L'hidrogen (del llatí: Hydrogenium) és un element químic amb símbol H i nombre atòmic 1. Forma un gas diatòmic (H2) inodor, incolor i altament inflamable. És l'element més lleuger i el més abundant en l'univers, atès que es troba en quantitats massives en les estrelles. Pot reaccionar amb la majoria d'elements, forma part de l'aigua i de la major part de compostos orgànics. Industrialment, s'utilitza en la producció d'amoníac, com a gas lleuger en aerostàtica i recentment en cèl·lules de combustible d'hidrogen.
Al laboratori, l'hidrogen és preparat fent reaccionar metalls com ara el Zinc amb àcids. La fabricació industrial es basa normalment en la descomposició del gas natural. També es pot obtenir per l'electròlisi de l'aigua; és un mètode simple, però ineficient. Els científics, estan buscant noves maneres de produir-ne. Una d'elles, seria la utilització d'una alga verda. Altres mètodes prometedors inclouen la conversió de derivats de la biomassa com ara la glucosa o el sorbitol, reacció que es pot realitzar a baixa temperatura gràcies a la utilització d'un nou catalitzador.
Taula de continguts |
edita Característiques destacades
L'hidrogen és l'element químic més lleuger, i el seu isòtop més comú conté un sol protó i un sol electró.
edita Gas hidrogen
A temperatura i pressió estàndard, un àtom d'hidrogen, es combina espontàniament amb un altre àtom d'hidrogen per a formar un gas diatòmic H2, amb un punt d'ebullició de només 20.27° K i un punt de fusió de 14.02° K. Aquestes molècules de gas hidrogen estan formades per dos àtoms units mitjançant un enllaç químic simple, aportant cadascun llur electró.
Estructura del gas hidrogen
H - H
edita Hidrogen metall
Sota pressions extremadament altes, com les que hi ha al centre de les dels planetes gegants (p.e. Júpiter), les molècules perden la seva identitat i l'hidrogen es converteix en un metall líquid. Sota pressions extremadament baixes (com les que es troben a l'espai exterior), l'hidrogen tendeix a existir com a àtoms individuals, ja que no troba altres àtoms als quals unir-se. Els núvols de H2, solen anar associats amb fenòmens de formació d'estrelles.
Aquest element, juga un paper important en els fenòmens energètics de l'univers, a través de la Reacció protó-protó i del Cicle del carboni i nitrogen. Aquests són processos de fusió nuclear, que alliberen grans quantitats d'energia a partir de la combinació de dos àtoms d'hidrogen en un d'Heli.
edita Aplicacions
Alguns processos industrials, requereixen de grans quantitats d'hidrogen, com ara el procés de Haber per a la producció d'amoníac, la hidrogenació de greixos i olis, i per a la producció de metanol. L'hidrogen és utilitzat també en la hidrosealquilització, la hidrodessulfuració l'hidrocracking.
Altres usos;
- Producció d'àcid clorhídric, la reducció de menes metàl·liques
- És usat com a combustible per a coets
- L'hidrogen líquid (a temperatura molt baixa), és usat per a la recerca criogènica, com ara els estudis de superconductivitat
- Com que l'hidrogen és catorze vegades i mitja més lleuger que l'aire era usat per a inflar globus i dirigibles. L'explosió d'un dirigible a Hindenburg va convèncer el públic que el gas era massa perillós per a aquests propòsits.
- El deuteri és utilitzat en reaccions nuclears com a moderador per reduir l'energia dels neutrons. Els compostos de deuteri s'utilitzen en química i biologia per estudiar els efectes dels isòtops en les reaccions i com a marcador químic.
- El triti, produït en reactors nuclears, s'utilitza per a construir bombes d'hidrogen. També és sovint usat com a marcador químic en laboratoris, i com a font de radiació en pintures lluminoses.
- L'hidrogen està començant a ser utilitzat com a combustible en motors de combustió interna. Hom pensa que la cèl·lula de combustible d'hidrogen pot ser una opció de cara al futur com a combustible net.
edita Història
L'hidrogen (del francès Hydrogène, que provenia del grec hydor, aigua i gennasin, generar) fou generat per primera vegada per Theophratus Bombastus von Hohenheim (1493–1541), conegut com Paracelsus, mesclant metalls amb àcids. Tot i que no reconegué el gas explosiu que generava com a hidrogen. Al 1671, Robert Boyle describí la reacció entre dues peces de ferro i àcids diluïts, durant la qual es generava hidrogen. El 1776, Henry Cavendish es topà amb l'hidrogen quan experimentava amb àcids i mercuri. Fou el primer a reconèixer l'hidrogen com una substància discreta, classificant-lo com a "inflamable" i descrivint que si es cremava en aire s'obtenia aigua. Tot i que cometé l'error de classificar-lo com un compost de mercuri, i no de l'àcid, fou capaç de descriure acuradament forces propietats clau de l'hidrogen.
Més tard Antoine L. Lavoisier li donaria el nom d'hidrogen i demostrà que l'aigua es composava d'hidrogen i oxigen. En aquell temps s'utilitzava àcid sulfúric i ferro per a generar hidrogen, i una de les primeres utilitzats de l'element fou per a omplir zeppelins. Harold C. Urey descobrí el deuteri, un isòtop de l'hidrogen, destil·lant successivament la mateixa mostra d'aigua. Per aquest descobriment fou guardonat amb el Premi Nobel al 1934, en aquest mateix any, el tercer isòtop de l'hidrogen, el triti fou descobert. Degut a la seva relativament simple estructura, l'hidrogen s'utilitza per a mostrar i modelar com treballa un àtom.
edita Abundància i obtenció
L'hidrogen és l'element més abundant, constituent el 75% de la massa i el 90% dels àtoms de l'univers. Es troba en abundància en les estrelles i en els planetes gegants gasosos (com ara Júpiter); per contra, en l'atmosfera terrestre es troba només en una proporció d'1ppm en volum.
La font més comú d'hidrogen és l'aigua, formada per dos àtoms d'hidrogen i un d'oxigen (H2O). Altres fonts són la major part dels compostos orgànics, incloent-hi totes les formes de vida conegudes, els combustibles fòssils i el gas natural. El metà, producte de la descomposició orgànica, està adquirint una creixent importància com a font d' hidrogen.
L'hidrogen s'obté de diverses formes:
- Electròlisi de l'aigua; actualment s'investiga la fotòlisi de l'aigua.
- Reformat d'hidrocarburs amb vapor d'aigua.
- Atac de metalls amb hidròxid sòdic o hidròxid potàssic.
- Atac de metalls (Zinc i Alumini) amb àcids (àcid sulfúric o àcid clorhídric).
edita Compostos
L'hidrogen té una electronegativitat de terme mig (2,2) de manera que pot formar compostos en què sigui l'element amb major o menor caràcter metàl·lic. Tant amb els elements metàl·lics dels grups 1 i 2 com amb els no metalls dels grups 15, 16 i 17 forma hidrurs. En els primers és present en forma de H- mentre que en els segons ho fa com a ió H+, per la qual cosa aquests últims tenen caràcter àcid.
Alguns compostos binaris són amoníac (NH3), hidrazina (N2H4), aigua (H2O), aigua oxigenada (H2O2), sulfur d'hidrogen (H2S), etc.
Amb el carboni (element del grup 14) forma una immensa quantitat de compostos, els hidrocarburs i derivats que són l'objecte d'estudi de la química orgànica.
edita Formes
En condicions normals, el gas hidrogen és una mescla de dos tipus d'hidrogen diferents en funció de la direcció del spin dels seus electrons i nuclis. Aquestes formes es coneixen com orto- i para-hidrogen. L'hidrogen normal està compost per un 25% de la forma para- i un 75% de la forma orto-, la considerada "normal", encara que no puga obtenir-se en estat pur. Ambdues formes tenen energies lleugerament diferents, la qual cosa provoca que les seues propietats físiques no siguen idèntiques; així per exemple, la forma para- té punts de fusió i ebullició 0,1 K més baixos que la forma orto-.
A pressions molt elevades pren la forma d'hidrogen metàl·lic. Es creu que el nucli del planeta Júpiter estaria format per aquesta mena d'hidrogen.
edita Isòtops
L'hidrogen és l'únic element químic que té noms, i símbols químics, distints per als seus diferents isòtops.
- Proti: és l'isòtop més comú de l'hidrogen, el seu nucli atòmic, conté un protó i cap neutró
- Deuteri (D): el seu nucli atòmic, conté un protó i un neutró. El deuteri té una abundància natural compresa entre 0,0184 i el 0,0082% (IUPAC).
- Triti (T): el seu nucli atòmic conté un protó i dos neutrons. És radioactiu.
- Hidrogen-4: Fou sintetitzat bombardejant triti amb nuclis de deuteri a alta velocitat. Decau per emissió de neutrons i té un període de semidesintegració de 9.93696x10-23 segons. L'espín de l'àtom d'hidrogen-4 és de 2-.
- Hidrogen-5: Al 2001, es detectà hidrogen-5 en el bombardeig d'àtoms d'hidrogen amb ions pesats. Decau per emissió de neutrons i té un període de semidesintegració de 8.01930x10-23 segons.
- Hidrogen-6: Decau per triple emissió de neutrons i té un període de semidesintegració de 3.26500-22 segons.
- Hidrogen-7: Fou creat al laboratori RIKEN (article) al Japó, col·lidint un feix d'àtoms d'heli-8 d'alta energia dirigit a hidrogen criogenitzat d'on es detectà tritons (els nuclis de l'àtom de triti) i neutrons provinents de la desintegració de l'hidrogen-7. El mateix mètode usat per a produir i detectar hidrogen-5.
| Símbol del núclid |
Z(p) | N(n) | Massa isotòpica (u) | Període de semidesintegració | Espín nuclear |
Composició isotòpica representativa (fracció molar) |
Rang de variació natural (fracció molar) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H-1 | 1 | 0 | 1.00782503207(10) | ESTABLE [>2.8×1023 a | 1/2+ | 0.999885(70) | 0.999816-0.999974 |
| H-2 | 1 | 1 | 2.0141017778(4) | ESTABLE | 1+ | 0.000115(70) | 0.000026-0.000184 |
| H-3 | 1 | 2 | 3.0160492777(25) | 12.32(2) a | 1/2+ | ||
| H-4 | 1 | 3 | 4.02781(11) | 1.39(10)×10-22 s [4.6(9) MeV | 2- | ||
| H-5 | 1 | 4 | 5.03531(11) | >9.1×10-22 s ? | (1/2+) | ||
| H-6 | 1 | 5 | 6.04494(28) | 2.90(70)×10-22 s [1.6(4) MeV] | 2-# | ||
| H-7 | 1 | 6 | 7.05275(108)# | 2.3(6)×10-23# s [20(5)# MeV] | 1/2+# |
Els valors marcats amb # són valors esperats, i no han pogut ser comprovats experimentalment. Els spins entre parèntesis no han estat demostrats fermament.
edita Precaucions
L'hidrogen és un gas extremadament inflamable. Reacciona violentament amb el fluor i el clor, especialment amb el primer, amb el qual la reacció és tan ràpida i imprevisible que no es pot controlar. L'aigua pesant és tòxica per a la majoria de les espècies, encara que la dosi mortal és molt gran.
edita Piles hidrogen
edita Barreres de les piles d'hidrogen
Les limitacions que impedeixen una implementació de les piles d'hidrogen a l'actualitat són les següents, encara que s'espera que aquesta tecnologia sigui viable en un període de 10 a 30 anys:
- Relació potència-volum
- Durabilitat
- Costos
- Acceptació pública
edita Classificació de les piles d'hidrogen
Les piles d'hidrogen, es poden classificar mitjançant l'electròlit que fan servir per tal de realitzar la reacció, també es menciona la seva temperatura de funcionament, el seu rendiment i les aplicacions que aquestes tenen:
| Tipus electròlit | Temperatura (°C) | Rendiment (%) | Aplicacions |
|---|---|---|---|
| Alcalina AFC | 80-100 | 60 | Espai |
| Polímers PEM | 70-80 | 35-45 | Transport, portàtil |
| Metanol DMFC | 50-100 | 30-40 | Portàtil |
| Àcid fosfòric PAFC | 200-220 | 40-45 | Estacionari mitja potència |
| Carbonats MCFC | 600-650 | 45-60 | Estacionari alta potència |
Les aplicacions més destacades a l'actualitat de les piles d'hidrogen són les següents:
- Implementació com a base del sistema energètic a l'espai.
- Producció d'O2 a l'espai.
- Aplicacions militars com els submarins U212/U214 que funcionen mitjançant 9 piles de combustible amb hidrurs metàl·lics.
- Com a bateries en vehicles.
- Ordinadors portàtils, obtenint una reducció de la meitat del pes i un rendiment 4 cops superior.
edita Hidrogen en l'automoció
Una de les alternatives per solucionat el problema de canvi climàtic i de la contaminació provocada pel consum de petroli radica en trobar un medi per fer que els cotxes gastin menys. Durant els últims anys moltes marques han anat rebaixant la cilindrada i buscant millores eficaces per disminuir les emissions de CO2.
Les piles de combustible amb hidrogen són piles on la reacció electrolítica ve donada per la formació d'aigua a partir d'hidrogen en contacte amb oxigen. Una dels avantatges més grans en el sector de l'automoció és que els vehicles amb bateries no estan regides pel cicle de carnot, poden així donar rendiments més alts. L'inconvenient més gran és la poca potència que poden subministrar i el problema de com emmagatzemar l'hidrogen. Per emmagatzemar-lo s'utilitzen dues maneres bàsiques: en estat sòlid i la pressurització. El primer d'ells requereix temperatures de -235°C per que es liqüi l'hidrogen. La gran avantatge d'aquest mètode és la seva autonomia de fins a 400km però amb el problema que ha d'alliberar hidrogen per mantenir la pressió constant degut a l'augment de temperatura. El segon mètode per contra presenta una autonomia inferior, 270km, però té a favor que és més segur i permet recarregar el dipòsit amb més facilitat.
Un altre mètode per utilitzar hidrogen en el vehicles és fer-ne la combustió de la mateixa manera que es fa actualment amb la gasolina o el gasoil. Aquest mètode requereix un motors lleugerament modificats respecte els actuals ja que en lloc de líquid haurien d'utilitzar gas. El problema de l'emmagatzematge continua sent el mateix sigui quin sigui el mètode utilitzat.
edita Seguretat
El més gran problema de l ‘hidrogen és la seva gran inflamabilitat. Tot i això, en ocasions un cotxe amb piles pot se més segur tal com mostra la següent fotografia, on s'ha pres foc en els combustible del vehicle, a la dreta hidrogen i a l'esquerra gasolina. En el cas de l'hidrogen, en estar altament pressuritzat té la fuita per un punt concret de la carrosseria provocant que tota la flama es produeixi en un sol lloc evitant així perill d'explosió de tot el dipòsit, que és el que passa amb els cotxes tradicionals
edita Producció i subministrament
Les algunes plantes poden obtenir hidrogen per l'electròlisi de l'aigua amb energies renovables excedentàries com podria ser de parcs eòlics o panells solars instal·lats en un pàrquing públic. La fabricació a partir de l'electròlisi és la menys eficient, entre el 15 i el 25%. Tot i això una vegada comprimit i emmagatzemat en el vehicle pot superar el 75%. En canvi quan l'hidrogen s'obté del metà, el rendiment assoleix un 75%, en canvi quan tenim tot el procés global baixa fins el 48 i el 60%. Tot i això tot aquests procediments tenen un rendiment més elevat que el 30% que presenten el motos de combustió interna. Sigui quin sigui el procés, el cost de producció és molt elevat. En els últims anys, aquests preu han disminuït considerablement, tot i que encara són aptes per producció a gran escala per subministrar hidrogen a grans produccions.
A part de produir hidrogen, també s'ha de considerar el factor de substituir les actuals gasolineres per una xarxa d'hidrogenaries per tal que els cotxes puguin reomplir el seus dipòsits. En aquestes, l'hidrogen s'emmagatzemaria de la mateixa manera que en els cotxes i seria transferida a través de braços extensibles similars als actuals.
edita Vehicles amb hidrogen
Actualment ja hi ha moltes marques de cotxes que estan desenvolupant la tecnologia de les piles de combustible per als seu vehicles. Alguns d'elles són BMW, Daimler, Ford, General Motors, Honda, Mazda, Opel, Peugeot i Toyota. Totes elles intenten resoldre el gran problema de l'elevat pes del vehicles, entre 1600 i 1900 kg, i el cost 10 vegades major que els actuals. Tot i això ja hi ha algun exemples de vehicles d'hidrogen que s'estan comercialitzant, com el BMW 745h, el Daimler-Chrysler NECAR, l'Honda FCX V3, l'Opel Zafira-HidroGen3 i el Toyota FCHV-4. També és possible trobar autobusos amb aquesta font d'energia en algunes grans ciutats.
Com a grans novetats hi ha el GM HY-WIRE que ha suposat una revolució amb el seu disseny amb una pila de combustible subministrant energia únicament a un roda. També cal destacar el record de velocitat assolit pel BMW H2R, 300,190 km/h, i el de resistència de Hysium, 3.000 km amb 3 kg d'hidrogen. Evidentment aquest últim exemples són casos experimental s i dissenyat expressament per aquest propòsit, tot i això demostren que l'hidrogen és un combustible plenament competitiu.
edita Bio-hidrogen
Possiblement, la solució ideal seria utilitzar un procés biològic per aprofitar l'energia solar i directament generar hidrogen de l'aigua.
Aquesta solució, va ser considerada als anys 70, degut a la crisi del petroli. El principi és molt simple: una planta com ara una alga manipulada i cultivada per tal que fotosintetitzi de l'hidrogen de l'aigua efectivament, actuant com una combinació d'un panell solar i d'una unitat d'electròlisi d'aigua. Tot i això, aconseguir que les plantes fotosintetitzin hidrogen en massa, no ha estat possible fins fa poc. Investigadors de la Universitat de Califòrnia a Berkeley (UCB) han descobert que utilitzant una classe particular d’alga (Chlamydomonas reinhardtii), es pot parar el procés de fotosíntesi normal que crema l’energia emmagatzemada, i obtenir hidrogen com a producte. Les piles biològiques, fan de dos a tres cicles de fotosíntesi normal al dia, seguits de fins a quatre dies de la metabolització atípica de l'energia emmagatzemada, que produeix hidrogen.
La clau és privar de sofre, fent que l'organisme es desenvolupi en unes condicions pobres en sofre i anaeròbies. Les taxes de producció actuals estan al voltant de tres mil·lilitre d'hidrogen per cada litre de cultiu, però es creu que serà possible augmentar aquesta taxa fins a unes 10 vegades amb una recerca més profunda. La tecnologia, ha estat patentada per aquesta universitat, el que fa pensar que sigui comercialitzada posteriorment.
Malauradament, fent els càlculs, es porta a pensar que aquesta tecnologia no podrà subministrar una porció significativa de l'energia que es necessita, i haurà de ser considerada només una petita part d'una infraestructura integrada d'energies renovables.
edita Hidrogen a Espanya
Els estudis sobre l'hidrogen i les cel·les de combustible estan inclosos al Pla Espanyol per a la Recerca Científica, Desenvolupament i Innovació tecnològica. Els sectors públics i industrials s'estan centren en els següents punts:
- Hidrogen: especialment en la seva producció mitjançant l'electròlisi en plaques fotovoltaiques, emmagatzematge, regulacions i seguretat.
- Cel·les de combustible: PEMFC, MCFC i SOFC.
edita Les principals organitzacions públiques de recerca involucrades són:
- CSIC (Concili Nacional sobre la Recerca Científica).
- INTA (Institut Nacional de Tècnica Aerospacial): l'institut s'especialitza en la investigació aerospacial I la ciència especial, així com el desenvolupament tecnològic en altres àrees industrials. La seva missió és promoure projectes d'investigació i desenvolupament i proporcionar el recolzament tècnic i científic a institucions tant espanyoles com de fora d'Espanya. Aquest és l'institut més important que actualment està implicat en un gran nombre de plantes pilot d'hidrogen i cel·les de combustible.
- CEIAMT (Centre d'Energia, Investigació Ambiental i Tecnològica): Està especialitzat en la investigació del sector de l'energia.
- ITC/ITER (Institut de Tecnologia de les Illes Canàries).
- Ariema És una organització centrada en l'hidrogen i les cel·les de combustible.
edita Les principals empreses involucrades són:
- Utilitats: Gas Natural, Gas de Euskadi, Iberdrola, Endesa, BP Espanya, Repsol.
- Fabricants de cotxes: Seat, Iveco/Irisbus.
- Ajusa: aquesta companyia té més de trenta anys d'experiència en la fabricació de components per a motors de combustió interna, i opera a tot el món.
- Ikerlan: aquest centre tecnològic està especialitzat en energia, el desenvolupament de productes i disseny de processos de producció. Des de 1997, s'ha involucrat en el desenvolupament de cel·les sòlides d'òxid de combustible.
L'Associació Espanyola de l'Hidrogen, es va fundar el 2002 a Madrid. Entre els seus membres, hi ha 30 companyies de diferents camps (energia, gasos industrials, gasos liquats del petroli, autobusos) així com 15 institucions de recerca o sense no lucratives.
L'Associació Espanyola de la Cel·la de Combustible (APPICE) va ser fundada el juny de 2002 i representa a professionals actius de l'àrea de la cel·la de combustible.
Les organitzacions espanyoles, estan involucrades en gran nombre de projectes europeus com:
- CUTE: Aquest projecte europeu ha produït estacions de servei d'hidrogen per a autobusos "nets", a Madrid i Barcelona.
- Febuss: vol crear una estratègia per al desenvolupament de mòduls d'energia per al transport públic.
- Cluster: busca integrar a RES als sectors d'Energia Europea utilitzant hidrogen (RES2H2);
- FIRST: Sistema remot de cel·les de combustible per a les telecomunicacions.
Un dels centres de recerca sobre energia solar més grans d'Europa, és la Plaforma Solar a Almeria, on s'estan fent molts esforços per avançar les tecnologies utilitzades en la producció d'energia solar tèrmica. Tots els processos d'obtenció d'energia solar tèrmica, podrien algun dia també ser plantes vàlides per a la producció d'hidrogen, mitjançant la generació d'electricitat o mitjançant la generació combinada d'electricitat i calor. Un projecte sobre energia solar, va ser realitzat a L'Arenosillo (Huelva) entre el 1991 i el 1996, incloent una font d'energia solar (un generador fotovoltaic de 8.5 kW).
edita Enllaços externs
- webelements.com (anglès)
- environmentalchemistry.com (anglès)
- És Elemental (anglès)
