Propiedades, Obtención y Aplicaciones del Hidrógeno y el Ozono

Estudio del Hidrógeno y sus Aplicaciones

Usos del Hidrógeno

Se utiliza para la obtención de amoniaco por el método Haber: $\text{N}_2 + 3\text{H}_2(g) \leftrightarrow 2\text{NH}_3(g)$. También para la obtención de metanol: $\text{CO}(g) + 2\text{H}_2(g) \rightarrow \text{CH}_3\text{OH}(g)$. Junto con el $\text{O}_2$ se utiliza para la propulsión de cohetes espaciales.

Isótopos del Hidrógeno

• Protio ($1e^{-}, 1p^{+}, 0n^{0}$, $99{,}98\%$ abundancia atmosférica).
• Deuterio ($1e^{-}, 1p^{+}, 1n^{0}$, $0{,}015\%$).
• Tritio ($1e^{-}, 1p^{+}, 2n^{0}$, trazas, radiactivo).

Obtención a Nivel de Laboratorio

A) El $\text{H}_2$ se prepara en el laboratorio por reducción de iones $\text{H}^{+}$ con un metal que tenga un potencial de reducción negativo ($-\text{E}^{\circ}$) como:

$\text{Zn}(s) + 2\text{HCl}(aq) \rightarrow \text{ZnCl}_2(aq) + \text{H}_2(g) \quad (\text{Zn}, \text{E}^{\circ} = -0{,}76\text{ V})$

Para que un elemento pueda desplazar al $\text{H}_2$ de sus compuestos, su potencial de reducción debe ser más negativo que el del $\text{H}_2$.

Las semireacciones serían:

• $2\text{H}^{+} + 2e^{-} \rightarrow \text{H}_2$
• $\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^{-}$
• $2\text{H}^{+} + \text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{H}_2$

B) Oxidación de un hidruro con agua:

$\text{CaH}_2(s) + 2\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow \text{Ca}(\text{OH})_2(ac) + 2\text{H}_2(g)$

C) Reacción del agua con metales alcalinos:

$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2$

La reacción con el sodio es muy exotérmica; por ello, el sodio puede llegar a fundirse y desplazarse sobre la superficie del agua.

Obtención a Nivel Industrial

A) Reacción del agua con hidrocarburos (reformado con vapor):

$\text{CH}_4(g) + \text{H}_2\text{O}(g) \xrightarrow[700^{\circ}\text{C}]{\text{Ni}} \text{CO}(g) + 3\text{H}_2(g)$

$\text{CO}(g) + \text{H}_2\text{O}(g) \xrightarrow[400^{\circ}\text{C}]{\text{Fe}_2\text{O}_3} \text{CO}_2(g) + \text{H}_2(g)$

Lo que daría una reacción global:

$\text{CH}_4(g) + 2\text{H}_2\text{O}(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 4\text{H}_2(g)$

Es una reacción endotérmica catalizada entre el metano y el vapor de agua. En primer lugar se obtiene una mezcla gaseosa de monóxido de carbono e hidrógeno, difícil de separar, donde se procede a enfriar la mezcla e inyectarle nuevamente vapor de agua sobre un catalizador ($\text{Fe}_2\text{O}_3$). Se puede separar por:

• Método físico: enfriando la mezcla por debajo de la temperatura de condensación del $\text{CO}_2$, muy diferente a la del $\text{H}_2$.
• Método químico: el $\text{CO}_2$ es un óxido capaz de reaccionar con una disolución de carbonato potásico para dar carbonato ácido de potasio. Calentando se puede regenerar el carbonato:

$\text{K}_2\text{CO}_3(ac) + \text{CO}_2(g) + \text{H}_2\text{O}(g) \rightarrow 2\text{KHCO}_3(ac)$

B) Reacción del carbono con vapor de agua (gas de agua):

$\text{C}(s) + \text{H}_2\text{O}(g) \xrightarrow[1000^{\circ}\text{C}]{\text{Fe}} \text{CO}(g) + \text{H}_2(g)$

$\text{CO}(g) + \text{H}_2\text{O}(g) \xrightarrow[400^{\circ}\text{C}]{\text{Fe}_2\text{O}_3} \text{CO}_2(g) + \text{H}_2(g)$

$\text{C}(s) + 2\text{H}_2\text{O}(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 2\text{H}_2(g)$

C) Electrólisis del agua: No se puede efectuar la electrólisis del agua pura; es necesario agregar un ácido o una base para aumentar la conductividad.

La reacción total sería: $2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{H}_2 + \text{O}_2$

• En medio alcalino:
  • $4\text{OH}^{-} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2 + 4e^{-}$ (ánodo)
  • $2e^{-} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2 + 2\text{OH}^{-}$ (cátodo)
• En medio ácido:
  • $2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{H}^{+} + \text{O}_2 + 4e^{-}$ (ánodo)
  • $2e^{-} + 2\text{H}^{+} \rightarrow \text{H}_2$ (cátodo)

Usos del Ozono ($\text{O}_3$)

Se lo usa relativamente poco. Se lo puede usar en el agua doméstica porque mata las bacterias. El uso más importante es en la industria farmacéutica y en la fabricación de compuestos orgánicos, donde se usa para romper los dobles enlaces $\text{C}=\text{C}$. Además, en las capas altas de la atmósfera, impide el paso de los rayos UV (ultravioleta).