Introducción

El hidrógeno común tiene un peso molecular de 2.015 g/mol. El gas tiene una densidad de 0.071g/L a 0 grados Celsius y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con el aire es de 0.0695. El hidrógeno es la sustancia más inflamable de todas las que se conocen. El hidrógeno es un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua. Muchos metales absorben hidrógeno. La adsorción del hidrógeno en el acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para procesos químicos. A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia poco reactiva a menos que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es muy reactivo. El oxígeno gaseoso se condensa formando un líquido azul pálido fuertemente magnético. El oxígeno sólido de color azul pálido se obtiene comprimiendo el líquido. La masa atómica del oxígeno es de15.999 g/mol, a la presión atmosférica el elemento tiene un punto de ebullición de -182.96 °C, un punto de fusión de -218.4°C y una densidad de 1.429 g/L a 0 °C. El oxígeno gaseoso se condensa formando un líquido azul pálido fuertemente magnético.

Tarea previa

1.- ¿Qué es una explosión y qué es una implosión?

IMPLOSIÓN1. Implosión es la compresión de una masa fisionable subcrítica esférica, o

cilíndrica. La implosión funciona detonando los explosivos en la superficie externa del objeto, por lo que la onda expansiva se mueve hacia adentro. La onda se transmite al núcleo fisionable, comprimiendo y aumentando su densidad hasta alcanzar el estado crítico.

El material fisionable forma un armazón. Un explosivo de gran poder puede crear una onda de 400.000 atm de presión, aunque con algunas técnicas se puede aumentar varios cientos de veces. Esta presión puede acercar los átomos entre sí y aumentar la densidad a dos veces de lo normal o más.

2. En la implosión se crea un vacío, la fuerza es dirigida hacia adentro y en vez de lanzar las cosas, las atrae, o las succiona.

EXPLOSIÓN1. Es la liberación de energía en un intervalo temporal ínfimo. De esta forma,

la potencia de la explosión es proporcional al tiempo requerido. Los órdenes de magnitud rondan los gigavatios.

2. En la explosión la fuerza del aire va hacia afuera y golpea violentamente, lanza las cosas a distancia.

2.- Escribe la reacción de descomposición del agua oxigenada.

2H2O2 (l) → 2H2O (l) + O2 (g)

3.- Escribe la reacción que se lleva a cabo entre el agua oxigenada y el yoduro.

I- (ac) + H2O2 (l) → 6H2O (l) + IO- (ac)

Marco teórico

HIDRÓGENO

En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e insípido, compuesto de moléculas diatómicas, H2.

El átomo de hidrógeno, símbolo H, consta de un núcleo de unidad de carga positiva y un solo electrón. Tiene número atómico 1 y peso atómico de 1.00797.

Es uno de los constituyentes principales del agua y de toda la materia orgánica, y está distribuido de manera amplia no sólo en la Tierra sino en todo el universo.

Existen 3 isótopos del hidrógeno: el protio, de masa 1, que se encuentra en más del 99.98% del elemento natural; el deuterio, de masa 2, que se encuentra en la naturaleza aproximadamente en un 0.02%, y el tritio, de masa 3, que aparece en pequeñas cantidades en la naturaleza, pero que puede producirse artificialmente por medio de varias reacciones nucleares.

1. UsosEl empleo más importante del hidrógeno es en la síntesis del amoniaco. La utilización del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de refinación del petróleo, como el rompimiento por hidrógeno, y en el tratamiento con hidrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la manufactura de productos químicos orgánicos. Grandes cantidades de hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, y como un propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear.

2. PropiedadesEl hidrógeno común tiene un peso molecular de 2.01594. El gas tiene una densidad de 0.071 g/L a 0ºC y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con la del aire, es de 0.0695. El hidrógeno es la sustancia más inflamable de todas las que se conocen. El hidrógeno es un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua. Muchos metales absorben hidrógeno. La adsorción del hidrógeno en el acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para procesos químicos.

A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia poco reactiva a menos que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es muy reactivo.

OXÍGENO

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 cohete

4) Apoyo a la vida biológica y medicina

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.

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.

MEZCLA COMBURENTE

Se define como comburente a toda mezcla de gases en el cual el oxígeno está en proporción suficiente para que se produzca la combustión. 

El comburente normal es el aire que contiene aproximadamente un 21% de oxígeno. 

Para que se produzca la combustión es necesaria la presencia de una proporción mínima de oxígeno, que por regla general va de un 15% hasta en casos extremos de un 5%. 

En ocasiones deseamos producir una combustión en lugares en los que el oxígeno escasea como puede ser el espacio, en el que el oxígeno es totalmente inexistente. Las combustiones que necesitamos realizar en el espacio son las de los cohetes que maniobran los satélites o los transbordadores espaciales. Para este tipo de combustiones los cohetes van equipados con oxígeno en estado líquido.

Los cohetes con motores de combustible líquido llevan combustible de dos tipos: combustible y comburente.

El combustible se mezcla con el comburente, que oxida el combustible y hace que los gases producidos en la descomposición salgan expulsados por la tobera a gran velocidad.

El combustible suele ser un keroseno especial, llamado RP-1, y el comburente oxígeno.

Así, el oxígeno quema el keroseno. Según el tipo de motor, se usa también hidrógeno en lugar de keroseno.

El hidrógeno al quemarse da muchísimo calor, pero también produce moléculas ligeras (agua), mientras que el keroseno da lugar a moléculas de más peso (CO2 y trozos de cadenas de carbono sin quemar) que al ser expulsadas producen también más empuje.

Hay otros combustibles raros, como flúor e hidrógeno, hidracina y agua oxigenada, alcohol y acido nítrico...

Otro tipo de motor es el de combustible sólido.

Ahí simplemente se usa una especie de "pólvora" hecha con perclorato de aluminio y algunos compuestos plásticos.

Y por último, está el motor híbrido, que tiene un líquido o gas comburente como el óxido de nitrógeno, que quema unos pequeños granitos de un plástico especial.

Objetivos

Obtener hidrogeno y mediante experimentos identificar las propiedades físicas y químicas de este gas.

Obtener oxígeno y mediante experimentos correspondientes identificar las propiedades físicas y químicas de este gas.

Observar su reactividad y observar su efecto oxidante y reductor.

EXPERIMENTAL

Primera parte: Obtención de los gases.

Sigue el procedimiento de Mattson, descrito en el apéndice de obtención de gases por el método de las jeringas.

Obtención de hidrógeno

La producción de H2 es muy rápida y normalmente en 30 segundos se obtiene una jeringa de 60 mL.

Coloca los 30 mg de cinc metálico en un vial de plástico plano, para que flote en la parte superior del cañón lleno de agua.Coloque 1.5 mL de HCl 6M en una charolita de plástico y succione esta sustancia con la jeringa.

Escribe la ecuación balanceada correspondiente a la obtención del hidrógeno:

2HCl (ac) + Zn (s) → H2 (g) + ZnCl2

Obtención de oxígeno

La producción de O2 no es muy rápida y para producir una jeringa de 60 mL se requiere aproximadamente 1 minuto. Cuando se esté produciendo el O2 jala el émbolo de la jeringa ligeramente para tener el gas a baja presión, y agite la jeringa.

Coloca los 50 mg de KI en polvo en el vial plano, para que flote en la parte superior del cañón lleno de agua.

Coloca 3 mL del H2O2 al 6% en una charolita de plástico y succiona esta sustancia con la jeringa.

Escribe la ecuación balanceada correspondiente a la obtención de O2

2KI (s) + H2O2 (l) → O2 (g) + I2 (ac) + 2K+ (ac) + H2O (l)

KI + 2H2O2 → KI + 2H2O (l) + O2 (g)

Lo cual implica 2 semireacciones:

I- → I20

I2 + I- → I3-

Reactividad del H2 y del O2

1.- Combustión del hidrógeno.

-Llena un tubo de ensayo pequeño con agua e inviértelo en una cuba de agua adecuada, conecta la manguera de hule de 15 cm de largo a la salida de la jeringa.

-Desplaza el agua con el hidrógeno gaseoso. Separa el tubo de ensayo del agua y sostén la boca hacia abajo y acércalo a una vela encendida.

-Repite este experimento desplazando la mitad del volumen del tubo con H2 y la otra mitad con O2 e igualmente acerca este tubo a la vela encendida.

¿Cómo difiere el resultado obtenido en el primer experimento del obtenido en el segundo? ¿A qué atribuyes esa diferencia?

Al hacer reaccionar el hidrógeno con una chispa se produjo una explosión, pues se combinó con el O2 del aire formando agua.

El segundo experimento es mucho más fuerte, por la presencia del oxígeno en la reacción de formación de agua.

Existe una mayor presencia de O2: H2 (g) + ½O2 (g) → H2O (g)

2.- Combustión de materia orgánica.

-Transfiere O2 de la jeringa a un tubo de ensayo de 15 cm de alto por desplazamiento de aire, enciende una pajilla y apágala, introduciéndola inmediatamente en el tubo de O2.

-Anota tus observaciones y explícalas.

En este experimento al introducir la pajilla al tubo con O2, se volvió a avivar la llama aún cuando estaba a punto de extinguirse, esto debido a que el oxígeno estaba en exceso, lo cual ocasionó que se siguiera produciendo la combustión.

3.- Conversión reversible de Cu metálico y óxido de cobre (II)

-Utiliza alambre o lana de cobre para llenar una pipeta Pasteur, sosteniendo la pipeta en una posición horizontal.

Paso 1. (Precaución: Asegúrate que tus compañeros de al lado y de enfrente no estén produciendo hidrógeno y entonces prosigue a encender el mechero). Calienta la pipeta que contiene cobre metálico (lana de cobre) unos 30 segundos y pase 60 mL de oxígeno pipeta mientras continúa con el calentamiento. Anota tus observaciones y escribe la reacción que se lleva cabo, identificando al oxidante y al reductor.

2Cu0 (s) + O2 (g) → 2CuO (s) El Cu se pone negro

Paso 2. Conecta la jeringa llena de hidrógeno a la pipeta Pasteur que contiene el compuesto de cobre obtenido en el Paso 1 (Precaución: Asegúrate que tus compañeros de al lado y de enfrente no estén produciendo hidrógeno y entonces

Reductor Oxidante

prosigue a encender el mechero) calienta la pipeta con el contenido del Paso 1 del experimento y pasa lentamente60 mL de H2 continuando el calentamiento. Anota tus observaciones y escribe la reacción que se lleva a cabo, identificando al oxidante y al reductor.

CuO (s) + H2 (g) → Cu (s) + H2O (l) El Cu regresa a su tonalidad rojiza.

Es debido a que en el H2 el Cobre se oxidaba más rápido debido a que estaba en exceso pierda electrones y en el segundo que es con O2 es cuando ganaba electrones del oxígeno lo que hacía que el cobre volviera a su estado natural esto es una Reacción Reversible.

4.- Fabricación de un cohete

-Corta el final de una pipeta Beral dejándole aprox. 2 cm de tallo unido al bulbo (Figura3).

-Llénala de agua, añádale por desplazamiento la mezcla O2-H2 y sostén el bulbo y la jeringa a 45°.

-Rápidamente ponga el alambre del encendedor piezoeléctrico sobre la boca de la pipeta (cohete), siempre con el bulbo hacia arriba.

-Deja algo de agua en el tallo del cohete, el final del alambre debe estar arriba del agua en la región del gas del cohete, no dirijas el cohete a nadie de enfrente, enciende la chispa y el cohete volará hasta 10 metros.

Propiedades del O2

1.- Transfiera O2 de la jeringa a un tubo de ensayo de 15 cm de alto por desplazamiento de aire, encienda una pajilla y apáguela, inmediatamente introduzca en el tubo de O2 la pajilla, la cual nuevamente se encenderá; añada agua de cal al tubo y anote lo que observe.

Nuevamente:

En este experimento al introducir la pajilla al tubo con O2, se volvió a avivar la llama aún cuando estaba a punto de extinguirse, esto debido a que el oxígeno estaba en exceso, lo cual ocasionó que se siguiera produciendo la combustión.

2.- Utilizando gases de tanques disponibles en el laboratorio, llena (no demasiado) un globo con oxígeno y otro con nitrógeno. Acerca a cada uno de ellos un imán y compara su comportamiento.

No se realizó el experimento.

Análisis de resultados

Oxidante Reductor

a) En la obtención del hidrógeno al hacer reaccionar al zinc con el ácido clorhídrico se observó que el émbolo de la jeringa por fuerza del hidrógeno se expandía muy lentamente, aunque con cierta agresividad. Por otro lado, se observó que la formación de hidrógeno era muy rápida. Una vez que se colocó al hidrógeno en contacto con la flama se escuchó un sonido muy agudo, pero de muy corta duración e intensidad, lo cual nos confirmó que el hidrógeno reaccionó, formando una implosión.

b) En la obtención de oxígeno se observó que la reacción se llevó de manera más lenta en comparación con el hidrógeno, sin embargo el oxígeno al ser más denso que el aire y que el hidrógeno expandió de manera considerable al émbolo logrando una presión demasiado alta, lo cual nos conllevaba un cierto riesgo, ya que si no se liberaba presión mediante la llave, se explotaba el peróxido. Al poner en contacto al oxígeno frente a la flama, ésta aumentó su volumen.

Conclusiones

En esta práctica vimos la manera que reaccionar el hidrogeno con el oxígeno y la manera en que se puede llevar a cabo esta reacción y el poder que pueden tener éstas reacciones si se manejan las sustancias en grandes cantidades, conocimos el método de Mattson, el cual es muy útil, pues a partir de éste podemos obtener varias sustancias en estado elemental.

Se anexa el método de Mattson como corolario dentro de la práctica.

Bibliografía

Redmore, fundamentos de química. Ed. Hispanoamericana. 1987.

Chang, R. Principios esenciales de Química General, Cuarta edición, Mc Graw Hill, Madrid, 2006.

http://www.construmatica.com/construpedia/Combustible._Comburente._Calor