Hidrógeno | producción
English: Hydrogen

Producción

El gas H2 es producido en los laboratorios de química y biología, muchas veces como un subproducto de la deshidrogenación de sustratos insaturados; y en la naturaleza como medio de expulsar equivalentes reductores en reacciones bioquímicas.

Laboratorio

En el laboratorio, el gas H2 es normalmente preparado por la reacción de ácidos con metales tales como el zinc, por medio del aparato de Kipp.

Zn + 2 H+Zn2+ + H2

El aluminio también puede producir H2 después del tratamiento con bases:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al(OH)4- + 3 H2

La electrólisis del agua es un método simple de producir hidrógeno. Una corriente eléctrica de bajo voltaje fluye a través del agua, y el oxígeno gaseoso se forma en el ánodo, mientras que el gas hidrógeno se forma en el cátodo. Típicamente, el cátodo está hecho de platino u otro metal inerte (generalmente platino o grafito), cuando se produce hidrógeno para el almacenamiento. Si, sin embargo, el gas se destinara a ser quemado en el lugar, es deseable que haya oxígeno para asistir a la combustión, y entonces, ambos electrodos pueden estar hechos de metales inertes (se deben evitar los electrodos de hierro, ya que consumen oxígeno al sufrir oxidación). La eficiencia máxima teórica (electricidad utilizada vs valor energético de hidrógeno producido) es entre 80 y 94 %.[52]

2H2O(aq) → 2H2(g) + O2(g)

En 2007, se descubrió que una aleación de aluminio y galio en forma de gránulos añadida al agua podía utilizarse para generar hidrógeno. El proceso también produce alúmina, pero se puede reutilizar el galio, que previene la formación de una película de óxido en los gránulos. Esto tiene importantes implicaciones para la potenciales economía basada en el hidrógeno, ya que se puede producir en el lugar y no tiene que ser transportado.[53]

Industrial

El hidrógeno puede ser preparado por medio de varios procesos pero hoy día el más importante consiste en la extracción de hidrógeno a partir de hidrocarburos. La mayor parte del hidrógeno comercial se produce mediante el reformado catalítico de gas natural [54]​ o de hidrocarburos líquidos. A altas temperaturas (700-1100 °C), se hace reaccionar vapor de agua con metano para producir monóxido de carbono y H2:

CH4 + H2OCO + 3 H2

Esta reacción es favorecida termodinámicamente por un exceso de vapor y por bajas presiones pero normalmente se practica a altas presiones (20 atm) por motivos económicos. La mezcla producida se conoce como "gas de síntesis", ya que muchas veces se utiliza directamente para la síntesis de metanol y otras sustancias químicas. Se pueden usar otros hidrocarburos, además de metano, para producir gas de síntesis con proporciones variables de los productos.

Si el producto que se desea es solo hidrógeno, se hace reaccionar el monóxido de carbono a través de la reacción de desplazamiento del vapor de agua, por ejemplo con un catalizador de óxido de hierro. Esta reacción es también una fuente industrial común de dióxido de carbono:[54]

CO + H2OCO2 + H2

Otras opciones para producir hidrógeno a partir de metano son la pirólisis, que resulta en la formación de carbono sólido:

CH4C + 2 H2

O la oxidación parcial,[55]​ la cual se aplica también a combustibles como el carbón:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Otro proceso que produce hidrógeno como producto secundario es la electrólisis de salmuera para producir cloro.[56]

Termoquímicos solares

Existen más de 200 ciclos termoquímicos que pueden ser utilizados para la separación del agua, alrededor de una docena de estos ciclos, tales como el ciclo de óxido de hierro, ciclo del óxido cerio (III)-óxido cerio(IV), ciclo de óxido zinc-zinc, ciclo del azufre-yodo, ciclo del cobre-cloro, ciclo híbrido del azufre están bajo investigación y en fase de prueba para producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua y calor sin utilizar electricidad.[58]

Corrosión anaerobia

En condiciones anaeróbicas, las aleaciones de hierro y acero se oxidan lentamente por los protones de agua concomitante reducidos en hidrógeno molecular (H2). La corrosión anaeróbica de hierro conduce primero a la formación de hidróxido ferroso (óxido verde) y se puede describir mediante la siguiente reacción:

Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2

A su vez, bajo condiciones anaeróbicas, el hidróxido ferroso (Fe(OH)2 ) puede ser oxidado por los protones de agua para formar magnetita e hidrógeno molecular. Este proceso se describe por la reacción de Schikorr:

3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2
hidróxido ferroso → magnetita + agua + hidrógeno

La magnetita así cristalizada (Fe3O4) es termodinámicamente más estable que el hidróxido ferroso (Fe(OH)2 ).

Este proceso ocurre durante la corrosión anaeróbica de hierro y acero en aguas subterráneas sin oxígeno y en suelos reducidos por debajo del nivel freático.

Ocurrencia geológica: la reacción de serpentinización

En ausencia de oxígeno atmosférico (O2), en condiciones geológicas profundas que prevalezcan lejos de atmósfera de la Tierra, el hidrógeno (H2) se produce durante el proceso del serpentinización por la oxidación anaeróbica de protones del agua (H+) del silicato ferroso (Fe2+) presente en la red cristalina de la fayalita (Fe2SiO4, el hierro olivino). La reacción correspondiente que conduce a la formación de magnetita (Fe3O4), cuarzo SiO2) e hidrógeno (H2) es la siguiente:

3 Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2
fayalita + agua → magnetita + cuarzo + hidrógeno

Esta reacción se parece mucho a la reacción de Schikorr observada en la oxidación anaeróbica del hidróxido ferroso en contacto con el agua.

Formación en transformadores

De todos los gases de fallo formados en transformadores eléctricos, el hidrógeno es el más común y se genera bajo la mayoría de condiciones de fallo, por lo que, la formación de hidrógeno es un primer indicio de problemas graves en el ciclo de vida del transformador.[59]