Un poco de todo sobre el Hidrógeno
Origen y algunas propiedades
Un “poquito” después del Big Bang los protones y electrones se unieron y
crearon, principalmente, átomos de hidrógeno (H) y algo de helio (He).
Debido a esto el hidrógeno es el elemento más abundante; se calcula que
90% de todos los átomos del universo son de hidrógeno y, en términos de masa, se
estima que es 75%, aproximadamente.
En su forma más estable y abundante el átomo de hidrógeno está compuesto de un
protón y un electrón. Además existen dos isótopos: el deuterio y el tritio; el primero
tiene un protón, un neutrón y un electrón, mientras que el segundo tiene un protón,
dos neutrones y un electrón. De los tres, el H (a veces también llamado protio) corresponde a 99.9885%; el resto es deuterio. Es decir, en la naturaleza por cada átomo
de deuterio existen 8694 átomos de protio. El tritio no se considera en esta cuenta
porque no se presenta de manera natural, sino que es producido por el ser humano.
Descubrimiento del hidrógeno
Alrededor del año 1500, Paracelso (T. von Hohenheim) notó que cuando a
las limaduras de hierro se les añade ácido sulfúrico, se liberan burbujas que son
inflamables. Sin embargo, no sabía que estaba tratando con un elemento químico
no descrito entonces. En 1671 Robert Boyle realizó algunos experimentos adicionales, pero tampoco se dio cuenta de que se trataba del hidrógeno; solamente lo
conocía como “aire inflamable”. En condiciones normales (temperatura: 25 °C;
presión: 1 atm) el hidrógeno es un gas inodoro, incoloro y altamente inflamable.
Fue hasta 1766 que Henry Cavendish describió por primera vez al hidrógeno
como un elemento químico; además demostró que este gas, en combinación con oxígeno, forma agua. En 1783 Antoine Lavoisier lo
bautizó como hidrógeno, o “generador de agua” (de
hidro, agua, y genos, generador) (véase la Figura 1).
Más adelante, en 1931, Harold Urey descubrió el
deuterio. En 1934 por primera vez Ernest Rutherford
y sus colegas produjeron el tritio a partir del deuterio.
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| Fig. 1. Un poco sobre la Historia del Hidrógeno |
Química del hidrógeno
En la naturaleza no es frecuente encontrar hidrógeno atómico (nos referimos a átomos aislados, H).
En el caso más sencillo –pero tampoco muy frecuente– se puede encontrar como una molécula
diatómica (H2
), que también se llama simplemente
hidrógeno, o se conoce como dihidrógeno o hidrógeno elemental.
Lo más común es encontrar que el hidrógeno
forma parte de muchos compuestos, gracias a que
reacciona prácticamente con toda la tabla periódica para formar agua, sales, hidruros, ácidos, metano,
amoniaco, polímeros, etcétera. El hidrógeno puede
formar enlaces iónicos o covalentes; puede formar
compuestos simples o complejos; puede participar en
reacciones químicas, electroquímicas, organometálicas, orgánicas, biológicas, ácido-base y un gran etcétera. En los compuestos químicos, el átomo de hidrógeno puede tender puentes (llamados de hidrógeno)
entre las moléculas; esto las hace excepcionalmente
estables, como el agua o el ADN.
La riqueza en la química de este elemento radica en su posibilidad de formar tanto iones negativos
(H–
, cuando captura un electrón adicional) como
iones positivos (H+, al perder su electrón). Es por
esto que en algunas tablas periódicas antiguas el hidrógeno aparece arriba del grupo de los halógenos, o
en otras está de forma aislada, aunque lo habitual es que se encuentre en la parte superior de la familia de
los metales alcalinos.
Usos y producción
Debido a su riqueza química, el hidrógeno tiene un
gran número de usos industriales; por ejemplo, como
reactivo químico para la producción de fertilizantes,
plásticos o farmacéuticos. En México el principal
usuario de hidrógeno es Pemex, que lo utiliza para el
procesamiento de combustibles. Pemex es también
el mayor productor de hidrógeno en el país (o al menos lo era hasta febrero de 2017, cuando se anunció
que la compañía Air Liquide México suministrará el
hidrógeno y operará una planta ya existente en Tula,
Hidalgo). El método de producción más común es
por reformación catalítica: al metano o gas natural
(CH4
) se le quita el hidrógeno mediante altas temperaturas, catalizadores y agua: CH4
+ H2
O ž CO
+ 3H2
, y CH4
+ ½O2 ž CO + 2H2
.
En particular, el hidrógeno ha sido utilizado como combustible en las misiones espaciales de dos
formas principales: para la propulsión de las naves
durante el despegue y para la generación de electricidad y agua cuando las misiones se encuentran en el
espacio. Esto último se realiza por medio de las pilas
o celdas de combustible. Tales aplicaciones datan de
la década de 1960, pero el interés en ellas no decae;
de hecho, se busca cómo mejorar las pilas de combustible (hacerlas más eficientes, más potentes, más
pequeñas) para las futuras misiones a Marte.
No obstante, muchos científicos y tecnólogos
queremos que el hidrógeno también se use como
combustible no contaminante en diversas aplicaciones terrestres, como los automóviles. En este caso,
es deseable que el hidrógeno sea producido de forma
sustentable; es decir, que no se contamine el ambiente durante su producción, mediante el uso de
energías y materiales renovables. Entre las fuentes
primarias de energía (energías renovables) que se
pueden utilizar destacan la solar y la eólica. Entre
los materiales renovables están el agua (H2
O) y la
biomasa (residuos orgánicos). Así pues, los procesos
sustentables para la producción de hidrógeno son la
fotólisis, termólisis o electrólisis de agua, así como
la digestión anaeróbica (véase la Figura 2).
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| FIG. 2 Cadena de producción del Hidrógeno |
El hidrógeno a partir del agua
La fotólisis, termólisis o electrólisis de agua tienen
en común la capacidad de separar los componentes
del agua (H2
O ž H2 + 0.5O2
). Sin embargo, el proceso es diferente en cada caso. En el primero se utiliza la fotoquímica o fotoelectroquímica por medio
de los fotones capturados con celdas fotovoltaicas.
La termólisis (proceso sustentable) aprovecha la
energía térmica del sol por medio de concentradores
solares; en esencia, se calienta el agua a tal punto
que se favorece su reacción de descomposición. Por
su parte, en la electrólisis del agua se usa la energía
eléctrica (de manera sustentable) para realizar de
forma electroquímica la reacción de descomposición
del agua; “se le dan toques” hasta descomponerla.
Estas tres tecnologías de producción de hidrógeno
están disponibles de manera comercial, aunque todavía son caras en comparación con la reformación
catalítica de metano. Aun así, podemos encontrar
electrolizadores pequeños para uso en laboratorios,
pequeños negocios que requieren hidrógeno o inclusive en casa, y es posible que en el futuro disminuya
su precio.
Seguridad en el uso del hidrógeno
Es cierto que el hidrógeno puede reaccionar de forma violenta con el oxígeno (del aire), y por lo tanto
es necesario tener precaución. Cabe mencionar que
las medidas de seguridad deben implementarse con
todos los reactivos químicos, y en especial con la gasolina y el gas natural, ya sea en nuestras casas, los
comercios y el transporte.
El hidrógeno puede detonar si hay dos condiciones. La primera es una concentración de entre 4% y
75% de volumen en relación con el aire; es decir, la
mezcla de combustible y oxidante. La segunda condición es que debe existir una chispa, fuente de calor
u otra fuente de ignición.
A favor del hidrógeno podemos señalar que arde
muy rápidamente (por lo general, un flamazo) y no
impregna los materiales alrededor. Por lo ligero del
hidrógeno, su flama forma un jet o “chorro” hacia
arriba, lo cual en muchos casos reduce el riesgo de
propagación del fuego.
Recuadro 1.
El Hindenburg
Los años anteriores a la Primera y a la Segunda Guerra Mundial
estuvieron marcados por importantes desarrollos tecnológicos.
En materia de aviación se propuso el uso de grandes globos dirigibles (zepelines) que pudieran realizar viajes largos; por ejemplo,
atravesar el Atlántico desde Europa hasta América. El Hindenburg
fue un zepelín alemán lleno de hidrógeno (aprox. 200000 m3).
No obstante, su cubierta fue pintada con una mezcla altamente
inflamable: óxido de hierro, aluminio en polvo y acetato-butirato celulosa. En su último viaje, el Hindenburg salió de Frankfurt,
Alemania, para cruzar el Atlántico; pero a punto de aterrizar en
Estados Unidos, el zepelín fue víctima de la electricidad estática
atmosférica que incendió la cubierta. El resultado fue una enorme
explosión que mató a 36 personas. Se dice que las víctimas fueron
más por caída o por aplastamiento por la estructura del zepelín
que por el hidrógeno. El accidente del Hindenburg no fue el único,
pero tal vez el más mediático.
Ahora, algunas preguntas obvias son: ¿por qué no usar helio en
lugar de hidrógeno?, ¿por qué usaron ese tipo de pintura? Dejando aparte las cuestiones geopolíticas –Estados Unidos, principal
fuente de helio en ese tiempo, había embargado su suministro a
Alemania–, tal vez la respuesta más simple es que la selección de
materiales no fue la más acertada y que los alemanes no tenían
suficiente experiencia para manejar el hidrógeno de una manera
más segura. No obstante, para evitar problemas debemos descartar la posibilidad de fugas en tuberías y sistemas
donde se trabaja con hidrógeno. Otra forma es eliminar las fuentes de ignición por medio de diseños
adecuados. Y, sobre todo, seguir las normas de seguridad. La experiencia colectiva ganada en cuanto al
uso del hidrógeno ha derivado en manuales y reglas
para un manejo seguro; por ejemplo, la NASA tiene
un documento de acceso público al respecto.
El hidrógeno como vector energético
En este escrito hemos ido “sembrando” la idea del
uso del hidrógeno como combustible; algo que no es
nada nuevo. Por un notable incremento del precio
del petróleo y sus derivados, producto de problemas
geopolíticos y debido a que aparentemente se había
alcanzado el máximo de producción, en la década de
1970 se empezó a pensar en que necesitábamos un
nuevo tipo de combustible.
En efecto, hemos llegado al máximo de la producción en los pozos tradicionales; sin embargo, la
demanda de petróleo y gas natural, para ahora y a
futuro, se está cubriendo con las técnicas de extracción por fracking. Entonces, ¿para qué preocuparnos
por cambiar de combustible y usar el hidrógeno? La
respuesta es por el cambio climático, la contaminación y otros problemas. Necesitamos urgentemente, como humanidad, reducir las emisiones de CO
y CO2
al ambiente, y la única forma de lograrlo es
cambiando nuestro uso del petróleo por una combinación adecuada de energías renovables, hidrógeno,
pilas de combustible, baterías de alto desempeño,
etcétera. Esta combinación adecuada se refiere al
uso de los recursos accesibles de manera local; por
ejemplo, si una región recibe mucha irradiación
solar, o bien si tiene a su disposición la energía de
los vientos.
El hidrógeno es llamado un vector energético
porque es necesario producirlo; ya mencionamos
que no se encuentra libre en la naturaleza, no hay
depósitos de hidrógeno como los de petróleo. Por lo
tanto, para producirlo se propone usar agua y una
energía renovable. Cabe recordar que las energías renovables son intermitentes; es decir, no están siempre disponibles. En este caso se requiere contar con
métodos para almacenar energía, y resulta que producir hidrógeno es un modo muy eficaz de hacerlo.
Cuando y donde se requiera el hidrógeno se puede
generar energía eléctrica por medio de las reacciones
electroquímicas que ocurren en una pila de combustible.
En términos de masa, se sabe que 1 kg de hidrógeno tiene una energía equivalente a aproximadamente 2.75 kg de gasolina. Esto se debe a que tiene
un poder calorífico más alto en comparación con
otros combustibles; adicionalmente, las pilas de
combustible son más eficientes que los motores
de combustión interna. También se sabe que la
pila de combustible tiene una eficiencia de 55%,
mientras que el motor de combustión interna ronda
un 33%. Ésta es una estimación modesta, porque es
posible que los motores de combustión interna sean
mucho (pero mucho) menos eficientes; por ejemplo,
si un automóvil se encuentra en malas condiciones
mecánicas, sin mantenimiento. Sin embargo, el problema del hidrógeno es que es un gas muy ligero, poro que para cualquier uso práctico es necesario almacenarlo con una densidad aumentada (que explicaremos más adelante).
El hidrógeno y las pilas de combustible
Como todo dispositivo electroquímico, las pilas
de combustible constan de un ánodo, un cátodo y
un electrolito. Una revisión detallada de los componentes de la pila de combustible con membrana de
intercambio protónico se encuentra en la literatura
recomendada (Suárez Alcántara, 2011). La pila de
combustible también tiene su historia curiosa: en
diciembre de 1839, Sir William R. Grove (inglés) y
Christian Friedrich Schönbein (alemán) enviaron,
cada uno por su cuenta, un trabajo de investigación
a la Philosophical Magazine; ambos describían cómo
el hidrógeno y el oxígeno reaccionan y generan agua y electricidad. El trabajo de Grove fue publicado en
enero de 1839, mientras que el de Schönbein apareció en febrero del mismo año; por eso comúnmente
se da el crédito a Grove por el descubrimiento de la
pila de combustible (véase la Figura 3).
Sin embargo, este descubrimiento sólo era una
curiosidad científica (sin aplicación), porque la pila
de Grove utilizaba ácidos fuertes concentrados, difíciles de manejar, corrosivos y tóxicos. Posteriormente se sentaron las bases para las pilas de combustible
de alta temperatura, alcalinas, etcétera, desarrolladas por Varta, Nerts, Baur, entre otros. Pero fue hasta
que se desarrolló la membrana de conducción protónica (por General Electric y después Dupont) que la
pila de combustible con membrana de intercambio
protónico se inventó (Willard T. Grubb) y pasó a ser
una curiosidad industrial (con posible aplicación).
No obstante, el primer uso de gran alcance fue el desarrollo de la pila de combustible alcalina para
las misiones espaciales; más adelante se utilizarían las
pilas de combustible con membrana de conducción
protónica. De ahí al presente, destacan algunas aplicaciones militares en la década de 1980 y, más
recientemente, el automóvil a pilas de combustible.
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| FIG.3. HISTORIA DE LA PILA DE COMBUSTIBLE |
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| TABLA 1 |
Almacenamiento de hidrógeno
Arriba se mencionó que el hidrógeno es un gas
muy ligero, por lo que se debe aumentar su densidad
de algún modo. Esto se realiza con el fin de almacenar en el menor espacio posible la mayor cantidad de hidrógeno. Existen tres opciones para almacenarlo: 1) en forma de gas comprimido a altas presiones,
2) enfriándolo hasta hacerlo líquido y 3) que sea
una parte superficial o estructural de algunos materiales sólidos.
En el primer caso se requiere bastante energía
para comprimir el gas desde la presión atmosférica
hasta 350-700 atm. Por lo tanto, se usan recipientes
especiales que pueden soportar altas presiones sin sucumbir a la fragilización que ocasiona el hidrógeno:
el H2
, al ser una molécula pequeñita, cabe en todos
los huequitos, hendiduras, rendijas, etcétera; poco a
poco va metiéndose por esos huecos hasta dañar la
estructura de los metales. El resultado final podría ser
una fuga o la explosión del hidrógeno a alta presión.
Por su parte, para el segundo método de almacenamiento se requiere mucha energía para enfriar
el hidrógeno y después mantenerlo frío, por lo que
también se utilizan tanques especiales. Esta tecnología se emplea para almacenar cantidades verdaderamente grandes de hidrógeno; por ejemplo, en plantas de producción o instalaciones petroleras.
El tercer método requiere un material sólido que
pueda retener el hidrógeno. Existen muchos materiales que pueden utilizarse, clasificados en dos tipos
de acuerdo con el modo en que el hidrógeno interactúa. El primero es la adsorción de hidrógeno (o
fisisorción; sólo hay una interacción superficial y el
hidrógeno es almacenado en forma molecular). En
el almacenamiento por quimisorción, el hidrógeno
molecular primero se separa en hidrógeno atómico y
después reacciona con el material almacenador para
formar nuevos compuestos; esto es, hidruros simples
o compuestos. El almacenamiento o la liberación
de hidrógeno ocurre por medio de calentar/enfriar y
subir/bajar la presión del material almacenador. Por
ejemplo, para formar MgH2
a partir de Mg y H2
se
requiere calentar el Mg hasta 350 °C a una presión
de 25 atm; mientras que para liberar el hidrógeno del
MgH2
, es decir, regresar al Mg, se requiere bajar
la presión a menos de 1 atm estando aún caliente.
Otros materiales requieren otras condiciones específicas de presión y temperatura.
