Isótopos
El hidrógeno tiene tres isótopos naturales, denota 1
H , 2
H y 3
H . Otros núcleos altamente inestables ( 4
H a 7
H ) se han sintetizado en el laboratorio pero no se han observado en la naturaleza. [47] [48]
H , 2
H y 3
H . Otros núcleos altamente inestables ( 4
H a 7
H ) se han sintetizado en el laboratorio pero no se han observado en la naturaleza. [47] [48]
- 1
H es el isótopo de hidrógeno más común con una abundancia de más del 99,98%. Debido a que el núcleo de este isótopo consiste en un solo protón, se le da el nombre formal descriptivo, pero rara vez se usa protio . [49] - 2
H , el otro isótopo de hidrógeno estable, se conoce como deuterio y contiene un protón y un neutrón en el núcleo. Se cree que todo el deuterio en el universo se produjo en el momento del Big Bang , y ha perdurado desde entonces. El deuterio no es radiactivo y no representa un riesgo significativo de toxicidad. El agua enriquecida en moléculas que incluyen deuterio en lugar de hidrógeno normal se llama agua pesada . El deuterio y sus compuestos se utilizan como una etiqueta no radioactiva en experimentos químicos y en solventes para1
H- espectroscopia de RMN . [50] El agua pesada se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante para reactores nucleares. El deuterio es también un combustible potencial para la fusión nuclear comercial . [51] - 3
H se conoce como tritio y contiene un protón y dos neutrones en su núcleo. Es radioactivo, se descompone en helio-3 a través de la desintegración betacon una vida media de 12.32 años. [41] Es tan radioactivo que puede usarse en pintura luminosa , por lo que es útil en cosas como los relojes. El vidrio evita que la pequeña cantidad de radiación salga. [52] Pequeñas cantidades de tritio se producen naturalmente por la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos; El tritio también ha sido lanzado durante las pruebas de armas nucleares . [53] Se usa en reacciones de fusión nuclear,[54]como trazador en geoquímica de isótopos , [55] y en dispositivos de iluminación autoalimentados especializados . [56] El tritio también se ha utilizado en experimentos de etiquetado químico y biológico como un radiomarcador . [57]
El hidrógeno es el único elemento que tiene diferentes nombres para sus isótopos de uso común hoy en día. Durante el estudio inicial de la radiactividad, varios isótopos pesados radiactivos recibieron sus propios nombres, pero esos nombres ya no se utilizan, excepto para el deuterio y el tritio. Los símbolos D y T (en lugar de 2
H y 3
H ) a veces se usan para deuterio y tritio, pero el símbolo correspondiente para protio, P, ya está en uso para fósforoy, por lo tanto, no está disponible para protio. [58] En sus directrices de nomenclatura , la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) permite que cualquiera de D, T, 2
H , y 3
Se utilizará H , aunque 2.
H y 3
Se prefieren los h . [59]
H y 3
H ) a veces se usan para deuterio y tritio, pero el símbolo correspondiente para protio, P, ya está en uso para fósforoy, por lo tanto, no está disponible para protio. [58] En sus directrices de nomenclatura , la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) permite que cualquiera de D, T, 2
H , y 3
Se utilizará H , aunque 2.
H y 3
Se prefieren los h . [59]
El átomo exótico muonium (símbolo Mu), compuesto de un antimuon y un electrón , también se considera a veces como un radioisótopo ligero de hidrógeno, debido a la diferencia de masa entre el antimuon y el electrón. [60] El muonio se descubrió en 1960. [61] Durante la vida útil del muon de 2,2 µs , el muonio puede entrar en compuestos como el cloruro de muonio (MuCl) o el muonido de sodio (NaMu), análogos al cloruro de hidrógeno y el hidruro de sodio, respectivamente. [62]
Historia
Descubrimiento y uso
En 1671, Robert Boyle descubrió y describió la reacción entre las limaduras de hierro y los ácidos diluidos , lo que resulta en la producción de gas hidrógeno. [63] [64] En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el gas de hidrógeno como una sustancia discreta, al nombrar el gas de una reacción ácido-metal como "aire inflamable". Especuló que el "aire inflamable" era, de hecho, idéntico a la sustancia hipotética llamada " flogisto " [65] [66] y además descubrió en 1781 que el gas produce agua cuando se quema. Generalmente se le da crédito por el descubrimiento del hidrógeno como un elemento. [4] [5]En 1783, Antoine Lavoisier le dio al elemento el nombre de hidrógeno (del griego ὑδρο- hydro que significa "agua" y los genes -γενής que significan "creador") [6]cuando él y Laplace reprodujeron el descubrimiento de Cavendish de que el agua se produce cuando se quema hidrógeno. [5]
RENEW.jpg)
Lavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos sobre conservación de masas al hacer reaccionar un flujo de vapor con hierro metálico a través de un tubo de hierro incandescente calentado en un incendio. La oxidación anaeróbica del hierro por los protones del agua a alta temperatura puede representarse esquemáticamente por el conjunto de reacciones siguientes:
- Fe + H 2 O → FeO + H 2
- 2 Fe + 3 H 2 O → Fe 2 O 3 + 3 H 2
- 3 Fe + 4 H 2 O → Fe 3 O 4 + 4 H 2
Muchos metales, como el circonio, experimentan una reacción similar con el agua, lo que lleva a la producción de hidrógeno.
El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898 mediante el uso de enfriamiento regenerativo y su invención, el matraz de vacío . [5] Él produjo hidrógeno sólido el próximo año. [5] El deuterio fue descubierto en diciembre de 1931 por Harold Urey , y el tritio fue preparado en 1934 por Ernest Rutherford , Mark Oliphant y Paul Harteck . [4] El grupo de Urey descubrió el agua pesada , que consiste en deuterio en lugar de hidrógeno regular, en 1932. [5] François Isaac de Rivaz construyó el primer motor Rivaz de , un motor de combustión interna alimentado por una mezcla de hidrógeno y oxígeno en 1806. Edward Daniel Clarke inventó el soplete de gas de hidrógeno en 1819. La lámpara de Döbereiner y centro de atención se inventaron en 1823. [5]
El primer globo lleno de hidrógeno fue inventado por Jacques Charles en 1783. [5] El hidrógeno proporcionó el sustento para la primera forma confiable de transporte aéreo después de la invención en 1852 de la primera aeronave con elevación de hidrógeno de Henri Giffard . [5] El conde alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea de aeronaves rígidas elevadas por hidrógeno que luego se llamaron Zeppelins ; el primero de los cuales tuvo su vuelo inaugural en 1900. [5]Los vuelos regulares programados comenzaron en 1910 y, al estallar la Primera Guerra Mundial en agosto de 1914, habían transportado a 35,000 pasajeros sin un incidente grave. Las aeronaves elevadas con hidrógeno se utilizaron como plataformas de observación y bombarderos durante la guerra.
El primer cruce transatlántico sin escalas fue realizado por la aeronave británica 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 de los Estados Unidos se negó a vender el gas con este fin . Por lo tanto, el H 2 se usó en la aeronave de Hindenburg , que fue destruida en un incendio en el aire en Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937. [5] El incidente fue transmitido en vivo por radio y filmado. Se supone que la ignición de fugas de hidrógeno es la causa, pero investigaciones posteriores apuntaron a la ignición del recubrimiento de tela aluminizada por electricidad estática. Pero el daño a la reputación del hidrógeno como gas de elevación ya estaba hecho y el viaje comercial de la aeronave de hidrógeno cesó . El hidrógeno se sigue utilizando, en lugar del helio no inflamable pero más caro, como gas de elevación para los globos meteorológicos.
En el mismo año, el primer turbogenerador enfriado por hidrógeno entró en servicio con hidrógeno gaseoso como refrigerante en el rotor y en el estator en 1937 en Dayton , Ohio, por Dayton Power & Light Co .; [67] debido a la conductividad térmica del gas de hidrógeno, este es el tipo más común en su campo hoy en día.
La batería de hidrógeno de níquel se utilizó por primera vez en 1977 a bordo del satélite de tecnología de navegación de Estados Unidos (NTS-2). [68] Por ejemplo, la ISS , [69] Mars Odyssey [70] y Mars Global Surveyor [71] están equipadas con baterías de níquel-hidrógeno. En la parte oscura de su órbita, el Telescopio Espacial Hubble también funciona con baterías de níquel-hidrógeno, que finalmente fueron reemplazadas en mayo de 2009, [72] más de 19 años después del lanzamiento y 13 años después de su vida útil de diseño. [73]
El papel en la teoría cuántica.
Debido a su estructura atómica simple, que consiste solo 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 fundamental para el desarrollo de la teoría de la estructura atómica . [74] Además, el estudio de la simplicidad correspondiente de la molécula de hidrógeno y el catión H +
2 correspondiente permitió comprender la naturaleza del enlace químico , que siguió poco después de que se desarrollara el tratamiento mecánico cuántico del átomo de hidrógeno a mediados del siglo. 1920s.
2 correspondiente permitió comprender la naturaleza del enlace químico , que siguió poco después de que se desarrollara el tratamiento mecánico cuántico del átomo de hidrógeno a mediados del siglo. 1920s.
Uno de los primeros efectos cuánticos que se notaron explícitamente (pero que no se entendieron en ese momento) fue una observación de Maxwell que involucraba hidrógeno, medio siglo antes de que llegara la teoría de la mecánica cuántica completa . Maxwell observó que la capacidad calorífica específica del H 2 se separa 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. De acuerdo con la teoría cuántica, este comportamiento surge de la separación de los niveles de energía de rotación (cuantificados), que son particularmente amplios en H 2.Por su baja masa. Estos niveles ampliamente espaciados inhiben la partición equitativa de la energía térmica en el movimiento de rotación en hidrógeno a bajas temperaturas. Los gases diatómicos compuestos de átomos más pesados no tienen niveles tan ampliamente espaciados y no muestran el mismo efecto. [75]
Antihidrógeno (
H
) es la contraparte de la antimateria al hidrógeno. Consiste en un antiprotón con un positrón . El antihidrógeno es el único tipo de átomo de antimateria que se ha producido a partir de 2015 . [76] [77]
H
) es la contraparte de la antimateria al hidrógeno. Consiste en un antiprotón con un positrón . El antihidrógeno es el único tipo de átomo de antimateria que se ha producido a partir de 2015 . [76] [77]
Ocurrencia natural
El hidrógeno, como H atómico, es el elemento químico más abundanteen 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 tiene la forma de materia del tipo de elemento químico, sino que se considera que se presenta como formas de masa aún no detectadas, como la materia oscura y la energía oscura . [78] ) Este elemento Se encuentra en gran abundancia en estrellas y planetas gigantes gaseosos . Las nubes moleculares de H 2 se asocian con la formación de estrellas . El hidrógeno desempeña un papel vital en la potenciación de las estrellas a través de laLa reacción protón-protón y el ciclo CNO de la fusión nuclear . [79]
En todo el universo, el hidrógeno se encuentra principalmente en los estados atómicos y plasmáticos , con propiedades bastante diferentes de las del hidrógeno molecular. Como plasma, el electrón y el protón del hidrógeno no están unidos entre sí, lo que resulta en una conductividad eléctrica muy alta y una alta emisividad (que produce la luz del Sol y otras estrellas). Las partículas cargadas están altamente influenciadas por campos magnéticos y eléctricos. Por ejemplo, en el viento solar interactúan con la magnetosfera de la Tierra dando origen a las corrientes de Birkeland y la aurora . El hidrógeno se encuentra en el estado atómico neutro en el medio interestelar. 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 el desplazamiento al rojo z = 4. [80]
En condiciones normales en la Tierra, el hidrógeno elemental existe como el gas diatómico, H 2 . Sin embargo, el gas hidrógeno es muy raro en la atmósfera de la Tierra (1 ppm por volumen) debido a su peso ligero, que le permite escapar de la gravedad de la Tierra más fácilmente que los gases más pesados. Sin embargo, el hidrógeno es el tercer elemento más abundante en la superficie de la Tierra, [81] principalmente en forma de compuestos químicos como hidrocarburos y agua. [41] El gas hidrógeno es producido por algunas bacterias y algas y es un componente natural de los flatos , al igual que el metano., en sí mismo una fuente de hidrógeno de creciente importancia. [82]
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 del planeta Júpiter . El ion es relativamente estable en el entorno del espacio exterior debido a la baja temperatura y densidad. H +
3 es uno de los iones más abundantes en el Universo, y desempeña un papel notable en la química del medio interestelar. [83] El hidrógeno triatómico neutro H 3 solo puede existir en una forma excitada y es inestable. [84]Por el contrario, el ion molecular de hidrógeno positivo ( H +
2 ) es una molécula rara en el universo.
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 del planeta Júpiter . El ion es relativamente estable en el entorno del espacio exterior debido a la baja temperatura y densidad. H +
3 es uno de los iones más abundantes en el Universo, y desempeña un papel notable en la química del medio interestelar. [83] El hidrógeno triatómico neutro H 3 solo puede existir en una forma excitada y es inestable. [84]Por el contrario, el ion molecular de hidrógeno positivo ( H +
2 ) es una molécula rara en el universo.
Producción
H
2 se produce en laboratorios de química y biología, a menudo como un subproducto de otras reacciones; en la industria para lahidrogenacióndesustratosinsaturados; y en la naturaleza como medio de expulsión deequivalentesreductoresen reacciones bioquímicas.
2 se produce en laboratorios de química y biología, a menudo como un subproducto de otras reacciones; en la industria para lahidrogenacióndesustratosinsaturados; y en la naturaleza como medio de expulsión deequivalentesreductoresen reacciones bioquímicas.
Electrolisis del agua
La electrólisis del agua es un método simple de producir hidrógeno. Una corriente de bajo voltaje corre a través del agua y el oxígeno gaseoso se forma en el ánodo mientras que el hidrógeno gaseoso se forma en el cátodo . Típicamente, el cátodo está hecho de platino u otro metal inerte cuando produce hidrógeno para el almacenamiento. Sin embargo, si el gas se quema en el lugar, el oxígeno es deseable para ayudar a la combustión, por lo que ambos electrodos se fabricarán con metales inertes. (El hierro, por ejemplo, se oxidaría y, por lo tanto, disminuiría la cantidad de oxígeno emitido). La eficiencia máxima teórica (electricidad utilizada vs. valor energético del hidrógeno producido) está en el rango de 88–94%. [85] [86]
- 2 H
2 O(l) → 2H
2 (g) +O
2 (g)
Cuando se determina la eficiencia eléctrica de la electrólisis PEM (membrana de intercambio de protones), se utiliza el valor de calor más alto (HHV). [87] Esto se debe a que la capa de catalizador interactúa con el agua como vapor. Como el proceso funciona a 80 ° C para los electrolizadores PEM, el calor residual se puede redirigir a través del sistema para crear el vapor, lo que resulta en una mayor eficiencia eléctrica general. El valor calorífico inferior (LHV) se debe utilizar para electrolizadores alcalinos, ya que el proceso dentro de estos electrolizadores requiere agua en forma líquida y utiliza alcalinidad para facilitar la ruptura del enlace que mantiene unidos los átomos de hidrógeno y oxígeno. El valor de calor más bajo también se debe usar para celdas de combustible, ya que el vapor es la salida en lugar de la entrada.
Reformado con vapor
El hidrógeno es a menudo produce utilizando gas natural, que implica la eliminación de hidrógeno a partir de hidrocarburos a temperaturas muy elevadas, con alrededor del 95% de la producción de hidrógeno procedente de reformado con vapor alrededor del año 2000. [88] de hidrógeno mayor comercial se produce por lo general por el reformado con vapor de el gas natural . [89] A altas temperaturas (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 .
2 .
- CH
4 +H
2 O→ CO + 3H
2
Esta reacción se favorece a presiones bajas pero, sin embargo, se lleva a cabo a presiones altas (2.0 MPa, 20 atm o 600 inHg ). Esto es porque la alta presión H
2 es el producto más comercial y lossistemas de purificación poradsorción por oscilación de presión(PSA) funcionan mejor a presiones más altas. La mezcla del producto se conoce como "gas de síntesis" porque a menudo se usa directamente para la producción demetanoly compuestos relacionados. Se pueden usarhidrocarburosdistintos del metano para producir gas de síntesis con relaciones de producto variables. Una de las muchas complicaciones de esta tecnología altamente optimizada es la formación de coque o carbono:
2 es el producto más comercial y lossistemas de purificación poradsorción por oscilación de presión(PSA) funcionan mejor a presiones más altas. La mezcla del producto se conoce como "gas de síntesis" porque a menudo se usa directamente para la producción demetanoly compuestos relacionados. Se pueden usarhidrocarburosdistintos del metano para producir gas de síntesis con relaciones de producto variables. Una de las muchas complicaciones de esta tecnología altamente optimizada es la formación de coque o carbono:
- CH
4 → C + 2H
2
En consecuencia, el reformado con vapor emplea típicamente un exceso de H
2 O. Se puede recuperar hidrógeno adicional del vapor mediante el uso de monóxido de carbono a través de lareacción de cambio de gas de agua, especialmente con uncatalizador deóxido de hierro. Esta reacción también es una fuente industrial común dedióxido de carbono: [89]
2 O. Se puede recuperar hidrógeno adicional del vapor mediante el uso de monóxido de carbono a través de lareacción de cambio de gas de agua, especialmente con uncatalizador deóxido de hierro. Esta reacción también es una fuente industrial común dedióxido de carbono: [89]
- CO + H
2 O→CO
2 +H
2
- 2 CH
4 +O
2 → 2 CO + 4H
2
y la reacción del carbón, que puede servir como preludio a la reacción de cambio anterior: [89]
- C + H
2 O→ CO +H
2
El hidrógeno a veces se produce y consume en el mismo proceso industrial, sin separarse. En el proceso de Haber para la producción de amoníaco , el hidrógeno se genera a partir de gas natural. [91] La electrólisis de la salmuera para producir cloro también produce hidrógeno como un coproducto. [92]
Acido metalico
En el laboratorio , h
2 se suele preparar mediante la reacción de ácidosno oxidantes diluidosen algunos metales reactivos como elzincconel aparato de Kipp.
2 se suele preparar mediante la reacción de ácidosno oxidantes diluidosen algunos metales reactivos como elzincconel aparato de Kipp.
- Zn + 2 H +
→ Zn 2+
+ H
2
- 2 Al + 6 H
2 O+ 2OH-
→ 2 Al (OH) -
4 + 3 H
2
Se puede usar una aleación de aluminio y galio en forma de gránulos agregada al agua para generar hidrógeno. El proceso también produce alúmina , pero el costoso galio, que evita la formación de una capa de óxido en los gránulos, puede reutilizarse. Esto tiene implicaciones potenciales importantes para una economía de hidrógeno, ya que el hidrógeno se puede producir en el sitio y no necesita ser transportado. [93]
Termoquimico
Hay más de 200 ciclos termoquímicos que se pueden utilizar para disociación de agua , alrededor de una docena de estos ciclos, tales como el ciclo de óxido de hierro , cerio (IV) óxido de cerio (III) ciclo de óxido , zinc ciclo-óxido de zinc , azufre-yodo el ciclo , el ciclo de cobre-cloro y el ciclo de azufre híbrido están en fase de investigación y en fase de prueba para producir hidrógeno y oxígeno a partir del agua y el calor sin usar electricidad. [94] Varios laboratorios (incluidos Francia, Alemania, Grecia, Japón y los Estados Unidos) están desarrollando métodos termoquímicos para producir hidrógeno a partir de energía solar y agua. [95]
Corrosión anaerobia
En condiciones anaeróbicas, las aleaciones de hierro y acero se oxidan lentamente por los protones del agua reducidos concomitantemente en hidrógeno molecular ( H
2 ). Lacorrosión anaeróbicadel hierro conduce primero a la formación dehidróxido ferroso(óxido verde) y puede describirse mediante la siguiente reacción:
2 ). Lacorrosión anaeróbicadel hierro conduce primero a la formación dehidróxido ferroso(óxido verde) y puede describirse mediante la siguiente reacción:
- Fe + 2 H
2 O →Fe (OH)
2 +H
2
A su vez, en condiciones anaeróbicas, el hidróxido ferroso ( Fe (OH)
2 ) pueden ser oxidados por los protones del agua para formarmagnetitae hidrógeno molecular. Este proceso es descrito por lareacción de Schikorr:
2 ) pueden ser oxidados por los protones del agua para formarmagnetitae hidrógeno molecular. Este proceso es descrito por lareacción de Schikorr:
- 3 Fe (OH)
2 →Fe
3 O
4 + 2H
2 O +H
2 - hidróxido ferroso → magnetita + agua + hidrógeno
La magnetita bien cristalizada ( Fe
3 O
4 ) es termodinámicamente más estable que el hidróxido ferroso (Fe (OH)
2).
3 O
4 ) es termodinámicamente más estable que el hidróxido ferroso (Fe (OH)
2).
Este proceso ocurre durante la corrosión anaeróbica del hierro y el acero en aguas subterráneas sin oxígeno y en la reducción de suelos debajo del nivel freático .
Aparición geológica: la reacción de serpentinización.
En ausencia de oxígeno atmosférico ( O
2 ), en condiciones geológicas profundas que prevalecen lejos de la atmósfera terrestre, el hidrógeno (H
2 ) se produce durante el proceso deserpentinizaciónpor oxidación anaeróbica por los protones de agua (H+) delsilicatoferroso (Fe2+) presente en la red cristalina defayalita(Fe).
2 SiO
4 , elolivinohierro-endmember). La reacción correspondiente que conduce a la formación demagnetita(Fe
3 O
4 ),cuarzo(SiO
2 ) e hidrógeno (H
2 ) es el siguiente:
2 ), en condiciones geológicas profundas que prevalecen lejos de la atmósfera terrestre, el hidrógeno (H
2 ) se produce durante el proceso deserpentinizaciónpor oxidación anaeróbica por los protones de agua (H+) delsilicatoferroso (Fe2+) presente en la red cristalina defayalita(Fe).
2 SiO
4 , elolivinohierro-endmember). La reacción correspondiente que conduce a la formación demagnetita(Fe
3 O
4 ),cuarzo(SiO
2 ) e hidrógeno (H
2 ) es el siguiente:
- 3 Fe
2 SiO
4 + 2H
2 O → 2Fe
3 O
4 + 3 SiO
2 + 3H
2 - fayalita + agua → magnetita + cuarzo + hidrógeno
Esta reacción se asemeja mucho a la reacción de Schikorr observada en la oxidación anaeróbica de hidróxido ferroso en contacto con agua.
Formación en transformadores.
De todos los gases de falla formados en los transformadores de potencia , el hidrógeno es el más común y se genera en la mayoría de las condiciones de falla; por lo tanto, la formación de hidrógeno es una indicación temprana de problemas serios en el ciclo de vida del transformador. [96]
Aplicaciones
Consumo en procesos.
Grandes cantidades de H
2 son necesarios en la industria petrolera y química. La mayor aplicación deH
2 es para el procesamiento ("actualización") de combustibles fósiles, y en la producción deamoníaco. Los consumidores claves deH
2 en la planta petroquímica incluyenhidrodesalquilación,hidrodesulfuraciónehidrocraqueo. H
2 tiene varios otros usos importantes. H
2 se utiliza como agente hidrogenante, particularmente para aumentar el nivel de saturación de grasas yaceitesinsaturados(que se encuentran en artículos como la margarina) y en la producción demetanol. De manera similar, es la fuente de hidrógeno en la fabricación deácido clorhídrico. H
2 también se utiliza comoagente reductordemineralesmetálicos. [97]
2 son necesarios en la industria petrolera y química. La mayor aplicación deH
2 es para el procesamiento ("actualización") de combustibles fósiles, y en la producción deamoníaco. Los consumidores claves deH
2 en la planta petroquímica incluyenhidrodesalquilación,hidrodesulfuraciónehidrocraqueo. H
2 tiene varios otros usos importantes. H
2 se utiliza como agente hidrogenante, particularmente para aumentar el nivel de saturación de grasas yaceitesinsaturados(que se encuentran en artículos como la margarina) y en la producción demetanol. De manera similar, es la fuente de hidrógeno en la fabricación deácido clorhídrico. H
2 también se utiliza comoagente reductordemineralesmetálicos. [97]
El hidrógeno es altamente soluble en muchas tierras raras y metales de transición [98] y es soluble en metalestanto nanocristalinos como amorfos . [99] La solubilidad del hidrógeno en metales está influenciada por distorsiones locales o impurezas en la red cristalina . [100] Estas propiedades pueden ser útiles cuando el hidrógeno se purifica mediante el paso a través de discos de paladio caliente , pero la alta solubilidad del gas es un problema metalúrgico, que contribuye a la fragilidad de muchos metales, [11] que complica el diseño de las tuberías y los tanques de almacenamiento. [12]
Aparte de su uso como reactivo, H
2 tiene amplias aplicaciones en física e ingeniería. Se utiliza comogas de protecciónenmétodos desoldaduracomola soldadura con hidrógeno atómico. [101] [102] El H2se utiliza como refrigerante del rotor engeneradores eléctricosencentrales eléctricas, porque tiene laconductividad térmicamás altade todos los gases. Liquid H2se utiliza encriogénicoinvestigación, incluyendola superconductividadestudios. [103] PorqueH
2 es más ligero que el aire, que tiene un poco más de 1 / 14 de la densidad del aire, que una vez fue ampliamente utilizado como ungas de elevaciónen globos ydirigibles. [104]
2 tiene amplias aplicaciones en física e ingeniería. Se utiliza comogas de protecciónenmétodos desoldaduracomola soldadura con hidrógeno atómico. [101] [102] El H2se utiliza como refrigerante del rotor engeneradores eléctricosencentrales eléctricas, porque tiene laconductividad térmicamás altade todos los gases. Liquid H2se utiliza encriogénicoinvestigación, incluyendola superconductividadestudios. [103] PorqueH
2 es más ligero que el aire, que tiene un poco más de 1 / 14 de la densidad del aire, que una vez fue ampliamente utilizado como ungas de elevaciónen globos ydirigibles. [104]
En aplicaciones más recientes, el hidrógeno se usa puro o mezclado con nitrógeno (a veces llamado gas formador ) como gas indicador para la detección de fugas por minuto. Las aplicaciones se pueden encontrar en las industrias automotriz, química, de generación de energía, aeroespacial y de telecomunicaciones. [105] El hidrógeno es un aditivo alimentario autorizado (E 949) que permite realizar pruebas de fugas en los paquetes de alimentos, entre otras propiedades antioxidantes. [106]
Los isótopos más raros del hidrógeno también tienen aplicaciones específicas. El deuterio (hidrógeno-2) se utiliza en aplicaciones de fisión nuclear como moderador para retardar los neutrones y en reacciones de fusión nuclear . [5] Los compuestos de deuterio tienen aplicaciones en química y biología en estudios de efectos de isótopos de reacción . [107] El tritio (hidrógeno-3), producido en reactores nucleares , se utiliza en la producción de bombas de hidrógeno , [108] como una etiqueta isotópica en las biociencias, [57] y como fuente de radiación en pinturas luminosas.[109]
La temperatura de punto triple del hidrógeno de equilibrio es un punto fijo que define la escala de temperatura ITS-90 en 13.8033 Kelvin . [110]
Refrigerante
El hidrógeno se usa comúnmente en las centrales eléctricas como refrigerante en los generadores debido a una serie de propiedades favorables que son el resultado directo de sus moléculas de luz diatómica. Estos incluyen baja densidad , baja viscosidad y la conductividad térmica y térmica específica más alta de todos los gases.
Portador de energía
El hidrógeno no es un recurso energético, [111] excepto en el contexto hipotético de las plantas de energía de fusión nuclear comerciales que utilizan deuterio o tritio , una tecnología que actualmente está muy lejos del desarrollo. [112] La energía del Sol proviene de la fusión nuclear de hidrógeno, pero este proceso es difícil de lograr de manera controlable en la Tierra. [113] El hidrógeno elemental de fuentes solares, biológicas o eléctricas requiere más energía de la que se obtiene al quemarlo, por lo que en estos casos el hidrógeno funciona como un portador de energía, como una batería. El hidrógeno se puede obtener de fuentes fósiles (como el metano), pero estas fuentes son insostenibles. [111]
La densidad de energía por unidad de volumen de hidrógeno líquido y gas de hidrógeno comprimido a cualquier presión practicable es significativamente menor que la de las fuentes de combustible tradicionales, aunque la densidad de energía por unidad de masa de combustible es mayor. [111] Sin embargo, el hidrógeno elemental ha sido ampliamente discutido en el contexto de la energía, como un posible futuro portador de energía a escala económica. [114] Por ejemplo, CO
Se pudieron realizar2 secuestrosseguidos decaptura y almacenamiento de carbonoen el puntoH
2 producciones a partir de combustibles fósiles. [115] El hidrógeno utilizado en el transporte se quemaría de forma relativamente limpia, con algunasemisiones deNO x , [116] pero sin emisiones de carbono. [115] Sin embargo, los costos de infraestructura asociados con la conversión total a una economía de hidrógeno serían sustanciales. [117] Las celdas de combustiblepueden convertir el hidrógeno y el oxígeno directamente en electricidad de manera más eficiente que los motores de combustión interna. [118]
Se pudieron realizar2 secuestrosseguidos decaptura y almacenamiento de carbonoen el puntoH
2 producciones a partir de combustibles fósiles. [115] El hidrógeno utilizado en el transporte se quemaría de forma relativamente limpia, con algunasemisiones deNO x , [116] pero sin emisiones de carbono. [115] Sin embargo, los costos de infraestructura asociados con la conversión total a una economía de hidrógeno serían sustanciales. [117] Las celdas de combustiblepueden convertir el hidrógeno y el oxígeno directamente en electricidad de manera más eficiente que los motores de combustión interna. [118]
La industria de semiconductores
El hidrógeno se emplea para saturar enlaces rotos ("colgantes") de silicio amorfo y carbono amorfo que ayudan a estabilizar las propiedades del material. [119] También es un potencial donante de electrones en varios materiales de óxido, incluyendo ZnO , [120] [121] SnO 2 , CdO , MgO , [122] ZrO 2 , HfO 2 , La 2 O 3 , Y 2 O 3 , TiO 2 , SrTiO 3,LaAlO 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrSiO 4 , HfSiO 4 y SrZrO 3 . [123]
Potencial terapéutico
El hidrógeno molecular disuelto en agua se ha comercializado [124] como un producto terapéutico para una amplia variedad de enfermedades. [125]
Reacciones biologicas
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 reversible redox reacción entre H 2 y su componente de dos protones y dos electrones. La creación de gas hidrógeno ocurre en la transferencia de equivalentes reductores producidos durante la fermentación de piruvato al agua. [126] El ciclo natural de producción y consumo de hidrógeno por parte de los organismos se denomina ciclo del hidrógeno . [127]
La división del agua , en la que el agua se descompone en sus componentes protones, electrones y oxígeno, se produce en las reacciones a la luz en todos los organismos fotosintéticos . Algunos de estos organismos, incluyendo el alga Chlamydomonas reinhardtii y cianobacterias , han evolucionado un segundo paso en las reacciones oscuras en el que los protones y los electrones se reduce para formar H 2 gas por hidrogenasas especializados en el cloroplasto . [128] Se han realizado esfuerzos para modificar genéticamente las hidrogenasas de cianobacterias para sintetizar eficientemente el gas H 2 incluso en presencia de oxígeno. [129]También se han realizado esfuerzos con el alga genéticamente modificada en un biorreactor . [130]
Seguridad y precauciones
| Peligros | |
|---|---|
| Pictogramas GHS |  |
| Palabra de señal GHS | Peligro |
| H220 | |
| P202 , P210 , P271 ,P403 , P377 , P381 [131] | |
| NFPA 704 | |
El hidrógeno plantea una serie de peligros para la seguridad humana, desde posibles detonaciones e incendios cuando se mezcla con el aire hasta convertirse en un asfixiante en su forma pura, libre de oxígeno . [132] Además, el hidrógeno líquido es un criógeno y presenta peligros (como la congelación ) asociados con líquidos muy fríos. [133] El hidrógeno se disuelve en muchos metales y, además de filtrarse, puede tener efectos adversos sobre ellos, como la fragilidad del hidrógeno , [134] que causa grietas y explosiones. [135]El gas de hidrógeno que se filtra en el aire externo puede encenderse espontáneamente. Además, el fuego de hidrógeno, aunque es extremadamente caliente, es casi invisible y, por lo tanto, puede provocar quemaduras accidentales. [136]
Incluso la interpretación de los datos de hidrógeno (incluidos los datos de seguridad) se confunde con una serie de fenómenos. Muchas propiedades físicas y químicas del hidrógeno dependen de la proporción de parahidrógeno / ortohidrógeno (a menudo toma días o semanas a una temperatura dada para alcanzar la proporción de equilibrio, para la cual generalmente se dan los datos). Los parámetros de detonación de hidrógeno, como la presión y la temperatura de detonación crítica, dependen en gran medida de la geometría del recipiente.
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