2.3: Síntesis de Hidrógeno Molecular
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Si bien el hidrógeno es el elemento más abundante del universo, su reactividad hace que exista como compuestos con otros elementos. Así, el hidrógeno molecular, H 2, debe prepararse a partir de otros compuestos. A continuación se describe una selección de métodos sintéticos.
Reformado por vapor de carbono e hidrocarburos
Muchas reacciones están disponibles para la producción de hidrógeno a partir de la reacción de vapor con una fuente de carbono. La elección de la reacción se guía por la disponibilidad de materias primas y la pureza deseada del hidrógeno. La reacción más simple consiste en pasar vapor sobre coque a altas temperaturas (1000 ◦ C).
\[\ce{C(s) + H2O(g) \rightarrow H2(g) + CO(g)} \nonumber \]
El coque es un material carbonoso gris, duro y poroso derivado de la destilación destructiva de carbón bituminoso bajo en cenizas y bajo contenido de azufre. Como alternativa al coque, el metano puede ser utilizado a una temperatura ligeramente superior (1100 ◦ C).
\[\ce{ CH4(g) + H2O(g) \rightarrow 3 H2(g) + CO(g)} \nonumber \]
En cada caso, el monóxido de carbono formado en la reacción puede reaccionar adicionalmente con vapor en presencia de un catalizador adecuado (generalmente óxido de hierro u cobalto) para generar hidrógeno adicional.
\[\ce{CO(g) + H2O(g) \leftrightharpoons H2(g) + CO2(g)}\nonumber \]
Esta reacción se conoce como la reacción de desplazamiento de gas de agua, y fue descubierta por el físico italiano Felice Fontana (Figura\(\PageIndex{2}\) .6) en 1780.
El proceso industrial dominante para la producción de hidrógeno utiliza gas natural o materia prima de refinería de petróleo en presencia de un catalizador de níquel a 900 ◦ C.
\[C_2H_{8(g)} + 3 H_2O_{(g)} \rightarrow 7 H_{2(g)} + 3 CO_{(g)} \nonumber \]
Electrólisis de agua
La electrólisis del agua acidificada con electrodos de platino es una ruta simple (aunque intensiva en energía) hacia el hidrógeno.
\[ 2 H_2O_{(l)} \rightarrow 2 H_{2(g)} + O_{2(g)}\nonumber \]
A mayor escala, la hidrólisis de soluciones acuosas cálidas de hidróxido de bario puede producir hidrógeno de pureza superior al 99.95%. El hidrógeno también se forma como producto secundario en la producción de cloro a partir de la electrólisis de soluciones de salmuera (NaCl) en presencia de un electrodo de mercurio.
\[2NaCl_{(aq)} + 2 Hg_{(l)} \rightarrow Cl_{2(g)} + 2 NaHg_{(l)}\nonumber \]
La amalgama de sodio y mercurio reacciona con el agua para producir hidrógeno.
\[ NaHg_{(l)} + 2 H_2O_{(l)} \rightarrow H_{2(g)} + 2NaOH_{(aq)} + 2Hg_{(l)}\nonumber \]
Así, la reacción general puede escribirse como:
\[ NaCl_{(aq)} + H_2O_{(l)}\rightarrow H_{2(g)} + 2 NaOH_{(aq)} + Cl_2\nonumber \]
Sin embargo, este método se está eliminando gradualmente por razones ambientales.
Reacción de metal con ácido
El hidrógeno se produce mediante la reacción de metales altamente electropositivos con agua, y metales menos reactivos con ácidos, p.
\[ Fe_{(s)} + 2H_3O^+_{(aq)} \rightarrow H_{2(g)} + 2 H_2O_{(aq)} + Fe^{2+}_{(aq)}\nonumber \]
Este método fue utilizado originalmente por Henry Cavendish (Figura\(\PageIndex{2}\) .7) durante sus estudios que llevaron a la comprensión del hidrógeno como elemento (Figura\(\PageIndex{2}\) .8).
El mismo método fue empleado por el inventor francés Jacques Charles (Figura\(\PageIndex{2}\) .9) para el primer vuelo de un globo de hidrógeno el 27 de agosto de 1783. Desafortunadamente, campesinos aterrorizados destruyeron su globo cuando aterrizó fuera de París.
Hidrólisis de hidruros metálicos
Los hidruros metálicos reactivos como el hidruro de calcio (CaH 2) se someten a una rápida hidrólisis para liberar hidrógeno.
\[CaH_{2(s)} + 2H_2O_{(l)} \rightarrow 2 H_{2(g)} + 2 OH^-_{(aq)} + Ca^{2+}_{(aq)}\nonumber \]
Esta reacción se utiliza a veces para inflar balsas salvavidas y globos meteorológicos donde se desea un medio simple y compacto de generar H2.