El dihidrógeno
En la Ciénaga de Zapata y en los centrales azucareros se habla cada vez más de energías limpias. Un gas muy ligero, que al arder solo produce agua, aparece una y otra vez en esa conversación. ¿Qué es el dihidrógeno, cómo se obtiene en la escuela y por qué hay que tratarlo con cuidado?
Qué es el dihidrógeno
El hidrógeno (H) está en la columna 1 de la tabla de 18 columnas, pero no es un metal: es la excepción. Sus átomos no se encuentran sueltos. Se unen de dos en dos por un enlace covalente y forman moléculas.
Propiedades físicas:
| Propiedad | Dihidrógeno |
|---|---|
| Estado a 25 °C | gas |
| Color y olor | incoloro e inodoro |
| Densidad | la menor de todos los gases (unas 14 veces menor que la del aire) |
| Solubilidad en agua | muy poco soluble |
| Temperatura de ebullición | $-253$ °C (muy baja) |
¿Por qué es el gas más ligero? Porque su molécula tiene la menor masa molar: $M(\text{H}_2) = 2$ g/mol. En el mismo volumen y en las mismas condiciones, hay el mismo número de moléculas que en otro gas, pero cada una pesa muy poco. Por eso un globo con dihidrógeno sube en el aire.
Sus moléculas son pequeñas y no polares, y las fuerzas entre ellas son muy débiles. Por eso la temperatura de ebullición es tan baja.
Escribe la fórmula del dihidrógeno y describe tres de sus propiedades físicas: color, olor y densidad respecto al aire. Explica en una oración por qué se dice que es el…
Escribe la fórmula del dihidrógeno y describe tres de sus propiedades físicas: color, olor y densidad respecto al aire. Explica en una oración por qué se dice que es el gas más ligero.
Obtención en el laboratorio
En la escuela se obtiene haciendo reaccionar un metal activo, como el cinc, con un ácido, como el ácido clorhídrico. Es una reacción de sustitución: el metal desplaza al hidrógeno del ácido.
$$\text{Zn} + 2\,\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2$$Se forman cloruro de cinc (queda disuelto) y dihidrógeno. Se observan burbujas de gas sobre el metal, que se va consumiendo, y el tubo se calienta un poco.
Como casi no se disuelve en agua, el dihidrógeno se recoge desplazando el agua de un tubo invertido.
En el laboratorio de la escuela, Yanelis obtiene dihidrógeno haciendo reaccionar cinc con ácido clorhídrico. Escribe la ecuación química balanceada de esta reacción,…
En el laboratorio de la escuela, Yanelis obtiene dihidrógeno haciendo reaccionar cinc con ácido clorhídrico. Escribe la ecuación química balanceada de esta reacción, nombra las dos sustancias producidas e indica qué se observa durante el proceso.
Cálculos con el dihidrógeno
Los cálculos siguen el camino de siempre: masa → cantidad de sustancia → (relación molar de la ecuación) → cantidad de sustancia → masa o volumen. Para un gas en C.N., $V = n \cdot V_m$ con $V_m = 22{,}4$ L/mol.
Se hacen reaccionar 6,5 g de cinc con un exceso de ácido clorhídrico: $$\text{Zn} + 2\,\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}2 + \text{H}2$$ Calcula la cantidad de sustancia…
Se hacen reaccionar 6,5 g de cinc con un exceso de ácido clorhídrico:
$$\text{Zn} + 2\,\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2$$Calcula la cantidad de sustancia de dihidrógeno que se produce y su volumen en condiciones normales (volumen molar 22,4 L/mol). Masa molar del cinc: 65 g/mol.
Combustión y síntesis de agua
El dihidrógeno arde en el dioxígeno (o en el aire) con una llama casi incolora y desprende mucha energía:
$$2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$$Es una reacción de síntesis o combinación: dos sustancias forman una sola, el agua (óxido de dihidrógeno). Es exotérmica. Al ser el único producto el agua, no se libera dióxido de carbono.
Al balancear, cuenta los átomos: a la izquierda hay 4 H y 2 O; a la derecha, $2 \cdot 2 = 4$ H y $2 \cdot 1 = 2$ O. Coinciden.
Completa y balancea la ecuación de la combustión del dihidrógeno en dioxígeno: $$\text{H}2 + \text{O}2 \rightarrow \;?$$ Nombra el producto y señala qué tipo de reacción…
Completa y balancea la ecuación de la combustión del dihidrógeno en dioxígeno:
$$\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \;?$$Nombra el producto y señala qué tipo de reacción es (síntesis, descomposición o sustitución).
El dihidrógeno como reductor
El dihidrógeno quita oxígeno a algunos óxidos metálicos al calentarlos. Por ejemplo, con el óxido de cobre(II), que es negro:
$$\text{CuO} + \text{H}_2 \rightarrow \text{Cu} + \text{H}_2\text{O}$$-
El CuO se reduce: pierde oxígeno y se convierte en cobre metálico.
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El $\text{H}_2$ se oxida: gana oxígeno y forma agua.
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El dihidrógeno es el agente reductor: es la sustancia que reduce a la otra.
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El sólido pasa de negro a rojizo (el color del cobre) y en las paredes del tubo aparecen gotas de agua.
El dihidrógeno reduce al óxido de cobre(II) al calentarlos: $$\text{CuO} + \text{H}2 \rightarrow \text{Cu} + \text{H}2\text{O}$$ a) Indica qué sustancia se oxida y cuál…
El dihidrógeno reduce al óxido de cobre(II) al calentarlos:
$$\text{CuO} + \text{H}_2 \rightarrow \text{Cu} + \text{H}_2\text{O}$$- a) Indica qué sustancia se oxida y cuál se reduce, y cuál es el agente reductor.
- b) Describe el cambio de color que se observa en el sólido.
- c) Si reaccionan 15,9 g de $\text{CuO}$, calcula la masa de cobre obtenida. Masas molares: $\text{CuO}$ = 79,5 g/mol; $\text{Cu}$ = 63,5 g/mol.
Seguridad, usos y combustible del futuro
El dihidrógeno es muy inflamable. Una mezcla de dihidrógeno y aire arde de golpe y puede explotar. Por eso, antes de encender el gas que sale de un tubo, se comprueba su pureza:
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Se recoge una muestra en un tubo de ensayo, con la boca hacia abajo.
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Se acerca a la llama.
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Si suena un «ladrido» agudo, hay aire mezclado y es peligroso encenderlo. Si arde tranquilo, el gas es puro.
Usos principales:
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Materia prima: para fabricar amoniaco (proceso de Haber) y, de ahí, fertilizantes; también para hidrogenar aceites.
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Combustible: en cohetes y como combustible limpio.
El dihidrógeno se puede obtener por electrólisis del agua usando la corriente de parques solares fotovoltaicos:
$$2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{H}_2 + \text{O}_2$$La ventaja ambiental es que al quemarlo solo se forma agua. Las dificultades: por su baja densidad ocupa mucho volumen y hay que comprimirlo mucho o licuarlo a $-253$ °C; y por su inflamabilidad exige depósitos muy seguros, sin fugas ni chispas.
Antes de encender el dihidrógeno que sale de un tubo, el profesor de Alejandro exige comprobar su pureza recogiendo una muestra en un tubo de ensayo y acercándola a la…
Antes de encender el dihidrógeno que sale de un tubo, el profesor de Alejandro exige comprobar su pureza recogiendo una muestra en un tubo de ensayo y acercándola a la llama.
- a) Explica por qué una mezcla de dihidrógeno y aire puede ser peligrosa.
- b) Describe qué indica un «ladrido» agudo y qué indica una combustión tranquila.
- c) Menciona dos usos del dihidrógeno, uno como materia prima y otro como combustible.
Se propone usar dihidrógeno, obtenido por electrólisis del agua con la energía de parques solares fotovoltaicos, como combustible. a) Escribe la ecuación de la…
Se propone usar dihidrógeno, obtenido por electrólisis del agua con la energía de parques solares fotovoltaicos, como combustible.
- a) Escribe la ecuación de la electrólisis del agua y la de la combustión del dihidrógeno.
- b) Argumenta qué ventaja ambiental tiene este combustible frente a uno que contenga carbono.
- c) Explica dos dificultades prácticas de almacenar y transportar el dihidrógeno, relacionadas con su baja densidad y su inflamabilidad.
Cuando falta un reactivo: el limitante
Si las cantidades de los reactivos no están en la proporción de la ecuación, uno se acaba primero: es el reactivo limitante. El otro queda en exceso. La cantidad de producto depende del limitante.
En un recipiente se mezclan 4 g de dihidrógeno con 40 g de dioxígeno y se hace saltar una chispa: $$2\,\text{H}2 + \text{O}2 \rightarrow 2\,\text{H}2\text{O}$$ a)…
En un recipiente se mezclan 4 g de dihidrógeno con 40 g de dioxígeno y se hace saltar una chispa:
$$2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$$- a) Calcula la cantidad de sustancia de cada reactivo.
- b) Determina cuál es el reactivo limitante y cuál está en exceso.
- c) Halla la masa de agua formada y la masa del reactivo que sobra. Masas molares: $\text{H}_2$ = 2 g/mol; $\text{O}_2$ = 32 g/mol; $\text{H}_2\text{O}$ = 18 g/mol.
Vuelve al principio: el dihidrógeno es un gas ligero que, al arder, solo produce agua. Se prepara con cuidado en el laboratorio y, si se obtiene con energía solar, puede ser un combustible limpio; pero su baja densidad y su inflamabilidad hacen difícil guardarlo.