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HIDROGENO
INTRODUCCIN El cambio climtico, seguramente debido a las
emisiones de CO2, y la dependencia energtica a nivel planetario del
petrleo hacen que no quede ms remedio que avanzar hacia una nueva
economa basada en las energas renovables y limpias. Atendiendo a
esta problemtica que afecta a todos por igual, aparece el hidrgeno
como la fuente de energa del futuro. El hidrgeno es el elemento ms
ligero, bsico y ubicuo del universo. Cuando se utiliza como fuente
de energa, se convierte en el combustible eterno. Nunca se termina
y, como no contiene un solo tomo de carbono, no emite dixido de
carbono. El hidrgeno se encuentra repartido por todo el planeta: en
el agua, en los combustibles fsiles y en los seres vivos. Sin
embargo, raramente aparece en estado libre en la naturaleza, sino
que tiene que ser extrado de fuentes naturales. La preocupacin por
las consecuencias que diariamente trae la contaminacin nos llev a
realizar un estudio a fondo y demostrar los beneficios que trae al
ambiente el uso del hidrgeno como sustituyente de los hidrocarburos
en el proceso de combustin. Todo esto con el fin de concientizar a
la poblacin de Valencia de la contaminacin que estamos causando al
ambiente diariamente. Los estudios realizados para demostrar los
beneficios que trae el hidrgeno como fuente de energa datan de
pocos aos, ya que aunque es un elemento abundante, su obtencin y
transformacin al producto final capaz de realizar el proceso de
combustin no es un proceso sencillo y no todos estos son
anticontaminantes.
JUSTIFICACIN Este trabajo se realizar con el fin de dar a
conocer el combustible de hidrgeno como un elemento clave para
reducir el nivel de contaminantes en el mundo, y de qu manera este,
sin recurrir a otras alternativas que tal vez limiten el desarrollo
de la sociedad, contribuye a la solucin de graves problemas que se
est
presentando debido al alto grado de contaminacin. Esta
investigacin es con la esperanza de aportar a la importancia que se
debe tener del medio ambiente, con la intencin de demostrar que se
puede disminuir los costos en los combustibles y para garantizar la
calidad del nuevo combustible, siempre con la mirada puesta en el
avance y progreso, tanto a nivel personal como social. Soamos con
vivir en un planeta menos descompuesto y con precios ms favorables
para la sociedad con este combustible. Es por lo anterior que
consideramos necesario la transformacin del hidrogeno en
combustible para todo el mundo y en especial para nuestro pas, con
el fin de lograr un mejor desarrollo de la capa atmosfrica y la
necesidad de prepararnos para que se preste cada da una mejor
atencin al ambiente y a los costos del combustible.
ANTECEDENTES El hidrgeno diatmico gaseoso, H2, fue formalmente
descrito por primera vez por T. Von Hohenheim (ms conocido como
Paracelso, 1493-1541) que lo obtuvo artificialmente mezclando
metales con cidos fuertes. Paracelso no era consciente de que el
gas inflamable generado en estas reacciones qumicas estaba
compuesto por un nuevo elemento qumico. En 1671, Robert Boyle
redescubri y describi la reaccin que se produca entre limaduras de
hierro y cidos diluidos, y que generaba hidrgeno gaseoso. En 1766,
Henry Cavendish fue el primero en reconocer el hidrgeno gaseoso
como una sustancia discreta, identificando el gas producido en la
reaccin metal cido como aire inflamable y descubriendo que la
combustin del gas generaba agua. Cavendish tropez con el hidrgeno
cuando experimentaba con cidos y mercurio. Aunque asumi errneamente
que el hidrgeno era un componente liberado por el mercurio y no por
el cido, fue capaz de describir con precisin varias propiedades
fundamentales del hidrgeno. Tradicionalmente, se considera a
Cavendish el descubridor de este elemento.
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En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrgeno
cuando comprob (junto a Laplace) el descubrimiento de Cavendish de
que la combustin del gas generaba agua.
ALGUNAS RAZONES PARA TRATAR DEL
HIDRIGENO
Las razones principales son de tipo ambiental y de previsin
sobre el posible agotamiento del petrleo, que hoy constituye la
base energtica actual de los pases avanzados, especialmente del
transporte. Otras dependen de sus propiedades especficas, as como
tambin sus inconvenientes. Su principal ventaja es que su combustin
produce solo agua, lo que significa que no emite gases de efecto
invernadero, como ocurre con los combustibles fsiles e incluso con
la biomasa. Esto le hace particularmente apropiado para sustituir a
los derivados del petrleo. La sustitucin de stos, sin embargo,
tiene el grave inconveniente de no ser un combustible primario. Hay
que producirlo con otros.
Su importancia radica en que es buen vector para transportar
energa. La posibilidad de su almacenamiento le hace competir
favorablemente con la electricidad en algunos casos. Una de sus
propiedades importantes es la energa especfica de su combustin. Su
valor es de 120 megajulios por kg en comparacin con 50 MJ/kg del
gas natural o con 44,6 MJ/kg del petrleo. Esto se contrapone a la
baja densidad que presenta tanto como gas como licuado y a las
dificultades de almacenamiento para sus aplicaciones al transporte.
No obstante, su capacidad de ser almacenado le hace apropiado como
complemento de algunas energas renovables que son irregulares como
la elica o la solar.
PROPIEDADES
El hidrgeno es normalmente un gas. Es el elemento ms abundante
en el Universo y es el combustible de las estrellas y,
evidentemente, del Sol, por lo que la energa que ste nos enva es la
base de todos los procesos fisicoqumicos y biolgicos que tienen
lugar en la Tierra. El hidrgeno est presente en forma molecular o
inica, pero a pesar de su abundancia no est disponible para
nosotros. El posible yacimiento ms prximo est en Jpiter,
inaccesible por el
momento. En la Tierra, desgraciadamente, el hidrgeno est
combinado en su mayor parte formando agua, no hay hidrgeno libre y
la corteza terrestre est formada principalmente por oxgeno,
silicio, aluminio y otros elementos menores. Deben destacarse
algunas propiedades que son importantes y debern ser tenidas en
cuenta en muchos de los aspectos que se vern a continuacin. Los
primeros son el bajo punto de ebullicin y la proximidad a la
temperatura crtica (Ver en la tabla de anexo 1). Los segundos son
las bajas densidades del gas y del lquido. La tercera es el
contenido en deuterio, que puede ser una de las bases de la energa
nuclear de fusin, lo que no se tratar en este trabajo. De las
propiedades antes citadas se pueden deducir las dificultades de
almacenar el hidrgeno, de transformar el gas en el lquido y de los
problemas del almacenamiento del lquido. En la tabla de anexo 2
aparece otro grupo de propiedades relacionadas con la seguridad de
su manejo y de su empleo como son su elevado coeficiente de difusin
en el aire, los lmites de detonacin e inflamabilidad y las
temperaturas de ignicin y de la llama.
ALMACENAMIENTO
En las instalaciones que requieren un gran consumo de hidrgeno,
la generacin de ste se lleva a cabo en las cercanas con solo un
almacenamiento intermedio a baja presin.
Si la generacin se hace lejos o sirve para instalaciones
diferentes o alejadas se transporta por hidrogenoductos o a veces
por ferrocarril o carretera.
El almacenamiento a bajas presiones no plantea problemas
especiales y para ello se utilizan gasmetros semejantes a los de
otros gases industriales. Se han empleado tambin, de manera
semejante al gas natural, cavidades naturales: minas antiguas de
sal (Reino Unido) o acuferos (Francia). El nico problema es la baja
densidad que hace precisos grandes volmenes. La reduccin de volumen
por el empleo de mayores presiones (de 200 a 450 bares) suele
hacerse en depsitos cilndricos, lo que est prohibido en algunos
pases como Japn.
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Una reduccin an mayor se logra mediante liquefaccin. Sus
inconvenientes principales se deben a la baja temperatura
involucrada (punto de ebullicin, 252,7C). Por una parte, los
depsitos deben estar muy aislados. Por otra, para la liquefaccin se
invierte una energa prxima a 1/3 de la que el hidrgeno puede
rendir. Adems, el depsito debe estar comunicado con el exterior
porque la temperatura crtica (239,8C) est muy prxima a la de
ebullicin y existe el riesgo de sobrepresiones peligrosas.
La cuestin del almacenamiento se hace particularmente relevante
cuando se trata de vehculos, para conjugar el volumen con la
necesidad de su recarga y hay que ponderar la seguridad y las
posibilidades de accidentes. La existencia de nuevos materiales de
construccin, como los materiales compuestos permite utilizar
presiones de hasta 700 bares, pero en el caso de hidrgeno lquido el
aislamiento hecho a base de capas de distintos aislantes limita la
capacidad de almacenamiento.
Otros mtodos de almacenamiento (vase la tabla de anexo 3)
incluyen mtodos fisicoqumicos en los que el equilibrio pueda
desplazarse con la temperatura y la presin. Los equilibrios
buscados son de absorcin por lquidos orgnicos e inorgnicos, por
adsorcin con carbn activo o nanotubos y por formacin de hidruros
con metales o mezclas de metales.
Los ms estudiados han sido los de hierro-titanio, lantano-nquel
y magnesio- nquel. Las investigaciones que ahora se realizan tratan
de encontrar una solucin razonable del compromiso entre capacidad
de retencin por el compuesto, cintica de formacin del hidruro
(tiempo) y condiciones de presin y temperatura para liberar el
hidrgeno.
En algunos casos para vehculos se ha optado por el empleo de
otros compuestos como gasolinas y alcoholes que, por reformado,
produzcan el hidrgeno en el propio vehculo.
APLICACIONES
El hidrgeno es una molcula muy importante que se emplea
convencionalmente en un gran nmero de aplicaciones y usos en
sectores tan diversos como la industria qumica, refino, metalrgica,
vidrio o electrnica, entre otros.
Hidrgeno en la Industria Qumica
El hidrgeno es un compuesto de gran inters para la industria
qumica, participando en reacciones de adicin en procesos de
hidrogenacin o como agente reductor en procesos de reduccin. A
continuacin se citan algunos de los procesos ms importantes en los
que participa:
1.-Sntesis de amoniaco: El amoniaco se obtiene por la reaccin
cataltica entre nitrgeno e hidrgeno.
N2+3H22NH3
2.-Procesos de Refinera: Los procesos de hidrogenacin en
refinera tienen como objetivo principal la obtencin de fracciones
ligeras de crudo a partir de fracciones pesadas, aumentando su
contenido en hidrgeno y disminuyendo su peso molecular. De forma
simultnea pueden eliminarse elementos indeseados como azufre,
nitrgeno y metales.
3.-Tratamiento de carbn: Mediante el tratamiento de carbn en
presencia de hidrgeno, en diferentes condiciones de presin,
temperatura, pueden obtenerse productos lquidos y/o gaseosos
mediante diferentes procesos (hidrogenacin, hidropirolisis, y
gasificacin hidrogenante).
4.-Aprovechamiento del Gas de Sntesis: La produccin de hidrgeno
a partir de hidrocarburos conduce a una mezcla de gases formada
principalmente por hidrgeno y monxido de carbono. Esta mezcla de
gases se denomina Gas de Sntesis debido a su empleo en procesos de
sntesis de productos qumicos especiales, como por ejemplo la
sntesis de metanol, sntesis Fisher-Tropsch, hidroformilacin de
olefinas (sntesis oxo) y sntesis de metano y etileno, entre
otras.
5.-Sntesis orgnica: En qumica orgnica el hidrgeno participa en
un gran nmero de procesos de hidrogenacin o reduccin para la
obtencin de productos qumicos e intermedios.
6.-Sntesis inorgnica: El hidrgeno es imprescindible en procesos
de importancia comercial como por ejemplo la produccin de cido
clorhdrico, perxido de hidrgeno, hidroxilaminas, etc.
Hidrgeno en la Industria Metalrgica
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En la industria siderrgica, el mineral de hierro puede ser
reducido empleando coque o un gas que contenga hidrgeno, monxido de
carbono, o mezclas de stos. Este gas reductor puede obtenerse
mediante reformado con vapor de agua u oxidacin parcial de
combustibles fsiles. Adems, en la industria metalrgica, el hidrgeno
se emplea como agente reductor y en procesos de produccin de otros
metales no-frricos (como por ejemplo cobre, nquel, cobalto,
molibdeno, uranio, etc.)
Otros usos
Adems de los usos industriales del hidrgeno mencionados en los
apartados anteriores, que son los de mayor volumen de utilizacin,
cabe citar los siguientes:
1.-Combustible aeroespacial: Adems de servir como suministro de
energa para los ordenadores y sistemas de soporte en el espacio,
obteniendo agua como subproducto.
2.-Llamas de alta temperatura: La combustin de una mezcla
estequiometria de hidrgeno y oxgeno conduce a temperaturas de llama
comprendidas entre 3000 y 3500 K, las cuales pueden ser usadas para
corte y soldadura en la industria del metal, crecimiento de
cristales sintticos, produccin de cuarzo, etc.
3.-.Plasma de hidrgeno: El elevado contenido calorfico de un
plasma de hidrgeno puede ser utilizado en algunos procesos de
produccin.
4.-Procesamiento de metales: Es habitual aadir diferentes
proporciones de hidrgeno a las corrientes gaseosas empleadas en
diferentes procesos de corte y soldadura, tratamientos
superficiales (atomizacin) y tratamientos en atmsferas especiales
(templado, sinterizacin, fusin, flotacin de vidrio, etc.).
4.-Produccin de semiconductores: Para producir semiconductores
dopados se depositan en una matriz de silicio cantidades traza de
elementos (Si, As, Ge, etc.), en forma de hidruros, mezclados con
una corriente de hidrgeno de elevada pureza.
5.-Tratamiento de agua: Los contenidos demasiado elevados de
nitratos en aguas potables pueden ser reducidos por desnitrificacin
en birreactores, en los que las bacterias emplean el hidrgeno como
fuente de energa.
6.-Otros usos: El hidrgeno se emplea tambin para aumentar la
temperatura de transicin de aleaciones superconductoras, as como
gas portador y combustible en cromatografa gaseosa.
El hidrgeno lquido se usa como refrigerante, por ejemplo para
enfriar metales superconductores a temperaturas inferiores a las de
transicin.
SEGURIDAD
Esta es una de las cuestiones ms debatidas para un futuro empleo
masivo del hidrgeno o al menos en las ciudades. El recuerdo de la
tragedia del dirigible alemn Hinderburg, que utilizaba hidrgeno
para su sustentacin, est en la historia de los empleos frustrados
del hidrgeno.
Para examinar objetivamente el problema deben tenerse en cuenta
las propiedades del hidrgeno dadas
en las tablas de anexos 1 y 2. Es clave bajo esta consideracin
su masa molecular, la ms baja de los elementos gaseosos, que da
idea de su difusividad y de su baja densidad. Otras igualmente
importantes son la temperatura de ignicin y la toxicidad.
El gran intervalo de sus mezclas con aire y la velocidad de
propagacin de la llama favorecen una posible explosin, mientras que
la difusividad y la densidad tienden a reducir su probabilidad,
especialmente en espacios abiertos. En espacios cerrados, el escape
de hidrgeno tiene lugar con disminucin de la temperatura lo que
reduce el riesgo. Por otra parte, la reaccin qumica transcurre con
reduccin de volumen por lo que en vez de explosin lo que ocurre es
una implosin.
En la tabla de anexo 4 se comparan las propiedades del hidrgeno
con las de metano, propano y gasolina.
Puede comprobarse que los lmites de ignicin y la velocidad de
propagacin de la llama son ms desfavorables, pero en las dems
propiedades son relativamente semejantes y mejores en toxicidad y
temperatura de autoignicin que la gasolina.
CONCLUSIONES El hidrgeno es uno es el elemento ms simple de toda
la tabla peridica pero tambin es el ms
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abundante y es tan necesario para la vida como el oxgeno y dems.
Muchos lo consideran el combustible del futuro por ser limpio y
fcil de encontrar, no solo se respira tambin se consume ya que el
agua contiene hidrgeno. Las ventajas principales del uso del
hidrgeno es su ausencia de emisiones contaminantes. El hidrgeno no
es una energa primaria. Es solo un vector para su transporte y
utilizacin. Como vector solamente puede competir con la
electricidad por su ms fcil almacenamiento. Para el transporte
solamente puede competir con los hidrocarburos en cuanto a su no
emisin de gases de efecto invernadero. Puede complementar a la
electricidad. Para producir hidrgeno hay que utilizar una fuente de
energa primaria u otra forma de energa derivada como la
electricidad. Actualmente, en gran escala, se emplea el gas
natural, el petrleo y el carbn va gasificacin. En escala menor, la
electrolisis. En el futuro podr obtenerse de energas renovables y
de energa nuclear (fisin, quiz en futuro prximo y fusin despus),
sobre todo por consideraciones ambientales.
REFERENCIAS
http://hreyessga.blogspot.com/2008/04/introduccin.html
http://www.buenastareas.com/ensayos/Combustible-De-Hidrogeno/1629244.html
http://www.eaprende.com/blog/2009/04/13/historia-el-hidrogeno/ R.E.
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TABLAS DE ANEXOS
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