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OXIGENO E HIDROGENO
- 1. OXIGENO E HIDROGENO STEPHANIA LADINO SANABRIA DOCENTE: DIANA JARAMILLO INSTITUCIÓN EDUCATIVA EXALUMNAS DE LA PRESENTACIÓN QUIMICA 10°1 IBAGUÉ TOLIMA 2019
- 2. INTRODUCCION ¿Cómo se obtiene el oxígeno?, ¿qué propiedades tiene el hidrogeno?, estas son preguntas que aunque no a diario nos hacemos de vez en cuando llegan a nuestras mentes; por eso en este escrito encontraras información que probablemente no conocías de estos 2 elementos. El oxígeno es uno de los elementos más abundantes e importantes de la tierra, además de ser fundamental para la vida, y en parte para la industria; por otro lado está el hidrogeno que es el elemento más básico de toda la tabla y el primero, fue descubierto en 1669 y desde entonces se han podido hacer grandes descubrimientos con y sobre este. En el presente trabajo encontraras datos bastante interesantes sobre estos dos elementos químicos tales como: propiedades, combustión, aplicaciones, sus estados natrales, como se obtienen, entre otros.
- 3. OBJETIVOS Conocer más a fondo las propiedades tanto físicas como químicas del oxígeno, como es su llama, cuando se da su combustión, como se obtiene, su estado natural y sus aplicaciones. Identificar la importancia de estos dos elementos químicos (hidrogeno y oxigeno). Comprender en qué estado natural se encuentran el oxígeno e hidrogeno.
- 4. OXIGENO INTRODUCCION Elemento químico gaseoso, símbolo O, número atómico 8 y peso atómico 15.9994. Es de gran interés por ser el elemento esencial en los procesos de respiración de la mayor parte de las células vivas y en los procesos de combustión. Es el elemento más abundante en la corteza terrestre. Cerca de una quinta parte (en volumen) del aire es oxígeno. Existen equipos capaces de concentrar el oxígeno del aire. Son los llamados generadores o concentradores de oxígeno, que son los utilizados en los bares de oxígeno. El oxígeno gaseoso no combinado suele existir en forma de moléculas diatómicas, O2, pero también existe en forma triatómica, O3, llamada ozono. El oxígeno se separa del aire por licuefacción y destilación fraccionada. Las principales aplicaciones del oxígeno en orden de importancia son: 1) fundición, refinación y fabricación de acero y otros metales; 2) manufactura de productos químicos por oxidación controlada; 3) propulsión de cohetes; 4) apoyo a la vida biológica y medicina, y 5) minería, producción y fabricación de productos de piedra y vidrio. Existen equipos generadores de ozono, los cuales son usados para oxidación de materias, para ozonización de piscinas... En condiciones normales el oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido; se condensa en un líquido azul claro. El oxígeno es parte de un pequeño grupo de gases ligeramente paramagnéticos, y es el más paramagnético de este grupo. El oxígeno líquido es también ligeramente paramagnético.
- 5. Casi todos los elementos químicos, menos los gases inertes, forman compuestos con el oxígeno. Entre los compuestos binarios más abundantes de oxígeno están el agua, H2O, y la sílica, SiO2; componente principal de la arena. De los compuestos que contienen más de dos elementos, los más abundantes son los silicatos, que constituyen la mayor parte de las rocas y suelos. Otros compuestos que abundan en la naturaleza son el carbonato de calcio (caliza y mármol), sulfato de calcio (yeso), óxido de aluminio (bauxita) y varios óxidos de hierro, que se utilizan como fuente del metal. ESTADO NATURAL El Oxígeno es el elemento más abundante de la superficie terrestre, de la cual forma casi el 50%; constituye un 89% del agua y un 23% del aire (porcentajes por pesos). En estado libre, el oxígeno se encuentra en la atmósfera en forma de moléculas diatónicas (O2), constituyendo un 23% por peso y un 21% por volumen. En combinación, entra en la formación de una gran cantidad de compuestos orgánicos y minerales, haciendo parte de todos los organismos animales y vegetales. De los minerales que contienen oxígeno, los más importantes son los que contienen silicio, siendo el más simple de toda la sílice (SiO2), que es el principal constituyente de la arena. Otros compuestos que contienen oxígeno son sulfatos, carbonatos, fosfatos, nitratos y óxidos, principalmente. PROPIEDADES QUIMICAS Nombre Oxígeno Número atómico 8
- 6. Valencia 2 Estado de oxidación - 2 Electronegatividad 3,5 Radio covalente (Å) 0,73 Radio iónico (Å) 1,40 Radio atómico (Å) - Configuración electrónica 1s22s22p4 Primer potencial de ionización (eV) 13,70 Masa atómica (g/mol) 15,9994 Densidad (kg/m3) 1.429 Punto de ebullición (ºC) -183 Punto de fusión (ºC) -218,8
- 7. Descubridor Joseph Priestly 1774 PROPIEDADES FISICAS El oxígeno es más soluble en agua que el nitrógeno; esta contiene aproximadamente una molécula de O2 por cada dos moléculas de N2, comparado con la proporción en la atmósfera, que viene a ser de 1:4. La solubilidad del oxígeno en el agua depende de la temperatura, disolviéndose alrededor del doble (14,6 mg•L−1) a 0 °C que a 20 °C (7,6 mg•L−1). A 25 °C y 1 atmósfera de presión, el agua dulce contiene alrededor de 6,04 mililitros (ml) de oxígeno por litro, mientras que el agua marina contiene alrededor de 4,95 ml por litro. A 5 °C la solubilidad se incrementa hasta 9,0 ml (un 50 % más que a 25 °C) por litro en el agua y 7,2 ml (45 % más) en el agua de mar. El oxígeno se condensa a 90,20 K (−182,95 °C, −297,31 °F) y se congela a 54,36 K (−218,79 °C, −361,82 °F). Tanto el O2 líquido como el sólido son sustancias con un suave color azul cielo causado por la absorción en el rojo, en contraste con el color azul del cielo, que se debe a la dispersión de Rayleigh de la luz azul. El O2 líquido de gran pureza se suele obtener a través de la destilación fraccionada de aire licuado. El oxígeno líquido también puede producirse por condensación del aire, usando nitrógeno líquido como refrigerante. Es una sustancia altamente reactiva y debe separarse de materiales inflamables.
- 8. COMBUSTION En la combustión una sustancia química reacciona rápidamente con oxígeno produciendo calor y luz. Los productos típicos de una reacción de combustión son CO2, H2O, N2 y óxidos de cualquier otro elemento presente en la muestra original. Un ejemplo típico de combustión es la oxidación del metano según el proceso LLAMA La llama que se produce en este caso tiene poco poder de iluminación, por lo que se conoce con el nombre de llama de oxidación o llama oxidante, y el exceso de oxígeno es suficientemente alto para oxidar a los metales. Si falta oxígeno, la combustión es incompleta y la temperatura que se alcanza es más baja; en esta llama se reducen los óxidos de algunos metales; la llama que se produce tiene una luminosidad característica a causa de la incandescencia del carbón que no se quema por falta de oxígeno. Esta llama se conoce con el nombre de llama de reducción. OBTENCION
- 9. El más común consiste en destilar fraccionadamente aire licuado en sus diversos componentes, con el N2 destilado como vapor y el O2 dejado como líquido. El otro método principal de obtención de O2 gaseoso consiste en pasar un chorro de aire limpio y seco a través de un lecho de tamices moleculares de zeolita, que adsorben el nitrógeno y dejan pasar un chorro de gas que es de un 90 a un 93 % O2.Simultáneamente, el otro lecho de zeolita saturada de nitrógeno libera este gas al reducir la presión de funcionamiento de la cámara e introducir en ella a contracorriente parte del oxígeno separado en el lecho productor. Después de cada ciclo completo, los lechos se intercambian, lo que permite un suministro constante de oxígeno. Esto se conoce por adsorción por oscilación de presión y se utiliza para producir oxígeno a pequeña escala. El oxígeno también puede producirse mediante la electrólisis del agua, descomponiéndola en oxígeno e hidrógeno, para lo cual debe usarse una corriente continua; si se usara una corriente alterna, los gases de cada extremo consistirían en hidrógeno y oxígeno en la explosiva relación 2:1. Contrariamente a la creencia popular, la relación 2:1 observada en la electrólis is de corriente continua del agua acidificada no demuestra que la fórmula empírica del agua sea H2O, a menos que se asuman ciertas premisas sobre la fórmula molecular del hidrógeno y el oxígeno. Un método similar es la evolución electro catalítica del O2 de óxidos a oxácidos. También se pueden usar catalizadores químicos, como en el generador químico de oxígeno o en las velas de oxígeno que se usan en el equipamiento de apoyo en submarinos y que aún
- 10. son parte del equipamiento estándar en aerolíneas comerciales para casos de despresurización. Otra tecnología de separación del aire consiste en forzar la disolución del aire a través de membranas de cerámica basadas en dióxido de zirconio, ya sea por alta presión o por corriente eléctrica, para producir O2 gaseoso prácticamente puro. APLICACIONES El oxígeno es un elemento químico importante que es. Incoloro, inodoro e insípido. Si alguna vez te has preguntado para qué sirve el oxígeno, a continuación tienes una lista de sus posibles usos: Obviamente, el oxígeno es importante para la respiración humana. Por lo tanto, la terapia de oxígeno se utiliza para las personas que tienen dificultad para respirar debido a alguna condición médica (como enfisema o neumonía). El oxígeno gaseoso es venenoso para las bacterias que causan gangrena. Por lo tanto, se utiliza para matarlos. El envenenamiento por monóxido de carbono se trata con gas oxígeno. En los trajes espaciales se utiliza oxígeno de un alto grado de pureza para que los astronautas pueden respirar. Los tanques de buceo también contienen oxígeno, aunque por lo general se mezcla con aire normal. Los aviones y los submarinos también cuentan con bombonas de oxígeno (para emergencias). El oxígeno se utiliza en la producción de polímeros de poliéster y los anticongelantes. Los polímeros se utilizan para hacer plástico y telas. Los cohetes usan el oxígeno para quemar el combustible líquido y generar sustentación.
- 11. La mayoría de oxígeno producido comercialmente se utiliza para convertir el mineral de hierro en acero. Los científicos usan la proporción de dos isótopos de oxígeno (oxígeno-18 y oxígeno- 16) en los esqueletos para investigar el clima de hace miles de años. El oxígeno puro se utiliza para asegurar la combustión completa de los productos químicos. El oxígeno se utiliza para tratar el agua, y también para cortar y soldar metales. HIDROGENO INTRODUCCION Es un gas incoloro, inodoro, insípido, altamente inflamable y no es tóxico. De símbolo H, es un elemento gaseoso reactivo, incoloro e inodoro. Su número atómico es 1 y pertenece al grupo 1 (o IA) del sistema periódico. El hidrógeno se quema en el aire formando una llama azul pálido casi invisible. Es el más ligero de los gases conocidos en función de su bajo peso específico con relación al aire. Por esta razón, su manipulación requiere de cuidados especiales para evitar accidentes. Propenso a fugas debido a viscosidad y a su bajo peso molecular. ESTADO NATURAL
- 12. El hidrógeno es el elemento más abundante del Universo. En efecto, la mayoría de las estrellas son predominantemente de hidrógeno (el Sol tiene aproximadamente un 90% de hidrógeno). En cuanto a la Tierra, su abundancia es menor. En estado libre, se encuentra en pequeñas cantidades en la atmósfera, así como en los gases que se desprenden de los volcanes y de los yacimientos de petróleo. En combinación, por el contrario, el hidrógeno es bastante común: en el agua constituye en 11,2% de su peso total; el cuerpo humano, que es aproximadamente dos terceras partes de agua, tiene un 10% de hidrogeno por peso; forma parte esencial de todos los organismos animales y vegetales, en los cuales entra en combinación con oxígeno, nitrógeno, carbono, etc. Finalmente, es un constituyente importante del petróleo y de los gases de combustibles naturales. PROPIEDADES QUIMICAS En condiciones normales, el hidrógeno es un gas incoloro, inodoro y sin sabor. Es la molécula más pequeña conocida. La densidad del hidrógeno es de 76 Kg./m^3, y cuando se encuentra en estado de gas, la densidad es de 273 kg./ L. Posee una gran rapidez de transición, cuando las moléculas se encuentran en fase gaseosa. Debido a esta propiedad, hay ausencia casi total, de hidrógeno en la atmósfera terrestre. Facilidad de efusión, así como también de difusión. Optima conductividad calorífica Punto de fusión de 14025 K. Punto de ebullición de 20268 K PROPIEDADES FISICAS El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido a temperatura ambiente. Es el elemento más liviano que existe, siendo aproximadamente 14 veces menos pesado que el aire. Su
- 13. molécula consiste de dos átomos de hidrógeno (H2) unidos por un enlace covalente. Posee tres isótopos, de los cuales el más abundante es el Protio (99.985%); el Deuterio tiene una abundancia de 0,02% y el tritio es tan escaso que de cada 109 átomos de hidrógeno hay uno de tritio. El hidrogeno es fácilmente absorbido por ciertos metales finamente divididos, siendo los principales paladio, platino y oro. Por ejemplo, uno volumen de paladio finamente dividido puede adsorber aproximadamente 850 volumen es de Hidrógeno a temperatura ambiente. El hidrógeno absorbido es muy activo químicamente. COMBUSTION El gas hidrógeno (dihidrógeno24) es altamente inflamable y se quema en concentraciones de 4 % o más H2 en el aire. La entalpía de combustión de hidrógeno es −285.8 kJ/mol; se quema de acuerdo con la siguiente ecuación balanceada. 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (285.8 kJ/mol)27 Cuando se mezcla con oxígeno en una variedad de proporciones, de hidrógeno explota por ignición. El hidrógeno se quema violentamente en el aire; se produce la ignición automáticamente a una temperatura de 560 °C. Llamas de hidrógeno-oxígeno puros se queman en la gama del color ultravioleta y son casi invisibles a simple vista, como lo demuestra la debilidad de la llama de los motores principales del transbordador espacial (a
- 14. diferencia de las llamas fácilmente visibles del cohete acelerador del sólido). Así que se necesita un detector de llama para detectar si una fuga de hidrógeno está ardiendo. La explosión del dirigible Hindenburg fue un caso infame de combustión de hidrógeno. La causa fue debatida, pero los materiales combustibles en la cubierta de la aeronave fueron los responsables del color de las llamas. Otra característica de los fuegos de hidrógeno es que las llamas tienden a ascender rápidamente con el gas en el aire, como ilustraron las llamas del Hindenburg, causando menos daño que los fuegos de hidrocarburos. Dos terceras partes de los pasajeros del Hindenburg sobrevivieron al incendio, y muchas de las muertes que se produjeron fueron por caída o fuego del combustible diésel. H2 reacciona directamente con otros elementos oxidantes. Una reacción espontánea y violenta puede ocurrir a temperatura ambiente con cloro y flúor, formando los haluros de hidrógeno correspondientes: cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno. A diferencia la de los hidrocarburos, la combustión del hidrógeno no genera óxidos de carbono (monóxido y dióxido) sino simplemente agua en forma de vapor, por lo que se considera un combustible amigable con el medio ambiente y ayuda a mitigar el calentamiento global. LA LLAMA El hidrógeno se quema en el aire formando una llama azul pálido casi invisible. Es el más ligero de los gases conocidos en función de su bajo peso específico con relación al aire. Por esta razón, su manipulación requiere de cuidados especiales para evitar accidentes. Propenso a fugas debido a viscosidad y a su bajo peso molecular. OBTENCION El hidrógeno se obtiene mediante diversos procesos:
- 15. Electrólisis: La electrólisis es un proceso que consiste en la descomposición del agua a través de la utilización de la electricidad. Este proceso industrial tiene sus ventajas, pues es fácilmente adaptable ya sea para grandes o pequeñas cantidades de gas, consiguiéndose un hidrógeno de gran pureza. La electrolisis también posee la ventaja de poder combinarse y relacionarse de manera óptima con las energías renovables con el fin de producir H2. Reformado: El reformado, consiste en la reacción de los hidrocarburos con la presencia de calor y vapor de agua. Dicho método permite producir grandes cantidades de hidrógeno con un bajo coste, partiendo del gas natural. Como desventaja de éste método, podemos decir, que a pequeña escala no es muy rentable ni comercial, y el hidrógeno producido suele contener impurezas, siendo incluso en ciertas ocasiones necesaria la limpieza posterior, o la realización de reacciones secundarias, con el fin de intentar purificar el producto de hidrógeno. Se suele relacionar fácilmente con la fijación del CO2, o almacenamientos de carbono, lo que hace que las emisiones del CO, incluido su proceso de fijación, supongan un problema para este método, pues genera una serie de costes adicionales. Gasificación: El hidrógeno a través del proceso de gasificación, se obtiene a partir de hidrocarburos pesados y la biomasa, obteniéndose además del hidrógeno, gases para reformado, a partir de las reacciones del vapor de agua y el oxígeno. Este método es muy adecuado cuando se trata de hidrocarburos a gran escala, pudiendo ser usados el carbón, los combustibles sólidos, y líquidos. El hidrógeno obtenido por gasificación, presenta semejanzas con otros derivados sintéticos
- 16. de la biomasa, produciendo competencia entre ellos. La gasificación de la biomasa es aún hoy en día objeto de estudio, y posee implicaciones y limitaciones pues necesita grandes extensiones de terreno. Ciclos termoquímicos: Este proceso utiliza el calor de bajo coste producido de la alta temperatura que procede de la energía nuclear o también de la energía solar concentrada. Es un proceso bastante utilizable y atractivo cuando se habla de gran escala, al tener bajo coste económico, y no emitiendo gases de carácter invernadero, pudiendo ser usado en la industria pesada o incluso en el transporte. Existen distintos proyectos de colaboraciones internacionales para investigar y desarrollar este método. Hoy en día, aún falta mayor investigación sin fines comerciales. Producción biológica: Las bacterias, y las algas, producen hidrógeno de manera natural y directa, cuando se encuentran en determinadas condiciones. Este proceso, durante los últimos años, ha sido muy estudiado, debido a su gran potencial, pero hay que decir que es un proceso bastante lento de obtención del hidrógeno, y además se necesitan grandes superficies, sin mencionar que la gran mayoría de los organismos apropiados para éste método, no se han encontrado todavía, aunque es un proceso en pleno estudio y desarrollo. APLICACIONES Se necesitan grandes cantidades de H2 en las industrias del petróleo y química. Una aplicación adicional de H2 es de tratamiento ("mejoramiento") de combustibles fósiles, y en la producción de amoníaco. Los principales consumidores de H2 en una planta petroquímica
- 17. incluyen hidrodesalquilación, hidrodesulfuración, y de hidrocraqueo. El H2 se utiliza como un agente hidrogenizante, particularmente en el aumento del nivel de saturación de las grasas y aceites insaturados (que se encuentran en artículos como la margarina) y en la producción de metanol. Del mismo modo es la fuente de hidrógeno en la fabricación de ácido clorhídrico. El H2 también se utiliza como agente reductor de minerales metálicos. Además de su uso como un reactivo, H2 tiene amplias aplicaciones en la física y la ingeniería. Se utiliza como gas de protección en los métodos de soldadura tales como la soldadura de hidrógeno atómico. H2 se utiliza como un enfriador de generadores en centrales eléctricas, porque tiene la mayor conductividad térmica de todos los gases. H2 líquido se utiliza en la investigaciones criogénicas, incluyendo estudios de superconductividad. Dado que el H2es más ligero que el aire, teniendo un poco más de 1/15 de la densidad del aire, fue ampliamente utilizado en el pasado como gas de elevación en globos aerostáticos y dirigibles. En aplicaciones más recientes, se utiliza hidrógeno puro o mezclado con nitrógeno (a veces llamado forming gas) como gas indicador para detectar fugas. Las aplicaciones pueden ser encontradas en las industrias automotriz, química, de generación de energía, aeroespacial y de telecomunicaciones. El hidrógeno es un aditivo alimentario autorizado (E 949) que permite la prueba de fugas de paquetes, entre otras propiedades antioxidantes. Los isótopos más raros de hidrógeno también poseen aplicaciones específicas para cada uno. El deuterio (hidrógeno-2) se utiliza en aplicaciones de la fisión nuclear como un moderador para neutrones lentos, y en las reacciones de fusión nuclear. Los compuestos de deuterio tienen aplicaciones en la química y biología en los estudios de los efectos isotópicos.67 El tritio (hidrógeno-3), producido en los reactores nucleares, se utiliza en la
- 18. producción de bombas de hidrógeno, como un marcador isotópico en las ciencias biológicas,69 como una fuente de radiación en pinturas luminosas. La temperatura de equilibrio del punto triple de hidrógeno es un punto fijo definido en la escala de temperatura ITS-90 a 13,8033 Kelvin.