92% 7% 1% Hidrógeno He Resto
Universo
Espacio interestelar H Estrellas H2 y HEL HIDRÓGENO: ESTADO NATURAL
Décimo elemento en peso más abundante de la corteza terrestre
Como H2O cubre el 80 % de la superficie terrestre Constituye el 70% del cuerpo humano
Compuestos orgánicos
Combustibles fósiles (petróleo, gas natural, etc.) Estratosfera en forma atómica
Es un no metal
Forma moléculas diatómicas
H
2
El elemento es menos reactivo
que los halógenos X
2
Un átomo H tiene un único
electrón
Puede perderlo, para formar
H
+
Puede ganar otro, para formar
H
- 1H
1.007941s
1
H
2
EL HIDRÓGENOEL HIDRÓGENO: PROPIEDADES 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) 269
ENERGÍA DE ENLACE H-H (Kcal.mol-1) 104.2
RADIO COVALENTE EN H2 (Å) 0.3707
ELECTROAFINIDAD (eV) 0.715
RADIO IÓNICO H- (en LiH, Å) 1.36
ELECTRONEGATIVIDAD DE PAULING 2.1
ISÓTOPOS DEL HIDRÓGENO PROTIO H 1H DEUTERIO D 2H TRITIO T 3H PESO ATÓMICO 1.0078 2.0141 3.0160 ABUNDANCIA RELATIVA (%) 99.98 0.015 10 -17 SPIN NUCLEAR 1/2 1 1/2 P.Fus. EN E2 (ºC) -259.04 -254.27 -252.38 P.Eb. EN E2 (ºC) -252.61 -249.73 -247.96 E. Dis. (kJ/mol) 438.88 443.35 446.90
H2O (s)
H2O (l)
H2O (l)
D2O (s)
HIDRÓGENO ELEMENTAL
EL ELEMENTO:
SE ENCUENTRA EN FORMA DE MOLÉCULA DIATÓMICA
H
2 INCOLORO, INODORO,MUY POCO SOLUBLE EN AGUA
HIDRÓGENO ELEMENTAL
DOS ISÓMEROS DE SPIN NUCLEAR
ORTO PARA
3 1
A T=0 K todo el H2 es para. A T=298 K 75% es orto y 25% es para. El para hidrógeno es 50% mejor conductor eléctrico que el orto !
Q
ORTO PARACATALIZADOR: C activado, Fe
2O
3 HIDRÓGENO ELEMENTAL estado triplete estado singleteOBTENCIÓN A ESCALA DE LABORATORIO. •M + H+ Mn+ + H 2 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- + H 2O OH- + H2 LiH + H2O LiOH + H2 EL HIDRÓGENO: OBTENCIÓN
•ELECTROLISIS DEL AGUA 2 H+ + 2e- H2
2 OH- - 2e- 1/2O
2 + H2O
Electrolito: NaOH 25% 2-2.5V electrodos de Ni ó Fe
Mejor: FC FC*
H2O + FC* H2 + O2 + FC energía solar
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
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
OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL.
•REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS
R-CH2-CH2-CH2-CH2-R 2 R-CH=CH2 + H2
•PROCESO CLORO-ÁLCALI: SUBPRODUCTO IMPORTANTE
USOS DEL HIDRÓGENO. PROD. PARTIDA MARGARINAS BATERIAS DE COMBUSTIBLE. COHETES FERTILIZANTES PLÁSTICOS PRODUCCIÓN DE METALES EL HIDRÓGENO: USOS
LA REACCIÓN CON EL OXÍGENO: H2 + ½ O2 H2O(g) DH= -242 kJ.mol-1 H2 2H H + O2 OH + O OH + H2 H2O + H O2 + H OH + H OH + H H2O O + H2 H2O REACCIONES DE TERMINACIÓN EL HIDRÓGENO EL HIDRÓGENO: USOS
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 de 585ºC (frente a 540º del Gas Natural)
Es menos explosivo (conc. 13-64%) que el Gas Natural (conc. 6.3-14%)
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 H2 H+ electrones electrones 2H++O2- = H2O O2+2e=O 2-H2=2H++2e CALOR
H2SO4 SO42- SO4 2-Pb P b 2 + + 2e -P b O 2 + 2e - P b 2 +
-
+
V ÁNODO CÁTODO ELECTROLITO-
+
V ÁNODO CÁTODO ELECTROLITO H+ H 2 2 H + + 2 e -1 /2 O 2 + 2H + + 2e - H 2 O e- e- e- e-BATERÍA CONVENCIONAL PILA DE HIDRÓGENO
H2
AIRE
Diferencias
COMBUSTIBLE FÓSIL REFORMADO O GASIFICACIÓN REACTOR QUÍMICO (COMBUSTIÓN) TURBINAS PISTONES ENERGÍA QUÍMICA ENERGÍA MECÁNICA GENERADORES ELÉCTRICOS ENERGÍA ELÉCTRICA PILAS DE COMBUSTIBLE
Eficiencia
Tipos de pilas de combustible:
1. PEM: MEMBRANA INTERCAMBIADORA
2. PAFC: ÁCIDO FOSFÓRICO
3. ALCALINAS: HIDRÓXIDO DE POTASIO
4. SOFC: ÓXIDO SÓLIDO
5. MCFC: CARBONATO FUNDIDO
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: Fuentes de energía fijas de gran
potencia, coches eléctricos
EL HIDRÓGENO: DERIVADOS
Perder el electrón
Ganar un electrón
Compartir el electrón
H
+H
-E-H
EL HIDRÓGENO: DERIVADOSH
d+-
A
d-H
n
A
m
A
+H
-A
d+-
H
d-CLASIFICACIÓN DE PANETH
H
d-H
-H
d+Xe
Electronegatividad
H
-
M < H
M = G1 Y PESADOS G2
Radio (Å) Relación Q/r H 0.32 H- 1.53 0.65 F- 1.19 0.84 Cl- 1.67 0.60Redes iónicas tridimensionales
Puntos de fusión > 600ºC
Método de obtención
M + n/2 H
2D
MH
nConducen la electricidad en fundido
La electrolisis produce H
2en el ánodo
METÁLICOS: • INTERSTICIALES • ESTEQUIOMÉTRICOS CrH VH2 • NO ESTEQUIOMÉTRICOS TiH1.9 HfH2.1
Duros
Brillo metálico
Conducen la electricidad
o son semiconductores
Propiedades magnéticas
Quebradizos
Almacén de H
2Absorben gran cantidad de H
2, que
liberan se puede liberar a conveniencia
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS METÁLICOSP re sión p a rcial d e H 2 li b re % Capacidad hidrógeno
Carga a baja presión relativa y baja temperatura Descarga a alta
temperatura
METAL FASE a FASE b FASE g
(HIDRURO (HIDRURO (ADSORCIÓN INTERSTICIAL) METÁLICO) DE HIDRÓGENO)
a
a +b
g
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
Moleculares
CH
4H
2O
HF
NH
3BeH
2B
2H
6Poliméricos
Al H H Al H H H H H H Al H H Al B H H B H H H H Be H H Be Be H H
B
H
H
B
H
H
H
H
Deficientes en electrones
B
B
H
3c-2e
Tricéntrico
B
B
H
. .
B B B B H H B B H B sp3 H 1s B-H-B
B
B
H
O
O
H
3c/2e - Hidruro puente en B 2 H 6 3c/4e - Enlace de hidrógeno en el agua d-d+ d-d+ d-d+PUENTES DE HIDRÓGENO
X
H
Y
X
H
X
H
X
muy electronegativoF > O > Cl > N > Br > I = S = C
H
pequeño, enlaza mejor con átomos peq.
EL HIDRÓGENO: HIDRUROS COVALENTES(NH3)
L
= CO, PR
3, Cp-
MH
x
L
y
COMPLEJOS HIDRURO
W(CO)
3(H
2)(P
iPr
3)
2G. Kubas, 1984
Complejos hidruro
“no clásicos”
H
2como ligando
LnM H H
d
s
OMs
d
p
OMp*
L
nM
H
H
L
nM
H
H
L
nM
H
H
¿Qué favorece este comportamiento “no clásico”?
Naturaleza del centro metálico: poco dadores
Carga neta del complejo: neutros, catiónicos
Ligandos unidos al metal: aceptores p
L
nM
H
H
L
nM
H
H
hidrogenación
isomerización de olefinas
hidroformilación
polimerización de olefinas
Procesos catalíticos + H2 CH3-CH3 n n + H2 + CO CH3-CH2-CHOEL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO
REACTIVIDAD DE DERIVADOS
HIDRURO
Li+H- + ½ (BH3)2
H
d-H
-+
H
d-H
d-H
d+H
d++
+
INTERCAMBIO HF + dH+ 2O d- d+ d- [H3O]F d- d+ Li[BH4] EL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRUROComportamiento ácido-base
A
d+H
d-A
+H
-
BÁSICOA
d-H
d+ ÁCIDO / BÁSICO HF(g) + H2O(l) d- d+ d+ d- H3O+ (ac) + F-(ac) Na+H-(s) + Hd2+ O(l) d- H2(g) + Na+(ac) + OH-(ac) NH3(g) + H2O(l) d- d+ d+ d- NH4+ (ac) + OH-(ac) EL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRUROH
-
+ H
+H
2 Afinidad protónicaLi
+H
-
H2 + Li+OH-H2Od- d+ H-ORd- d+ H2 + Li+OR
-H-NHd- 2 d+ H2 + Li+NH 2
-EL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO
H -½ H2 + e-