El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica moderna. Tiene la estructura atómica más simple en comparación con todos los demás elementos. En forma atómica, tiene un protón y un electrón. Por otro lado, en forma elemental, existe como una molécula diatómica (H 2 ) llamada dihidrógeno. Si el hidrógeno pierde su único electrón, se convertirá en una partícula elemental, el protón.
Esto es lo que hace que Hydrogen sea único. El hidrógeno es el elemento más abundante dentro del universo. No es común en la atmósfera terrestre en su estado libre. Sin embargo, es el tercer elemento más abundante en la superficie terrestre cuando consideramos el Hidrógeno en un estado combinado.
¿Qué es el dihidrógeno?
El dihidrógeno, como se mencionó anteriormente, existe como la molécula diatómica H 2 de hidrógeno. Es el elemento primario en la atmósfera solar y el más abundante en el universo, constituyendo el 70% de la masa total del universo.
Comparativamente, es mucho menos abundante en la atmósfera terrestre (0,15% en masa) debido a su naturaleza ligera. Sin embargo, se presenta en forma combinada en varios factores como agua, tejidos vegetales y animales, proteínas, carbohidratos, hidrocarburos y muchos otros compuestos.
El dihidrógeno se prepara industrialmente mediante la reacción de cambio de agua-gas a partir de productos petroquímicos. Se adquiere como subproducto de la electrólisis de la salmuera. El dihidrógeno tiene una entalpía de disociación negativa muy alta, por lo que es bastante inactivo a temperatura ambiente. Sin embargo, se combina con casi todos los elementos en condiciones apropiadas para formar hidruros.
Usos del dihidrógeno
- El mayor uso de dihidrógeno es en la síntesis de amoníaco. Se utiliza para la fabricación de ácido nítrico y fertilizantes nitrogenados.
- El dihidrógeno se utiliza para la fabricación de grasa vanaspati mediante la hidrogenación de aceites vegetales poliinsaturados como semillas de algodón, soja, etc.
- También se utiliza para fabricar hidruros metálicos como LiH, AlH 3 , CaH 2 , etc.
- El dihidrógeno se utiliza para fabricar productos químicos orgánicos a granel, en particular metanol.
CO (g) + 2H 2 (g) ⇢ CH 3 OH (l) (en presencia de Cobalto)
- También se utiliza para preparar Cloruro de Hidrógeno (HCL). Se utiliza para reducir rusts de metales pesados a metales en procesos metalúrgicos.
- El dihidrógeno se utiliza como combustible para cohetes en la investigación espacial.
- Se utiliza para generar electricidad eléctrica en pilas de combustible. Esto tiene varias ventajas sobre los combustibles fósiles convencionales y la energía eléctrica. No contamina y libera más energía por unidad de masa de combustible en comparación con la gasolina y otros combustibles.
Dihidrógeno como combustible
El dihidrógeno libera una gran cantidad de calor cuando se quema. Podemos comparar la energía liberada por la combustión de varios combustibles como metano, GLP, dihidrógeno, etc., en términos de las mismas cantidades en mol, masa y volumen.
La energía liberada por la combustión de varios combustibles en moles, masa y volumen se menciona en la siguiente tabla como:
| La energía liberada en la combustión (en kJ) | Dihidrógeno (en estado gaseoso) | Dihidrógeno (en estado líquido) | GLP | gas CH4 | Octano (en estado líquido) |
|---|---|---|---|---|---|
| por mol | 286 | 285 | 2220 | 880 | 5511 |
| por gramo | 143 | 142 | 50 | 53 | 47 |
| por litro | 12 | 9968 | 25590 | 35 | 34005 |
De la tabla anterior, se puede inferir que el dihidrógeno libera más energía que la gasolina (alrededor de tres veces) en masa por masa. Además, la combustión de dihidrógeno generará menos contaminación que la gasolina. Como el dinitrógeno está presente como impureza con el dihidrógeno, los únicos contaminantes serán los rusts de dinitrógeno.
Esto se puede minimizar bajando la temperatura del cilindro para que no se produzca la reacción entre el dinitrógeno y el dioxígeno. Esto se puede hacer inyectando una pequeña cantidad de agua en el cilindro. Aunque, al hacerlo, también debemos considerar la masa de los contenedores que contienen el dihidrógeno. Si consideramos las cantidades iguales de energía que producirían los respectivos combustibles, un cilindro de dihidrógeno comprimido pesaría 30 veces más que un tanque de gasolina.
Además, tendríamos que convertir el gas dihidrógeno al estado líquido enfriándolo a 20K. Necesitaríamos costosos tanques aislados para esta conversión. Los tanques de aleaciones metálicas como NaNi 5 , Ti-TiH 2 , Mg-MgH 2 , etc. se utilizan para almacenar dihidrógeno en pequeñas cantidades. Por lo tanto, debido a estas desventajas y limitaciones, hemos desarrollado técnicas alternativas para usar el dihidrógeno de manera eficiente.
Economía del hidrógeno
La Economía del Hidrógeno es una técnica alternativa para utilizar el dihidrógeno de manera eficiente. El principio básico de la Economía del Hidrógeno es el transporte y almacenamiento de energía en forma líquida o gaseosa de dihidrógeno. La principal ventaja es que la energía en este caso se transmite directamente en forma de dihidrógeno y no en forma de energía eléctrica.
Avances Actuales
- En octubre de 2005, por primera vez en la India, se lanzó un proyecto piloto que usaba dihidrógeno como combustible para automóviles.
- Al principio, solo el 5% del dihidrógeno se mezclaba con el GNC para su uso en automóviles de cuatro ruedas. Este porcentaje se está incrementando gradualmente para optimizar el uso del dihidrógeno como combustible.
- Hoy en día, también se utiliza en pilas de combustible para la generación de energía eléctrica. Se espera que en los próximos años se identifiquen fuentes económicas y más seguras de dihidrógeno para su uso como fuente común de energía.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: ¿Qué es el dihidrógeno?
Responder:
En forma elemental, el hidrógeno existe como una molécula diatómica (H2) llamada dihidrógeno. Ocurre en forma combinada en varios factores como agua, plantas y tejidos animales, proteínas, carbohidratos, hidrocarburos y muchos otros compuestos. El dihidrógeno se prepara industrialmente mediante la reacción de cambio de agua-gas a partir de productos petroquímicos. Se adquiere como subproducto de la electrólisis de la salmuera. El dihidrógeno tiene una entalpía de disociación negativa muy alta, por lo que es bastante inactivo a temperatura ambiente. Sin embargo, se combina con casi todos los elementos en condiciones apropiadas para formar hidruros.
Pregunta 2: ¿Qué es la Economía del Hidrógeno?
Responder:
La Economía del Hidrógeno es una técnica alternativa para utilizar el dihidrógeno de manera eficiente. El principio básico de la Economía del Hidrógeno es el transporte y almacenamiento de energía en forma líquida o gaseosa de dihidrógeno. La principal ventaja es que la energía en este caso se transmite directamente en forma de dihidrógeno y no en forma de energía eléctrica.
Pregunta 3: ¿Por qué el hidrógeno se almacena en las aleaciones?
Responder:
Necesitamos convertir el gas dihidrógeno al estado líquido enfriándolo a 20K. Para esta conversión, necesitamos tanques aislados costosos. Los tanques de aleaciones metálicas como NaNi5, Ti-TiH2, Mg-MgH2, etc. se utilizan para almacenar dihidrógeno en pequeñas cantidades.
Además, las aleaciones se utilizan por las siguientes razones:
- Conversión de energía (como se discutió anteriormente).
- Separación, recuperación y purificación de hidrógeno.
- Separación de isótopos.
- Catálisis.
- Sensores de aleación y baterías.
- Almacenamiento y transporte de hidrógeno.
Pregunta 4: ¿Cómo se produce hidrógeno a gran escala?
Responder:
El hidrógeno se produce a gran escala por electrólisis del agua o por ciclo de reacción termoquímica.
Pregunta 5: Compare el hidrógeno y la gasolina como combustibles.
Responder:
El dihidrógeno libera más energía que la gasolina (alrededor de tres veces) en masa por masa. Además, la combustión de dihidrógeno generará menos contaminación que la gasolina. Como el dinitrógeno está presente como impureza con el dihidrógeno, los únicos contaminantes serán los rusts de dinitrógeno. También debemos considerar la masa de los recipientes que contienen el dihidrógeno. Si consideramos las cantidades iguales de energía que producirían los respectivos combustibles, un cilindro de dihidrógeno comprimido pesaría 30 veces más que un tanque de gasolina.
Pregunta 6: ¿Cuáles son los problemas que surgen con el dihidrógeno como combustible?
Responder:
Existen varias desventajas y limitaciones del dihidrógeno como combustible debido a las cuales hemos desarrollado técnicas alternativas para usar el dihidrógeno de manera eficiente. Una desventaja es que el almacenamiento de dihidrógeno se vuelve muy difícil. Necesitamos convertir el gas dihidrógeno al estado líquido enfriándolo a 20K. Para esta conversión, necesitamos tanques aislados costosos. Los tanques de aleaciones metálicas como NaNi5, Ti-TiH2, Mg-MgH2, etc. se utilizan para almacenar dihidrógeno en pequeñas cantidades. En general, esto no es económico y es muy costoso.
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Artículo escrito por virajsanap y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA