hidrógeno un elemento químico singular
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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HidrHidrgenogenoUn elemento quUn elemento qumico singularmico singular
Fernando Carrillo. Puertollano 2005
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno Introduccin
Propiedades generales
Estado natural
Comportamiento qumico
Obtencin
Usos y aplicaciones
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: introduccin
PARACELSUS (SIGLO XVI)
ROBERT BOYLE (1671)
HENRY CAVENDISH (1766)
ANTOINE LAVOISIER (1783)
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: propiedades
generales Es un no metal Forma molculas diatmicas H2 El elemento es menos reactivo
que los halgenos X2 Un tomo H tiene un nico
electrn Puede perderlo, para formar H+
Puede ganar otro, para formar H-
1
H1.00794
1
H1.00794
1s11s1
H2H2
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Hidrgeno: propiedades
generalesEL ELEMENTO: ISTOPOS
PROTIO HPROTIO H11HH
DEUTERIO DDEUTERIO D22HH
TRITIO TTRITIO T33HH
SPIN NUCLEARSPIN NUCLEAR 1/21/2 11 1/21/2
P.FP.F. EN E. EN E22 ((CC)) --259.04259.04 --254.27254.27 --252.38252.38
P.EbP.Eb. EN E. EN E22 ((CC)) --252.61252.61 --249.73249.73 --247.96247.96
PESOPESO
ATATMICOMICO
1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160
ABUNDANCIAABUNDANCIARELATIVA (%)RELATIVA (%)
99.9899.98 0.0150.015 1010--1717
E.E. DisDis. (. (kJkJ/mol)/mol) 438.88438.88 443.35443.35 446.90446.90
11 1111
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Hidrgeno: propiedades
generalesDEUTERIO: O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D:
SEPARACIN D2O/H2O SE UTILIZA PARA:
ESTUDIOS MECANSTICOS CONTROL DE REACCIONES NUCLEARES RMN
HH22O (s)O (s)
HH22O (l)O (l)
HH22O (l)O (l)
DD22O (s)O (s)
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Hidrgeno: propiedades
generales
TRITIO:
N + n C + T T1/2=12,26 aos
He + e ()
Li + n He + T (Reactor nuclear)
Sus principales usos se encuentran en la medicina
nuclear
147
10
146
31
32
0-1
63
10
42
31
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Hidrgeno: propiedades
generalesEL ELEMENTO: ISTOPOS
PROTIO HPROTIO H11HH
DEUTERIO DDEUTERIO D22HH
TRITIO TTRITIO T33HH
SPIN NUCLEARSPIN NUCLEAR 1/21/2 11 1/21/2
P.FP.F. EN E. EN E22 ((CC)) --259.04259.04 --254.27254.27 --252.38252.38
P.EbP.Eb. EN E. EN E22 ((CC)) --252.61252.61 --249.73249.73 --247.96247.96
PESOPESO
ATATMICOMICO
1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160
ABUNDANCIAABUNDANCIARELATIVA (%)RELATIVA (%)
99.9899.98 0.0150.015 1010--1717
E.E. DisDis. (. (kJkJ/mol)/mol) 438.88438.88 443.35443.35 446.90446.90
11 1111
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Hidrgeno: propiedades
generalesSPINES NUCLEARES
ORTO Y PARA HIDRGENO
ORTO PARA
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Hidrgeno: propiedades
generales
Equilibrio orto-para del H2, D2 y T2
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Hidrgeno: propiedades
generales
QORTO
PARA
CATALIZADOR: C activo, Fe2O3
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Hidrgeno: propiedades
generalesEL ELEMENTO: ISTOPOS
PROTIO HPROTIO H11HH
DEUTERIO DDEUTERIO D22HH
TRITIO TTRITIO T33HH
SPIN NUCLEARSPIN NUCLEAR 1/21/2 11 1/21/2
P.FP.F. EN E. EN E22 ((CC)) --259.04259.04 --254.27254.27 --252.38252.38
P.EbP.Eb. EN E. EN E22 ((CC)) --252.61252.61 --249.73249.73 --247.96247.96
PESOPESO
ATATMICOMICO
1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160
ABUNDANCIAABUNDANCIARELATIVA (%)RELATIVA (%)
99.9899.98 0.0150.015 1010--1717
E.E. DisDis. (. (kJkJ/mol)/mol) 438.88438.88 443.35443.35 446.90446.90
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Hidrgeno: propiedades
generalesEL ELEMENTO: ISTOPOS
PROTIO HPROTIO H11HH
DEUTERIO DDEUTERIO D22HH
TRITIO TTRITIO T33HH
SPIN NUCLEARSPIN NUCLEAR 1/21/2 11 1/21/2
P.FP.F. EN E. EN E22 ((CC)) --259.04259.04 --254.27254.27 --252.38252.38
P.EbP.Eb. EN E. EN E22 ((CC)) --252.61252.61 --249.73249.73 --247.96247.96
PESOPESO
ATATMICOMICO
1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160
ABUNDANCIAABUNDANCIARELATIVA (%)RELATIVA (%)
99.9899.98 0.0150.015 1010--1717
E.E. DisDis. (. (kJkJ/mol)/mol) 438.88438.88 443.35443.35 446.90446.90
11 1111
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Hidrgeno: propiedades
generales
H2 2 H
CALENTAMIENTO A ELEVADA TEMPERATURA
700C 3,7.10-4 % DISOCIACIN
5500C 98.8 % DISOCIACIN
DESCARGAS ELCTRICAS
RADIACIONES
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: propiedades
generalesDensidad (g/ml) en fase gas 0.089
Punto de Fusin (K) 14.01
Punto de Ebullicin (K) 20.28
Radio covalente en H2 () 0.37
Radio inico en LiH () 1.36
Potencial de Ionizacin (eV) 13.54
Afinidad Electrnica (eV) 0.715
Electronegatividad
(E. Pauling)
2.1
Potencial normal (V) H+ + 1e- H2 0.00
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92%
7% 1%
Hidrgeno
He
Resto
UniversoUniverso
Espacio interestelar H
Estrellas H2 y H
Hidrgeno: estado natural
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Hidrgeno: fusin nuclearEn el ciclo bsico de fusindel Hidrgeno, cuatroncleos de hidrgeno(protones) se unen paraformar un ncleo de Helio.Es importante recordar queesta fusin desprendeenerga en el centro de una
estrella. Esta es la fusinque genera energa ennuestro Sol. Conocemosesta energa cuandosentimos calor en un da de
verano, como hoy.5. Se forma unapartculaalfa y se liberan dosprotonesy mucha energa
4. Se producenncleos de helio quese fusionan
3. El deuteriofusionacon otro protn
1. Se fusionandos protones
2. Un protn setransmuta
en un neutrn,formandodeuterio
Se emiten un electrn yun neutrino
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: fusin nuclearEn la Tierra, parece que es
ms interesante realizar otrotipo de fusin para poderobtener una fuente deenerga casi inagotable. Se
trata de la fusin delDeuterio o, incluso mejor, dela fusin de Deuterio conTritio.
FUSIN DE DEUTERIO
FUSIN DEUTERIO-TRITIO
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Hidrgeno: fusin nuclear
ITER TOKAMAKITER TOKAMAK
REACTORREACTOR
EXPERIMENTALEXPERIMENTALDE FUSIDE FUSINNPOR CONFINAMIENTOPOR CONFINAMIENTO
MAGNMAGNTICOTICO
CadaracheCadarache (FR) 2015(FR) 2015
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: estado natural
LA TIERRALA TIERRA
Dcimo elemento en peso ms abundante de lacorteza terrestre
Como H2O cubre el 80 % de la superficie terrestre
Constituye el 70% del cuerpo humano
Compuestos orgnicos
Combustibles fsiles (petrleo, gas natural, etc.)
Estratosfera en forma atmica
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: comportamiento
qumicoLA REACCIN CON EL OXGENO:
H2 + O2 H2O(g) H= -242 kJ.mol-1
H2 2HH + O2 OH + OOH + H2 H2O + HO2 + H OH + H
OH + H H2O
O + H2 H2O
REACCIONES DE TERMINACIREACCIONES DE TERMINACINN
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: comportamiento
qumicoLA REACCIN CON EL OXGENO:
El H2 se quema, al aire, en concentraciones entre4 y 75% (frente a 5.4-15% de G.N.)
La temperatura de combustin espontnea es de585C (frente a 540 de G.N.)
Es menos explosivo (conc. 13-64%)que el G.N. (conc. 6.3-14%)
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Hidrgeno: comportamiento
qumico
Perder el electrn HH++
Ganar un electrn HH--
Compartir el electrn EE--HH
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Hidrgeno: hidruros binarios
H+A-
AH-HnAmHnAm
A
H-
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Hidrgeno: hidruros binarios
CLASIFICACIN DE PANETH
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H-H-H-H- H+H+
Xe
Hidrgeno: hidruros binarios
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Hidrgeno: hidruros binarios
H-H-H-H-H-H
-H-H
-
++
INTERCAMBIO
H+H+H+H+ +
HF + H2O-++ -
[H3O]F
-+Li[BH4]Li+HH-- + (BH3)2
-
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Hidrgeno: hidruros binarios
H-H-
H-H
-H2H+H
++
Li+H- + H2O H2 + LiOH-+
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Hidrgeno: hidruros inicos
Electronegatividad
H- M = G1 Y PESADOS G2M < H
Radio () Relacin Q/rH 0.32
H-
1.53 0.65F- 1.19 0.84
Cl- 1.67 0.60
-
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Redes inicas tridimensionalesPuntos de fusin > 600C
Mtodo de obtencin
M + n/2 H2 MHn
Hidrgeno: hidruros inicos
Conducen la electricidad en fundido
La electrolisis produce H2
en el nodo
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Hidrgeno: hidruros inicos
Afinidad protnica
H- + H+ H2
Li+H- H2 + Li+OH-H2O
-+
H-OR-+
H2 + Li+OR-
H-NH2-+
H2 + Li+NH2-
-
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Hidrgeno: hidruros inicos
Carcter reductor
H-
H2 + e-
E = - 2.25 V
2NaH + O2 H2O + Na2O
Hid hid
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Hidrgeno: hidruros
metlicos
Hidrgeno: hidruros
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Hidrgeno: hidruros
metlicos
METLICOS:
INTERSTICIALES
ESTEQUIOMTRICOSCrH VH
2
NO ESTEQUIOMTRICOSTiH1.9 HfH2.1
Hidrgeno: hidruros
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Hidrgeno: hidruros
metlicos Duros
Brillo metlico
Conducen la electricidado son semiconductores
Propiedades magnticas
Quebradizos
Hidrgeno: hidruros
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Hidrgeno: hidruros
metlicos
Absorben gran cantidad de H2, queliberan se puede liberar a conveniencia
Almacn de H2
Hidrgeno: hidruros
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Hidrgeno: hidruros
metlicos
Presin
parcialde
H2
libre
% Capacidad hidrgeno
Carga a baja presin relativa y baja temperatura
Descarga a altatemperatura
Hidrgeno: hidruros
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BATERAS DE NIQUEL-HIDRURO
Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son:
descarga
2 Ni(O)(OH) + MHn n Ni(OH)2 + Mcarga
Como electrodo negativo se utilizan aleaciones de nquel (MHn) muy
complejas, distinguindose principalmente dos tipos: AB5 y AB2:
dnde A = La, Ce, Pr, Nd
B = Ni, Co, Mn, Al
Hidrgeno: hidruros
metlicos
Hidrgeno: hidruros
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Hidrgeno: hidruros
covalentes
MolecularesCH4
H2O HF
NH3
BeH2 B2H6Polimricos
Hidrgeno: hidruros
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Hidrgeno: hidruros
covalentesENLACES DE HIDRGENO
XX HH YY
XX HH XX HHXX muy electronegativomuy electronegativo
F > O > Cl > N >F > O > Cl > N > BrBr> I = S = C> I = S = C
HH pequepequeo, enlaza mejor cono, enlaza mejor con tomostomos peqpeq..
Hidrgeno: hidruros
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Hidrgeno: hidruros
covalentes
(NH3)
Hidrgeno: hidruros
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: hidruros
covalentes
BHH
BH
H H
HBe H
HBe Be
H
H
AlH
H
Al
H
H H
H
H
H
Al
H
H
Al
Hidrgeno: hidruros
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Hidrgeno: hidruros
covalentes
Deficientes en electrones
BH
H
B
H
H H
H
B B
H..
B BH
Tricntrico3c-2e
Hidrgeno: hidruros
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Hidrgeno: hidruros
covalentes
B B
B BH
H
B BH
B sp3
H 1s
B-H-B
3
3
Hidrgeno: hidruros
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Hidrgeno: hidruros
covalentes
B B
H
O O
H
3c/2e-
Hidruro puente
en B2H6
3c/4e- Enlacede hidrgeno
en el agua
Hidrgeno: hidruros
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: hidruros
covalentes
L = CO, PR3, Cp-
MHxLyCOMPLEJOS HIDRURO
Hidrgeno: hidruros
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: hidruros
covalentes
Complejos hidruro no clsicos
H2 como ligando
W(CO)3(H2)(PiPr3)2
G. Kubas, 1984
Hidrgeno: hidruros
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: hidruros
covalentes
LnMH
HLnM
H
H
d
LnM
H
H
LnM
H
H
d
Hidrgeno: hidruros
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: hidruros
covalentes
Qu favorece este comportamiento no clsico?
Naturaleza del centro metlico: poco dadores
Carga neta del complejo: neutros, catinicos
Ligandos unidos al metal: aceptores
LnM
H
HLnM
H
H
Hidrgeno: hidruros
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g
covalenteshidrogenacin
isomerizacin de olefinas
hidroformilacin
polimerizacin de olefinas
Procesoscatalticos
CH3-CH3+ H2
nn
CH3-CH2-CHO+ H2 + CO
Hid bt i
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: obtencin
Hidrgeno obtencin
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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OBTENCIN A ESCALA DE LABORATORIO
M + H+ Mn+ + H2Zn + HCl ZnCl2 + H2
M + OH- M(OH)n + H2Al + NaOH Na[Al(OH)4] + H2
M + H2O M(OH)n + H2Na + H2O NaOH + H2
H- + H2O OH- + H
2LiH + H2O LiOH + H2
Hidrgeno: obtencin
Na en agua
Fe en HCl
Hidrgeno: obtencin
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno: obtencin
ELECTROLISIS DEL AGUA
CAT(-) 2 H+ + 2e- H2
ANOD(+) 2 OH-
- 2e-
1/2O2 + H2OElectrolito: NaOH 25% 2-2.5V electrodos de Ni Fe0.2% produccin mundial de H2
Mejor: FC FC*
H2O + FC* H2 + O2 + FC
energa solar
Hidrgeno: obtencin
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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OBTENCIN A ESCALA INDUSTRIAL
REDUCCIN DE AGUA CON COQUE
H2O(g) + C H2 + CO (+ N2 gas de sntesis)2C + O2 2CO
H2O + CO CO2 + H2
CO2 + K2CO3(aq) 2KHCO3(aq)
Problemas: presencia de S escasez de C
Fe2O3
1200C
Hidrgeno: obtencin
Hidrgeno: obtencin
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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OBTENCIN A ESCALA INDUSTRIAL.
REDUCCIN DE AGUA CON HIDROCARBUROS
CH4 (GAS NATURAL) + H2O CO + H2
OXIDACIN PARCIAL DE FUEL-OIL
CnHm + n/2O2 n CO + m/2 H2
Ni
P T
P T
Hidrgeno: obtencin
Hidrgeno: obtencin
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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OBTENCIN A ESCALA INDUSTRIAL.
REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS
R-CH2-CH2-CH2-CH2-R 2 R-CH=CH2 + H2
PROCESO CLORO-LCALI: SUBPRODUCTOIMPORTANTE
Hidrgeno: obtencin
Hidrgeno: obtencin
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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Hidrgeno
Otro gas
Hidrgeno: obtencin
Hidrgeno: usos y
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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aplicaciones
Hindenburg, ardiendo en 1937
BMW Mini, con hidrgeno
Lanzadera espacial:
500000 l de O2 lquidoy 1.5 millones de l deH2 lquido
Atoln de Bikini,1954
Hidrgeno: usos y
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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aplicaciones
PROD. PARTIDA
MARGARINAS
NAVES ESPACIALES. PILAS
DE COMBUSTIBLE.
FERTILIZANTESPLSTICOS
PRODUCCIN DEMETALES
Hidrgeno: usos y
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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aplicacionesJULES VERNE, EN LA ISLA MISTERIOSA (1874) DICE:creo que algn da se utilizar el agua como combustible, que el hidrgenoy el oxgeno que la componen, ya sean juntos o separados, proporcionarnuna fuente inagotable de luz y calor, de una intensidad de la cual el carbnno es capaz. El agua ser el carbn del futuro
Hidrgeno: usos y
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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aplicaciones O2 + 2e O2-H2 2H+ + 2e
H2 + O2 H2O
CAT(+)
ANOD(-)PILA DE COMBUSTIBLEPILA DE COMBUSTIBLE
DE HIDRDE HIDR
GENOGENO
electrolito
catalizador
H2O
H2H+
electroneselectrones
2H++O2- =H2O
O2+2e=O2-
H2=2H++2e
O2
CALORCALOR
Hidrgeno: usos y
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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aplicaciones1) Las pilas de hidrgeno son eficientes, ya que transforman el hidrgeno y el oxgeno directamente en
electricidad y agua sin ninguna combustin durante el proceso. La eficiencia del proceso se sita entreel 50 y el 60%, que equivale aproximadamente al doble de la eficiencia del motor de explosin.2) Las pilas de hidrgeno son limpias, porqu no producen ninguna emisin, slo la produccin de aguapura. Al contrario que el motor de explosin, la pila de hidrgeno no emite ni dixido de azufre (quecontribuye a la lluvia cida), ni tampoco el xido de nitrgeno (que contribuye a la creacin del smog)ni ningn tipo de partcula contaminante.
3) Las pilas de hidrgeno son muy silenciosas, ya que no tienen ningn mecanismo mvil, aunque tieneun sistema de bomba y ventilador, as pues la produccin de electricidad es bastante silenciosa. Muchasinstalaciones, como por ejemplo los hoteles, pueden sustituir la ingeniera diesel por pilas de hidrgenocomo suplemento al poder energtico o bien como reservas de energa en caso de apagn.4) Las pilas de combustible son modulares, se pueden colocar juntas para conseguir la cantidad de energanecesaria. La pila de hidrgeno puede producir energa en un amplio margen desde pocos vatios a unoscuantos megavatios.5) Las pilas de hidrgeno no son peligrosas para el medio ambiente, no producen sustancias txicas,ya que el nico desecho del proceso es el agua (o bien agua y dixido de carbono en el casode las pilas de metanol).6) Las pilas de hidrgeno nos dan la oportunidad de poder obtener una gran cantidad de energa a
partir de fuentes sostenibles: el agua y el aire.
Hidrgeno: usos y
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5/22/2018 Hidr geno Un Elemento Qu mico Singular
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aplicaciones
1) La pila de hidrgeno deber tener una aceptacin en el mercado para tener xito. Esta aceptacindepende claramente del precio de las pilas, la duracin y precisin y la accesibilidad al precio delcombustible. Comparado con el precio de las actuales alternativas, como por ejemplo laingeniera del diesel y las bateras, las pilas de hidrgeno son realmente caras. Para ser competitivas,deben ser producidas con un bajo coste.
2) Desarrollo de infraestructuras para el mercado. Casi no existen infraestructuras para este tipo decombustibles. Es por ello que nosotros debemos confiar en las actividades de las compaas petrolerasy de gas para que ellos las introduzcan. Slo si los conductores son capaces de obtener el combustiblea un precio razonable, sern desarrolladas unas nuevas aplicaciones para el motor.
3) Polticas adecuadas. Son necesarias polticas orientadas al desarrollo de esta tecnologa. Las actualesleyes y regulaciones ambientales extremadamente rigurosas han reforzado la investigacin en este campo.
4) El catalizador. Actualmente el platino es el componente clave de la pila de hidrgeno. El platino es unrecurso natural escaso; la mayora de sus fuentes estn en Surfrica, Rusia y Canad. La escasez deplatino no est prevista en el desarrollo de la pila de hidrgeno.
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aplicacionesQU BONITO SERA SI.!
Tambin aqu
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http://www.ajusa.es/pilas_combustible/pilas_combustible.htm
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