Describe el proceso industrial de obtención del hidrógeno a partir de gas natural, escribiendo todas las reacciones químicas ajustadas e indicando las condiciones en las que se desarrollan dichas reacciones. Control Quirós. Cuestionario 1

Hay diversas rutas de síntesis industrial y una de ellas es el proceso del “gas de agua”. En el primer paso de este proceso, la reacción endotérmica de gas natural (metano) con vapor de agua a altas temperaturas produce monóxido de carbono e hidrógeno gas.

Catalizador de Níquel a 800°C

Es difícil separar ambos productos porque la mezcla debe enfriarse a menos de -205 °C para que se condense el CO. A fin de superar este problema e incrementar el rendimiento de H2, la mezcla se enfría. Se inyecta vapor de agua adicional y la combinación se pasa sobre un sistema catalítico distinto. En estas condiciones, el CO se oxida a CO2 en una reacción exotérmica y el agua añadida se reduce a H2. Catalizador Fe2O3/Cr2O3 a 400°C

El CO2 se puede separar del H2 de varias maneras. Una consiste en enfriar los productos por debajo de la temperatura de condensación del CO2 (-78°C), mucho más alta que la del H2 (-253°C). Sin embargo, este proceso requiere sistemas de refrigeración a gran escala. En este momento, cuando se tiene H2 y trazas de CO y CO2, se añade otro catalizador que provoque la oxidación del CO al CO2, ya que el CO es muy tóxico. Así obtengo H2 al 98%.

Otra ruta implica el paso de la mezcla de gases por una (disolución de carbonato potásico). El CO2 es un óxido ácido, y reacciona con el ion carbonato y agua para dar KHCO3. Después, la disolución de KHCO3 se puede retirar y calentar para generar K2CO3 otra vez.

Justificar, termodinámicamente, las variaciones en el valor de los potenciales de reducción (M+/M) para los elementos del grupo 1, mostrados en la tabla. Final 20-1-17. Final 21-1-16. Cuestionario 1.

Con el potencial de reducción nos referimos a la tendencia que tienen los elementos a reducir su estado de oxidación, es decir, a ganar electrones.

El potencial de reducción disminuye según aumenta el tamaño del átomo, porque el radio atómico es mayor y por tanto la carga nuclear efectiva disminuye, atrayendo con menos fuerza los electrones, y siendo más fáciles arrancarlos; también debemos tener en cuenta 3 factores:

• La energía de ionización: es la energía necesaria para arrancarle un electrón de la capa de valencia a un átomo, ésta disminuye a medida que aumenta el tamaño del átomo. El último electrón de los átomos más grandes tiene menos carga nuclear efectiva, por lo que es más fácil arrancarles un electrón.
• La entalpía de atomización, que es la energía necesaria para formar un mol de átomos gaseosos a partir del elemento en condiciones estándar, la cual disminuye hacia abajo en el grupo porque el solapamiento de orbitales moleculares es peor.
• La entalpía de hidratación, que se define como el calor desprendido al pasar un ion desde un estado inicial en fase gaseosa a un estado final rodeado de moléculas de H2O.

Supone un beneficio energético, al formarse enlaces cuando se solvata un catión en agua. Este beneficio de diluir en agua es mayor cuanto más pequeño sea un átomo. Es mucho más traumático para el catión pequeño perder un electrón que para el grande (el pequeño tiene más tendencia a solvatarse).

Indicar, justificando la respuesta, tres propiedades físicas o químicas adicionales que varían gradualmente al bajar en el grupo 1. Final 20-1-17.

El punto de fusión: según descendemos en el grupo se observa un aumento el radio atómico de los elementos, por lo que cada vez éstos son más grandes. Esta variación en el tamaño hace que la fuerza de enlace que une átomos de un mismo elemento sea menor, debido a que hay peor hibridación (peor solapamiento entre los orbitales de ambos átomos), al ser estos cada vez más grandes. Puesto que la fuerza de los enlaces es menor, los enlaces serán más fácil de romper, siendo ese el motivo por el cual disminuye el punto de fusión al bajar en el grupo.

La energía de ionización: energía necesaria para arrancarle un electrón de la capa de valencia a un átomo, ésta disminuye a medida que aumenta el tamaño del átomo, es decir, hacia abajo en el grupo. El último electrón de los átomos más grandes tiene menos carga nuclear efectiva debido al fenómeno del apantallamiento, por lo que es más fácil arrancarles un electrón.

La entalpía de atomización: energía necesaria para formar un mol de átomos gaseosos a partir del elemento en condiciones estándar, la cual disminuye hacia abajo en el grupo porque el solapamiento de orbitales moleculares es peor.

Justifica, desde un punto de vista termodinámico, que el hidruro de calcio sea menos estable que el cloruro de calcio. Cuestionario 1.

Tanto el CaH2 como el CaCl2 son compuestos iónicos, por lo que el Ca (s) necesita atomizarse en Ca (g) y luego ionizarse dos veces para formar el Ca2+ (g), requiriendo la misma energía para los 2 compuestos.

La diferencia es que para formar el anión hidruro se requiere una mayor energía que para formar el anión cloruro. Ambos se tienen que disociar, y una vez en fase gas, liberar energía al captar un electrón (afinidad electrónica). La afinidad electrónica del hidrógeno es mucho menor que la del resto de los halógenos, por lo que para realizar estos 2 pasos se requiere incluso de energía adicional (cosa que no pasa con el ion cloruro). Por lo tanto, la entalpía de formación del CaCl2 será más baja que la del CaH2, y por lo tanto más estable.

El boro es un elemento deficiente en electrones. Justifica esta afirmación e indicar cómo se soluciona dicha deficiencia electrónica. Final 20-1-17.

Debido a su configuración electrónica, el boro presenta menos electrones que orbitales en la última capa de valencia, por lo que el orbital Pz siempre está vacío. Esto lleva a que no se puedan formar los enlaces convencionales porque siempre habrá un orbital vacío.

Esto obliga a formar enlaces multicentro B-H-B o B-B-B, en los cuales 2 electrones se reparten entre 3 átomos. La implicación directa es que los enlaces multicentro son enlaces débiles, porque su densidad de carga negativa es mucho menor que la tiene un enlace convencional.

Indica cómo se enlazan los 12 átomos de boro que forman el icosaedro B12. Final 20-1-17.

En la estructura del icosaedro B12, encontramos 48 orbitales moleculares, los cuales se dividen en:

• 12 orbitales σ “sp” orientados hacia el exterior del icosaedro.
• 12 orbitales σ “sp” orientados hacia el interior del icosaedro.
• 24 orbitales π “px,py” tangentes en cada vértice.

De estos 48 orbitales, 36 se encuentran dirigidos hacia el interior del icosaedro. Estos 36 se pueden clasificar, a su vez, en:

• 13 orbitales enlazantes.
• 13 orbitales antienlazantes.
• 10 orbitales no enlazantes.

Por otro lado, si cada boro aporta 3 e- a la estructura, el recuento total será de 36 e-. Se usarán 26 e- para llenar los orbitales moleculares de baja energía (enlazantes), mientras que los 10 restantes se utilizarán para uniones entre icosaedros (usando los orbitales dirigidos hacia el exterior). En el caso del alótropo α-romboédrico, su estructura se encuentra en láminas densamente empaquetadas:

• 6 boros unidos a otros 6 icosaedros en la misma lámina.
• 3 boros unidos a la lámina de arriba.
• 3 boros unidos a la lámina de abajo.

En este compuesto, de los 10 e- restantes citados anteriormente, 6 se utilizan en enlaces boro-boro entre láminas y 4 en enlaces multicéntricos entre 3 boros de la lámina, tocando a 4/6 de electrón cada boro.

Etiquetas: hidrógeno, obtención industrial, potenciales de reducción, química