3009289 - Clase 1 - HIDRÓGENO.pdf

92% 7% 1%

Hidrógeno

He

Resto

Universo

Espacio interestelar H

Estrellas H₂ y H

EL 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.)



Es un no metal



Forma moléculas diatómicas

H



El elemento es menos reactivo

que los halógenos X



Un átomo H tiene un único

electrón



Puede perderlo, para formar

H



Puede ganar otro, para formar

EL 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

1_H DEUTERIO D 2_H TRITIO T 3_H 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

H₂O (s)

H₂O (l)

H₂O (l)

D₂O (s)

HIDRÓGENO ELEMENTAL

EL ELEMENTO:

SE ENCUENTRA EN FORMA DE MOLÉCULA DIATÓMICA

H

MUY POCO SOLUBLE EN AGUA

HIDRÓGENO ELEMENTAL

DOS ISÓMEROS DE SPIN NUCLEAR

ORTO PARA

3 1

Q

PARA

CATALIZADOR: C activado, Fe

O

HIDRÓGENO ELEMENTAL

estado triplete

OBTENCIÓN 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

•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

C_nH_m + 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

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

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

H₂SO₄ SO₄2- SO₄

2-Pb P b 2 + + 2e -P b O 2 + 2e - P b 2 +

-

+

-

+

/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

H

-

A

H

_n

A

_m

A

H

-A

-

H

CLASIFICACIÓN DE PANETH

H

H

_H

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 0.60}

Redes iónicas tridimensionales

Puntos de fusión > 600ºC

Método de obtención

M + n/2 H

D

MH

Conducen la electricidad en fundido

METÁLICOS:

• INTERSTICIALES

• ESTEQUIOMÉTRICOS

CrH VH₂

• NO ESTEQUIOMÉTRICOS

TiH_1.9 HfH_2.1



Duros



Brillo metálico



Conducen la electricidad

o son semiconductores



Propiedades magnéticas



Quebradizos

Almacén de H

Absorben gran cantidad de H

, que

P 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) + MH_n n Ni(OH)₂ + M

carga

 Como electrodo negativo se utilizan aleaciones de níquel (MH_n) muy complejas, distinguiéndose principalmente dos tipos: AB₅ y AB₂:

donde A = La, Ce, Pr, Nd B = Ni, Co, Mn, Al

Moleculares

CH

H

O

HF

NH

BeH

B

H

Poliméricos

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/4e- _Enlace

de hidrógeno en el agua

d-d+ d-d+ d-d+

PUENTES DE HIDRÓGENO

X

H

_Y

X

H

_X

_H

X

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

(NH₃)

L

= CO, PR

, Cp-

MH

_x

L

_y

COMPLEJOS HIDRURO

W(CO)

(H

)(P

Pr

)

G. Kubas, 1984

Complejos hidruro

“no clásicos”

H

como ligando

L_nM

H

H

d

s

OMs

d

p

OMp*

L

M

H

H

L

M

H

H

L

M

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

M

H

H

L

M

H

H

hidrogenación

isomerización de olefinas

hidroformilación

polimerización de olefinas

Procesos catalíticos

+ H₂ CH₃-CH₃

n

n

+ H₂ + CO CH3-CH2-CHO

EL HIDRÓGENO: REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO

Li+H- + ½ (BH₃)₂

H

H

+

H

_H

H

H

₊

+

INTERCAMBIO

HF + dH+ ₂O d-

d+ d-

[H₃O]F

d- d+

Li[BH₄]

Comportamiento ácido-base

A

H

A

H

-BÁSICO

A

H

ÁCIDO / BÁSICO

HF_(g) + H₂O_(l)

d-

d+

d+ d-

H₃O+

(ac) + F-(ac)

Na+H-_(s) + Hd₂+ O_(l) d- H_2(g) + Na+_(ac) + OH-_(ac)

NH_3(g) + H₂O_(l)

d-

d+

d+

d-

NH₄+

(ac) + OH-(ac)

H

-

+ H

H

Afinidad protónica

Li

H

-

-H₂Od-

d+

H-ORd-

d+

H₂ + Li+_OR

-H-NHd- ₂

d+

H₂ + Li+_NH 2

H -½ H₂ + e

-Carácter reductor

2NaH + O₂ H₂O + Na₂O