UTN - FRRo - CÁTEDRA DE QUÍMICA INORGÁNICA TP N° 3: OBTENCIÓN DE HIDRÓGENOCÁTEDRA DE QUÍMICA INORGÁNICA PRÁCTICO N° 3; OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO Todos ios métodos de obtención de hidrógeno implican procesos de reducción a partir de algunos de sus compuestos, en ios que actúa con número de oxidación +1. Acción de los metales sobre los ácidos Fundamento; eí hidrógeno de ios ácidos puede ser desplazado por ios metales resultando esta propiedad un método úe obtención. Sin embargo hay que tener en cuenta que no todos ios metales son capaces de desalojar el hidrógeno. Para esta obtención es necesario utiiizar metales que estén por encima del hidrógeno en la tabla de potenciales electroquímicos. 2hf -s- 2e -> H2 M°(Zn;Fe)2e -» M++ En un tubo de ensayo colocar granallas de Zn agregar HC1 o H2S04 diluido. Se desprenderá hidrógeno, que puede recogerse en una probeta llena de agua, invertida -a manera de campana hidroneumática. Basado en el mismo método lo más conveniente es obtener e! hidrógeno en el aparato de Kipp. Acida m COMISIÓN: CHEVAU.EY - DUTTO - MAZZOLA - PRIOLO - TASSONE tiene lugar la slguient 500°C H O---------------------------* Catalizador vCO + H 2 j Gas de agua 4 C02 4 2H2 b) A partir dei gas natura! Si una mezcla de vapor de agua y gas natura! (constituido por un 90% de metano) s hace pasar por un catalizador formado por una mezcla de Co y Ni finamente divididos a temperaturas de unos 875°C.DUTTO .Cr203 . Al rojo vapor 1000°C Gas de agua Si se hace pasar ei gas de agua y vapor de agua a través de una mezcla de óxido (de Fe.FRRo .PRíOLO .MAZZOLA .UTN . H20 + Yz 02 + 2e H5 + «/2 02 2Na +2QH (en el cátodo) OH" + H* (en ei ánodo) -> Las fuentes más importantes de obtención de hidrógeno son: a) A partir del gas de agua (50% de la producción mundial) Haciendo pasar vapor de agua a través de coque al rojo se producen: monóxldo a carbono e hidrógeno: C 4 H20--------------------------► CO 4 H?. eí metano se transforma en hidrógeno y monóxido d' carbono: 875°C CH4 4 H 20--------------------------► C0 4 3H2 Catalizador La mezcla gaseosa de CO y 3 H_ se puede nacer pasar mezclando con vapor de ag a través de la mezcla de óxidos: Fe203 . 2CIN3 2CI" -> 2Cr 4 2Na+ -> Cl2 4 2e en el ánodo (4) COMISIÓN: CHE VALLE Y . Cr y Th) que actúan como catalizadores.Th02 que actúan como catalizador a temperaturas de unos 500°C. en caliente. ss obtiene mayor cantidad de H2: 0 H20-----------------------------Catalizador CO 4 3 H? 4 * C0 2 4 4H2 El hidrógeno se separa fácilmente tanto dei CO como del C02 por enfriamiento.CÁTEDRA DE QUÍMICA INORGÁNICA TP N° 3: OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO 2 Na(CH) 2H+ 4 2e 4 H20 -> 20H-> H2Q H.TASSONE . c) Como subproducto de ¡a fabricación del Na(OH) por electrólisis d disolución salina. Retirar ¡a misma en forma invertida pai -.S04 4 K-. inodoro. Es soluble en algunos metales. e introducir una cerilla encendida.CÁTEDRA DE QUÍMICA INORGÁNICA TP N° 3: OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO 2Na* + 2e 2Na +2H20 ~? 2Na «# 2 Na (OH) + H2 -> C!2 + 2 Na(OH) + H2 en el cátodo (-) 2CSNa 4 2H20 d) Por reforming de ios hidrocarburos presentes en los crudos det petróleo. dos tubos de ensayo y échese en ambos una solución acuosa de permanganato de potasio (KMnO¿) acidulada con ácido sulfúrico.. uno ai lado del otro.8 volúmenes de H2 se disuelven en ICO volúmenes de agua a 20°C. ope el hidrógeno no escape. en agua jabonosa.0 2 H2SO4 + 2MnO 10H° 4 S O 2KMnO. es ei menos denso de ios gases. Insípido.FRRo . b) Características organolépticas: incoloro. b) Incomburencia: llénese una probeta con hidrogeno recogido en ia cuba hitíroneumáíica. Es 14 veces más liviano que ej aire.. d) Solubilidad: poco soluble en agua: 1. + 3 H.0. Ei H2 inflamará en la boca y ia cerilla quedara apagada dentro de la probeta. pero al retirada volverá a arder.{ +10 H°.08S4 g/l a PTN..SO. A! ser menos denso que el aire provoca el ascenso de las burbujas. La mezcla entre el hidrógeno y el aire al ser encendida hará que se produzca una pequeña explosión. Tubo 1: 2KMnQ4 Mn¿07 H. c) Densidad: 0.4 K.SOi + H-C 2MnS04 + ¡ 7 5H20 v K2S04 + Mn . Hágase llegar a uno de ellos una corriente de hidrógeno (tubo 1) desde el aparato reductor. Quimicas: a) Mezcla detonante* una vez retirado el tubo de desprendimiento del equipo productor de hidrógeno (aparato de Kipp) acerqúese una cerilla encendida a las burbujas. ** 2Mn0 4 S O -> K. # -> Mn-. c) Menos denso que el aire: se hace burbujear H. 450°C Cu Ha --------------------------► C5H10 4 C4H3 4 C2H« 4 H2 Catalizador ündecano_________________¿ Penteno + Buteno + Eteno 4 Hidrógeno propiedades: Fisicas: a) Estado de agregación. gaseoso. Agregue al otro una granalla de Zn (tubo 2).UTN . Se condensa a -252i8°C dando un liquido incoloro. d) Poder reductor del hidrogeno atómico: póngase. maní. como el Pt y e! Pd. y.PRIOLO . Ei hidrógeno molecular a! salir y a la temperatura dei arco se disocia en hidrógeno atómico absorbiendo calor. e) Difusibilidad (comprobación}' Es un gas muy difusible manifestándose esta propiedad por ••• f 2nomeno -que presenta e! hidrógeno de afeayesar : idÉ • porosas. se consigue una soldadura rápida y resistente. algodón. en éstas condiciones. 3) En la industria alimenticia: diferentes rasas y aceites.DUTTO . si el cuerpo adsorbente es de naturaleza metálica. más frío.TASSONE -5 . Usos del hidrógeno 1) En meiaiurqJa:. etc. Una ventaja muy importante consiste en que el calentamiento es muy uniforme. No decolora por tratarse de hidrógeno molecular. í. Cuando la absorción es solamente superficial. Soplete de hidrógeno atómico: Para la soldadura eléctrica con hidrógeno se nace saltar ai arco entre un par de electrodos de wolframio recubiertos de una vaina que permite la circulación dei hidrógeno proveniente de un tubo conteniendo este gas. es decir. se vuelve a transformar en hidrógeno molecular. y luego de seguir su camino y ponerse en contacto con el material. tales como los de soja.FRRo . En términos generales la absorción es el grado de penetración mutua que presentan ciertos cuerpos y en su verdadero significado representa un fenómeno físico pues no hay reacción entre los cuerpos de contacto.CÁTEDRA DE QUÍMICA INORGÁNICA TP N° 3: OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO El hidrógeno atómico decolora el KMnC4 (de violeta a Incoloro}. I. es conocida como adsorción y. Soplete oxhídrico: En este tipo de soplete el hidrógeno y el oxigeno llegan ai extremo del soplete a través de tubos concéntricos. presentan con el hidrógeno el fenómeno de oclusión.rPor su carácter reductor se pueden obtener metales en estado de gran pureza a partir de sus óxidos. Tubo 2. COMISIÓN: CHE VALLE Y . reintegrando allí el calor sumándolo al calor producido por ei arco. Oclusión (propiedad de ser ocluido por metales)' Algunos metales. Este fenómeno es de adsorción. con el término particular de oclusión. se convierten por hidrogenaclón en grasas de una composición más adecuada para productos sustituidos de la manteca como las margarinas. su olor y se conservan mejor. un volumen de Pd absorbe 850 volúmenes de hldróaeno. Ei hidrógeno es ocluido por el Pd (paiadio) en la proporción volumétrica de 1 a 850. Los productos asi obtenidos mejoran su sabor. Con este soplete el metal puede ser calentado a mas de 3500°C.MAZZOLA . pudieno'o alcanzarse temperaturas de 2600 a 2700°C. II. ¡o cual permite soldar incluso piezas muy dsigadas. por ejemplo el Wolframio W03 + 3H2 + 0 -» \A/ + 3H20 2) En la producción de altas temperaturas..UTN . . 7) En ia investigación de eventos atómicos: El uso extenso dei hidrógeno liquido en las cámaras de burbujas. III. En ía fabricación de ácido clorhídrico. El hidrógeno líquido es particularmente útil para proporcionar una alta concentración de 'blancos de protones". Áivarez (EE UU) Premio Nobel de Física en 1988 y sus colaboradores en la Universidad de California durante un período de varios años. para convertirlos en hidrocarburos más livianos que constituyen las naftas. En estos sistemas de propulsión se hace reaccionar ei hidrógeno líquido con oxígeno líquido. ha sido particularmente efectivo para ei estudio de los eventos de las partículas elementales y extrañas. II. Ei vehículo posee un ordenador que. 6) Como combustibles: En la República federai de Alemania se está ensayando ei hidrógeno como combustible en automotores. En ía fabricación de metano!: Por combinación del monóxido de carbono y el hidrógeno procedentes de! gas de agua. a unos 300 a 400 °C y a una presión de 100 a 200 atmósferas empleando como catalizador cobre y oxígeno de cinc y cromo: CO + 2 H2 -» H-CH2OH 5) En la Industria dei petróleo: i. 8) Como carburante para cohetes espaciales: El hidrógeno líquido se ha utilizado como propulsor en diferentes naves espaciales.Por qué? . tn el hidro refina do: consiste en hidrogenar las fracciones de petróleo que contienen azufre a fin de eliminar este elemento al estado de sulfuro de hidrógeno. como la de Wilson. Las experiencias se están realizando en un automóvil Mercedes Benz 280 TE uiilizando combustible mixto. El cobre reacciona con ¡os ácidos pero no desprende hidrógeno. En ia fabricación de amoniaco. re acondiciona el motor para que funcione con hidrógeno o con nafta. acortándose mucho las distancias entre los eventos que requerirían en el espacio lleno de gas en una cámara de niebla. en ia segunda y tercera fases del cohete Saturno IV empleado para lanzar la histórica misión Apolo 11 que llevó a los primeros hombres a la Luna.. En el hidrocracking: para introducir más hidrógeno durante ei cracking de los destilados pesados. Las difíciles manipulaciones del hidrógeno liquido a -253 °C en grandes cámaras de burbujas han sido perfeccionadas por Luis W. 4) En la industria química: !. por ejemplo.UTN . según las necesidades. dado que son los núcleos atómicos más sencillos. con producción de agua (en fase vapor) lográndose un potente empuje.CÁTEDRA DE QUÍMICA INORGÁNICA TP N° 3: OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO El proceso de hidrogenadón consiste en la conversión de productos no saturados en saturados en presencia de catalizadores.FRRo . II. Tiene un radio de acción de hasta 280 km alcanzando una velocidad de 185 km/h. Sus ventajas son: menor consumo de nafta y menor contaminación ambiental. etc. Si se electroliza la solución con una diferencia de potencial de 2-3 voltios. olefinas. Con el uso de catalizadores y variando las condiciones se puede obtener CH4 (metanación). Reducción de CO por hidrogeno Esta reacción ha sido ampliamente estudiada y datos obtenidos por estudios íermodinámicos muestran que solo es favorable de reducción de metano.Tropsch Esta es una reacción heterogénea del H2 y ei CO. metano!.DUTTO .CÁTEDRA DE QUÍMICA INORGÁNICA TP N° 3: OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO COMISIÓN. No obstante. hidrocarburos líquidos.22 50.62 21. hidrocarburos cerosos de elevado peso molecular. la reducción del CO por ei H2 para dar alcoholes es posible si se usan ios catalizadores apropiados y se realizan estudios profundos.TASSONE -6- El cobre se puede depositar en una solución de ácido sulfúrico o de ácido nítrico. alcoholes superiores.UTN . por esto. pero generalmente se emplea una mezcla de los dos ácidos. catalizada por diversos metales como Fe. ______ El níquel es mejor para ¡a metanación. y por cobalto cromo y otros óxidos. el cobaiio para los alcanos superiores.FRRo . Co. Reacción de desplazamiento del gas de agua La reacción: H20 + CO H2 ♦ C02 t . El ion nitrato actúa como despolarizante catódico: HO{ + 10H+ + Se" í±NH/ + 3H20 El potencial a! que se reduce el ion nitrato es más bajo que el potencial de descarga del hidrógeno y. Ni o Ru sobre la alúmina u sobre otro soporte. se producen las siguientes reacciones: Cátodo: Cu*++2ez± Cu 2H*+2e H2 20H"-* ¥> 02 + H20 + 2e" Ánodo: Si la concentración de ácido de ia solución es demasiado alta.92 Proceso de Fischer.1 N favorece ía formación de un depósito de buenas características.MAZZOLA .23 65.PRIOLO . C! IE VALLE Y . DATOS TERMODINAMIGOS PARA LAS REACCIONES CO H2 (A 500°K) ó-:CWÓM CG + 3H2=CH4 + H20 CO + H2= HCHO CO + 2 H2= CH3OH 2 CO + 3 H2 = (CH2OH)2 AG KJmor =96. el depósito de cobre puede no ser cuantitativo o no adherirse satisfactoriamente al cátodo. La adición de una gota de HCi 0. no se libera hidrógeno si hay concentración suficiente de ion nitrato. = HFe(CO)4 + C02 Absorbentes Hidrógeno Ei hidrógeno se determina generalmente junto con ei metano. de esta manera. Ei absorbente principal del hidrógeno es el paladio con una relación de 1/850. ACETILENO (C2H2) Este gas se absorbe en solución amoniacal de cloruro cuproso. tetrahidrofurano. en el aparato de Orsat resulta pequeño el tanto por ciento de monóxido de carbono y metano quemados y. eioxletanol. además. en presencia de oxígeno. puede ser necesario determinar el gas por absorción. por ejemplo.UTN . Se cree que e! mecanismo es dei tipo: HFe(CO)4" + CO = Fe(CO)5 + H H" + H20 = OH" + H2 OH. = íCO)4FeOHQ-(CO)4FeOHO. La reacción puede provocar de manera homogénea usando diversos carbonilos metálicos en solución básica de metano!. se puede teer un valor aproximado del contenido ds hidrógeno. en algunos casos. Si se usa amianto paladiado.CÁTEDRA DE QUÍMICA INORGÁNICA TP N° 3: OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO Es una importante reacción heterogénea (ZnO + Cr203) ampliamente para generar H2.FRRo . etc. pero el reactivo no se puede emplear en presencia de monóxido de carbono ni de oxígeno. pues se une fácilmente con el oxigeno de los óxidos metálicos: CuO + H2 -> Cu + H20 HN03 + 9 H 4 NH + 3H20 Reacciones que ilustran los usos industriales del hidrógeno En la metalurgia: 0 W03 + 3 H2 --------------► W + 3 H20 En la industria alimenticia: . etc. Dos tercios de la contracción debida a la combustión corresponden al volumen de hidrógeno que se ha oxidado. Cu2C2. por combustión. se elimina parcialmente por absorción y parcialmente por combustión catalítica. Sin embargo. a 100°C. El hidrógeno en contacto con el paladio. pues se oxidan. algo de monóxido de carbono y de metano. solamente se absorbe acetileno y no monóxido de carbono.+ Fe(CO). con formación de acetiluro cuproso. Con el reactivo mercuri-yoduro de potasio.. El método no es exacto. Propiedad más importante del hidrógeno El hidrógeno es un buen agente reductor. Obtención de la arslna: As04 + 12 H.CH=CH-R + H2 --------------► R-CH2-CH2-R En ia Industria química: CO + 2 H2----------------------► HCH2OH p. el ataque es más rápido debido a que se forman pares locales. (2<x<3) que se obtienen calentando simplemente M0O3 con Mo a 700°. En contacto con ei platino o ei cobre pasan al estado metálico y sobre estos metales la descarga o liberación de hidrógeno es mucho más fácil por tener una sobretensión menor.FRRo . o W03 con VV a 1000°.t0ycat. es similar. Es el anhídrido de ácido moííbdico. Existe un gran número de óxidos de composición Mo0!.H —> w + 3H20 El óxido de molibdeno (IV) Mo02 se obtiene por reducción del M0O3 con hidrógeno o NH3 por debajo de 470" (por encima de esa temperatura la reducción llega hasta el metal) y por reacción de! molibdeno con vapor de agua a 800°. pero que cambia a amarillo cuando se callenta. Es un sólido de color pardo violeta con un forillo de cobre. La estructura es similar a la del rutilo pero tan distorsionada que da lugar a la formación de fuertes enlaces Mo-Mo. pero soluble en ácido nítrico concentrador con oxidación de! molibdeno Movl.12000): tiene una forma ligeramente distorsionada de la estructura cúbica del trióxido de renio. calentando los trióxidos a! vacío. . W03 + Í. » 4AsH3 t + 6 H O Obtención del amoniaco: N3 + 3 H2-------------* ¿ NH31 Obtención del molibdeno v wolframio El Mo03 es un sólido de color blanco a la temperatura ambiente. El Mo03 posee/un tipo raro de estructura en capas en la que cada átomo de molibdeno está rodeado por un octaedro distorsionado de átomos de oxígeno. Por reducción con hidrógeno da Mo y agua a temperatura elevada.UTN . o si no. Si se hace reducción del mismo con hidrógeno se obtiene W y agua. a pesar de ser conocidos. M0O3 + 3 H2------► Mo + 3 H O ________£___________ El W03 es un sólido color amarillo limón ¡P. Ei WO.F. Reacción del zinc y el ácido clorhídrico Si el zinc más HCi es poco reactivo se agrega ácido cloroplatfnico (Ci6PtH2). se funde a 735° para dar un líquido amarillo oscuro.CÁTEDRA DE QUÍMICA INORGÁNICA TP N° 3: OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO R. insoluole en ácidos minerales no oxidante?. pero no forma directamente hidratos. HT -> SO.FRRo . Así.DUTTO .PRIOLO . ciertos metales. Acción de los metales reactivos lobre vapor de agua Hay muchos metales que se encuentran por encima del hidrógeno en la tabla de potenciales de oxidación y que no reaccionan con el agua a pesar de su gran poder reductor en comparación con ei del hidrógeno.ÜUT i'O . cuando los metales tales como Mg. -io que indica un pH mayor a 10.MÁZZÜLÁ . Ai agregar"heliantiha".H2 Electrólisis de agua acidulada o alcalinizada (en si cátodo) (en e! ánodo) H20 4 H. como el Na y K son tan activos que desplazan al hidrógeno del agua a temperatura ambiente. ta wé&wa es k¡ E! Na comienza a desplazarse sobre i a superficie del agua sin hundirse ees menos denso que"ei agua). el recubrimiento de hidróxido o de oxido que se forma parece ser poroso o incapaz de ejercer una acción inhibitoria: Mg + 2HjO (vapor) -» Mg(OH}: -i.*EI agua se transforma en básica producto ce ia formación de nldróxido as sodio con un PH aproximadamente igual a 10. Usando Na metálico: por medio de una pinza tórnese un pedacito de Na metálico y coloqúese en un cristalizador con agua.3. se calientan en presencia de vapor.MAZZOLÁ . la reacción: Mg + 2H20 -» Mg(OH)2 + H2 Tiene lugar pero solo en una extensión despreciable. Sin embargo. Eí zinc comienza a reaccionar con ei ácido produciéndose hidrógeno molecular el cual se hace burbujear sobreurta solución jabonosa o de detergente formándose burbujas de gas hidrógeno. Acción entre metales reactivos v el agua Fundamento. Fe. ai agregar fenoWtaieína vira a rojo.TASSONE . + Vz 02 COMISIÓN' CHf-VAi i. comienza a proéusirse la reacción. Debe colocarse rápidamente ei Na en ei agua ya que py*de reaccionar con la humedad del ambiente. con una consistencia bianda y untuosa Reconocimiento de! hidróxido formado. desprendiéndose Hidrógeno molecular. Reacción: Na + n H:0 -? NaíOKí + 1/2 H: Reacción exotérmicas A! coloca? SÍ pedaciío de Na. La razón de dicho comportamiento es que el metal se rodea de una película coherente de hidrógeno que impide que la reacción prosiga. Se produce gas hidrógeno formándose a! mismo tiempo el hidróxido del metal que se disuelve en agua.2 + 2H+ 2H+ + 2e -> H2 20H -> H20 +2e H20 4 .TASSONE . vira a amarillento pH > 4..PRiOLO . Ei Na presenta" un color blanco-píaíeadc.9- Con el aparato de Kípp se pone en contacto e! zinc con el ácido presente en e! recipiente superior ai abrir íá válvula.£Y .2SO.CÁTEDRA DE QUÍMICA INORGÁNICA TP N° 3: OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO COMISIÓN: CHE VALLE Y .UTN .