El gas hidrógeno se produjo artificialmente por primera vez a principios del siglo XVI mediante la reacción de ácidos con metales. Henry Cavendish , entre 1766 y 1781, identificó el gas hidrógeno como una sustancia distinta [16] y descubrió su propiedad de producir agua cuando se quemaba; de ahí que su nombre significa "formador de agua" en griego.
El gas hidrógeno forma mezclas explosivas con el aire en concentraciones de 4 a 74 % [22] y con cloro en concentraciones de 5 a 95 %. La temperatura de autoignición del hidrógeno , la temperatura de ignición espontánea en el aire, es de 500 °C (932 °F). [23]
El H2 no es reactivo en comparación con elementos diatómicos como los halógenos o el oxígeno. La base termodinámica de esta baja reactividad es el enlace H–H muy fuerte, con una energía de disociación de enlace de 435,7 kJ/mol. [26] La base cinética de la baja reactividad es la naturaleza no polar del H2 y su débil polarizabilidad. Reacciona espontáneamente con cloro y flúor para formar cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno , respectivamente. [27] La reactividad del H2 se ve fuertemente afectada por la presencia de catalizadores metálicos. Por lo tanto, mientras que las mezclas de H2 con O2 o aire se queman fácilmente cuando se calientan a al menos 500 °C mediante una chispa o llama, no reaccionan a temperatura ambiente en ausencia de un catalizador.
Los niveles de energía del hidrógeno se pueden calcular con bastante precisión utilizando el modelo de Bohr del átomo, en el que el electrón "orbita" alrededor del protón, de la misma manera que la Tierra orbita alrededor del Sol. Sin embargo, el electrón y el protón se mantienen unidos por atracción electrostática, mientras que los planetas y los objetos celestes se mantienen unidos por la gravedad . Debido a la discretización del momento angular postulada en la mecánica cuántica temprana por Bohr, el electrón en el modelo de Bohr solo puede ocupar ciertas distancias permitidas del protón y, por lo tanto, solo ciertas energías permitidas. [30]
El H 2 molecular existe como dos isómeros de espín, es decir, compuestos que difieren solo en los estados de espín de sus núcleos. [32] En la forma ortohidrógeno , los espines de los dos núcleos son paralelos, formando un estado triplete de espín que tiene un espín molecular total ; en la forma parahidrógeno los espines son antiparalelos y forman un estado singlete de espín que tiene espín . La relación de equilibrio de orto- a para-hidrógeno depende de la temperatura. A temperatura ambiente o más cálida, el gas hidrógeno en equilibrio contiene aproximadamente el 25% de la forma para y el 75% de la forma orto. [33] La forma orto es un estado excitado , que tiene una energía más alta que la forma para en 1,455 kJ/mol, [34] y se convierte a la forma para en el transcurso de varios minutos cuando se enfría a baja temperatura. [35] Las propiedades térmicas de las formas difieren porque difieren en sus estados cuánticos rotacionales permitidos , lo que resulta en diferentes propiedades térmicas como la capacidad calorífica. [36]
La relación orto-para en H2 es una consideración importante en la licuefacción y el almacenamiento de hidrógeno líquido : la conversión de orto a para es exotérmica y produce suficiente calor para evaporar la mayor parte del líquido si no se convierte primero en parahidrógeno durante el proceso de enfriamiento. [37] Los catalizadores para la interconversión orto-para, como el óxido férrico y los compuestos de carbón activado , se utilizan durante el enfriamiento del hidrógeno para evitar esta pérdida de líquido. [38]
Si bien el H2 no es muy reactivo en condiciones estándar, forma compuestos con la mayoría de los elementos. El hidrógeno puede formar compuestos con elementos que son más electronegativos , como los halógenos (F, Cl, Br, I) o el oxígeno ; en estos compuestos, el hidrógeno adquiere una carga positiva parcial. [39] Cuando se une a un elemento más electronegativo, en particular flúor , oxígeno o nitrógeno , el hidrógeno puede participar en una forma de enlace no covalente de fuerza media con otro elemento electronegativo con un par solitario, un fenómeno llamado enlace de hidrógeno que es fundamental para la estabilidad de muchas moléculas biológicas. [40] [41] El hidrógeno también forma compuestos con elementos menos electronegativos, como metales y metaloides , donde adquiere una carga negativa parcial. Estos compuestos a menudo se conocen como hidruros . [42]
El hidrógeno forma muchos compuestos con el carbono llamados hidrocarburos , y aún más con heteroátomos que, por su asociación con los seres vivos, se denominan compuestos orgánicos . [43] El estudio de sus propiedades se conoce como química orgánica [44] y su estudio en el contexto de los organismos vivos se llama bioquímica . [45] Según algunas definiciones, los compuestos "orgánicos" solo deben contener carbono. Sin embargo, la mayoría de ellos también contienen hidrógeno, y debido a que es el enlace carbono-hidrógeno el que da a esta clase de compuestos la mayoría de sus características químicas particulares, los enlaces carbono-hidrógeno son necesarios en algunas definiciones de la palabra "orgánico" en química. [43] Se conocen millones de hidrocarburos , y generalmente se forman por vías complicadas que rara vez involucran hidrógeno elemental.
El hidrógeno es altamente soluble en muchos metales de transición y tierras raras [46] y es soluble tanto en metales nanocristalinos como amorfos . [47] La solubilidad del hidrógeno en los metales está influenciada por distorsiones locales o impurezas en la red cristalina . [48] Estas propiedades pueden ser útiles cuando el hidrógeno se purifica al pasar a través de discos de paladio calientes , pero la alta solubilidad del gas es un problema metalúrgico, que contribuye a la fragilización de muchos metales, [20] complicando el diseño de tuberías y tanques de almacenamiento. [49]
Hidruros
Los compuestos de hidrógeno a menudo se denominan hidruros , un término que se usa con bastante ligereza. El término "hidruro" sugiere que el átomo de H ha adquirido un carácter negativo o aniónico, denotado H − ; y se usa cuando el hidrógeno forma un compuesto con un elemento más electropositivo . La existencia del anión hidruro , sugerida por Gilbert N. Lewis en 1916 para los hidruros de tipo sal del grupo 1 y 2, fue demostrada por Moers en 1920 mediante la electrólisis del hidruro de litio fundido (LiH), produciendo una cantidad estequiométrica de hidrógeno en el ánodo. [50] Para los hidruros que no sean metales del grupo 1 y 2, el término es bastante engañoso, considerando la baja electronegatividad del hidrógeno. Una excepción en los hidruros del grupo 2 es BeH 2 , que es polimérico. En el hidruro de litio y aluminio , el anión [AlH 4 ] − lleva centros hidródicos firmemente unidos al Al(III).
Aunque los hidruros se pueden formar con casi todos los elementos del grupo principal, el número y la combinación de compuestos posibles varía ampliamente; por ejemplo, se conocen más de 100 hidruros binarios de borano, pero solo un hidruro binario de aluminio. [51] El hidruro binario de indio aún no se ha identificado, aunque existen complejos más grandes. [52]
Un protón desnudo, H + , no puede existir en solución o en cristales iónicos debido a su fuerte atracción hacia otros átomos o moléculas con electrones. Excepto a las altas temperaturas asociadas con los plasmas, dichos protones no pueden ser retirados de las nubes de electrones de átomos y moléculas, y permanecerán unidos a ellos. Sin embargo, el término "protón" a veces se usa de manera imprecisa y metafórica para referirse al hidrógeno catiónico o con carga positiva unido a otras especies de esta manera, y como tal se denota " H + " sin ninguna implicación de que algún protón individual exista libremente como especie.
Para evitar la implicación del "protón solvatado" desnudo en solución, a veces se considera que las soluciones acuosas ácidas contienen una especie ficticia menos improbable, denominada " ion hidronio " ( [H 3 O] + ). Sin embargo, incluso en este caso, dichos cationes de hidrógeno solvatados se conciben de manera más realista como organizados en grupos que forman especies más cercanas a [H 9 O 4 ] + . [54] Se encuentran otros iones de oxonio cuando el agua está en solución ácida con otros solventes. [55]
Aunque exótico en la Tierra, uno de los iones más comunes en el universo es el H+3ion, conocido como hidrógeno molecular protonado o catión trihidrógeno. [56]
Isótopos
El hidrógeno tiene tres isótopos naturales, denominados1 Yo ,2 Mano3 H . Otros núcleos altamente inestables (4 H a7 H ) se han sintetizado en el laboratorio pero no se han observado en la naturaleza. [57] [58]
1 H es el isótopo de hidrógeno más común, con una abundancia de >99,98%. Debido a que el núcleo de este isótopo consta de un solo protón, se le da el nombre descriptivo pero raramente utilizado de protio . [59] Es el único isótopo estable sin neutrones; consulte diprotón para una discusión sobre por qué no existen otros.
2 El H , el otro isótopo estable del hidrógeno, se conoce como deuterio y contiene un protón y un neutrón en el núcleo. Se cree que casi todo el deuterio del universo se produjo en el momento del Big Bang y ha perdurado desde entonces. El deuterio no es radiactivo y no supone un riesgo de toxicidad significativo. El agua enriquecida con moléculas que incluyen deuterio en lugar de hidrógeno normal se denomina agua pesada . El deuterio y sus compuestos se utilizan como marcador no radiactivo en experimentos químicos y en disolventes para1 Espectroscopia de RMN de H. [ 60] El agua pesada se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante para reactores nucleares. El deuterio también es un combustible potencial para la fusión nuclear comercial . [61]
3 El H se conoce como tritio y contiene un protón y dos neutrones en su núcleo. Es radiactivo, se desintegra en helio-3 a través de la desintegración beta con una vida media de 12,32 años. [53] Es lo suficientemente radiactivo como para usarse en pintura luminosa para mejorar la visibilidad de las pantallas de datos, como para pintar las manecillas y los marcadores de la esfera de los relojes. El cristal del reloj evita que la pequeña cantidad de radiación escape de la caja. [62] Pequeñas cantidades de tritio se producen de forma natural por los rayos cósmicos que inciden en los gases atmosféricos; el tritio también se ha liberado en pruebas de armas nucleares . [63] Se utiliza en la fusión nuclear, [64] como trazador en la geoquímica de isótopos , [65] y en dispositivos de iluminación autoalimentados especializados. [66] El tritio también se ha utilizado en experimentos de etiquetado químico y biológico como radiomarcador . [67]
Único entre los elementos, a sus isótopos se les asignan nombres distintos en el uso común. Durante los primeros estudios de la radiactividad, los radioisótopos pesados recibieron sus propios nombres, pero en su mayoría ya no se usan. Los símbolos D y T (en lugar de2 Mano3 H ) se utilizan a veces para el deuterio y el tritio, pero el símbolo P ya se utilizaba para el fósforo y, por lo tanto, no estaba disponible para el protio. [68] En sus directrices de nomenclatura , la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) permite cualquiera de los siguientes: D, T,2 Mano3 H para ser utilizado, aunque2 Mano3 Se prefieren H. [69]
El átomo exótico muonio (símbolo Mu), compuesto por un antimuón y un electrón , también puede considerarse un radioisótopo ligero del hidrógeno. [70] Debido a que los muones se desintegran con el tiempo de vida2,2 µs , el muonio es demasiado inestable para la química observable. [71] Sin embargo, los compuestos de muonio son casos de prueba importantes para la simulación cuántica , debido a la diferencia de masa entre el antimuón y el protón, [72] y la nomenclatura de la IUPAC incorpora compuestos hipotéticos como el cloruro de muonio (MuCl) y el muonuro de sodio (NaMu), análogos al cloruro de hidrógeno y al hidruro de sodio respectivamente. [73]
Propiedades térmicas y físicas
Tabla de propiedades térmicas y físicas del hidrógeno (H 2 ) a presión atmosférica: [74] [75]
Temperatura (K)
Densidad (kg/m3)
Calor específico (kJ/kg·K)
Viscosidad dinámica (kg/ms)
Viscosidad cinemática (m^2/s)
Conductividad térmica (W/m·K)
Difusividad térmica (m^2/s)
Número de Prandtl
100
0,24255
11.23
4.21E-06
1.74E-05
6.70E-02
2.46E-05
0,707
150
0,16371
12.602
5.60E-06
3.42E-05
0,0981
4.75E-05
0,718
200
0,1227
13.54
6.81E-06
5.55E-05
0,1282
7.72E-05
0,719
250
0,09819
14.059
7.92E-06
8.06E-05
0,1561
1.13E-04
0,713
300
0,08185
14.314
8.96E-06
1.10E-04
0,182
1.55E-04
0,706
350
0,07016
14.436
9.95E-06
1.42E-04
0,206
2.03E-04
0,697
400
0,06135
14.491
1.09E-05
1.77E-04
0,228
2.57E-04
0,69
450
0,05462
14.499
1.18E-05
2.16E-04
0,251
3.16E-04
0,682
500
0,04918
14.507
1.26E-05
2.57E-04
0,272
3.82E-04
0,675
550
0,04469
14.532
1.35E-05
3.02E-04
0,292
4.52E-04
0,668
600
0,04085
14.537
1.43E-05
3.50E-04
0,315
5.31E-04
0,664
700
0,03492
14.574
1.59E-05
4.55E-04
0,351
6.90E-04
0,659
800
0,0306
14.675
1.74E-05
5.69E-04
0,384
8.56E-04
0,664
900
0,02723
14.821
1.88E-05
6.90E-04
0,412
1.02E-03
0,676
1000
0,02424
14,99
2.01E-05
8.30E-04
0,448
1.23E-03
0,673
1100
0,02204
15.17
2.13E-05
9.66E-04
0,488
1.46E-03
0,662
1200
0,0202
15.37
2.26E-05
1.12E-03
0,528
1.70E-03
0,659
1300
0,01865
15,59
2.39E-05
1.28E-03
0,568
1.96E-03
0,655
1400
0,01732
15.81
2.51E-05
1.45E-03
0,61
2.23E-03
0,65
1500
0,01616
16.02
2.63E-05
1.63E-03
0,655
2.53E-03
0,643
1600
0,0152
16.28
2.74E-05
1.80E-03
0,697
2.82E-03
0,639
1700
0,0143
16.58
2.85E-05
1.99E-03
0,742
3.13E-03
0,637
1800
0,0135
16,96
2.96E-05
2.19E-03
0,786
3.44E-03
0,639
1900
0,0128
17.49
3.07E-05
2.40E-03
0,835
3.73E-03
0,643
2000
0,0121
18.25
3.18E-05
2.63E-03
0,878
3.98E-03
0,661
Historia
Descubrimiento y uso
Roberto Boyle
En 1671, el científico irlandés Robert Boyle descubrió y describió la reacción entre limaduras de hierro y ácidos diluidos , que da como resultado la producción de gas hidrógeno. [76] [77]
Después de haber preparado un ácido clorhídrico, que por un método poco común se volvió extremadamente agudo y penetrante, pusimos en un frasco, capaz de contener tres o cuatro onzas de agua, una cantidad conveniente de limaduras de acero, que no eran las que se venden comúnmente en las tiendas de los químicos y boticarios (que por lo general no están lo suficientemente libres de óxido), sino las que había hecho rellenar a propósito de un buen trozo de acero. Este polvo metálico se humedeció en la viola con un poco de menstruo y luego se empapó con más; con lo cual la mezcla se calentó mucho y eructo humos copiosos y malolientes; no es necesario discutir aquí si consistían en su totalidad en azufre volátil del Marte [hierro] o en vapores metálicos que participaban de una naturaleza sulfurosa y se unían a las exhalaciones salinas del menstruo. Pero, de dondequiera que procediera ese humo apestoso, era tan inflamable que, al acercarle una vela encendida, se incendiaba con bastante facilidad y ardía con una llama apagada y algo verdosa en la boca de la viola durante un buen rato; y eso, aunque con poca luz, con más fuerza de la que uno fácilmente sospecharía.
— Robert Boyle, Tratados escritos por el Honorable Robert Boyle que contienen nuevos experimentos sobre la relación entre la llama y el aire...
La palabra "sulfuroso" puede resultar algo confusa, especialmente porque Boyle realizó un experimento similar con hierro y ácido sulfúrico. [78] Sin embargo, con toda probabilidad, "sulfuroso" debería entenderse aquí como "combustible". [79]
Henry Cavendish
En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el gas hidrógeno como una sustancia discreta, al denominar al gas resultante de una reacción entre un metal y un ácido "aire inflamable". Especuló que el "aire inflamable" era, de hecho, idéntico a la sustancia hipotética " flogisto " [80] [81] y, además, descubrió en 1781 que el gas produce agua cuando se quema. Generalmente se le atribuye el descubrimiento del hidrógeno como elemento. [7] [8]
Antoine Lavoisier
En 1783, Antoine Lavoisier identificó el elemento que se conocería como hidrógeno [82] cuando él y Laplace reprodujeron el hallazgo de Cavendish de que se produce agua cuando se quema hidrógeno. [8] Lavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos sobre conservación de masa al hacer reaccionar un flujo de vapor con hierro metálico a través de un tubo de hierro incandescente calentado al fuego. La oxidación anaeróbica del hierro por los protones del agua a alta temperatura se puede representar esquemáticamente mediante el conjunto de reacciones siguientes:
1) Fe + H 2 O → FeO + H 2
2 ) Fe + 3H2O → Fe2O3 + 3H2
3 ) Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
Muchos metales, como el circonio, experimentan una reacción similar con el agua que conduce a la producción de hidrógeno. [83]
El primer globo lleno de hidrógeno fue inventado por Jacques Charles en 1783. [8] El hidrógeno proporcionó el sustento para la primera forma confiable de viaje aéreo después de la invención en 1852 del primer dirigible impulsado por hidrógeno por Henri Giffard . [8] El conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de dirigibles rígidos impulsados por hidrógeno que más tarde se llamaron Zeppelins ; el primero de los cuales tuvo su vuelo inaugural en 1900. [8] Los vuelos programados regularmente comenzaron en 1910 y para el estallido de la Primera Guerra Mundial en agosto de 1914, habían transportado 35.000 pasajeros sin un incidente grave. Los dirigibles impulsados por hidrógeno se utilizaron como plataformas de observación y bombarderos durante la guerra.
El primer cruce transatlántico sin escalas lo realizó el dirigible británico R34 en 1919. El servicio regular de pasajeros se reanudó en la década de 1920 y el descubrimiento de reservas de helio en los Estados Unidos prometió una mayor seguridad, pero el gobierno estadounidense se negó a vender el gas para este propósito. Por lo tanto, se utilizó H 2 en el dirigible Hindenburg , que fue destruido en un incendio en el aire sobre Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937. [8] El incidente fue transmitido en vivo por radio y filmado. Se asume ampliamente que la ignición de hidrógeno filtrado fue la causa, pero investigaciones posteriores apuntaron a la ignición del revestimiento de tela aluminizada por electricidad estática . Pero el daño a la reputación del hidrógeno como gas de elevación ya estaba hecho y los viajes comerciales en dirigibles de hidrógeno cesaron . El hidrógeno todavía se usa, en preferencia al helio no inflamable pero más caro, como gas de elevación para globos meteorológicos .
El primer turbogenerador refrigerado por hidrógeno entró en servicio utilizando hidrógeno gaseoso como refrigerante en el rotor y el estator en 1937 en Dayton , Ohio, propiedad de Dayton Power & Light Co. [84] Esto se justificó por la alta conductividad térmica y la muy baja viscosidad del gas hidrógeno, por lo tanto menor arrastre que el aire. Este es el refrigerante más común utilizado para generadores de 60 MW y más grandes; los generadores más pequeños generalmente se enfrían con aire .
Batería de níquel-hidrógeno
La batería de níquel-hidrógeno se utilizó por primera vez en 1977 a bordo del satélite de tecnología de navegación NTS-2 (Navigation Technology Satellite-2) de la Marina de los Estados Unidos. [85] La Estación Espacial Internacional , [86] Mars Odyssey [87] y Mars Global Surveyor [88] están equipadas con baterías de níquel-hidrógeno. En la parte oscura de su órbita, el telescopio espacial Hubble también está alimentado por baterías de níquel-hidrógeno, que finalmente fueron reemplazadas en mayo de 2009, [89] más de 19 años después del lanzamiento y 13 años más allá de su vida útil prevista. [90]
Papel en la teoría cuántica
Debido a su estructura atómica simple, que consiste únicamente en un protón y un electrón, el átomo de hidrógeno , junto con el espectro de luz producido por él o absorbido por él, ha sido central para el desarrollo de la teoría de la estructura atómica . [91] Además, el estudio de la simplicidad correspondiente de la molécula de hidrógeno y el catión H correspondiente+2Aportó comprensión a la naturaleza del enlace químico , que se produjo poco después de que se desarrollara el tratamiento mecánico cuántico del átomo de hidrógeno a mediados de la década de 1920.
Uno de los primeros efectos cuánticos que se notaron explícitamente (pero que no se entendieron en ese momento) fue una observación de Maxwell relacionada con el hidrógeno, medio siglo antes de que llegara la teoría mecánica cuántica completa . Maxwell observó que la capacidad calorífica específica del H2 se aleja inexplicablemente de la de un gas diatómico por debajo de la temperatura ambiente y comienza a parecerse cada vez más a la de un gas monoatómico a temperaturas criogénicas. Según la teoría cuántica , este comportamiento surge del espaciamiento de los niveles de energía rotacional (cuantificados), que están particularmente espaciados ampliamente en el H2 debido a su baja masa. Estos niveles ampliamente espaciados inhiben la distribución equitativa de la energía térmica en el movimiento rotacional en el hidrógeno a bajas temperaturas. Los gases diatómicos compuestos de átomos más pesados no tienen niveles tan ampliamente espaciados y no exhiben el mismo efecto. [92]
Antihidrógeno ( yo ) es la contraparte de antimateria del hidrógeno. Consiste en un antiprotón con un positrón . El antihidrógeno es el único tipo de átomo de antimateria que se ha producido hasta 2015. [actualizar][ 93] [94]
Prevalencia y distribución cósmica
El hidrógeno, como H atómico, es el elemento químico más abundante en el universo, ya que constituye el 75% de la materia normal en masa y más del 90% en número de átomos. Sin embargo, la mayor parte de la masa del universo no se encuentra en forma de materia de tipo elemento químico, sino que se postula que se presenta en formas de masa aún no detectadas, como la materia oscura y la energía oscura . [95]
En todo el universo, el hidrógeno se encuentra principalmente en estado atómico y de plasma , con propiedades muy distintas a las del hidrógeno molecular. En el plasma, el electrón y el protón del hidrógeno no están unidos, lo que da lugar a una conductividad eléctrica y una emisividad muy elevadas (que producen la luz del Sol y otras estrellas). Las partículas cargadas están muy influenciadas por los campos magnéticos y eléctricos. Por ejemplo, en el viento solar interactúan con la magnetosfera de la Tierra dando lugar a las corrientes de Birkeland y a la aurora .
El hidrógeno se encuentra en estado atómico neutro en el medio interestelar porque los átomos rara vez chocan y se combinan. Son la fuente de la línea de hidrógeno de 21 cm a 1420 MHz que se detecta para investigar el hidrógeno primordial. [97] Se cree que la gran cantidad de hidrógeno neutro que se encuentra en los sistemas Lyman-alfa amortiguados domina la densidad bariónica cosmológica del universo hasta un corrimiento al rojo de z = 4. [98]
En condiciones normales en la Tierra, el hidrógeno elemental existe como gas diatómico, H 2 . El gas hidrógeno es muy raro en la atmósfera de la Tierra (alrededor de 0,53 ppm en términos molares [99] ) debido a su peso ligero, lo que le permite escapar de la atmósfera más rápidamente que los gases más pesados. Sin embargo, el hidrógeno es el tercer elemento más abundante en la superficie de la Tierra, [100] principalmente en forma de compuestos químicos como hidrocarburos y agua. [53]
Una forma molecular llamada hidrógeno molecular protonado ( H+3) se encuentra en el medio interestelar, donde se genera por ionización del hidrógeno molecular de los rayos cósmicos . Este ion también se ha observado en la atmósfera superior de Júpiter . El ion es relativamente estable en el espacio exterior debido a la baja temperatura y densidad. H+3es uno de los iones más abundantes en el universo y desempeña un papel notable en la química del medio interestelar. [101] El hidrógeno triatómico neutro H 3 solo puede existir en forma excitada y es inestable. [102] Por el contrario, el ion molecular de hidrógeno positivo ( H+2) es una molécula rara en el universo.
Producción
Existen muchos métodos para producir H 2 , pero tres dominan comercialmente: el reformado con vapor a menudo acoplado al desplazamiento de agua-gas, la oxidación parcial de hidrocarburos y la electrólisis del agua. [103]
Reformado con vapor
El hidrógeno se produce principalmente mediante la reformación de metano con vapor (SMR), la reacción del agua y el metano. [104] [105] [106] Así, a alta temperatura (1000–1400 K, 700–1100 °C o 1300–2000 °F), el vapor (vapor de agua) reacciona con el metano para producir monóxido de carbono y H 2 .
CH4 + H2O → CO+ 3H2
El reformado con vapor también se utiliza para la preparación industrial de amoníaco.
Esta reacción se ve favorecida a bajas presiones, pero se lleva a cabo a altas presiones (2,0 MPa, 20 atm o 600 inHg ) porque el H2 a alta presión es el producto más comercializable y los sistemas de purificación por adsorción por oscilación de presión (PSA) funcionan mejor a presiones más altas. La mezcla de productos se conoce como " gas de síntesis " porque a menudo se utiliza directamente para la producción de metanol y muchos otros compuestos. Se pueden utilizar hidrocarburos distintos del metano para producir gas de síntesis con diferentes proporciones de producto. Una de las muchas complicaciones de esta tecnología altamente optimizada es la formación de coque o carbono:
CH4 → C+ 2H2
Por lo tanto, el reformado con vapor normalmente emplea un exceso de H2O . Se puede recuperar hidrógeno adicional del vapor utilizando monóxido de carbono a través de la reacción de desplazamiento de gas de agua (WGS). Este proceso requiere un catalizador de óxido de hierro : [ 106]
CO2 + H2O → CO2 + H2
El hidrógeno a veces se produce y se consume en el mismo proceso industrial, sin separarse. En el proceso Haber para la producción de amoníaco , el hidrógeno se genera a partir de gas natural. [107]
Oxidación parcial de hidrocarburos
Otros métodos para la producción de CO y H 2 incluyen la oxidación parcial de hidrocarburos: [108]
2CH4 +O2 → 2CO + 4H2
Aunque es menos importante comercialmente, el carbón puede servir como preludio a la reacción de desplazamiento mencionada anteriormente: [106]
C + H2O → CO + H2
Las unidades de producción de olefinas pueden producir cantidades sustanciales de hidrógeno como subproducto, particularmente a partir del craqueo de materias primas ligeras como el etano o el propano . [109]
Los electrolizadores comerciales utilizan catalizadores a base de níquel en una solución fuertemente alcalina. El platino es un catalizador mejor, pero es caro. [110]
El hidrógeno se puede producir mediante pirólisis del gas natural (metano).
Esta ruta tiene una huella de carbono menor que los procesos comerciales de producción de hidrógeno. [112] [113] [114] [115] El desarrollo de un proceso comercial de pirólisis de metano podría acelerar el uso expandido del hidrógeno en aplicaciones industriales y de transporte. La pirólisis de metano se logra al pasar metano a través de un catalizador de metal fundido que contiene níquel disuelto . El metano se convierte en gas hidrógeno y carbono sólido . [116] [117]
CH4 (g) → C(s) + 2 H2 ( g ) (ΔH° = 74 kJ/mol)
El carbono puede venderse como materia prima para la fabricación o como combustible, o bien depositarse en vertederos.
Se continúan realizando investigaciones en varios laboratorios, incluidos el Laboratorio de Metales Líquidos de Karlsruhe [118] y la Universidad de California en Santa Bárbara. [119] BASF construyó una planta piloto de pirólisis de metano. [120]
El H 2 se produce en los laboratorios, a menudo como subproducto de otras reacciones. Muchos metales reaccionan con el agua para producir H 2 , pero la velocidad de evolución del hidrógeno depende del metal, el pH y la presencia de agentes de aleación. La mayoría de las veces, la evolución del hidrógeno es inducida por ácidos. Los metales alcalinos y alcalinotérreos, el aluminio, el zinc, el manganeso y el hierro reaccionan fácilmente con los ácidos acuosos. Esta reacción es la base del aparato de Kipp , que alguna vez se utilizó como fuente de gas de laboratorio:
Zn+2H + → Zn2 + + H2
En ausencia de ácido, la evolución del H2 es más lenta . Como el hierro es un material estructural muy utilizado, su corrosión anaeróbica tiene importancia tecnológica:
Fe+2H2O → Fe(OH) 2 + H2
Muchos metales, como el aluminio , reaccionan lentamente con el agua porque forman capas de óxido pasivado. Sin embargo, una aleación de aluminio y galio sí reacciona con el agua. [123] A un pH alto, el aluminio puede producir H 2 :
2Al + 6H2O + 2OH − → 2[Al( OH ) 4 ] − + 3H2
Algunos compuestos que contienen metales reaccionan con ácidos para desprender H 2 . En condiciones anaeróbicas, el hidróxido ferroso ( Fe(OH) 2) puede ser oxidado por los protones del agua para formar magnetita y H 2 . Este proceso se describe mediante la reacción de Schikorr :
El H2 es producido por enzimas hidrogenasas en algunas fermentaciones . [124]
Pozos
Hay un pozo en Mali y yacimientos en varios otros países, como Francia. [125]
Aplicaciones
Industria petroquímica
En la "mejora" de los combustibles fósiles se utilizan grandes cantidades de H 2 . Los principales consumidores de H 2 son la hidrodesulfuración y el hidrocraqueo . Muchas de estas reacciones pueden clasificarse como hidrogenólisis , es decir, la ruptura de enlaces por hidrógeno. Un ejemplo ilustrativo es la separación del azufre de los combustibles fósiles líquidos: [103]
R 2 S + 2 H 2 → H 2 S + 2 RH
Hidrogenación
La hidrogenación , la adición de H 2 a varios sustratos, se realiza a gran escala. La hidrogenación de N 2 para producir amoníaco mediante el proceso Haber , consume un pequeño porcentaje del presupuesto energético de toda la industria. El amoníaco resultante se utiliza para suministrar la mayor parte de las proteínas consumidas por los seres humanos. [127] La hidrogenación se utiliza para convertir grasas y aceites insaturados en grasas y aceites saturados (trans). La principal aplicación es la producción de margarina . El metanol se produce por hidrogenación de dióxido de carbono. De manera similar, es la fuente de hidrógeno en la fabricación de ácido clorhídrico . El H 2 también se utiliza como agente reductor para la conversión de algunos minerales en metales. [128]
Refrigerante
El hidrógeno se utiliza habitualmente en las centrales eléctricas como refrigerante en los generadores debido a una serie de propiedades favorables que son resultado directo de sus moléculas diatómicas ligeras. Entre ellas, se incluyen su baja densidad , baja viscosidad y el calor específico y la conductividad térmica más elevados de todos los gases.
Portador de energía
El hidrógeno elemental es un elemento ampliamente discutido en el contexto de la energía como un portador de energía con potencial para ayudar a descarbonizar las economías y mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero. [129] [130] Por lo tanto, esto requiere que el hidrógeno se produzca de manera limpia en cantidades que se puedan suministrar en sectores y aplicaciones donde las alternativas de mitigación más baratas y energéticamente eficientes son limitadas. Estas incluyen la industria pesada y el transporte de larga distancia. [129] El hidrógeno es un portador de energía más que un recurso energético, porque no existe una fuente natural de hidrógeno en cantidades útiles. [131]
El hidrógeno se puede utilizar como fuente de energía en las pilas de combustible para producir electricidad o mediante combustión para generar calor. [19] Cuando se consume hidrógeno en las pilas de combustible, la única emisión en el punto de uso es vapor de agua. [19] La combustión de hidrógeno puede provocar la formación térmica de óxidos de nitrógeno nocivos . [19] Las emisiones totales del ciclo de vida del hidrógeno dependen de cómo se produce. Casi todo el suministro actual de hidrógeno del mundo se crea a partir de combustibles fósiles. [132] [133] El método principal es el reformado de metano con vapor , en el que el hidrógeno se produce a partir de una reacción química entre vapor y metano , el principal componente del gas natural. La producción de una tonelada de hidrógeno a través de este proceso emite entre 6,6 y 9,3 toneladas de dióxido de carbono. [134] Si bien la captura y almacenamiento de carbono (CCS) podría eliminar una gran fracción de estas emisiones, la huella de carbono general del hidrógeno a partir del gas natural es difícil de evaluar a partir de 2021 [actualizar], en parte debido a las emisiones (incluido el metano ventilado y fugitivo ) creadas en la producción del propio gas natural. [135]
La electricidad se puede utilizar para dividir las moléculas de agua, produciendo hidrógeno sostenible, siempre que la electricidad se genere de forma sostenible. Sin embargo, este proceso de electrólisis es actualmente más caro que la creación de hidrógeno a partir de metano sin CCS y la eficiencia de la conversión de energía es inherentemente baja. [130] El hidrógeno se puede producir cuando hay un excedente de electricidad renovable variable , luego almacenarse y usarse para generar calor o para regenerar electricidad. [136] El hidrógeno creado a través de la electrólisis utilizando energía renovable se conoce comúnmente como " hidrógeno verde ". [137] Puede transformarse además en combustibles sintéticos como el amoníaco y el metanol . [138]
La innovación en electrolizadores de hidrógeno podría hacer que la producción a gran escala de hidrógeno a partir de electricidad sea más competitiva en términos de costos. [139] El hidrógeno producido de esta manera tiene potencial para desempeñar un papel importante en la descarbonización de los sistemas energéticos donde existen desafíos y limitaciones para reemplazar los combustibles fósiles con el uso directo de electricidad. [129]
El combustible de hidrógeno puede producir el calor intenso necesario para la producción industrial de acero, cemento, vidrio y productos químicos, contribuyendo así a la descarbonización de la industria junto con otras tecnologías, como los hornos de arco eléctrico para la fabricación de acero. [140] Sin embargo, es probable que desempeñe un papel más importante en el suministro de materia prima industrial para una producción más limpia de amoníaco y productos químicos orgánicos. [129] Por ejemplo, en la fabricación de acero , el hidrógeno podría funcionar como un portador de energía limpia y también como un catalizador bajo en carbono, reemplazando al coque derivado del carbón . [141] Es probable que el hidrógeno utilizado para descarbonizar el transporte encuentre sus mayores aplicaciones en el transporte marítimo, la aviación y, en menor medida, los vehículos pesados, mediante el uso de combustibles sintéticos derivados del hidrógeno, como el amoníaco y el metanol , y la tecnología de pilas de combustible. [129] En el caso de los vehículos ligeros, incluidos los automóviles, el hidrógeno está muy por detrás de otros vehículos de combustible alternativo , especialmente en comparación con la tasa de adopción de vehículos eléctricos a batería , y es posible que no desempeñe un papel significativo en el futuro. [142]
Las desventajas del hidrógeno como portador de energía incluyen los altos costos de almacenamiento y distribución debido a su explosividad, su gran volumen en comparación con otros combustibles y su tendencia a hacer que las tuberías sean quebradizas. [135]
Investigación criogénica: El H2 líquido se utiliza en la investigación criogénica , incluidos los estudios de superconductividad . [150]
Elevación flotante: debido a que el H2 tiene solo el 7% de la densidad del aire, alguna vez se usó ampliamente como gas de elevación en globos y dirigibles . [151]
Detección de fugas: Puro o mezclado con nitrógeno (a veces llamado gas formador ), el hidrógeno es un gas trazador para la detección de fugas diminutas. Se pueden encontrar aplicaciones en las industrias automotriz, química, de generación de energía, aeroespacial y de telecomunicaciones. [152] El hidrógeno es un aditivo alimentario autorizado (E 949) que permite realizar pruebas de fugas en envases de alimentos, además de tener propiedades antioxidantes. [153]
Combustible de fusión nuclear: El deuterio se utiliza en reacciones de fusión nuclear . [8]
Marcado isotópico: Los compuestos de deuterio tienen aplicaciones en química y biología en estudios de los efectos de los isótopos en las velocidades de reacción. [154]
El H 2 es un producto de algunos tipos de metabolismo anaeróbico y es producido por varios microorganismos , generalmente a través de reacciones catalizadas por enzimas que contienen hierro o níquel llamadas hidrogenasas . Estas enzimas catalizan la reacción redox reversible entre el H 2 y sus componentes dos protones y dos electrones. La creación de gas hidrógeno ocurre en la transferencia de equivalentes reductores, producidos durante la fermentación del piruvato , al agua. [157] El ciclo natural de producción y consumo de hidrógeno por los organismos se llama ciclo del hidrógeno . [158]
Las bacterias como Mycobacterium smegmatis pueden usar la pequeña cantidad de hidrógeno en la atmósfera como fuente de energía cuando faltan otras fuentes, utilizando una hidrogenasa con pequeños canales que excluyen el oxígeno y así permiten que la reacción ocurra aunque la concentración de hidrógeno sea muy baja y la concentración de oxígeno sea como en el aire normal. [99] [159]
El hidrógeno es el elemento más abundante en el cuerpo humano por número de átomos , pero el tercero más abundante por masa. El H 2 se produce en el aliento humano debido a la actividad metabólica de los microorganismos que contienen hidrogenasa en el intestino grueso y es un componente natural de los flatos . La concentración en el aliento de personas en ayunas en reposo es típicamente inferior a 5 partes por millón (ppm), pero puede ser de 50 ppm cuando las personas con trastornos intestinales consumen moléculas que no pueden absorber durante las pruebas diagnósticas de aliento con hidrógeno . [160]
La división del agua , en la que el agua se descompone en sus componentes protones, electrones y oxígeno, ocurre en las reacciones luminosas en todos los organismos fotosintéticos . Algunos de estos organismos, incluyendo el alga Chlamydomonas reinhardtii y las cianobacterias , han desarrollado un segundo paso en las reacciones oscuras en las que los protones y electrones se reducen para formar gas H 2 por hidrogenasas especializadas en el cloroplasto . [161] Se han realizado esfuerzos para modificar genéticamente las hidrogenasas de las cianobacterias para sintetizar eficientemente el gas H 2 incluso en presencia de oxígeno. [162] También se han realizado esfuerzos con algas modificadas genéticamente en un biorreactor . [163]
El hidrógeno plantea una serie de peligros para la seguridad humana, desde posibles detonaciones e incendios cuando se mezcla con el aire hasta ser un asfixiante en su forma pura, libre de oxígeno . [165] Además, el hidrógeno líquido es un criógeno y presenta peligros (como la congelación ) asociados con líquidos muy fríos. [166] El hidrógeno se disuelve en muchos metales y además de filtrarse, puede tener efectos adversos sobre ellos, como la fragilización por hidrógeno , [167] lo que conduce a grietas y explosiones. [168] El gas hidrógeno que se filtra al aire exterior puede encenderse espontáneamente. Además, el fuego de hidrógeno, aunque es extremadamente caliente, es casi invisible y, por lo tanto, puede provocar quemaduras accidentales. [169]
Incluso la interpretación de los datos del hidrógeno (incluidos los datos de seguridad) se ve confusa por una serie de fenómenos. Muchas propiedades físicas y químicas del hidrógeno dependen de la relación parahidrógeno/ortohidrógeno (a menudo se necesitan días o semanas a una temperatura determinada para alcanzar la relación de equilibrio, para la que se suelen proporcionar los datos). Los parámetros de detonación del hidrógeno, como la presión y la temperatura críticas de detonación, dependen en gran medida de la geometría del recipiente. [165]
Pirólisis de metano : descomposición térmica de materiales Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento(para hidrógeno)
Hidrógeno natural : hidrógeno molecular que se encuentra de forma natural en la Tierra.
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Cálculos básicos de la mecánica cuántica sobre el hidrógeno