EL HIDROGENO OBJETIVO GENERAL •
Estudiar las propiedades del hidrogeno.
OBJETIVO ESPECIFICO. •
• •
Obtener hidrogeno gaseoso por radiación de un metal con una solución concentrada de HCl. Obtener hidrogeno gaseoso por electrolisis Reducir un oxido metálico por acción del hidrogeno gaseoso.
FUNDAMENTO TEÓRICO.
En un principio no se le distinguía de otros gases gases hasta hasta que el químico británico Henry Cavendish demostró en !"" que se #ormaba en la reacción del ácido sul#$rico con los metales y% metales y% más tarde% descubrió que el hidrógeno hidrógeno era era un elemento independiente que se combinaba con el oxígeno oxígeno para para #ormar agua agua.. El químico británico &oseph 'riestley lo llamó (aire (aire in)amable* in)amable* en !+% y el químico #ranc,s -ntoine aurent de avoisier le dio /nalmente el nombre de hidrógeno. Con un n$mero atómico igual a % el e l hidrógeno es el más simple de todos los átomos y el elemento que #orma más compuestos% y como la mayoría de los gases es diatómico% pero se disocia en átomos libres a altas temperaturas. tempera turas. 0e conocen tres isótopos del hidrógeno H% 1H 1 H 2deuterio% 34 y 5H 2tritio% 64. -unque los e#ectos isotópicos son los mayores en el caso del hidrógeno% lo cual 7usti/ca el uso de nombres di#erentes para los dos isótopos más pesados% las propiedades químicas del H% 3% 6 son esencialmente id,nticas excepto en materias tales como velocidades y constantes de equilibrio equilibrio de de las reacciones. Propied Prop iedades ades !si !si"as# "as# o
0u peso atómico es de .889!: uma.
o
0u estado estado de de oxidación son ;% <.
o
o
'ara completar su nivel de valencia captura un electrón a /n de producir el anión H=. as combinaciones con metales alcalinos y alcalinot,rreos a lcalinot,rreos excepto excepto >e y ?g.% son esencialmente enlaces iónicos.
o
Con los no metales son enlaces del tipo covalente.
o
Con los elementos de transición trans ición son con enlaces metálicos.
o
o
o
o
El H;% salvo en el estado gaseoso% en la química siempre se encuentra asociado por e7emplo@ H5O 2catión oxonio4. 6iene una estructura cristalina hexagonal. Económicamente soluble en agua y la solubilidad no es a#ectada por la temperatura. El hidrógeno reacciona con la mayoría de los elementos.
OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO A es"a$a i%d&s'ria$# El hidrógeno es un compuesto muy necesario en la industria para obtener amoniaco% para las reacciones de hidrogenación% etc. -ctualmente se obtienen grandes cantidades de hidrógeno a partir de la na#ta 2constituida esencialmente por hidrocarburos de A a ! átomos de carbono4% del gas natural 2metano en un 98B4 y de la descomposición electrolítica del agua 2aadiendo una pequea cantidad de ácido sul#$rico para hacerla más conductora de la escala. A es"a$a de $a(ora'orio# os metales alcalinos reaccionan violentamente con el agua en #río #ormándose el hidróxido correspondiente y desprendi,ndose Hidrógeno@
1 D ; 1 H1O
1 DOH ; H1
el proceso más cómodo es la reducción de un ácido mediante un metal de carácter d,bilmente reductor 2e% Fn% -l4. 'or e7emplo@
HCl ; Fn
FnCl1 ; H1
H10O: ; Fn
Fn0O: ; H1
ELECTRÓLISIS DEL AGUA
El agua en condiciones atmos#,ricas% atm y 1A GC% %o se des"o)po%e de )a%era espo%'*%ea 2energía libre de ibbs I :!:%: J&4 para #ormar H 12g4 y O12g4. 0i embargo%
esta reacción se puede inducir en una celda electrolítica como se muestra en la /gura anterior. 'ero cuando los electrodos se sumergen en agua pura y se conectan a la batería no sucede nada porque no hay su/cientes iones 2recordemos que a 1A GC KH ;L I 8M! ? y KOHML I 8M! ?4 que transporten una buena cantidad de corriente el,ctrica. 'ara que la reacción se pueda llevar a cabo rápidamente% se usa por e7emplo% una disolución 8% ? de H 10O:% porque en ella hay su/ciente cantidad de iones para conducir la electricidad. 3e inmediato empieNan a aparecer burbu7as de gas de hidrogeno y oxígeno en los dos electrodos% sin que haya consumo neto del ácido sul#$rico. as reacciones correspondientes son@
nodo@
1 H1O2l4
→
O12g4 ; : H;2ac4 ; : eM
1 K1 H;2ac4 ; 1 eM
Cátodo@
→
H12g4L
PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP + H+O,$-
→
+ H+,- / O+,-
E$ HIDROGENO COMO AGENTE REDUCTOR
El hidrógeno es un agente reductor debido a su capacidad de ceder o traspasar electrones a un agente oxidante% En realidad lo que ocurre con el hidrógeno es que ,l se oxida por tanto hace que se reduNca alguna otra sustancia. El 0idr1e%o es uno de los reactivos usados en química orgánica para realiNar reducciones de determinados grupos #uncionales o #unciones 2alquenosQ alquinos4 pero la especie reductora que estrictamente realiNa la reducción es el ion hidruro 2átomo de hidrógeno pero con carga negativa H<4 por esto el hidrógeno si no se usa en compaíaS de un cataliNador que generalmente son metales de transición como el Ti%'d%'t %etc. En las reacciones aeróbicas el oxigeno act$a como agente reductor como por e7emplo en la rancideN de las grasas en la que las descompone a trav,s de reacciones de hidrólisis lentasQ cataliNadas por enNimasQ que dan lugar a la #ormación de a$de0!dos 2 "e'o%as. El oxígeno del aire ataca a los dobles enlaces% en un proceso progresivoQ termina por romper la cadena de carbonos produciendo compuestos de mal olor. En la mantecaQ esta alteración provoca la aparición del ácido butírico o butanoicoQ causante de l sabor y del olor que toma esta sustancia cuando se altera
REACTIVOS 3U4MICOS 5i%" )e'*$i"o A"ido "$or0!dri"o A"ido s&$6ri"o S&$a'o de "o(re C$or&ro de "a$"io O7ido "6pri"o MATERIALES B&re'a Vaso pre"ipi'ado ,8999)$Pro(e'a
8
Jeri%a Vo$'*)e'ro de Ho:)a% E$e"'rodos Vo$'!)e'ro E)(&do T&(o de ;idrio e% or)a L T&;o se"ador T&(o de ;idrio T&(o de e%sa2o Sopor'e &%i;ersa$ Gra%a$$as de
1
DATOS C=LCULOS > RESULTADOS E?PERIMENTO @8 Zn( s) + 2 HCl(ac ) →ZnCl 2( g )+ H 2 ( g)
Reis'ro de da'os Masa de 5%,Vo$&)e% de$ 0idroe%o, cm
3
8.1 AA
-
1A
Te)pera'&ra °C Presi1% )a%o)'ri"a,))a&aPresi1% de ;apor de$ a&a,))H°
9.+8
Zn ∗1 molZn ° 65 g Zn
∗1 mol H
2
°
1 mol Zn
)
( ( −
17.3
∗10
13.6
)− )∗(
62.4
15.+
°
∗2 g H
2
=6.46∗10− gdeH teorico 3
2
1 mol H 2
495
!5
23.8
∗298
∗ )
0.055 2
=2.71∗10− g H EXPERIMENTAL 3
2
PARA EL RENDIMIENTO −3
%
2 . 71∗10 6 . 46∗10
−3
g g
∗100 = 41
. 95
E?PERIMENTO @+
Untensidad de corriente2-4 6iempo de electrolisis2seg4 6emperatura ambiente2
8.8 8+ 8
° C ¿
VOW?ET 3E hidrogeno2 cm 'resión manom,trica del hidrogeno Volumen de oxigeno2 cm ¿ 3
3
¿
8.
9.
8. Ca$"&$ar $a "ara 'o'a$ 'ra%serida e% "ada e7perie%"ia )edi%'e $a re$a"i1% 3I' do%de 3 es $a "ara e% "o$o)(ios I $a i%'e%sidad e% a)perios 2 ' e$ 'ie)po e% se&%dos. 39.988+8+. COLUMBIOS +. "a$"&$ar $a )asa de 0idroe%o &e se 0a prod&"ido ap$i"a%do $a pri)era $e2 de arada2 m H = 2
∗
∗
2 0.01 1275 2
∗96500
=0.132 mg H
2
. "a$"&$ar $a )asa e7peri)e%'a$ de 0idroe%o prod&"ido e)p$ea%do $o e"&a"i1% e%era$ de $os ases e% $as "o%di"io%es de ;o$&)e% 'e)pera'&ra 2 presi1% de$ sis'e)a de $a e7perie%"ia
( 495 + 4.89−17.55 )∗1.9∗10− ∗2 m H = =1.009∗10− g H 62.4∗291 3
4
2
2
K. "a$"&$ar $a )asa de o7ie%o &e se 0a prod&"ido ap$i"a%do $a pri)era $e2 de arada2 mO = 2
32∗0.01∗1275 4∗96500
=1.057 mgO 2
. "a$"&$ar $a )asa e7peri)e%'a$ de O?IGENO prod&"ido e)p$ea%do $o e"&a"i1% e%era$ de $os ases e% $as "o%di"io%es de ;o$&)e% 'e)pera'&ra 2 presi1% de$ sis'e)a de $a e7perie%"ia ( 495+ 3.38 −17.55 )∗0.89∗10− ∗16 mO = =3.77∗10− g O 62.4∗291 3
4
2
2
. de'er)i%e e$ re%di)ie%'o de$ por"e%'ae de$ pro"eso para a)(os "asos
E?PERIMENTO @
Masa de 5%.9K 5% Masa de C&O9.9 Vo$&)e% de
H 2 S O 4
+9 )$
Vo$&)e% de C&
S O4
)$
Masa '&(o i%i"ia$ +.9 Masa de '&(o %a$ .
m C! =0.32
INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Zn( s) + 2 HCl(ac ) →ZnCl 2( g )+ H 2 ( g)
En este experimento obtuvimos el hidrogeno haciendo reaccionar cinc metálico con acido clorhídrico observamos un burbu7eo y salida de gas por en la parte superior de la probeta volteada % es decir es el hidrogeno que se esta #ormado en la reacción %el tubo de ensayo en el que ocurre la reacción del cinc con el acido clorhídrico se calienta debido a que la reacción es exot,rmica %es decir % con desprendimiento de calor. CONCLUSIONES • •
• •
0e estudio algunas propiedades del hidrogeno 0e obtuvo el hidrogeno por reacción del metal de Fn con una solución concentrada de HCl Obtuvimos el hidrogeno gaseoso por electrolisis 0e pudo reducir el CuO por acción del hidrogeno gaseoso.
CUESTIONARIO Es"ri(a $as e"&a"io%es de $as pri%"ipa$es rea""io%es &e se prod&"e% e% es'a i%;es'ia"i1%.
+. "&a$ "ree &e &e $a &%"i1% C&S
O2
a"&oso e% e$ e%erador Co)pr&e(e
s& resp&es'a a$ %a$ de es'a i%;es'ia"i1% .a%o'e $a %a'&ra$e
-l 7untarse el sul#ato de cobre con el cinc metálico al cabo de un cierto tiempo cambia de color a un ro7o ladrillo. En la reacción del experimento esa coloración se va perdiendo en el transcurso del tiempo y nos indica que se acabo la reacción en el generador. . por&e se "&(ri1 e$ e%erador "o% &%a 'oa$$a de aQadir e$ a"ido s&$6ri"o e% e$ paso +
-l 7untar cinc metálico con acido sul#$rico la reacción es exot,rmica por ese motivo se cubre con una toalla h$meda. K. es"ri(a $as e"&a"io%es de $a red&""i1% "o% 0idroe%o de $a )a%e'i'a
"e3 O 4
PIROLISITA M%
O2
2 "ro)i'a
Cr 2 O3
Red&""i1% de )a%e'i'a
FeO red&""i1% de piro$isi'a
Cro)i'a
Cr 2 O3
FeO
. &e ;o$&)e% de ;apor de a&a )edido e% e$ orie% de s& or)a"i1% e% e$ 0&(o e e%sa2o 'e%dr!a% &e 0a(er prod&"ido +.99 de CaO e% es'a pra"'i"a S&po%a &e $a 'e)pera'&ra de $a $$a)a de$ )e"0ero (&%se% era 899C 2 $a presi1% a')osri"a de K9 'orr.
. )&es're por "*$"&$o &e rea"'i;o es'a(a prese%'e e% e7"eso e% e$ ras"o e%erador.
. Es %e"esario &e .89 de
Al 2 O3
sea% red&"idos por e$
H 2
,A- "&a%'os r
de 5% se 'ie%e% &e 'ra'ar "o% a"ido para &e se prod&<"a $a deseada "a%'idad de
H 2
,(- &e ;o$&)e% )!%i)o de a"ido s&$6ri"o de .99 M se
'ie%e &e aQadir a$ 5%. para prod&"ir $a "a%'idad re&erida de
H 2
.
. &%a "orrie%'e de 9.89 A "ir"&$a d&ra%'e 9 )i% a 'ra;s de 99 )$ de &%a diso$&"i1% e 9.8 M de NaC$ .si e% e$ *%odo so$o se e%era as "$oro )ie%'ras &e e% e$ "*'odo se red&"e e$ a&a e% as 0idroe%o C&*$ ser* $a "o%"e%'ra"i1% de $os io%es 0idr17ido e% $a so$&"i1% desp&s de$ pro"eso de $a e$e"'ro$isis
. e% e$ $a(ora'orio de &!)i"a e%era$ de $a a"&$'ad de i%e%ier!a de $a UMSA . E% e$ ;o$'*)e'ro de o7ie%o se despre%de e% e$ *%odo e% "o%di"io%es %or)a$es de presi1% 2 'e)pera'&ra
89. U%a )&es'ra i)p&ra de
cm
3
de HC$
3
&e 'ie%e &%a de%sidad de 8.8 cm 2 "o%'ie%e de HC$ e% )asa,a- "&a$ es e$ por"e%'ae de "i%" )e'*$i"o e% $a )&es'ra s&po%a &e$a i)p&re
88. e$ a"ido s&$6ri"o rea""io%a "o% e$
g
8+. e7p$i&e e$ )'odo de $a o('e%"i1%# REFORMADO > PRODUCCION BIOLOGICA. E$ reor)ado# es un m,todo para la obtención de 0idr1e%o a partir de hidrocarburos y en particular gas natural. Este proceso requiere de una gran cantidad de energía para realiNar el re#ormado y en el caso de algunos combustibles% se necesita una remoción de contenidos de aNu#re y otras impureNas.
Este proceso consiste en exponer al gas natural de alto contenido de metano con vapor de agua a alta temperatura y moderada presión. se obtienen como resultado de la reacción química hidrógeno y dióxido de carbonoQ y dependiendo la meNcla re#ormada% tambi,n monóxido de carbono% este proceso tiene un rendimiento de "AB y en el caso de que el gas natural contenga aNu#re% este debe ser eliminado mediante la desul#uración. El proceso se lleva a cabo mediante dos reacciones% la primera es la reacción de Xater as 0hi#t entre el agua y el metano@
Prod&""i1% (io$1i"a# las algas y las bacterias producen directamente hidrógeno en determinadas condiciones. 3urante los $ltimos aos se estudia este recurso de gran envergadura potencial aunque con un ritmo de producción de hidrógeno bastante lento. 0e necesitan grandes super/cies y la mayor parte de los organismos apropiados no se han encontrado todavía. Hoy en día está siendo ob7eto de estudio en distintos centros investigación.
. BIBLIOGRAFIA • • • •
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Yuímica eneral 'RE6RWCCZ H-RXOO3S '-UT- 25" - 5554
