TERCER PERIODO

TERCER PERIODO

EL OXÍGENO

INTRODUCCIÓN 

La presente información, abarca todo lo que tiene que ver con el oxígeno. El oxígeno es un elemento clave de la química orgánica; por tanto, hablaremos  haciendo énfasis en las cosas más importantes como su estado natural, sus propiedades físicas y químicas, combustión y llama con sus respectivas partes, obtencion del oxigeno y las aplicaciones y usos que se le da en la vida cotidiana.

OBJETIVOS GENERALES

• Informar acerca del oxígeno
• Caracterizar el oxígeno en cada tema
• Aprender acerca del oxígeno para así aplicar dicho conocimiento en el ámbito académico

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Identificar la presencia del elemento en la vida del ser humano y en en el medio ambiente
• Afirmar la importancia que tiene el oxígeno al combinarse con un cuerpo
• Determinar la importancia que tiene el oxígeno para el planeta tierra 
• Describir el oxígeno teniendo en cuenta los temas anteriormente nombrados
• Nombrar la importancia del oxígeno en la formación de la llama
• Explicar la obtención del elemento

MARCO TEÓRICO

ESTADO NATURAL: El oxígeno se encuentra libre en la atmósfera en forma de O2, el cual constituye la quinta parte de su peso y en las altas capas de la atmósfera como O3. Combinado se lo encuentra formando H2O que cubre las 3/4 partes de la superficie terrestre y el mismo constituye 8/9 de su peso, también se lo encuentra formando una gran cantidad de óxidos, oxácidos, sales oxigenadas, el alcohol, el azúcar, la celulosa y gran cantidad de compuestos orgánicos.

PROPIEDADES FÍSICAS: El oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido. Es un gas de densidad 1.1056 en relación con el aire ( densidad 0,00143 g/cm3).
Es poco soluble en agua ( 0.0410 en agua a 0°C), pero es absorbido en frío mejor que en caliente por algunos metales y ciertos óxidos metálicos como ser la plata fundida, la cual absorbe 22 veces su volumen sin combinación. Cuando la plata se enfría el oxígeno se libera produciendo desgarraduras. El oxígeno licua a una temperatura de -139°Ca una presión de 22.5 atm, y es de un color azulado el cual hierve a -182,5°C. El calor de disociación del oxígeno molecular es de -117.3 Kcal/mol.
El oxígeno se encuentra en dos variedades alotrópicas O2 y O3. También existe el O4 el cual aumenta en proporción con el descenso de la temperatura.

PROPIEDADES QUÍMICAS: El oxígeno es un no metal moderadamente activo, cuya electronegatividad ocupa el segundo lugar entre todos los elementos. Se combina directamente con todos los elementos, excepto con los metales nobles, como plata, oro y platino. Entre los no metales, no se combinan directamente con el oxígeno los gases nobles del grupo VIIIA y los halógenos del grupo VIIA, altamente electronegativo, reacciona con facilidad con el carbono, azufre y fósforo. 

COMBUSTIÓN: El oxígeno, directa o indirectamente reacciona con todos los elementos de la naturaleza exceptuando el flúor y los metales nobles (Au y Pt). La combinación de un cuerpo con oxígeno recibe el nombre de combustión. Esta combinación puede ser acompañada de un gran desprendimiento de calor.
En la combustión una sustancia química reacciona rápidamente con oxígeno produciendo calor y luz. Los productos típicos de una reacción de combustión son CO2, H2O, N2 y óxidos de cualquier otro elemento presente en la muestra original.

Un ejemplo típico de combustión es la oxidación del metano según el proceso

CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)

Las reacciones de combustión a menudo transcurren mediante la formación de radicales libres, moléculas o iones electrónicamente excitados que emiten fluorescencia dando color a la llama, o también formando pequeñas partículas de sólido como por ejemplo el carbón, cuya incandescencia puede observarse.

LLAMA: Es un fenómeno luminoso que se produce por la incandescencia de los gases durante la combustión.

Para que la llama comience y quede estable,se debe estabilizar el frente de llama. Para ello, se debe coordinar la velocidad de escape de gases y de propagación de la llama con la entrada de aire y combustible. El frente de llama marca la separación entre el gas quemado y el gas sin quemar. Aquí es donde tienen lugar las reacciones de oxidación principales. El espesor del frente de llama puede ir desde menos de 1mm hasta ocupar totalmente la camara de combustion. La propagación de la llama es el desplazamiento de ésta a través de la masa gaseosa. Se efectúa esta propagación en el frente de la llama, si la combustión se efectúa con suficiente oxígeno, es completa. La llama que se produce en este caso tiene poco poder de iluminación, por lo que se conoce con el nombre de llama de oxidación o llama oxidante, y el exceso de oxígeno es suficientemente alto para oxidar a los metales. Si falta oxígeno, la combustión es incompleta y la temperatura que se alcanza es más baja; en esta llama se reducen los óxidos de algunos metales; la llama que se produce tiene luminosidad característica a causa de la incandescencia del carbón que no se quema por falta de oxígeno.
Esta llama se conoce con el nombre de llama de reducción.

En las llamas no luminosas se presentan tres zonas claramente definidas como se observa en la figura:

• Zona interna o interior fría, corresponde a los gases que no entran en combustión, por lo que su temperatura es baja.
• Zona intermedia o de reducción, es una mezcla intermedia en la cual la combustión es incompleta y en la que se reducen los óxidos metálicos. La zona de reducción está generalmente limitada a una mera envoltura del cono interior.
• Zona exterior o de oxidación, que es la parte más externa de la llama y envuelve a las dos anteriores; por la abundancia de oxígeno hay combustión completa y la temperatura es más alta. El punto más caliente de la llama se encuentra en el interior de esta zona.

OBTENCION: El oxigeno puede obtenerse a partir de la descomposición térmica de óxidos (de metales poco reactivos, de los peróxidos, algunos bióxidos y algunas oxisales). Se puede obtener por electrólisis del agua. Por destilación fraccionada del aire líquido.

El oxígeno industrialmente se puede obtener a partir de la destilación fraccionada del aire líquido. En este procedimiento llamado método de Georges Claude se desprende primero a -193° y luego el oxígeno a -181°.
Se puede obtener oxígeno a partir de la electrólisis de agua alcalinizada con un 10 o 15% de NaOH. Los electrodos son de hierro. Todo se produce como si el agua estuviera descompuesta, y se recoge el oxígeno en el electrodo positivo y el hidrógeno en el electrodo negativo.

USOS Y APLICACIONES: Se utiliza para las combustiones en las cuales se desea llegar a una temperatura más elevada que si se utiliza aire. Se utiliza para dar a los enfermos y para abastecer de oxígeno a los tripulantes en los aviones ultrasónicos y naves espaciales. El oxígeno se utiliza en los sopletes y principalmente para mejorar los aceros en los altos hornos.

EL HIDRÓGENO

INTRODUCCIÓN

A continuación, se hablara acerca del hidrógeno, el cual es un elemento químico reconocido por ser el más liviano de la tabla periódica.

Podrá observar y comprender los temas más relevantes como su estado natural, sus propiedades, tanto físicas como químicas, combustión y llama (combustible de H2), como se obtiene el elemento, sus aplicaciones y usos que se le otorgan en la vida cotidiana.

OBJETIVOS GENERALES

• Transmitir información acerca del hidrógeno
• Calificar el hidrógeno en cada asunto respectivamente
• Aprender acerca del hidrógeno para poner en práctica lo entendido

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Especificar el elemento en cada tema expuesto
• Interpretar la presencia del hidrógeno en los distintos procesos que se presentan
• Mencionar las transformaciones por las cuales pasa el hidrógeno
• Definir claramente los procesos y reacciones que transcurre el hidrógeno
• Comprender los usos que se le puede dar al elemento 

MARCO TEÓRICO

ESTADO NATURAL: El hidrógeno es el elemento más abundante del universo. En efecto, la mayoría de las estrellas son predominantes de hidrógeno (el sol tiene aproximadamente un 90% de hidrógeno).

En cuanto a la tierra, su abundancia es menor. En estado libre, se encuentra en pequeñas cantidades en la atmósfera, así como en los gases que se desprenden de los volcanes y de los yacimientos de petróleo. En combinación, por el contrario, el hidrógeno es bastante común: en el agua constituye en 11,2% de su peso total; el cuerpo humano, que es aproximadamente dos terceras partes de agua, tiene un 10% de hidrógeno por peso; forma parte esencial de todos los organismos animales y vegetales, en los cuales entra en combinación con oxígeno, nitrógeno, carbono, etc. Finalmente, es un constituyente importante del petróleo y de los gases de combustibles naturales.

PROPIEDADES FÍSICAS: El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido a temperatura ambiente. Es el elemento más liviano que existe, siendo aproximadamente 14 veces menos pesado que el aire. Su molécula consiste de dos átomos de hidrógeno (H2) unidos por un enlace covalente. Posee tres isótopos, de los cuales el más abundante es en Protio (99.985%); el Deuterio tiene una abundancia de 0,02% y el tritio es tan escaso que de cada 10^9 átomos de hidrógeno hay uno de tritio.

El hidrógeno es fácilmente absorbido por ciertos metales finamente divididos, siendo los principales paladio, platino y oro. Por ejemplo, uno volumen de paladio finamente dividido puede absorber aproximadamente 850 volumen es de hidrógeno a temperatura ambiente. El hidrógeno absorbido es muy activo químicamente.

PROPIEDADES QUÍMICAS: Químicamente, el hidrógeno es capaz de combinarse con la mayoría de los elementos cuando se tienen las condiciones adecuadas. El hidrógeno tiene gran afinidad con el oxígeno, con el cual se combina en frío muy lentamente, pero en presencia de una llama o de una chispa eléctrica lo hace casi instantáneamente con explosión. Por esto, las mezclas de hidrógeno y aire deben manejarse con mucha precaución. La reacción es:

2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)

△H=116 Kcal

La ecuación anterior nos indica la gran cantidad de energía desprendida por la reacción.

Una propiedad muy importante del hidrógeno es su poder reductor. En efecto, a altas temperaturas el hidrógeno reacciona con algunos óxidos reduciendolos.

Este poder reductor, que se basa en la tendencia del hidrógeno a oxidarse al estado de oxidación +1, tiene además aplicación en muchos procesos químicos.

COMBUSTIÓN: El gas hidrógeno es altamente inflamable y se quema en concentraciones de 4% o más H2 en el aire. La entalpia de combustion de hidrogeno es -285.8 kJ/mol; se quema de acuerdo con la siguiente ecuación balanceada.

2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)+572kJ (285.8 kJ/mol)

Cuando se mezcla con oxígeno en una variedad de proporciones, de hidrógeno explota por ignición.

El hidrógeno se quema violentamente en el aire; se produce la ignición automáticamente a una temperatura de 560°C. Llamas de hidrógeno-oxígeno puros se queman en la gama del color ultravioleta y son casi invisibles a simple vista, como lo demuestra la debilidad de la llama de los motores principales del transbordador espacial (a diferencia de las llamas fácilmente visibles del cohete acelerador del sólido). Así que se necesita un detector de llama para detectar si una fuga de hidrógeno está ardiendo.

La explosión del dirigible Hindenburg fue un caso infame de combustión de hidrógeno. La causa fue debatida, pero los materiales combustibles en la cubierta de la aeronave fueron los responsables del color de las llamas.

Otra característica de los fuegos de hidrógeno es que las llamas tienden a ascender rápidamente con el gas en el aire, como ilustraron las llamas del Hindenburg, causando menos daño que los fuegos  de hidrocarburos. Dos terceras partes de los pasajeros del Hindenburg sobrevivieron al incendio, y muchas de las muertes que se produjeron fueron por caída o fuego del combustible diesel.

H2 reacciona directamente con  otros elementos oxidantes. Una reacción espontánea y violenta puede ocurrir a temperatura ambiente con cloro y flúor, formando los haluros de hidrógeno correspondientes: cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno.

A diferencia de los hidrocarburos, la combustión del hidrógeno no genera óxidos de carbono (monóxido y dióxido) sino simplemente agua en forma de vapor, por lo que se considera un combustible amigable con el medio ambiente y ayuda a mitigar el calentamiento global.

LLAMA: El combustible de hidrógeno es un combustible de emisión cero que usa celdas electroquímicas o la combustión en motores internos, para propulsar vehículos y dispositivos eléctricos. También es usado en la propulsión de naves espaciales y potencialmente puede ser producido en masa y comercializado para su uso en vehículos terrestres de pasajeros y aeronaves.

Dado que el gas de hidrógeno es tan ligero, se eleva en la atmósfera y por lo tanto raramente es encontrado en su forma pura, H2. En una llama de gas de hidrógeno puro, quemándose en el aire, el hidrógeno (H2) reacciona con el oxígeno (O2) para formar agua (H2O) y liberar calor.

2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)

Si se produce en el aire atmosférico en vez de oxígeno puro (como normalmente es el caso), la combustión del hidrógeno puede producir pequeñas cantidades de óxido de nitrógeno, junto con el vapor de agua.

El calor de la combustión le permite al hidrógeno actuar como combustible. Sin embargo, el hidrógeno es un vector energético, como la electricidad, no un recurso de energía. Las empresas de energía primero deben producir el gas de hidrógeno y esa producción induce impactos ambientales. La producción de hidrógeno siempre requiere más energía que la que puede ser recuperada del gas como un combustible en forma posterior. Esta es una limitación de la ley física de la conservación de la energía.

OBTENCIÓN: Para obtener hidrógeno en estado puro, es necesario extraerlo de los compuestos en los que se encuentra combinado, principalmente el agua, los combustibles fósiles y la materia orgánica (biomasa).

 A partir del agua la electrólisis: mediante la electrólisis, el agua se descompone para formar hidrógeno y oxígeno.

Realmente se trata de llevar a cabo el proceso inverso a la reaccion de combustion de hidrogeno.

En esta reacción se necesita un aporte energético, que será suministrado mediante energía eléctrica. El mecanismo de electrólisis es el siguiente: en una célula electroquímica hay dos electrodos (cátodo y ánodo) unidos por un medio conductor formado por iones H+ (protones) disueltos en agua. El paso de corriente eléctrica entre cátodo y ánodo hace que el agua se disocia, formando hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo. 

A partir de combustibles fósiles: los combustibles fósiles son "portadores de hidrógeno", porque lo contienen en su molécula. Para obtenerlo como gas hidrógeno, bastaría con hacerlos reaccionar con agua utilizando un catalizador para facilitar la reacción. Este proceso químico se denomina "reformado con vapor de agua" y requiere aporte de energía porque es un proceso endotérmico, en el que se obtienen como productos principales hidrógeno y monóxido de carbono (CO).

Ese aporte de energía puede reducirse introduciendo oxígeno (o aire) al reactor al mismo tiempo que se alimenta el agua. De esta forma, el proceso se convierte en un proceso ligeramente exotérmico denominado "reformado autotérmico" donde se desprende calor.

Además de hidrógeno y monóxido de carbono, también se puede formar dióxido de carbono (CO2) por combustión con el oxígeno. El resultado final es una menor producción de hidrógeno, pero resulta de interés en algunos casos por el menor consumo energético. 

Tanto en un caso como en otro, es necesario eliminar el monóxido de carbono que se ha formado en la etapa de reformado, para obtener un hidrógeno libre de impurezas. Como primera etapa de purificación suele emplearse la denominada "reacción de desplazamiento del gas de agua", en la que el monóxido de carbono reacciona con agua par formar dióxido de carbono e hidrógeno. En función de la aplicación final en la que vaya a utilizarse el hidrógeno y el nivel de pureza que se necesite, será necesaria una última etapa de purificación, para la que pueden utilizarse tanto procesos químicos ( oxidación selectiva de monóxido de carbono) como fisicos (separación por adsorción, métodos criogénicos).

Actualmente, la mayor producción de hidrógeno a escala industrial se lleva a cabo por reformado a partir de gas natural.

A partir de biomasa: La biomasa es materia que proviene de los seres vivos, tanto vegetales (residuos forestales, agrícolas, cultivos energéticos, etc), como animales en la que abundan los compuestos hidrogenados. Cuando el tratamiento de la biomasa da lugar a la formación de gas, a este producto se le denomina biogás. Mediante procesos químicos de reformado de ese gas, como los mencionados anteriormente, se puede obtener hidrógeno. Otros tratamientos de la biomasa dan lugar a la obtención de biocarburantes líquidos que puedan utilizarse también posteriormente como combustibles para la producción de H2 más fácilmente transportables: es el caso del bioetanol o el biodiesel. En todos los casos, junto con el hidrógeno se obtiene también dióxido de carbono pero, a diferencia de lo que ocurre con los combustibles fósiles, este CO2 no supone un aumento de emisiones a la atmósfera, ya que forma parte del ecosistema.  

USOS Y APLICACIONES:

• Se utiliza para procesar combustibles fósiles
• Se usa para producir amoniaco, utilizado en los productos comunes de limpieza del hogar
• El hidrógeno se utiliza como un agente hidrogenante para producir metanol y convertir aceites y grasas no saturadas insalubres en aceites y grasas saturadas
• El punto triple del hidrógeno (la temperatura a la que los tres estados, sólido, líquido y gaseoso están en equilibrio)puede utilizarse para calibrar algunos termómetros
• El tritio, un isótopo radioactivo del hidrógeno, se produce en las reacciones nucleares. Se puede utilizar para fabricar bombas de hidrógeno y actúa como una fuente de radiación en pinturas luminosas. En las ciencias biológicas, el tritio se utiliza a veces como un marcador isotópico
• El hidrógeno (ya sea utilizado por sí solo o combinado con nitrógeno) se utiliza en plantas de fabricación de muchos para determinar si hay fugas. También se utiliza para detectar fugas en los envases de alimentos
• El hidrógeno se utiliza como refrigerante rotor en generadores eléctricos
• el hidrógeno en estado gaseoso se usa como un gas de protección en la soldadura de hidrógeno atómico
• También se usa en la producción de ácido clorhídrico, utilizado ampliamente en las industrias químicas
• El gas de hidrógeno se utiliza para reducir muchos minerales metálicos
• puede ser utilizado para crear agua

CONCLUSIONES

El oxígeno es un elemento indispensable para la vida, ya que sin él no podríamos respirar y por lo tanto, moriríamos. Su descubrimiento gracias a químicos que realizaron diferentes procesos, hicieron historia. Nos hemos dado cuenta que no solo los humanos dependemos de él, sino que también los animales, las plantas, entre otras cosas, así como procesos para hacer ciertos objetos y las industrias.

Por otro lado, el hidrógeno es el elemento más liviano de la tabla periódica y se combina fácilmente con la mayoría de elementos produciendo diferentes compuestos químicos.

El hidrogeno que es una de las sustancias mas inflamables de las que se conoce, y en presencia de fuego realiza una explosión, por lo que al mismo tiempo produce una fuerza, y esta fuerza puede ser utilizada como energía.

WEBGRAFÍA

• https://www.investigacionyciencia.es/blogs/fisica-y-quimica/10/posts/la-combustin-y-el-oxigeno-10170
• https://www.textoscientificos.com/quimica/oxigeno
• https://www.ecured.cu/Llama_(combusti%C3%B3n)
• https://www.academia.edu/8848971/Oxigeno_usos_y_aplicaciones
• https://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno
• https://nippongases.com/es/gases/oxygen/?tab=sectores
• https://elementos.org.es/hidrogeno
• https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno
• https://www.abellolinde.es/es/processes/process_chemistry_and_refining/hydrogen_applications/index.html
• https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/aplicaciones-del-hidrogeno
• https://prezi.com/8g5rydnbjwuv/propiedades-fisicas-y-quimicas-del-hidrogeno/
• https://es.wikipedia.org/wiki/Combustible_de_hidr%C3%B3geno#targetText=Dado%20que%20el%20gas%20de,2O)%20y%20liberar%20calor.
• http://www.rinconeducativo.org/es/recursos-educativos/como-obtener-hidrogeno
• https://www.enciclopediadetareas.net/2010/09/estado-natural-del-hidrogeno.html
• https://www.enciclopediadetareas.net/2010/09/propiedades-fisicas-y-quimicas-del.html