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Hidrógeno

1 electrón

Átomo Hidrógeno

1 protón

92%

7%

1% Hidrógeno

He

Resto

Deuterio

Estrellas H2 y 3H

Espacio interestelar 3H

Hidrógeno

Isótopos del Hidrógeno

PROTIO H1H

DEUTERIO D2H

TRITIO T3H

Peso Atómico 1.0078 2.0141 3.0160

Abundancia Relativa (%) 99.98 0.015 10-17

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

H2 D2 H2O D2O

Punto de ebullición/ºC -252.8 -249 100.00 101.42

Entalpía de Enlace. KJ.mol-1 436.0 443.3 463.5 470.9

Agua pesada

Isótopos del Hidrógeno

� Las pequeñas diferencias entre los isótopos debidas a las diferencias de masa

se denominan “EFECTOS ISOTÓPICOS”.

� Cuando D es sustituido por H, la masa es el doble.

> Fortaleza de enlace 0----D-O que O-----H-O.

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Sustitución Isotópica

efecto isotópico cinético RMN- 1H

ITER TOKAMAK

� Reactor Experimental de Fusión porConfinamiento Magnético (Tokamak)

� UE, JP, USA, Cor.Sur, Ind, Rus y Chi

� Plasma formado por2H y 3H , > 1.5x108 °C

� Cadarache (FR) 2025

Isótopos del Hidrógeno

Φ1s Φ1s

↑↓ σ

σ*

Hidrógeno Molecular

� Energía de enlace: 435 KJ mol-1 → alta: especie

estable, poco reactivo (sólo con F2)

� Longitud de enlace: 0.74 Å: fuerzas

intermoleculares con otras moléculas de H2 son

débiles y el gas condensa a líquido solamentecuando es enfriado a 20K

� Descarga electrica a través de hidrógeno gaseosos a

baja presión, produce ionización para formar

PLASMA que contiene cantidades de H, H+, H2+ y

H3+

H ̶ H

Obtención de Hidrógeno en Laboratorio

� M + H+ Mn+ + H2

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- + H2O OH- + H2

LiH + H2O LiOH + H2

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Obtención de Hidrógeno en la Industria

( )

( ) ( ) 2Hg2CH2CHcalorg3CH3CH

2HCOcalorO2HsC

calor22HCO2O21

4CH

calor2H2COO2HCO

23HCOcalorO2H4CH

+=→+

+→++

++→+

++→+

+→++

� Reformado de vapor

� Oxidación parcial de gas natural

� Reacción del gas de agua

� Deshidrogenación de alcanos

10 - 11 tons de CO2 /ton de H2222 2

1 OHadelectricidOH +→+

2

22

22:

2221:

HeHcátodo

eHOOHánodo

→+

++→−+

−+

Obtención de Hidrógeno en la Industria

Hidrógeno en la Industria

� 95% de la producción es "cautiva", se consumein situ.

� 96% se produce por fuentes fósiles.

� El hidrógeno se utiliza actualmente en la industria como materia prima,NO como uso energético.

Hidrógeno Fuente de Energía

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Hidrógeno Fuente de Energía

� Vapor de agua (H2O) 36-72 %

� Dióxido de carbono (CO2) 9-26 %

� Metano (CH4) 4-9 %

� Ozono (O3) 3-7 %

Gases de efecto invernadero

Emisión de CO2 en los últimos 50 añosFuente: Goddard Institute for Space Studies, NASA

La temperatura del la Tierra aaumentado en un grado en losúltimos 100 años

Hidrógeno Fuente de Energía

Hidrógeno Fuente de Energía

Las celdas de combustibles PEM son dispositivoselectroquímicos que convierte energía química a eléctrica con unaeficiencia del orden del 60%. Luego doblan en eficiencia a unmotor de combustión, cuya eficiencia puede llegar a solo 35%.

Proton exchange membrane (PEM) hydrogen fuel cell

p = 1 – 10 atmT = 25 – 120°CEficiencia 60%

Honda FCX Clarity, 2008

Hidrógeno Fuente de Energía

100% vapor de agua

Proyectos: CUTE (Clean Urban Transport for Europe)STEP (Sustainable Transport Energy for Perth, Australia)

� Celdas de combustible con catalizador de platino

� Almacenamiento de H2 en tanques a presión (350 bar/40Kg H2)

� Autonomía de 300 Km

� Costo US$1.2 millones (~24 veces más caro que uno a gasolina)

Mercedes BenzCitaro

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� El hidrógeno es un “vector” energético que puede obtenerse a partir de cualquierfuente de energía y agua. Como gas combustible, puede emplearse en automoción oen la producción de electricidad, generando agua como residuo.

� Laspilas de combustibleson dispositivos que convierten la energía química de uncombustible, preferentemente hidrógeno, directamente en electricidad,sin generarcontaminantes, con mucho menos ruido que un motor convencional y mayoreficiencia.

� La combinación dehidrógeno y pilas de combustibleresponde a la tendenciahacia sistemas energéticos sostenibles, autosuficientes y no contaminantes. Por lamagnitud del cambio tecnológico, se ha llegado a afirmar que representan latercera revolución industrial.

Hidrógeno Fuente de Energía Reacciones del Hidrógeno

H2

Homólisis

� Activación de la molécula por disociación homolítica (superficie metálica o complejo)

Reacciones del Hidrógeno

� Disociación heterolítica (superficie o complejo)

Heterólisis

Reacción de H2 y óxido de Zinc usada en la producción de metanol

CO (g) + 2H2 (g) CH3OH (g)

CuO/ZnO

Reacciones del Hidrógeno

Iniciación: Br2 2Br

Propagación: Br. + H2 HBr + H.H. + Br2 HBr + Br

Terminación: 2H. H22Br. Br2

∆, hν

� Reacción de radicales en cadena (H2 y halógenos)

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Compuestos Binarios de Hidrógeno Hidruros Salinos

2H− → H2 + 2e− E° ≈ +2.2V

CaH2 (s) + H2O (l) → Ca(OH)2 (s) + 2H2 (g)

� Sólidos cristalinos no

conductores de electricidad.

� No volátiles

� Iónicos Excepto (Be y Mg)

Hidruros Salinos

NaCl Rutilo BeH2

� Compuestos covalentes BeH2 y MgH2

Hidruros Metálicos

� Duros, brillo metálico, conducen

electricidad

� Compuestos NO estequiometricos

(TlH2,7, ZrH1.5)

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Hidruros Metálicos

� En muchos metales de transición la relación de átomos de hidrógeno a

átomos metálicosnoes una constante (Hidruros intersticiales)

Hidruros Metálicos

Purificar HidrógenoMetales grupo 10 (Ni, Pt) comoCatalizadores de Hidrogenación

Hidruros Metálicos

�Posibles usos del H2 como combustibledependen del almacenamiento

1g de H2 a C.N ocupa 11 Litros.

� Gaseoso o líquido NO es convenientepara uso practico

� Solución: HIDRUROS METÁLICOS

Hidruros Metálicos

� Producido en Alemania (TiFeH2)

� Hidrógeno absorbido como en una

esponga

� Funciona a 3.30 atm, muy inferior a

200-700 para los tanques de gas

comprimido

� Comparativamente muy pesado, pero

con un buen rendimiento volumétrico

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Hidruros Moleculares� Son comunes entre elementos bloquep. Son compuestos moleculares y

volátiles: CH4, NH3, H2O, FH. • dímeros: B2H6. • polímeros : ZnH2, BeH2

1.Compuestos electrón-precisos: Todos los e-s de valencia del átomo central participan en la formación de enlaces. Metano, etano, silano (SiH4) y germano (GeH4).

2.Compuestos electrón-deficientes: Tienen pocos e-s como para dar lugar a estructuras tipo Lewis. Ocurren comúnmente con Al y B. Ej: Diborano (B2H6).

3. Compuestos electrón-ricos: Tienen pares libres sobre el átomo central. Se forman con elementos del grupo 15 al 17. NH3, H2O � bases Lewis.

� Las formas geométricas de los compuestos electrón-precisos yelectrón ricos se predicen con (RPECV).

CH4 � tetraédricaNH3 � trigonal piramidalH2O� angularFH � linear

Hidruros Moleculares

Estabilidad de los Hidruros Enlace de Hidrógeno

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double helical structure (James Watson and Francis Crick, 1953)

Guanina – citosina

Adenina - timina

Enlace de Hidrógeno (DNA) Enlace de Hidrógeno (Hielo)

Enlace de Hidrógeno (Hielo) Clatratos