PRACTICA DE LABORATORIO No. 4 QUÍMICA INORGANICA A

PRACTICA DE LABORATORIO No. 4 QUÍMICA INORGANICA OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO ELECTRÓLISIS Aury Stella Alvarez Cordero Yuranis De Ávila Alvis Maria Del Pilar Ortiz Rincón Alejandra Ozuna Solano A: Candelaria Tejada Tovar UNIVERSIDAD DE CARTAGENA Facultad De Ingeniería Programa: Ingeniería Química Cartagena Marzo de 2014 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Obtener hidrógeno a partir de la electrolisis del agua. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Obtener el hidrógeno por desplazamiento de agua a partir de solución de ácidos y zinc en el laboratorio Identificar la presencia de hidrógeno a través de sus características físicas y químicas. Reconocer los diferentes montajes experimentales en el laboratorio para obtener hidrógeno. INTRODUCCIÓN Con un número atómico igual a 1, el hidrógeno es el más simple de todos los átomos y el elemento que forma más compuestos, y como la mayoría de los gases es diatómico, pero se disocia en átomos libres a altas temperaturas. El hidrógeno, el primero de los elementos de la tabla periódica; puede formar compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. El hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural. La electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación). El hidrógeno puede formar compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. MARCO TEÓRICO HIDROGENO: El hidrogeno es el primer elemento de la tabla periódica. En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e insípido, compuesto de moléculas diatómicas, H2, es altamente inflamable y no es tóxico, este se quema en el aire formando una llama azul pálido casi invisible. El Hidrógeno es el más ligero de los gases conocidos en función a su bajo peso específico con relación al aire. Por esta razón, su manipulación requiere de cuidados especiales para evitar accidentes. El Hidrógeno es particularmente propenso a fugas debido a su baja viscosidad y a su bajo peso molecular. El átomo de hidrógeno, símbolo H, consta de un núcleo de unidad de carga positiva y un solo electrón. Tiene número atómico 1 y peso atómico de 1.00797. Es uno de los constituyentes principales del agua y de toda la materia orgánica, y está distribuido de manera amplia no sólo en la Tierra sino en todo el universo. Existen 3 isótopos del hidrógeno: el protio, de masa 1, que se encuentra en más del 99.98% del elemento natural; el deuterio, de masa 2, que se encuentra en la naturaleza aproximadamente en un 0.02%, y el tritio, de masa 3, que aparece en pequeñas cantidades en la naturaleza, pero que puede producirse artificialmente por medio de varias reacciones nucleares. Características Generales: Uso del Hidrógeno Síntesis de amoniaco Rompimiento por hidrogeno (hydrocrackin) Hidrogenación catalítica de aceites Manufactura de productos químicos orgánicos Procesos especiales de soldadura y corte Laboratorios Hornos de sinterización Formación de atmósferas reductoras (industria del vidrio) Hornos para reducción de ciertos metales (eliminación de Oxígeno) Fabricación de semiconductores. Combustible de cohetes EFECTOS DE LA EXPOSICIÓN AL HIDRÓGENO: Fuego: Extremadamente inflamable. Muchas reacciones pueden causar fuego o explosión. Los escapes de alta presión frecuentemente se inflaman produciendo una llama muy caliente y casi invisible, ya que las mezclas de ''aire-hidrógeno'' en una proporción del 4.1% al 74.2%, dependiendo de la presión inicial, temperatura y humedad. La manera más eficaz de combatir un incendio por hidrógeno es desconectar la fuente de hidrógeno; en el caso del cilindro, cierre la válvula. El equipo que esté a su alrededor debe ser enfriado con agua y espuma durante el incendio. Explosión: La mezcla del gas con el aire es explosiva. Vías de exposición: La sustancia puede ser absorbida por el cuerpo por inhalación. Inhalación: Altas concentraciones de este gas pueden causar un ambiente deficiente de oxígeno. Los individuos que respiran esta atmósfera pueden experimentar síntomas que incluyen dolores de cabeza, pitidos en los oídos, mareos, somnolencia, inconsciencia, náuseas, vómitos y depresión de todos los sentidos. La piel de una víctima puede presentar una coloración azul. Bajo algunas circunstancias se puede producir la muerte. No se supone que el hidrógeno cause mutagénesis, embriotoxicidad, teratogenicidad o toxicidad reproductiva. Las enfermedades respiratorias pre-existentes pueden ser agravadas por la sobreexposición al hidrógeno. Riesgo de inhalación: Si se producen pérdidas en su contenedor, se alcanza rápidamente una concentración peligro ESTABILIDAD AMBIENTAL: El hidrógeno existe naturalmente en la atmósfera. El gas se disipará rápidamente en áreas bien ventiladas. Efecto sobre plantas o animales: Cualquier efecto en animales será debido a los ambientes deficientes de oxígeno. No se anticipa que tenga efectos adversos sobre las plantas, aparte de la helada producida en presencia de los gases de expansión rápida. Efecto sobre la vida acuática: Actualmente no se dispone de evidencia sobre el efecto del hidrógeno en la vida acuática. OBTENCIÓN DE HIDROGENO: -ELECTROLISIS DEL AGUA: Nivel laboratorio: La electrólisis del agua es el proceso en el que agua pasa por corrientes eléctricas y sus moléculas se alinean y se separan los átomos de hidrógeno, La palabra electrólisis procede de dos radicales, electro que hace referencia a electricidad y lisis que quiere decir ruptura. La electrolisis es un proceso electroquímico que permite una reacción de óxido reducción, por medio de una pila y dos electrodos: El Ánodo, electrodo conectado al positivo (+) de la pila y El Cátodo, electrodo conectado al negativo (–) de la pila Estos están sumergidos en un líquido llamado electrolito, generalmente agua, en el que se adiciona alguna sustancia, generalmente cloruro de sodio (NaCl) o sulfato de sodio Na2(SO4), que es la que se disocia (o sea algo se oxida y algo se reduce, produciendo una reacción redox). En estos casos, se dice que la sustancia agregada está en solución acuosa. También puede ocurrir que los electrodos estén directamente sumergidos en la sustancia a disociar, en ese caso no se habla de solución acuosa, sino de sustancia pura. En cualquiera de los dos casos, en el “cátodo” ocurre la “reducción” y en el “ánodo” la “oxidación”, pero cambian las sustancias que se reducen u oxidan, según el caso. En los casos de solución acuosa, el agua forma una parte importante de la reacción, por lo que se verán dos ecuaciones muy útiles, y que dependen de si el agua va al cátodo o al ánodo: Reducción del agua: 2 H2O + 2 e- → H2 (g) + 2 OH- Oxidación de agua: 2 H2O → O2 (g) + 4 H+ + 4 e- A nivel industrial: El hidrógeno se obtiene mediante electrolisis de agua. La reacción electrolítica se realiza en medio alcalino debido a que en este medio se incrementa la conductividad eléctrica. El hidrógeno producido en el cátodo se debe purificar ya que contiene impurezas de oxígeno y un cierto nivel de humedad. La corriente de hidrógeno se seca mediante un adsorbente y las impurezas de oxígeno se eliminan con un convertidor DeOxo. Además, en el ánodo del electrolizador se produce oxígeno, cuyo volumen es la mitad del volumen de hidrógeno, tal como corresponde a la composición de la molécula de agua. La mayor parte de los electrolizadores son de tipo tanque con los electrodos dispuestos en paralelo. El calor liberado en el proceso se elimina recirculando agua alrededor de las celdas. Conviene señalar el hecho de que el hidrógeno producido por electrolisis es del orden de 4.9-5.6 kWh por cada m3 de hidrógeno producido, lo que resulta al menos dos veces más caro que el hidrógeno obtenido por reformado del gas natural. Puesto que los electrolizadores convencionales proporcionan H2 con un coste elevado, se han desarrollado otros procesos electrolíticos. Uno de ellos es la electrolisis en fase de vapor. El potencial reversible de la celda decrece al aumentar la temperatura. Puesto que el coste de electricidad requerida en la electrolisis para producir H2 a partir de H2O es proporcional a la fuerza electromotriz de la celda, el coste disminuye con la temperatura. La celda se enfría debido a que el proceso es endotérmico y se mantiene a temperatura constante aportando calor desde el exterior. Esto significa que el calor se convierte por vía electroquímica en H2 sin pasar por un ciclo de Carnot. Así, a 1.500 ºK la cantidad de energía térmica que se utiliza en la descomposición termo-electroquímica es del 50% del total. Bajo estas condiciones, el coste de producción es 50% más bajo que en el proceso convencional. Otra alternativa económica de producción de H2 la proporcionan nuevos tipos de electro-catalizadores que son capaces de disminuir el sobre voltaje, lo que supone una reducción del coste. Obtención de hidrogeno a partir de desplazamiento de ácidos: El hidrogeno puede obtenerse a pequeña escala en el laboratorio por oxidación de un metal en medio acido diluido: H2SO4 + Zn → ZnSO4 + H2↑ Este método es conveniente para la producción de pequeñas cantidades de hidrogeno en el laboratorio, ya que es sencillo de implementar, pero no resulta viable para una producción industrial. El coste es fundamental en la producción masiva de hidrogeno, para lo que es necesario el uso de materias primas ampliamente disponibles a bajo precio. OTROS METODOS INDUSTIALES UTILIZADOS PARA LA OBTENCIÓN DE HIDROGENO: Reformado de hidrocarburos y metanol: El reformado de metano (CH4) con vapor es un proceso utilizado a lo largo de varias décadas para producir H2. Por tratarse de la tecnología más económica, este proceso es el que se utiliza en la actualidad en la producción industrial del hidrógeno. La reacción es: CH4 + H2O → CO + 3H2 Biomasa celulósica: El hidrógeno puede obtenerse a partir de una fuente renovable como es la biomasa celulósica. La celulosa puede convertirse en H2 mediante varios procesos termoquímicos tales como combustión, licuefacción, pirólisis y gasificación. El material lignocelulósico se oxida parcialmente a temperaturas superiores a 1.000 ºK, se produce una fracción gaseosa junto a un residuo carbonoso que se reduce posteriormente para formar posteriormente H2, CO, CO2 y CH4. La gasificación de la biomasa en presencia de O2 genera una corriente gaseosa rica en hidrógeno que se reforma con vapor de agua a la salida del gasificador con el objetivo de producir hidrógeno adicional. Procesos térmicos: Otros procesos renovables utilizan la energía térmica para producir hidrógeno. Estos procesos no son catalíticos e incluyen la disociación termoquímica del agua usando el calor de una fuente energética a elevada temperatura, como por ejemplo reactores nucleares y hornos solares. El calor puede utilizarse para llevar a cabo reacciones químicas en serie con la producción neta de H2 y O2 a temperaturas por encima de 950 K. Procesos fotoquímicos: Otro proceso extraordinariamente atractivo de producción de hidrógeno es la disociación del agua sobre semiconductores utilizando luz solar. La eficiencia de este proceso viene determinada principalmente por las propiedades foto-físicas y la morfología del material semiconductor empleado. Conforme al estado del arte de esta tecnología, la aplicación comercial de la producción de hidrógeno mediante energía fotónica del espectro visible requiere desarrollos importantes en la ciencia e ingeniería hasta conseguir fotocatalizadores activos y estables en la reacción de disociación. Reformado de etanol y azúcares: Una forma simple de transporte del hidrógeno es mediante precursores renovables, tales como etanol (C2H5OH) y azúcares (C6H12O6) en fase líquida. Estos precursores se transforman en hidrógeno mediante procesos de reformado con vapor de agua o bajo presión en fase líquida en el mismo lugar donde se consume el hidrógeno. El proceso de liberar H2 partir de C2H5OH o C6H12O6 se realiza en presencia de catalizadores específicos en sistemas de reacción diseñados para operar bien en fase gaseosa o en fase líquida. La ventaja que tienen ambos procesos es que la materia prima (C2H5OH y C6H12O6) puede considerarse neutra respecto a las emisiones de CO2. Biofotolisis de agua: El hidrógeno puede producirse también mediante sistemas biológicos. Algunos microorganismos fotosintéticos son capaces de realizar la ruptura de la molécula de agua en sus componentes (H2 y O2). Algunas algas, como el alga verde Scenedesmus, producen H2 cuando se iluminan con luz visible o cuando se mantienen en condiciones anaerobias y en ausencia de luz. Las algas verdes se aplican igualmente en otro método de producción de H2. La especie Scenedesmus produce hidrógeno no solamente bajo irradiación con luz sino también por vía fermentativa en condiciones anaerobias, utilizando almidón como fuente reductora. Procedimiento #1 METODOLOGÍA Procedimiento #2 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Observaciones: - Durante el proceso de obtención de hidrógeno se observó un burbujeo constante en el electrodo que contenía en electrodo cargado negativamente. - Se observó una baja producción de O2 (g) en el ánodo y una raída producción de H2 en el cátodo. ANÁLISIS Para que se pueda efectuar el proceso de obtención de hidrógeno se necesita una celda electrolítica, que en nuestro coso estaba compuesta por una batería de 9V (fuente de corriente directa), dos electrodos y una solución de cloruro de sodio donde se encuentran las especies iónicas Y+ y X-. En primer lugar, el soluto de la solución que es el NaCl está conformado por los iones positivos presentes en el sodio Na+ e iones negativos en el cloro Cl-, los cuales fueron atraídos por el cátodo (el electrodo negativo) y el ánodo (electrodo positivo) respectivamente, debido a una atracción de cargas opuestas. En este proceso existe la posibilidad de que el agua se oxide o se reduzca, como se observa en las siguientes reacciones: Para el cátodo: Na+ + e- → Na(s) o también 2 H2O + 2 e- → H2 (g) + 2 OH- Donde el hidrógeno queda en estado gaseoso dentro del tubo de ensayo que contiene el electrodo de carga positiva, ya que es atraído por este. Los electrones que se originan en esta semi-reacción son impulsados por medio de la batería a través del circuito externo. Para el ánodo: 2Cl- → Cl2 (g) + 2e- o también 2H2O → O2 (g) + 4H+ + 4e- Donde el oxígeno queda en estado gaseoso dentro del tubo de ensayo que contiene el electrono positivo. Nota: Cuando en un electrodo existe la posibilidad de que ocurran varias reacciones, se efectúa la que requiere menos voltaje para su realización, ya que la reacción de descomposición con corriente eléctrica necesita un voltaje mínimo para que esta se realice De esta forma se hace más fácil la oxidación del ión cloruro y la reducción del agua: 2Cl- → Cl2 (g) + 2e- 2 H2O + 2 e- → H2 (g) + 2 OH- Entonces la reacción que describe todo el proceso de electrólisis del cloruro de sodio en solución acuosa está dada por: 2Na+Cl- + 2H2+O- → Cl2- (g) + H2+ (g) + Na+OH- Como podemos observar, se producen cloro e hidrógeno y la solución resultante queda con un pH básico. Además, por evaporación podremos obtener hidróxido de sodio. Finalmente, retiramos el tubo de ensayo donde fue recolectado el hidrogeno y se realiza una prueba de combustión acercando un cerillo a dicho tubo, lo cual provoca un sonido que nos notifica la presencia del hidrogeno.  CONCLUSIONES. Se aprendió a identificar los diferentes montajes experimentales en el área del laboratorio para la obtención del hidrógeno. Se obtuvo hidrógeno a partir de la electrolisis del agua. También se obtuvo, por desplazamiento de agua a partir de solución de ácidos y zinc. Los iones positivos son atraídos por el cátodo (el electrodo negativo) y los iones negativos son atraídos por el ánodo (electrodo negativo), debido a una atracción de cargas opuestas. Gracias a las características físicas y químicas del hidrógeno, se adquirió la capacidad para identificar la presencia de este. BIBLIOGRAFÍA Odetti Héctor, Bottani Eduardo. Introducción a la Química Inorgánica, cuarta edición, editorial Santa Fe, Universidad Nacional del Litoral, 2006. ISBN: 987-508-562-6. R.H. Petrucci, W.S. Harwood, F.G. Herring, Química General, 8 http://www.slideshare.net/tito261288/marcha-analtica-de-cationes; Prentice Hall, 2003. Hidrogeno-H. Water Treatment Solutions, Lenntech.recuperado el 22-03-2014. Disponible en: http://www.lenntech.es/periodica/elementos/h.htm#ixzz2wjA29U5Y Hidrogeno-H2. Recuperado el 22-03-2014. Disponible en: http://ing.unne.edu.ar/pub/celdas_hidrogeno.pdf Electrolisis. Recuperado el 23-03-2014. Disponible en: http://www.lineaprofe.com/Descargas/ELECTROLISIS%202.pdf El hidrogeno, metodologías de producción. JOSÉ LUIS G. FIERRO. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC). Recuperado el 22-03-2014. Disponible en: http://www.fgcsic.es/lychnos/es_es/articulos/hidrogeno_metodologias_de_produccion El hidrogeno y sus compuestos. Recuperado el 22-03-2014. Disponible en: http://www2.uah.es/edejesus/resumenes/QI/Tema_5.pdf