
EL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DEDERIVADOS HIDRURO
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H- + H+ H2
Afinidad protónica
Li+H- H2 + Li+OH-H2O
d-+
H-OR-+
H2 + Li+OR-
H-NH2d-+
H2 + Li+NH2
-
EL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DEDERIVADOS HIDRURO
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H-½ H2 + e-
Carácter reductor
2NaH + O2 H2O + Na2O
EL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DEDERIVADOS HIDRURO
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