Producción y Aplicaciones del Hidrógeno

El hidrógeno elemental encuentra su principal aplicación industrial en la fabricación de amoníaco (compuesto de hidrógeno y nitrógeno, NH3) y en la hidrogenación de monóxido de carbono y compuestos orgánicos.
El hidrógeno tiene tres isótopos conocidos. Los números de masa de los isótopos de hidrógeno son 1, 2 y 3, siendo el más abundante el isótopo de masa 1 generalmente llamado hidrógeno (símbolo H, o 1H) pero también conocido como protio.

El isótopo de masa 2, que tiene un núcleo de un protón y un neutrón y ha sido denominado deuterio, o hidrógeno pesado (símbolo D, o 2H), constituye el 0,0156 por ciento de la mezcla ordinaria de hidrógeno. El tritio (símbolo T, o 3H), con un protón y dos neutrones en cada núcleo, es el isótopo de masa 3 y constituye alrededor de 10-15 a 10-16 por ciento de hidrógeno. La práctica de dar nombres distintos a los isótopos de hidrógeno se justifica por el hecho de que existen diferencias significativas en sus propiedades.producción de hidrógeno

Paracelso, médico y alquimista, en el siglo XVI experimentó sin saberlo con el hidrógeno cuando descubrió que un gas inflamable evolucionaba cuando un metal se disolvía en ácido. Sin embargo, el gas se confundió con otros gases inflamables, como los hidrocarburos y el monóxido de carbono. En 1766 Henry Cavendish, químico y físico inglés, demostró que el hidrógeno, entonces llamado aire inflamable, flogisto o principio inflamable, era distinto de otros gases combustibles debido a su densidad y a la cantidad de éste que evolucionaba de una cantidad dada de ácido y metal.

En 1781 Cavendish confirmó observaciones previas de que el agua se formó cuando se quemó el hidrógeno, y Antoine-Laurent Lavoisier, el padre de la química moderna, acuñó la palabra francesa hydrogène de la que se deriva la forma inglesa. En 1929 Karl Friedrich Bonhoeffer, un físico químico alemán, y Paul Harteck, un químico austriaco, en base a trabajos teóricos anteriores, mostraron que el hidrógeno ordinario es una mezcla de dos tipos de moléculas, orto-hidrógeno y parahidrógeno.

Debido a la estructura simple del hidrógeno, sus propiedades pueden ser calculadas teóricamente con relativa facilidad. Por lo tanto, el hidrógeno se utiliza a menudo como modelo teórico para átomos más complejos, y los resultados se aplican cualitativamente a otros átomos.

Producción y Aplicaciones del Hidrógeno

El método industrial más importante para la producción de hidrógeno es el proceso catalítico vapor-hidrocarburos, en el que los hidrocarburos gaseosos o vaporizados son tratados con vapor a alta presión sobre un catalizador de níquel a 650°-950° C para producir óxidos de carbono e hidrógeno: CnH2n+2 + nH2O → nCO + (2n + 1)H2; CnH2n+2 + 2nH2O→ nCO2 + (3n + 1)H2.

Los productos de reacción primarios son procesados de varias maneras, dependiendo de la aplicación deseada del hidrógeno. Otro proceso importante para la producción de hidrógeno es la oxidación parcial no catalítica de hidrocarburos bajo presiones elevadas: CnH2n+2 + (n/2)O2→ nCO + (n + 1)H2. Este proceso requiere un sistema de alimentación para entregar tasas precisas de combustible y oxígeno, quemadores de diseño especial para dar una mezcla rápida de los reactivos, un reactor revestido de refractario y un sistema de enfriamiento para recuperar el calor de los gases efluentes. Este último proceso es exotérmico (producción de calor), en contraste con el proceso endotérmico (absorción de calor) vapor-hidrocarburo.aplicacion de hidrógeno

En un tercer proceso, llamado el método de oxidación parcial catalítica a presión, los dos procesos anteriores se combinan para mantener la temperatura de reacción requerida sin calentamiento externo del lecho del catalizador. El vapor sobrecalentado y los hidrocarburos son mezclados, precalentados y mezclados con oxígeno calentado en un difusor en la parte superior del reactor catalítico. El oxígeno reacciona con los hidrocarburos en un espacio por encima del catalizador. Los reactivos entonces pasan a través de un lecho de catalizador de níquel en el que las reacciones vapor-hidrocarburo proceden casi al equilibrio.

Antes de 1940, la mayor parte de la producción mundial de hidrógeno se realizaba mediante procesos basados en carbón o coque, siendo el principal una reacción agua-gas entre el vapor y el coque al rojo vivo: H2O + C → CO + H2. En 1970, sin embargo, se producía relativamente poco hidrógeno por tales procesos. Durante muchos años se habían producido cantidades relativamente pequeñas de hidrógeno por electrólisis de soluciones acuosas de sal o hidróxido de sodio, siendo la reacción del electrodo H2O + e- → 1/2H2 + OH-.

La reacción entre el ácido sulfúrico o clorhídrico y un metal activo como el zinc se utiliza para liberar hidrógeno en el laboratorio, pero dicho hidrógeno usualmente contiene trazas de hidruros volátiles, tales como arsina (AsH3) y fosfina (PH3), producidos por impurezas en el metal. Estas impurezas volátiles se pueden eliminar burbujeando la mezcla de gases a través de una solución de un agente oxidante fuerte, como el permanganato de potasio.

Se desarrolló un método comercial para separar el hidrógeno del gas de síntesis de monóxido de carbono por difusión. El gas fluye bajo presión a través de haces de diminutas fibras huecas de poliéster a través de cuyas paredes pasa el hidrógeno.

El mayor uso de hidrógeno en el mundo se da en la fabricación de amoníaco, que consume cerca de dos tercios de la producción mundial de hidrógeno. El amoníaco se fabrica mediante el llamado proceso Haber-Bosch, en el que el hidrógeno y el nitrógeno reaccionan en presencia de un catalizador a presiones de alrededor de 1.000 atmósferas y temperaturas de alrededor de 500° C: N2 + 3H2 → 2NH3. Grandes cantidades de hidrógeno son utilizadas en la preparación de metanol por la reacción CO + 2H2 → CH3OH. Este proceso se lleva a cabo en presencia de ciertos catalizadores mixtos que contienen óxido de zinc y óxido de cromo a temperaturas entre 300° y 375° C y presiones entre 275 y 350 atmósferas.

amoníaco de hidrógeno

 

Otra aplicación importante del hidrógeno es la hidrogenación catalítica de compuestos orgánicos. Los aceites y grasas vegetales y animales insaturados se hidrogenan para producir margarina y manteca vegetal. El hidrógeno se utiliza para reducir los aldehídos, ácidos grasos y ésteres a los alcoholes correspondientes. Los compuestos aromáticos pueden reducirse a los correspondientes compuestos saturados, como en la conversión de benceno en ciclohexano y de fenol en ciclohexanol. Los compuestos de nitroglicerina pueden reducirse fácilmente a aminas.

 

El hidrógeno se ha utilizado como combustible primario para cohetes en la combustión con oxígeno o flúor y se prefiere como propulsor para cohetes nucleares y vehículos espaciales. Otro uso creciente del hidrógeno es en la reducción directa de los minerales de hierro a hierro metálico y en la reducción de los óxidos de tungsteno y molibdeno a los metales. Una atmósfera de hidrógeno (reductora) se emplea en el vertido de piezas fundidas especiales, en la fabricación de magnesio, en el recocido de metales y en el enfriamiento de grandes motores eléctricos.

El hidrógeno se usaba antes para inflar vasos más ligeros que el aire, como dirigibles y globos, pero ahora el helio se usa generalmente porque no es inflamable. Los globos de bombardeo utilizados en Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial, sin embargo, estaban llenos de hidrógeno. El hidrógeno líquido se utiliza en el laboratorio para producir bajas temperaturas.

Análisis

Cuando los átomos están excitados, como en una descarga eléctrica, irradian luz a longitudes de onda discretas que aparecen como líneas en el espectro. En la medida en que las longitudes de onda de las líneas espectrales atómicas son características del elemento, puede utilizarse el espectro atómico para identificar el elemento. El más simple de todos estos espectros es el del hidrógeno.

Johann Jakob Balmer, un matemático suizo y profesor de secundaria, descubrió en 1885 una ecuación para representar las longitudes de onda de las líneas espectrales de hidrógeno, de las cuales nueve habían sido observadas en el laboratorio y cinco más fueron fotografiadas en el espectro de la estrella Sirio. Las longitudes de onda, lambda (λ), en angstroms, estaban representadas por la fórmula: λ = 3645.6[m2/(m2 – 4)], m tomando los sucesivos valores 3, 4, 5, etc. No fue hasta 1913 que el físico danés Niels Bohr dio una base teórica para esta relación empírica en su teoría de la radiación atómica.

Los átomos de hidrógeno hidrídico

El movimiento de rotación del protón le da propiedades magnéticas y hace que precese en un campo magnético aplicado, de la misma manera que un trompo gira precesa en un campo gravitacional. La frecuencia a la que un protón particular precesa está determinada por su entorno eléctrico local y por la fuerza del campo magnético aplicado. Cuando los compuestos de hidrógeno son irradiados con ondas electromagnéticas de una frecuencia particular, el fenómeno de absorción de resonancia ocurre a concentraciones de campo magnético que son diferentes para cada protón estructuralmente (magnéticamente) distinguible en el compuesto.

Así, la resonancia magnética de protones permite distinguir los tipos estructurales de átomos de hidrógeno presentes; además, las intensidades de los picos de absorción son proporcionales al número de átomos de hidrógeno de cada tipo. Sin embargo, los picos de absorción a menudo se dividen debido a la interacción magnética de los momentos magnéticos de protones entre ellos. Las mediciones de resonancia magnética de protones proporcionan datos para la investigación de la estructura química.

Un método para determinar el contenido total de hidrógeno de una sustancia es oxidarla completamente en una corriente de oxígeno puro, que reacciona con el hidrógeno para producir vapor de agua. Los vapores resultantes pasan a través de un potente agente deshidratante, como el perclorato de magnesio, que absorbe el agua. A partir del aumento de peso del tubo de absorción que contiene el desecante, se puede calcular la cantidad de hidrógeno oxidado.

El hidrógeno gaseoso o los compuestos de hidrógeno pueden oxidarse pasándolos por encima del óxido de cobre caliente, y el agua resultante puede entonces recogerse y pesarse y calcularse la cantidad de hidrógeno; para medir el gas de hidrógeno en sí, el vapor de agua de la oxidación puede reducirse a gas de hidrógeno pasándolo por encima del metal de uranio caliente -el hidrógeno entonces medido en un dispositivo simple llamado bureta de gas.

Los átomos de hidrógeno fuertemente ácidos (como en compuestos como HCl, HNO3, H2SO4, etc.) pueden ser determinados en solución añadiendo cantidades medidas de una base fuerte, como hidróxido de sodio, NaOH, hasta que el ácido sea neutralizado, usando un indicador para determinar el punto final.

La reacción neta es H+ + OH- → H2O. Los átomos de hidrógeno débilmente ácidos (como los que están unidos al oxígeno en etanol, C2H5OH, y los que están unidos al nitrógeno en acetamida, CH3CONH2) pueden convertirse en metano (medido en una bureta de gas) por reacción con el reactivo de metilo de Grignard, CH3MgI. Los átomos de hidrógeno hidrídico (como en NaBH4, LiH, etc.) pueden convertirse en hidrógeno molecular (medido en una bureta de gas) por reacción con un ácido acuoso.