Dihidrógeno

 
Dihidrógeno
Nombre IUPAC
Dihidrógeno
General
Fórmula estructural Imagen de la estructura
Fórmula molecular H2
Identificadores
Número CAS 1333-74-0[1]
ChemSpider 762
PubChem 783
Propiedades físicas
Masa molar 2,01589(4) g/ mol
Termoquímica
S0gas, 1 bar 130,680 ± 0,003 J·mol-1· K
Peligrosidad
NFPA 704

NFPA 704.svg

4
0
0
Valores en el SI y en condiciones estándar
(25 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.
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El dihidrógeno[2] (antiguamente llamado hidrógeno o hidrógeno gaseoso) es una molécula diatómica compuesta por dos átomos de hidrógeno; a temperatura ambiente es un gas inflamable, incoloro e inodoro.

En el laboratorio se obtiene mediante la reacción de ácidos con metales como el zinc e industrialmente mediante la electrólisis del agua. El dihidrógeno se emplea en la producción de amoniaco, como combustible alternativo y recientemente para el suministro de energía en las pilas de combustible.

Tiene un punto de ebullición de tan solo 20,27  K (−252,88  °C) y un punto de fusión de 14,02 K (−259,13 °C). A muy alta presión, tal como la que se produce en el núcleo de las estrellas gigantes de gas, las moléculas mudan su naturaleza y el dihidrógeno se convierte en un líquido metálico (ver hidrógeno metálico). A muy baja presión, como la del espacio, el elemento hidrógeno tiende a existir como átomos individuales, simplemente porque es muy baja la probabilidad de que se combinen. Sin embargo, cuando esto sucede pueden llegar a formarse nubes de H2 que se asocian a la génesis de las estrellas.

Aplicaciones

En la industria química y petroquímica se requieren grandes cantidades de H2. La aplicación principal del H2 es para el procesamiento (refinación) de combustibles fósiles y para la síntesis del amoníaco ( proceso de Haber). Los procesos fundamentales que consumen H2 en una planta petroquímica son la hidrodesalquilación, la hidrodesulfurización y el hidrocraking.[3] El H2 posee otros muchos usos como agente hidrogenante, particularmente en el incremento de la saturación de las grasas y los aceites insaturados (que se encuentran en productos como la margarina), y en la producción de metanol. Se emplea también en la fabricación del ácido clorhídrico y como agente reductor para minerales metálicos.

Aparte de sus usos como reactivo, el H2 posee muchas aplicaciones en Física e Ingeniería. Se usa para el escudo de gas en métodos de soldadura, tales como la soldadura de hidrógeno atómico. El H2 se emplea como refrigerante en generadores eléctricos en las estaciones eléctricas, ya que es el gas con mayor conductividad térmica. El H2 líquido se usa en la investigación criogénica, incluyendo el estudio de la superconductividad. Puesto que el H2 es más ligero que el aire (posee una densidad poco mayor que la quinceava parte de la del aire) fue usado como gas de relleno para globos aerostáticos y aeronaves. Sin embargo, este uso fue abandonado tras el desastre del Hindenburg que evidenció la peligrosidad del hidrógeno cuando es usado para estos fines. No obstante, aún se sigue usando para inflar globos sonda meteorológicos.

Los isótopos del hidrógeno también tienen sus aplicaciones particulares. El deuterio (²H) posee aplicaciones en el campo de la fisión nuclear, como moderador para frenar neutrones, y también tiene aplicaciones en reacciones de fusión nuclear. Los compuestos de deuterio tienen usos en Química y Biología, sobre todo en los estudios de los efectos isotópicos. El tritio (³H), generado en los reactores nucleares, se usa en la producción de bombas de hidrógeno, como radiomarcador en Ciencias Biológicas, y como fuente de radiación en pinturas luminiscentes.

La temperatura de equilibrio del punto triple del dihidrógeno es un punto fijo definido en la escala de temperaturas ITS-90.

El spin o giro de la molécula de dihidrógeno puede ser alineado homogéneamente mediante ondas de radiofrecuencia. Esta propiedad es el fundamento de la resonancia magnética nuclear, dispositivo de obtención de imágenes que es capaz de recoger información en función de la diferente velocidad de recuperación del spin original de las moléculas de hidrógeno (presentes en el agua) de los diferentes tejidos de un ser vivo.

El dihidrógeno como portador de energía

Prototipo de vehículo alimentado con hidrógeno.

El dihidrógeno no es una fuente de energía, excepto en el hipotético contexto de las plantas comerciales de fusión nuclear alimentadas por deuterio o tritio, una tecnología que actualmente se encuentra en desarrollo en el reactor experimental ITER. La energía del Sol proviene de la fusión nuclear del hidrógeno, sin embargo, es un proceso complicado de conseguir en la Tierra. El dihidrógeno elemental obtenido de fuentes solares, biológicas o eléctricas cuesta mucha más energía para producirlo de la que se obtiene de su combustión. El dihidrógeno puede generarse a partir de fuentes fósiles (como el metano) gastando menos energía de la que se obtiene, pero se trata de fuentes no renovables que, además son fuentes energéticas por sí mismas.

Dihidrógeno como combustible

Se ha hablado mucho del dihidrógeno molecular como posible portador de energía. El uso del H2 tendría la ventaja de que las fuentes fósiles podrían usarse directamente para la obtención del gas (a partir de metano, por ejemplo). El H2 usado en los medios de transporte produciría una combustión limpia en la que el único producto sería el agua, eliminando por completo las emisiones de CO2.

Sin embargo, los costes para la infraestructura necesaria para llevar a cabo una conversión completa a una economía del dihidrógeno serían sustanciales.[4] Además, la densidad energética del dihidrógeno líquido o gaseoso (dentro de unas presiones prácticas) es significativamente menor que los combustibles tradicionales.

Por ejemplo, puede emplearse en motores de combustión interna. Una flota de automóviles con motores de este tipo es mantenida en la actualidad por Chrysler- BMW. Además, las pilas de combustible en desarrollo parece que serán capaces de ofrecer una alternativa limpia y económica a los motores de combustión interna.

Debido a que el hidrógeno es escaso en forma libre y la mayor parte de él se encuentra combinado con otros elementos, no es una fuente de energía primaria, como sí lo son el gas natural, el petróleo y el carbón. En realidad, el dihidrógeno es un vector energético, es decir un portador de energía que se debe producir a partir de fuentes primarias. Aun así, el dihidrógeno como combustible presenta diversas ventajas. El dihidrógeno se quema en el aire libre cuando hay concentraciones entre el 4 y el 75 % de su volumen. En cambio, el gas natural lo hace entre el 5,4 y el 15 %. La temperatura por combustión espontánea es de 585 °C, mientras que para el gas natural es de 540 °C. El gas natural explota en concentraciones del 6,3 al 14 %, mientras que el dihidrógeno requiere concentraciones entre el 13 y el 64 %, por lo que el gas natural es más explosivo que el dihidrógeno.

En la actualidad existen cuatro formas de utilizar el hidrógeno para producir energía:

  • Uniendo sus núcleos dentro de un reactor denominado Tokamak, durante el proceso conocido como fusión nuclear.
  • Combinándolo electroquímicamente con el dioxígeno sin generar llama para producir directamente electricidad dentro de un reactor conocido como pila de combustible.
  • Combinándolo químicamente con el dioxígeno del aire a través de quemadores convencionales y a través de procesos catalíticos, método que cuenta con una amplia aplicación doméstica.
  • Combinándolo químicamente con el oxígeno en medio acuoso dentro de una caldera no convencional para producir vapor motriz, en el ciclo conocido como Chan K'iin [1].

Uno de los principales problemas que se tienen con el dihidrógeno es su almacenamiento y transporte. Si se confina en forma gaseosa, el contenedor tendría que soportar presiones de hasta 200 atmósferas. Si se desea almacenar en forma líquida, se tiene que enfriar a -253 °C y posteriormente guardarse en un depósito perfectamente aislado. Otra forma de almacenamiento se puede llevar a cabo mediante una reacción química reversible con diversas sustancias para formar hidruros metálicos.

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