Presentaci

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ÁREA DE QUÍMICA INORGÁNICA FACULTAD DE CIENCIAS
QUÍMICAS DE CIUDAD REAL UNIVERSIDAD DE
CASTILLA-LA MANCHA
EL HIDRÓGENO
FERNANDO CARRILLO HERMOSILLA Fernando.Carrillo_at_ucl
m.es
2
EL HIDRÓGENO INTRODUCCIÓN

• PARACELSUS (SIGLO XVI)
• ROBERT BOYLE (1671)
• HENRY CAVENDISH (1766)
• ANTOINE LAVOISIER (1783)

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EL HIDRÓGENO INTRODUCCIÓN

• Es un no metal
• Forma moléculas diatómicas H2
• El elemento es menos reactivo que los halógenos
  X2
• Un átomo H tiene un único electrón
• Puede perderlo, para formar H
• Puede ganar otro, para formar H-

1 H 1.00794
1s1
H2
4
EL HIDRÓGENO PROPIEDADES
Propiedades del hidrógeno    
 
5
EL HIDRÓGENO ISÓTOPOS
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.F. 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
6
EL HIDRÓGENO ISÓTOPOS
DEUTERIO O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE
O-D SEPARACIÓN D2O/H2O TRITIO N n
C T T1/212 años
He e (b) Li n He
T (Reactor nuclear)
14 7
14 6
3 1
1 0
4 2
0 -1
6 3
1 0
4 2
3 1
7
EL HIDRÓGENO ISÓTOPOS
H2O (s)
H2O (l)
H2O (l)
D2O (s)
8
EL HIDRÓGENO EL ELEMENTO
EL ELEMENTO SE ENCUENTRA EN FORMA DE MOLÉCULA
DIATÓMICA H2 INCOLORO, INODORO, PRÁCTICAMENTE
INSOLUBLE EN AGUA MUY PEQUEÑA ---- PUNTOS
DE F Y Eb MUY BAJOS LANGMUIR -----
SOPLETE DE HIDRÓGENO
9
EL HIDRÓGENO EL ELEMENTO
DOS ISÓMEROS DE SPIN NUCLEAR
ORTO PARA
3 1
10
EL HIDRÓGENO EL ELEMENTO
Q
ORTO
PARA
CATALIZADOR C activo, Fe2O3
11
EL HIDRÓGENO ESTADO NATURAL
Universo
Estrellas
H2 y H

Espacio interestelar
H
12
EL HIDRÓGENO ESTADO NATURAL
En el ciclo básico de fusión del Hidrógeno,
cuatro núcleos de hidrógeno (protones) se unen
para formar un núcleo de Helio. Es importante
recordar que esta fusión desprende energía en el
centro de una estrella. Esta es la fusión que
genera energía en nuestro Sol. Conocemos esta
energía cuando sentimos calor en un día de
verano.
Se emiten un electrón y un neutrino
1. Se fusionan dos protones
2. Un protón se transmuta en un neutrón, formando
deuterio
3. El deuterio fusiona con otro protón
5. Se forma una partícula alfa y se liberan dos
protones y mucha energía
4. Se producen núcleos de helio que se fusionan
13
EL HIDRÓGENO ESTADO NATURAL
En la Tierra, parece que es más interesante
realizar otro tipo de fusión para poder obtener
una fuente de energía casi inagotable. Se trata
de la fusión del Deuterio o, incluso mejor, de la
fusión de Deuterio con Tritio.
FUSIÓN DE DEUTERIO
FUSIÓN DEUTERIO-TRITIO
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EL HIDRÓGENO ESTADO NATURAL
ITER TOKAMAK REACTOR EXPERIMENTAL DE FUSIÓN POR
CONFINAMIENTO MAGNÉTICO Cadarache (FR) 2015
15
EL HIDRÓGENO ESTADO NATURAL
LA TIERRA

• 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

16
EL HIDRÓGENO OBTENCIÓN
17
EL HIDRÓGENO OBTENCIÓN

• OBTENCIÓN A ESCALA DE LABORATORIO.
• M H Mn H2
• Zn HCl ZnCl2 H2
• M OH- M(OH)n H2
• Al NaOH NaAl(OH)4 H2
• M H2O M(OH)n H2
• Na H2O NaOH H2
• H- H2O OH- H2
• LiH H2O LiOH H2

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EL HIDRÓGENO OBTENCIÓN

• 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 H2O FC
H2 O2 FC
energía solar
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EL HIDRÓGENO OBTENCIÓN

• 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

1200ºC
Fe2O3
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EL HIDRÓGENO OBTENCIÓN

• 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
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EL HIDRÓGENO OBTENCIÓN

• OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL.
• REFINO CRAQUEO DE HIDROCARBUROS
• R-CH2-CH2-CH2-CH2-R 2 R-CHCH2 H2
• PROCESO CLORO-ÁLCALI SUBPRODUCTO
• IMPORTANTE

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EL HIDRÓGENO OBTENCIÓN
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EL HIDRÓGENO USOS
USOS DEL HIDRÓGENO.
PROD. PARTIDA
PRODUCCIÓN DE METALES
MARGARINAS
FERTILIZANTES PLÁSTICOS
BATERIAS DE COMBUSTIBLE. COHETES
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EL HIDRÓGENO
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
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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)

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EL HIDRÓGENO PILAS DE COMBUSTIBLE
½ O2 2e O2- H2 2H 2e H2
½ O2 H2O
CAT()
PILA DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO
ANOD(-)
electrones
electrones
electrolito
H2O
2HO2- H2O
H2
H
H22H2e
O2
O22eO2-
catalizador
CALOR
27
EL HIDRÓGENO PILAS DE COMBUSTIBLE

• Diferencias

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EL HIDRÓGENO PILAS DE COMBUSTIBLE

• Eficiencia

TURBINAS
REACTOR QUÍMICO (COMBUSTIÓN)
ENERGÍA MECÁNICA
GENERADORES ELÉCTRICOS
PISTONES
ENERGÍA ELÉCTRICA
COMBUSTIBLE FÓSIL
REFORMADO O GASIFICACIÓN
ENERGÍA QUÍMICA
PILAS DE COMBUSTIBLE
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EL HIDRÓGENO PILAS DE COMBUSTIBLE

• Tipos de pilas de combustible
• PEM MEMBRANA INTERCAMBIADORA
• PAFC ÁCIDO FOSFÓRICO
• ALCALINAS HIDRÓXIDO DE POTASIO
• SOFC ÓXIDO SÓLIDO
• MCFC CARBONATO FUNDIDO

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EL HIDRÓGENO PILAS DE COMBUSTIBLE

• 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

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EL HIDRÓGENO PILAS DE COMBUSTIBLE
QUÉ BONITO SERÍA SI.!
32
EL HIDRÓGENO DERIVADOS
DERIVADOS HIDRURO
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EL HIDRÓGENO DERIVADOS

• Perder el electrón

H

• Ganar un electrón

H-

• Compartir el electrón

E-H
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EL HIDRÓGENO DERIVADOS
HnAm
35
EL HIDRÓGENO DERIVADOS
CLASIFICACIÓN DE PANETH
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EL HIDRÓGENO DERIVADOS
H-
Hd
Hd-
Xe
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EL HIDRÓGENO HIDRUROS IÓNICOS

• Electronegatividad

M G1 Y PESADOS G2
M lt H
Radio (Å) Relación Q/r
H 0.32
H- 1.53 0.65
F- 1.19 0.84
Cl- 1.67 0.60
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EL HIDRÓGENO HIDRUROS IÓNICOS

• Redes iónicas tridimensionales

• Puntos de fusión gt 600ºC

• Conducen la electricidad en fundido

• La electrolisis produce H2 en el ánodo

• Método de obtención

D
MHn
M n/2 H2
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EL HIDRÓGENO HIDRUROS METÁLICOS
40
EL HIDRÓGENO HIDRUROS METÁLICOS

• METÁLICOS
• INTERSTICIALES
• ESTEQUIOMÉTRICOS
• CrH VH2
• NO ESTEQUIOMÉTRICOS
• TiH1.9 HfH2.1

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EL HIDRÓGENO HIDRUROS METÁLICOS

• Duros

• Brillo metálico

• Conducen la electricidad
• o son semiconductores

• Propiedades magnéticas

• Quebradizos

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EL HIDRÓGENO HIDRUROS METÁLICOS
Absorben gran cantidad de H2, que liberan se
puede liberar a conveniencia
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EL HIDRÓGENO HIDRUROS METÁLICOS
Presión parcial de H2 libre
g
Descarga a alta temperatura
a b
a
Carga a baja presión relativa y baja temperatura
Capacidad hidrógeno
METAL FASE a FASE b FASE g (HIDRURO (HIDRURO
(ADSORCIÓN INTERSTICIAL) METÁLICO) DE HIDRÓGENO)
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EL HIDRÓGENO HIDRUROS METÁLICOS

• 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

45
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES

• Moleculares

46
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES
47
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES
Deficientes en electrones
3c-2e
48
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES
49
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES
d-
3c/2e
-
H
d
d
Hidruro puente
B
B
H
en B
2
6
d
H
3c/4e
-
Enlace
d-
d-
de hidrógeno
O
O
en el agua
50
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES

• ENLACES DE HIDRÓGENO

H
X
Y
X
H
X
H
X muy electronegativo F gt O gt Cl gt N gt Br gt I
S C
H pequeño, enlaza mejor con átomos peq.
51
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES
(NH3)
52
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES
COMPLEJOS HIDRURO
L CO, PR3, Cp-
53
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES
Complejos hidruro no clásicos H2 como ligando
W(CO)3(H2)(PiPr3)2 G. Kubas, 1984
54
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES
ds
OMs
dp
OMp
55
EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES

• Qué favorece este comportamiento no clásico?
• Naturaleza del centro metálico poco dadores
• Carga neta del complejo neutros, catiónicos
• Ligandos unidos al metal aceptores p

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EL HIDRÓGENO HIDRUROS COVALENTES
hidrogenación
CH3-CH3
H2
isomerización de olefinas
Procesos catalíticos
polimerización de olefinas
n
n
hidroformilación
CH3-CH2-CHO
H2 CO
57
EL HIDRÓGENO REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO
REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO
58
EL HIDRÓGENO REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO
LiH- ½ (BH3)2
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EL HIDRÓGENO REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO
Comportamiento ácido-base
BÁSICO
ÁCIDO / BÁSICO
Ad-Hd
d
d-
NaH-(s) H2O(l)
H2(g) Na(ac) OH-(ac)
d
d-
d
d-
H3O(ac) F-(ac)
HF(g) H2O(l)
d
d-
d
d-
NH3(g) H2O(l)
60
EL HIDRÓGENO REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO
Afinidad protónica
H- H
H2
61
EL HIDRÓGENO REACTIVIDAD DE DERIVADOS HIDRURO
Carácter reductor
H-
½ H2 e-