¿Qué es el hidrógeno?
El hidrógeno es el elemento químico más ligero que existe. El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica. Su átomo está formado por un protón y un electrón. Tiene número atómico 1 y peso atómico de 1.00797. Su átomo es estable en forma de molécula diatómica, es decir, H2.
La palabra hidrógeno deriva del griego compuesto por hydro que indica “agua” y genos que se refiere a un “generador”.
En condiciones normales, el hidrogeno se encuentra en estado gaseoso, y es insípido, incoloro e inodoro.
La molécula de hidrógeno
Aunque por lo general es diatómico, el hidrógeno molecular se disocia a temperaturas elevadas en átomos libres.
Existen tres isótopos del hidrógeno: el protio, el deuterio y el tritio. El protio tiene masa 1, y se encuentra en más del 99.98% del elemento natural. El deuterio posee masa 2, y su presencia en la naturaleza es aproximadamente un 0.02%. El tritio tiene masa 3, y aparece en pequeñas cantidades en la naturaleza. No obstante, el tritio puede producirse artificialmente por medio de varias reacciones nucleares.
De forma general, el hidrógeno en la Tierra es muy abundante. Tanto que constituye aproximadamente el 75 % de la materia del Universo. No se encuentra en forma pura, sino que, se encuentra combinado con otros elementos como el oxígeno formando moléculas de agua, o al carbono, formando compuestos orgánicos. Por ese motivo, no es un combustible que pueda tomarse directamente de la naturaleza. Se trata de un vector energético y se debe generar, algo parecido a la electricidad.
El átomo de hidrógeno
El átomo de hidrógeno es un agente reductor poderoso, incluso a temperatura ambiente. Reacciona con los óxidos y los cloruros de muchos metales, entre ellos la plata, el cobre, el plomo, el bismuto y el mercurio, para producir los metales libres. Reduce a su estado metálico algunas sales, como los nitratos, nitritos y cianuros de sodio y potasio.
Reacciona con cierto número de elementos, tanto metales como no metales, para producir hidruros. Este es el caso del NaH, KH, H2S y PH3. El hidrógeno atómico produce peróxido de hidrógeno, H2O2, con oxígeno.
El átomo de hidrógeno reacciona con compuestos orgánicos para generar una mezcla compleja de productos. Por ejemplo, etileno (C2H4), etano (C2H6), y butano (C4H10). El calor que se libera cuando los átomos de hidrógeno se recombinan para formar las moléculas de hidrógeno se aprovecha para obtener temperaturas muy elevadas en soldadura con átomos de hidrógeno.
El hidrógeno reacciona con oxígeno para formar la molécula de agua. Esta reacción es extraordinariamente lenta a temperatura ambiente; pero si la acelera un catalizador, como el platino, o una chispa eléctrica, se realiza con violencia explosiva.
El hidrógeno en presencia de nitrógeno experimenta una importante reacción para dar amoniaco. El hidrógeno reacciona a temperaturas elevadas con cierto número de metales y produce hidruros. Los óxidos de muchos metales son reducidos por el hidrógeno a temperaturas elevadas para obtener el metal libre o un óxido más bajo.
El hidrógeno reacciona a temperatura ambiente con las sales de los metales menos electropositivos y los reduce a su estado metálico. En presencia de un catalizador adecuado, el hidrógeno reacciona con compuestos orgánicos no saturados adicionándose al enlace doble.
Características del hidrógeno
El hidrógeno común tiene un peso molecular de 2.01594. Cuando se encuentra en estado de gas, el hidrógeno tiene una densidad de 0.071 g/l a 0ºC y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con la del aire, es de 0.0695. El hidrógeno es la sustancia más inflamable de todas las que se conocen.
El hidrógeno tiene un punto de ebullición de -252,77 ºC y un punto de fusión de -259,13 ºC.
El hidrógeno es un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua. Muchos metales absorben hidrógeno. La adsorción del hidrógeno en el acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para procesos químicos.
A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia poco reactiva. Salvo que haya sido activado de alguna manera, por ejemplo, por un catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es muy reactivo.
¿Cómo se produce el hidrógeno?
Existen distintos métodos de producción de hidrógeno. Se puede producir a partir de distintas materias primas, distintas fuentes de energía y por distintos procedimientos.
Según sean la materia prima y la fuente energética utilizada para producirlo se podrá hablar de procesos renovables, fósiles o híbridos.
El hidrógeno puede ser producido y almacenado utilizando los excedentes de energía producida por las energías renovables, como la solar, la eólica, la hidráulica, ….
Los beneficios medioambientales del hidrógeno son aún mayores, cuando se aprovecha para la alimentación eléctrica de las pilas de combustible de alta eficiencia.
¿Por qué usamos el hidrógeno como combustible?
Un kilogramo de hidrógeno puede liberar más energía que un kilogramo de cualquier otro combustible. Con mayor detalle, podemos decir que aporta casi el triple que la gasolina o el gas natural. Además, para liberar esa energía no emite nada de dióxido de carbono. Su residuo es el vapor de agua, por lo que el impacto ambiental es nulo.
Hay dos razones principales por las que es deseable sustituir los combustibles fósiles por el hidrógeno:
La combustión del hidrógeno no contamina. Produce como subproducto agua, mientras que los combustibles fósiles producen dióxido de carbono. EL CO2 permanece en la atmósfera como contaminante y es uno de los mayores responsables de lo que se denomina «efecto invernadero».
Las reservas de combustibles fósiles se agotarán tarde o temprano, mientras que el hidrógeno permanecerá inagotable.
¿Para qué se almacena el hidrógeno?
Una de las aplicaciones más importantes del hidrógeno es su uso como almacenamiento de energía. Este es un punto clave para su introducción en el mercado y su principal ventaja como vector energético.
El hidrógeno se caracteriza por tener una alta densidad energética por unidad de masa. Su mayor problema es que ocupa mucho volumen.
Por esta razón existen diferentes formas de almacenamiento en diferente grado de desarrollo. Lo habitual es almacenar hidrógeno en cantidades relativamente pequeñas a 200 bares; el almacenamiento a alta presión (700 bar) está aún en fase desarrollo.
¿Dónde se produce el hidrógeno?
El hidrógeno puede ser producido localmente, en grandes instalaciones centrales o en pequeñas unidades distribuidas ubicadas en o cerca del punto de uso. Esto significa que todas las zonas, incluso áreas remotas, puedan convertirse en productores de energía.
¿Dónde se encuentra el hidrógeno en la naturaleza?
El hidrógeno en su forma pura es muy escaso en la Tierra debido al efecto de la gravedad que impide que se mantenga estable. Siempre se encuentra asociado a otro elemento como, por ejemplo, con oxígeno generando agua (H2O), con nitrógeno generando amonio (NH3) o con carbono generando metano (CH4).
¿Qué aplicaciones tiene el hidrógeno?
El hidrógeno se ha utilizado con seguridad durante muchas décadas en una amplia gama de aplicaciones. Entre estas destacan las industrias de la alimentación, metal, vidrio y química. La industria mundial del hidrógeno está bien establecida y produce más de 50 millones de toneladas de hidrógeno al año.
Con respecto a la energía, el hidrógeno puede ser utilizado como combustible para el transporte, y para generar electricidad mediante pilas de combustible.
La industria química
El empleo más importante del hidrógeno es en la síntesis del amoniaco. La utilización del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de refinación del petróleo, como el rompimiento por hidrógeno (hydrocracking), y en el tratamiento con higrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la manufactura de productos químicos orgánicos.
La industria espacial
Grandes cantidades de hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor. También, se emplea como un propulsor de cohetes compatibilizando el uso de energía nuclear.
Movilidad y transporte
Un vehículo de motor de combustión interna de hidrógeno utiliza un motor de combustión interna convencional modificado para la combustión de hidrógeno gaseoso. Los vehículos de de hidrógeno son un 30% más eficientes comparados con los vehículos de gasolina. Los vehículos de hidrogeno funcionan sin problema en todas las condiciones climáticas, incluso a bajas temperaturas.
El hidrógeno como vector energético
Nuestro sistema energético, hasta hace poco, se basaba en la utilización de combustibles fósiles. Gran parte de las actividades que lleva a cabo el ser humano son posibles gracias a la energía de estos combustibles. Buenos ejemplos son: el transporte (coches, aviones, barcos), la calefacción de edificios, el trabajo de las máquinas, en la industria, etc.
Este sistema genera cargas de contaminación inasumibles para el planeta. Por eso, es necesario buscar alternativas más ecológicas.
El hidrógeno no puede ser considerado como una fuente primaria de energía. Estos serían los combustibles fósiles y las energías renovables. Más bien se considera un medio para transportar energía, por lo que se le denomina vector energético. De esta forma, el hidrógeno se transformará en energía y calor de una forma eficiente y limpia. Esto se alcanza mediante un proceso químico conseguido en un equipo denominado «pila de combustible».
La transición del modelo energético es complicada y requiere de los avances tecnológicos que se suceden continuamente. A diferencia de los combustibles fósiles, el hidrógeno no se encuentra en estado libre en nuestro planeta, sino formando compuestos como el agua. Por ese motivo, es preciso desarrollar sistemas capaces de producirlo de manera eficiente. Por otro lado, sería necesario habilitar nuevas infraestructuras para el suministro de hidrógeno, es decir, se necesita construir una completa red de hidrogeneras.