Perfil físico-químico
En estado libre, el elemento existe en forma de molécula diatómica: el dihidrógeno. Esta sustancia posee características físicas únicas: el gas es absolutamente incoloro e inodoro, y su densidad es la menor entre todas las sustancias gaseosas conocidas. Su solubilidad en agua es insignificante (la constante de solubilidad es 0,0221 a temperatura cero). El punto de ebullición de la fase líquida es uno de los más bajos de la naturaleza.
Para el almacenamiento y transporte seguros de gas comprimido se utilizan tanques de acero especializados. Se reconocen fácilmente por su estricta codificación de colores: el cilindro se pinta de verde y se marca con dos franjas rojas brillantes.
Síntesis en el aparato de Kipp
El método clásico de laboratorio se basa en una reacción de sustitución entre un metal y un ácido. Se suele emplear zinc granulado sobre el que se actúa con una solución de ácido clorhídrico o ácido sulfúrico diluido (en proporción 1:8). La ecuación iónica del proceso es la siguiente: Zn + 2H⁺ = H₂↑ + Zn²⁺
El proceso se lleva a cabo en un dispositivo de vidrio especial, el aparato de Kipp. Su diseño permite regular automáticamente el curso de la reacción química:
- Carga de reactivos: En el recipiente central del aparato se colocan barras de zinc o pequeños lingotes de metal. La esfera inferior y parte de la superior se llenan con la solución de ácido.
- Activación (llave abierta): Bajo la acción de la presión, el líquido asciende desde el compartimento inferior al central. Comienza el contacto del ácido con el zinc y se produce una reacción vigorosa con desprendimiento del gas objetivo.
- Detención (llave cerrada): El gas liberado se acumula y su presión excesiva desplaza el ácido líquido de vuelta al depósito inferior. Se interrumpe el contacto entre los reactivos y el proceso químico cesa por completo.
Purificación del gas obtenido
El gas sintetizado en el aparato de Kipp no es químicamente puro. Si se empleó ácido clorhídrico como reactivo, la mezcla gaseosa contendrá vapores volátiles de cloruro de hidrógeno. Además, el producto inevitablemente contiene vapor de agua.
Para obtener una sustancia pura se utiliza un sistema de frascos lavadores:
- Hacer pasar el gas a través de agua permite eliminar eficazmente las impurezas solubles de cloruro de hidrógeno.
- Hacerlo pasar a través de ácido sulfúrico concentrado garantiza una deshidratación profunda del gas, ya que el ácido absorbe ávidamente los vapores de agua.
Métodos alternativos en el laboratorio
Además de utilizar zinc, el hidrógeno se puede obtener mediante la interacción de compuestos activos con agua o alcoholes. Estos métodos incluyen:
- Hidrólisis de hidruros: Al entrar en contacto el hidruro de sodio con el agua, se libera gas de manera vigorosa y se forma un álcali.
- Interacción con alcoholes: El sodio metálico reacciona activamente con el alcohol etílico, produciendo etóxido de sodio y liberando hidrógeno gaseoso.
Producción industrial y aplicaciones
A escala industrial se requieren volúmenes enormes de materia prima, por lo que los métodos de laboratorio no son rentables. En las plantas, la síntesis se realiza mediante los siguientes procedimientos:
- Descomposición térmica del metano o su reformado con vapor de agua.
- Gasificación del carbón: Tratamiento del carbón incandescente con agua a una temperatura de 800 °C.
- Como subproducto en la electrólisis de soluciones acuosas.
Cualquier gas obtenido por vía industrial se somete obligatoriamente a una rigurosa depuración de componentes secundarios.
Dónde se demanda el hidrógeno:
- Industria química: Se utiliza como materia prima básica para la síntesis de amoníaco, cloruro de hidrógeno y multitud de compuestos orgánicos.
- Sector energético: Se emplea como un gas combustible eficaz para sopletes de alta temperatura (la temperatura de la llama supera los 3100 °C).
- Sector espacial: En estado líquido sirve como un componente potente y ecológico de los combustibles para cohetes.
Para recordar la marcación del cilindro, imagine un prado verde (combustible ecológico) sobre el cual yacen dos cintas de señalización rojas (peligro de incendio).
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué al cerrar la llave del aparato de Kipp se detiene el desprendimiento de gas?
El gas que se acumula en un sistema cerrado genera una presión elevada. Esta presión desplaza mecánicamente el ácido del reservorio central hacia abajo, privándolo del contacto con los trozos de metal, lo que detiene la reacción química.
¿Para qué se hace pasar el hidrógeno a través de ácido sulfúrico concentrado?
El ácido sulfúrico concentrado posee una alta higroscopicidad. Al hacer pasar el gas a través de un frasco lavador con este ácido, se eliminan los vapores de agua (secado).
¿Qué ácidos son aptos para la reacción con el zinc en el aparato de Kipp?
Por lo general, se emplea ácido clorhídrico o ácido sulfúrico diluido en una proporción de 1:8.
Qué más repasar sobre el tema
- Diseño detallado y normas de manejo del aparato de Kipp
- Quim ocurre en el proceso de reformado del metano con vapor de agua
- Termodinámica de la gasificación del carbón a 800 °C
- Propiedades del hidrógeno líquido como componente de combustible para cohetes
- Mecanismo de reacción de los metales alcalinos con alcoholes alifáticos
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