ESHB_U1_A1_SEMB - Sergio Marquez Barrios

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Seminario de hidrógeno y bioenergía 
ER-ESHB-1802-B1-001 
 
Fabián Montero Flores 
Karla Brenda Contreras Chávez 
 
Unidad 1 
El hidrógeno 
 
Actividad 1 
Reacción química de la producción de hidrógeno 
 
SERGIO ADRIÁN MÁRQUEZ BARRIOS 
ES172011571 
Julio, 2018 
 
 
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Índice: 
Contenido 
 
Introducción: ....................................................................................................................................... 3 
Desarrollo de la Actividad: .................................................................................................................. 4 
- Electrolisis................................................................................................................................ 4 
- Reformado ............................................................................................................................... 5 
- Gasificación ............................................................................................................................. 7 
- Ciclos termoquímicos. ............................................................................................................. 8 
- Producción biológica ............................................................................................................... 9 
- Biomasa ................................................................................................................................... 9 
- Foto electrolisis ..................................................................................................................... 10 
- Oxidación Parcial ................................................................................................................... 11 
Conclusiones. .................................................................................................................................... 11 
Bibliografía ........................................................................................................................................ 12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Introducción: 
 
El hidrogeno fue descubierto por el físico y químico Británico Henry Cavendish en 
el año de 1766, el Hidrógeno debe su nombre a Lavoisier, quien combino el griego 
Hydor, agua y genealógico para crearlo. El Hidrógeno es sintetizado desde 
hidrocarburos (petróleo y derivados) y agua donde el Hidrógeno constituye la parte 
más ligera de la molécula de H2O. Es un gas incoloro, inflamable, ligero y reacciona 
fácilmente con otras sustancias químicas. Es el gas más ligero del mundo y por 
tanto no es atrapado por la gravedad de la Tierra. 
El Hidrógeno se considera una excelente fuente de energía limpia o dicho de otra 
manera la energía más atractiva para el futuro próximo. Usado en una célula de 
combustible, combinado con oxígeno para producir eficientemente electricidad y no 
emitir ningún contaminante. Puede almacenarse como gas a presión y como líquido 
o distribuirse mediante gasoductos, por lo que se considera que puede reemplazar 
al gas natural a medio-largo plazo. El gran atractivo del hidrógeno consiste en que 
ofrece, a largo plazo, la posibilidad de establecer un escenario de ciclo energético 
cerrado intrínsecamente limpio. 
El hidrógeno se considera como un combustible ideal, dado que no emite gases de 
efecto invernadero durante la combustión. Este atractivo es aún mayor cuando se 
utiliza en las celdas de combustible. Estos dispositivos convierten la energía química 
almacenada en el enlace H-H en energía eléctrica mediante un proceso que no está 
sometido al ciclo de Carnot. Por esta razón, la eficiencia energética resulta de dos 
a tres veces superior a la de un motor térmico. La producción de hidrógeno a gran 
escala no solo aliviará la dependencia del petróleo, sino que también reducirá la 
contaminación ambiental cuando se incorporen las celdas de combustible tanto en 
automoción como en aplicaciones estacionarias. 
Como propiedades físicas el hidrogeno es un gas in-oloro, en temperatura ambiente 
se encuentra en estado gaseoso y pesa 14 veces menos que el aire, está formado 
por 2 átomos de hidrogeno y están unidos por un enlace covalente. 
 
Como propiedades químicas el hidrogeno es capaz de combinarse con la mayoría 
de los elementos, en las condiciones adecuadas tiene una gran afinidad con el 
oxígeno, en una temperatura muy baja su mezcla produce muy lentamente mientras 
que en también es un gas reductor a altas temperaturas reacciona con unos gases 
reduciéndolos. Es altamente soluble en diversos compuestos que poseen tierras 
raras y metales de transición, y puede ser disuelto tanto en metales cristalinos como 
 
 
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amorfos. La solubilidad del hidrógeno en los metales está influenciada por las 
distorsiones locales o impurezas en la estructura cristalina del metal. 
Algunas de sus características: 
 Número atómico es 1 
 Valencia es 1 
 Estado de oxidación es +1 
 Electronegatividad es 2 y 1 
 Radio covalente es 0.37 
 Radio iónico es 2.08 
 Masa atómica es 1,00797 g/mol 
 Densidad es 0,071 
 Punto de ebullición es -252.7 oC 
 Punto de fusión es -259.2 oC 
 
Desarrollo de la Actividad: 
Diferentes reacciones para obtención del hidrógeno. 
La producción del hidrogeno es extraerlo desde los compuestos fuentes, como el 
agua, hidrocarburos y la biomasa a través de diferentes tipos de procesos (físico- 
químicos generalmente) que necesitan cierta cantidad de energía para poderle 
liberar. 
- Electrolisis 
 
Este proceso, consiste en la descomposición del agua utilizando electricidad, con 
este proceso, el Hidrogeno que se obtiene tiene una gran pureza. El principio de 
funcionamiento es el siguiente: Una 
fuente de alimentación eléctrica está 
conectada a dos electrodos o dos 
placas que se colocan en agua, por ello 
generalmente son de platino o acero 
inoxidable, en una celda diseñada 
correctamente, el Hidrogeno aparece en 
el cátodo (es el electrodo con carga 
negativa, por aquí los electrones entran 
al agua) y el oxígeno aparecerá en el 
ánodo (carga positiva). 
Figura 1: Proceso de electrólisis 
 
 
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De acuerdo con la primera ley de Faraday1 de la electrolisis: 
“La masa de una sustancia depositada en un electrodo durante la electrolisis es 
directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida a este electrodo” 
La cantidad de Hidrogeno generado es el doble del número de moles de oxígeno, y 
ambos son proporcionales al total de carga eléctrica llevada a cabo por la solución. 
Sin embargo, en muchas células compiten reacciones secundarias dominantes, 
dando lugar a diferentes productos y menos de la eficiencia ideal de Faraday. 
La electrolisis del agua pura, requiere el exceso de energía en forma de 
sobretensión para poder superar la activación de sus barreras, sin el exceso de 
energía al aplicar la electrolisis del agua pura, esta podría ser un proceso muy lento 
o no pasaría nada. 
En el agua el cátodo es cargado negativamente, una reducción de la reacción se 
lleva a cabo, con los electrones (e -) desde el cátodo está dando a los cationes de 
hidrógeno para formar gas hidrógeno (la semi-reacción balanceada con ácido): 
Reducción en el cátodo: 2 H + (aq) + 2e – → H 2 (g) 
En el ánodo cargado positivamente, una oxidación produce la reacción, la 
generación de gases de oxígeno y dando electrones hacia el ánodo para completar 
el circuito: 
Ánodo (oxidación): 2 H 2 O (l) → O 2 (g) + 4 H + (aq) + 4e – 
Las reacciones también pueden ser equilibradas con las bases que se enumeran a 
continuación. No todas las reacciones medias deben ser equilibradas con el ácido 
o base. Muchos lo hacen como la oxidación o reducción de agua figuran en esta 
lista. 
Cátodo (reducción): 2 H 2 O (l) + 2e – → H 2 (g) + 2 OH – (aq) 
Ánodo (oxidación): 2 H 2 O (l) → O 2 (g) + 4 H + (aq) + 4 e – 
 
- ReformadoEs la reacción de hidrocarburos ante el calor y el vapor de agua, este es un proceso 
generalizado a gran escala que permite obtener el Hidrogeno a un bajo costo a partir 
de gas natural. 
 
 
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Este proceso plantea ciertas oportunidades para poderse combinar con la fijación 
del CO2 a gran escala, a esto se le conoce como el almacenamiento del carbono. 
Por otra parte, las unidades a pequeña escala no son comerciales y el Hidrogeno 
contiene ciertas impurezas, en algunos casos resulta necesaria la limpieza del gas. 
El reformado de metano (CH4) con vapor, es un proceso utilizado a lo largo de varias 
décadas para poder producir u obtener Hidrogeno. Por tratarse de la tecnología más 
económica, este proceso es el que se utiliza en la actualidad en la producción 
industrial del Hidrogeno su reacción es: 
CH4 + H2O ⟶ CO+3H2 
El gas natural reacciona con vapor de agua sobre un catalizador de níquel colocado 
en el reformador primario a 
temperaturas de 926.85 °C 
y una presión total de 20-30 
bar. Como el gas natural 
tiene impurezas de azufre, 
se pasa por una etapa 
previa de eliminación de 
esta impureza para evitar el 
deterioro de la actividad 
catalítica. La corriente 
limpia de CH4 se hace 
reaccionar después en un 
reactor al que se incorpora 
un catalizador de níquel. 
El gas de salida es rico en Hidrogeno, pero contiene una proporción de monóxido 
de carbono, que a su vez se transforma en otro reactor, o incluso dos, en Hidrogeno 
adicional mediante reacción con vapor de agua. El gas resultante tiene un contenido 
elevado de Hidrogeno, junto al dióxido de carbono y cantidades mucho más bajas 
de CH4 no convertido y monóxido de carbono remante, usualmente 1% en volumen. 
En las plantas modernas de producción de Hidrogeno se incorporan unidades de 
purificación mediante compresión/absorción/resorción que permiten alcanzar un 
Hidrogeno muy puro de 99.999% 
Como el gas natural contiene una pequeña proporción de otros hidrocarburos tales 
como etano, propano y butano, que se descomponen con facilidad y generan 
residuos carbonosos en las condiciones de reformado del metano CH4 componente 
Figura 2: Proceso de reformado 
 
 
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mayoritario, se requiere una etapa previa de reformado para transformar una parte 
de los hidrocarburos presentes en el gas natural en una mezcla de CO/ Hidrogeno. 
Este proceso se incorpora antes de la unidad de reformado y permite operar con 
una gran cantidad de alimentaciones asegurando que la alimentación es constante 
en todas las unidades de reformado. 
El pre-formado tiene un fuerte efecto sobre la composición gaseosa que alimenta la 
unidad de reformado con vapor. Así, los hidrocarburos de cadena más larga se 
eliminan completamente al mismo tiempo que se convierte en fracción del CH4. 
Dado a que estos hidrocarburos de cadena larga tienen tendencia a formar carbono, 
este proceso de pre-reformado minimiza la formación de residuos de carbón durante 
el propio proceso de reformado del CH4, lo que redunda en un tiempo de vida largo 
de los sistemas catalíticos utilizados. 
 
- Gasificación 
 
Partiendo de hidrocarburos pesados y biomasa se forma Hidrogeno y gases para 
reformado mediante la reacción con vapor de agua y oxígeno. Perfectamente 
adecuado para hidrocarburos pesados a gran escala, puede utilizarse para 
combustibles sólidos, como el carbón y los líquidos. Las unidades pequeñas son 
muy escasas, ya que el 
Hidrogeno suele exigir una 
limpieza sustancial antes de 
su uso. La gasificación de 
biomasa aun es objeto de 
investigación y tiene 
implicaciones debido a la 
utilización de grandes 
extensiones de tierra. El 
Hidrogeno que se obtendrá 
mediante este proceso entra 
en competencia con los 
combustibles sintéticos 
derivados de la biomasa. 
Figura 3: Proceso de gasificación 
 
 
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La gasificación permite obtener gas de síntesis (CO + Hidrogeno) mediante la 
calefacción controlada del residuo a temperaturas de 800-1000 °C en atmosfera de 
oxigeno o vapor de agua. 
El gas de síntesis obtenido puede utilizarse como combustible directo, como fuente 
de Hidrogeno, como materia prima química para preparar gasolina o diésel. 
La deshidratación. Tiene lugar alrededor de los 100 ºC y el vapor de agua resultante 
se mezcla con el flujo de gas e interviene en las reacciones posteriores. 
Después se realiza la Pirolisis en un intervalo de temperaturas entre 200-300 ºC. En 
este paso se desprenden varios compuestos volátiles del sustrato carbonoso 
(básicamente sustancias orgánicas que acompañan la parte mineral) lo que 
conlleva una disminución de aproximadamente 70% de la masa inicial. 
Continuamos con la Combustión con oxígeno. Esta reacción da lugar a CO2 y 
menores cantidades de CO. Se trata de un proceso exotérmico, es decir, 
proporciona calor. 
El siguiente paso es la Gasificación, este proceso tiene lugar cuando el residuo 
sólido (llamado "char" formado por cenizas y escoria) reacciona con el carbono 
restante y el vapor de agua para formar monóxido de carbono y hidrógeno gas: 
C + H2O → H2 + CO 
Este cuarto paso (gasificación) se encadena rápidamente con la formación del 
siguiente equilibrio dinámico: 
CO + H2O → CO2 + H2 
 
- Ciclos termoquímicos. 
 
Estos utilizan el calor barato de alta temperatura, procedente de la energía nuclear 
o de la solar concentrada. Este 
proceso se muestra potencialmente 
atractivo para su aplicación a gran 
escala, con un bajo costo, y sin 
emisión de gases de efecto 
invernadero, para la industria pesada 
o el transporte. Hoy en día existen 
diferentes proyectos de colaboración 
Figura 4: Ciclos termoquímicos 
 
 
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internacional sobre investigación, desarrollo y puesta en operación de plantas que 
operen con este proceso. 
 
- Producción biológica 
 
Las algas y las bacterias producen directamente Hidrogeno en determinadas 
condiciones. Durante los últimos 
años se estudia este recurso de 
gran envergadura potencial, 
aunque con un ritmo de producción 
de Hidrógeno bastante lento. Se 
necesitan grandes superficies y la 
mayor parte de los organismos 
apropiados no se han encontrado 
todavía. Hoy día está siendo objeto 
de estudio en distintos centros 
investigación. 
 
- Biomasa 
 
La conversión de biomasa en un gas rico en hidrógeno se considera a futuro como 
un método competitivo de producción de energía y de productos químicos a partir 
de fuentes renovables. El objetivo técnico de este trabajo consiste en el estudio del 
proceso de gasificación de biomasa con vapor de agua y oxigeno como proceso 
termoquímico de transformación de biomasa encaminado a la máxima obtención de 
hidrógeno con el menor contenido en alquitranes. 
Para optimizar el proceso de gasificación se planteó una estrategia experimental 
estadística con tres variables de operación y dos niveles. El estudio se realizó sin 
variar el tipo de biomasa alimentada, el tipo de catalizador utilizado, así como la 
cantidad de lecho en el gasificador. 
Figura 5: Producción biológica. 
 
 
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Se ha aplicado la metodología del diseño de experimentos para evaluar la influencia 
de diferentes factores experimentales, tales como la cantidad de vapor de agua 
introducida, la utilización de un catalizador y el aporte de oxígeno, tanto en la 
producción de hidrógeno, 
como en la minimización de la 
formación de alquitranes. 
Esta técnica estadística ha 
permitido la modelización del 
proceso de gasificación de la 
biomasa seleccionada 
realizando el mínimo número 
de ensayos en planta piloto 
para identificar posibles 
mejoras y optimizaciones 
tanto en el rendimiento de 
hidrógeno obtenido como en 
la generación de alquitranes. 
 
- Foto electrolisis 
 
La transformación directa de la luz solar en energía química almacenada en forma 
de H2 ha atraído el interés y atención de los científicos. Para fotodescomponer al 
agua, estos sistemas fotoelectroquímicos se basan en la uniónsemiconductor-
electrolito o unión líquida. Se describen diferentes posibles sistemas reportados en 
la literatura. Un sistema recientemente muy estudiado por sus perspectivas utiliza 
TiO2 nanoestructurado. Se presentan resultados sobre este material, sus 
características e influencia de éstas en el comportamiento de los fotoelectrodos; así 
como, la necesidad de 
extender su rango de 
absorción del espectro solar, o 
sea, de sensibilizarlo. Se 
evidencia que el desarrollo de 
nuevos materiales es clave 
para hacer factible y 
económicamente viable la 
fotodescomposición del agua. 
 
Figura 6: Hidrógeno a partir de biomasa 
Figura 7: Foto electrolisis 
 
 
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- Oxidación Parcial 
 
Mediante la oxidación parcial se puede obtener hidrógeno de una gran variedad de 
materias primas o de subproductos de otras reacciones. Entre éstos se encuentran 
los hidrocarbonos, los residuos industriales, la biomasa, el metano, etc. 
 
Mediante la oxidación parcial con oxígeno, a temperaturas 1150-1350ºC se produce 
un gas bruto compuesto de H2, CO, CO2y CH4. Las impurezas contenidas en el 
gas bruto dependen de la composición de la materia prima y de las condiciones de 
desarrollo del proceso (presión y temperatura), encontrándose el azufre procedente 
de la materia prima prácticamente en su totalidad en forma de H2S. Luego se 
realizan unas etapas de depuración y de acondicionamiento, tras las cuales se 
obtiene hidrógeno puro. Oxidación parcial: 
 
CnHm+ n/2 O2 → n CO + m/2 H2 
 
 
 
Conclusiones. 
 
El petróleo se está acabar, lo podemos notar al ver como entre países luchan 
conquistarse para obtener su crudo o para tener una buena posición mercantil 
mundial, como el caso de Irán, Siria que son los casos más recientes. 
Por lo que se debe de considerar alternativas que no afecten al planeta. La 
explotación del hidrógeno pues es una fuente muy conveniente. 
Son muchas las posibilidades que ofrece el hidrógeno para cubrir las demandas 
energéticas futuras. Se considera una alternativa frente al acuciante problema del 
Figura 8: Diagrama de flujo de la producción de hidrógeno 
mediante oxidación parcial de hidrocarburos. 
 
 
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cambio climático, ya que evita la producción de gases de efecto invernadero y el 
empleo de los denominados combustibles fósiles: petróleo, gas natural y petróleo. 
Considero que la mejor opción es obtener hidrogeno a través de la producción 
biología de algas, pues aparte de que son excelentes receptoras del CO2 se pueden 
ocupar como alimento de ganado o mejor aún, como biomasa y poder obtener 
hidrogeno. 
Desafortunadamente estos inventos o prototipos no están al alcance del usuario o 
consumidor. 
Bibliografía 
 
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