Dihidrógeno
L'hidrogen molecular o dihidrógeno[1] (antigament cridat hidrogen o hidrogen gaseós) és una molècula diatómica composta per dos àtoms d'hidrogen; a temperatura ambiente és un gas inflamable, incoloro i vàter.
En el laboratori s'obté per mig de la reacció d'àcits en metalés com el zinc i industrialment per mig de l'electrólisis de l'aigua. El dihidrógeno s'ampra en la producció d'amoniaco, com combustible alternatiu i recentment per al suministrament d'energia en les piles de combustible.
Té un punt d'ebullició de tan sol 20,27 K (-252,88 °C) i un punt de fusió de 14,02 K (-259,13 °C). A molt alta pressió, tal com la que es produïx en el núcleu de les estreles jagantes de gas, les molècules muden la seua naturalea i el dihidrógeno es convertix en un líquit metàlic (vore hidrogen metàlic). A molt baixa pressió, com la de l'espai, l'element hidrogen tendix a existir com a àtoms individuals, simplement perque és molt baixa la provabilitat de que es combinen. No obstant, quan açò succeïx poden aplegar a formar-se núvols d'H2 que s'associen a la génesis de les estreles.
Aplicacions
[editar | editar còdic]En l'indústria química i petroquímica es requerixen grans cantitats d'H2. L'aplicació principal de l'H2 és per al processament (refinación) de combustibles fòssils i per a la síntesis de l'amoníac (procés d'Haver). Els processos fonamentals que consumixen H2 en una planta petroquímica són la hidrodesalquilación, la hidrodesulfurización i el hidrocraking.[2] L'H2 posseïx molts atres usos com agent hidrogenante, particularment en l'increment de la saturació de les grassas i els olis insaturados (que es troben en productes com la margarina), i en la producció de metanol. S'ampra també en la fabricació del àcit clorhídric i com a agent reductor per a minerals metàlics.
- Producció d'àcit clorhídric, combustible para eixidas, i reducció de mineralés metàlics.
- El dihidrógeno líquit s'ampra en aplicacions criogèniques, incloent l'investigació de la superconductividad.
- Empleat antany per la seua llaugerea com a gas de farcidura en globos i zepelines, despuix del desastre del Hindenburg es va abandonar el seu us pel seu gran inflamabilidad. Per eixe motiu en l'actualitat s'ampra heli en el seu lloc ya que no és inflamable ni explosiu.
A banda dels seus usos com a reactiu, l'H2 posseïx moltes aplicacions en Física i Ingenieria. S'usa per a l'escut de gas en métodos de soldadura, tals com la soldadura d'hidrogen atòmic. L'H2 s'ampra com refrigerante en generadors elèctrics en les estacions elèctriques, ya que és el gas en major conductivitat tèrmica. L'H2 líquit s'usa en l'investigació criogènica, incloent l'estudi de la superconductividad. ya que l'H2 és més llauger que l'aire (posseïx una densitat poc major que la quinceavo part de la de l'aire) va ser usat com a gas de farcidura per a globos aerostáticos i aeronaus. No obstant, este us va ser abandonat despuix del desastre del Hindenburg que va evidenciar la perillositat de l'hidrogen quan és usat per a estos fins. No obstant, encara se seguix usant per a inflar globos sonda meteorològics.
Els isòtops de l'hidrogen també tenen les seues aplicacions particulars. El deuteri (²H) posseïx aplicacions en el camp de la fissió nuclear, com moderador per a frenar neutrons, i també té aplicacions en reaccions de fusió nuclear. Els composts de deuteri tenen usos en Química i Biologia, sobretot en els estudis dels efectes isotòpics. El triti (³H), generat en els reactors nuclears, s'usa en la producció de bombes d'hidrogen, com radiomarcador en Ciències Biològiques, i com a font de radiació en pintures luminescents.
La temperatura d'equilibri del punt triple del dihidrógeno és un punt fix definit en l'escala de temperatures ITS-90.
El spin o gir de la molècula de dihidrógeno pot ser alineat homogéneamente per mig d'ones de radiofrecuencia. Esta propietat és el fonament de la resonància magnètica nuclear, dispositiu d'obtenció d'imàgens que és capaç d'arreplegar informació en funció de la diferent velocitat de recuperació del spin original de les molècules d'hidrogen (presents en l'aigua) dels diferents teixits d'un ser viu.
El dihidrógeno com a portador d'energia
[editar | editar còdic]
El dihidrógeno és una font d'energia tant per combustió en presència d'oxigen com en l'hipotètic context de plantes comercials de fusió nuclear alimentades per protio, deuteri o triti (isòtops naturals de l'hidrogen), una tecnologia que actualment es troba en desenroll en reactors experimentals ITER. L'energia del Sol prové de la fusió nuclear de l'hidrogen, no obstant, és un procés complicat de conseguir en la Terra. El dihidrógeno elemental obtingut de fonts solars, biològiques o elèctriques costera molta més energia per a produir-ho de la que s'obté de la seua combustió. El dihidrógeno pot generar-se a partir de fonts fòssils (com el metà) gastant menys energia de la que s'obté, pero es tracta de fonts no renovables que, ademés són fonts energètiques per sí mateixes.
Dihidrógeno com a combustible
[editar | editar còdic]S'ha parlat molt del dihidrógeno molecular com a possible portador d'energia. L'us de l'H2 tindria la ventaja de que les fonts fòssils podrien usar-se directament per a l'obtenció del gas (a partir de metà, per eixemple). L'H2 usat en els mijos de transport produiria una combustió neta en la que l'únic producte seria l'aigua, eliminant per complet les emissions de CO2.
No obstant, els costs per a l'infraestructura necessària per a portar a terme una conversió completa a una economia del dihidrógeno serien substancials.[3] Ademés, la densitat energètica del dihidrógeno líquit o gaseós (dins d'unes pressions pràctiques) és significativament menor que els combustibles tradicionals.
Per eixemple, pot amprar-se en motors de combustió interna. Una flota d'automòvils en motors d'este tipo és mantinguda en l'actualitat per Chrysler-BMW. Ademés, les piles de combustible en desenroll sembla que seran capaços d'oferir una alternativa neta i econòmica als motors de combustió interna.
Degut a que l'hidrogen és escàs en forma lliure i la major part d'ell es troba combinat en atres elements, no és una font d'energia primària, com sí ho són el gas natural, el petròleu i el carbó. En realitat, el dihidrógeno és un vector energètic, és dir un portador d'energia que es deu produir a partir de fonts primàries. Aixina i tot, el dihidrógeno com combustible presenta diverses ventages. El dihidrógeno es crema en l'aire lliure quan hi ha concentracions entre el 4 i el 75 % del seu volum. En canvi, el gas natural ho fa entre el 5,4 i el 15 %. La temperatura per combustió espontànea és de 585 °C, mentres que per al gas natural és de 540 °C. El gas natural explota en concentracions del 6,3 al 14 %, mentres que el dihidrógeno requerix concentracions entre el 13 i el 64 %, per lo que el gas natural és més explosiu que el dihidrógeno.
En l'actualitat existixen quatre formes d'utilisar l'hidrogen per a produir energia:
- Unint els seus núcleus dins d'un reactor denominat Tokamak, durant el procés conegut com fusió nuclear.
- Combinant-ho electroquímicamente en el dioxígeno sense generar flama per a produir directament electricitat dins d'un reactor conegut com pila de combustible.
- Combinant-ho químicament en el dioxígeno del aire a través de cremadors convencionals i a través de processos catalítics, método que conta en una àmplia aplicació domèstica.
- Combinant-ho químicament en l'oxigen en mig acuoso dins d'una caldera no convencional per a produir vapor motriu, en el cicle conegut com Chan K'iin [1].
Un dels principals problemes que es tenen en el dihidrógeno és el seu almagasenament i transport. Si es confina en forma gaseosa, el contenidor tindria que soportar pressions de fins a 200 atmòsfera. Si es desija almagasenar en forma líquida, es té que gelar a -253 °C i posteriorment guardar-se en un depòsit perfectament aïllat. Una atra forma d'almagasenament es pot portar a terme per mig d'una reacció química reversible en diverses substàncies per a formar hidrur metàlics.
Propietats físiques i químiques
[editar | editar còdic]Les característiques de solubilidad i d'adsorció del dihidrógeno en varis metals són molt importants en la metalúrgia (alguns metals poden sofrir carpiment per hidrogen) i en el desenroll de formes segures d'almagasenament per al seu us com a combustible. El dihidrógeno és molt soluble en molts composts formats per metals de les terres rares i metals de transició,[4] i pot dissoldre's tant en metals cristalins com en metals amorfos.[5] La solubilidad del dihidrógeno en els metals està influenciada per les distorsió anals i les impurees de la ret cristalina del metal.[6]
Combustió
[editar | editar còdic]
El dihidrógeno gaseós és molt inflamable i ardix en concentracions molt baixes en aire (4 % d'H2). l'entalpia de combustió del dihidrógeno és −286 kJ/mol, i la reacció de combustió és la següent:
- 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ/mol
Quan es mescla en dioxígeno en un ampli ranc de proporcions el dihidrógeno explota. En l'aire, el dihidrógeno ardix violentament. Les flames de dioxígeno i dihidrógeno pur són casi invisibles a l'ull humà, com es constata al vore lo tènues que són les flames dels motors principals de les llançadores espacials (en contraposició a lo fàcilment visibles que són les flames de les eixides impulsores de les llançadores). Per este motiu, és difícil detectar visualment si un escape de dihidrógeno està ardint. Les flames que s'aprecien en les fotos del dirigible Hindenburg són flames de dihidrógeno coloreadas pel material de la coberta de l'aeronau, que contenia carbono i pols d'alumini pirofórico, aixina com uns atres materials combustibles.[7] (Independentment de la causa d'este incendi, és clar que es va produir l'ignició del dihidrógeno, ya que en absència d'este gas la coberta del dirigible hauria tardat hores en cremar-se).[8] Una atra característica dels fòcs alimentats per dihidrógeno és que les flames tendixen a ascendir ràpidament en el gas a través de l'aire (alguna cosa que també es pot apreciar en les fotografies de l'accident del Hindenburg), causant menys danys que els fòcs alimentats per hidrocarburs. Per eixemple, dos terços dels passagers del dirigible varen sobreviure a l'incendi, i moltes de les morts que es varen produir varen ser per caigudes al buit i per la combustió de gasolina.[9]
L'H2 reacciona directament en atres elements oxidants. Pot produir-se una reacció espontànea i violenta a temperatura ambiente en presència de dicloro o diflúor, en la formació dels corresponents halogenuros d'hidrogen: clorur d'hidrogen i fluorur d'hidrogen.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Connelly, Neil G.(2005).Nomenclature of Inorganic Chemistry.
- ↑ «Els Alamos National Laboratory – Hydrogen». Archivat des d'el original, el 31 d'agost de 2005. Consultat el 15 de setembre de 2005.
- ↑ See Romm, Joseph (2004). The Hype about Hydrogen, Fact and Fiction in the Race to Save the Climate, Nova York: Island Press. (ISBN 1-55963-704-8)
- ↑ Takeshita T, Wallace WE, Craig RS. (1974). Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt. Inorg Chem 13(9):2282.
- ↑ Kirchheim R, Mutschele T, Kieninger W. (1988). Hydrogen in amorphous and nanocrystalline metals Mater. Sci. Eng. 99: 457–462.
- ↑ Kirchheim R. (1988). Hydrogen solubility and diffusivity in defective and amorphous metals. Prog. Mater. Sci. 32(4):262–325.
- ↑ Bain A(1999).24(5)
- 399–403.
- ↑ «Hindenburg Hydrogen Fire». Consultat el 16 de giner de 2007.
- ↑ «The Hindenburg Disaster». Swiss Hydrogen Association. Archivat des d'el original, el 24 de juny de 2007. Consultat el 16 de giner de 2007.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Dihidrógeno» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.