Transcript Idogeno - Dipartimento di Chimica

Cos'è l'idrogeno:
È il primo elemento chimico della tavola periodica,
ha come simbolo H e come numero
atomico 1.
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Allo stato elementare esiste sotto forma di
molecola biatomica H2 e rappresenta l'elemento più
abbondante dell'universo.
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A pressione atmosferica e a temperatura ambiente
è un gas incolore, inodore, altamente infiammabile.
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Dopo l'elio è il gas più difficile da liquefare: è
necessario raggiungere la temperatura di -259,2°C.
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Cos'è l'idrogeno:
PROPRIETA' CHIMICHE
PROPRIETA'
Numero atomico
Massa atomica (g/mol)
Elettronegatività
Densità (g. cm-3 a 20°C)
Punto di fusione (°C)
Punto di ebollizione (°C)
Raggio ionico (nm)
Isotopi
Guscio elettronico
Energia di prima ionizzazione (KJ/mol-1)
VALORE
1
1,007825
2.1
0.0899*10-3
-259.2
-252.8
0.208
3
1s1
1311
Produzione dell'idrogeno
Lo steam
reforming di
gas naturale e
di idrocarburi
leggeri è il
processo più
diffuso per
produrre
idrogeno e gas
di sintesi.
Si articola in
diverse fasi:
GAS NATURALE
COMPRESSIONE
DESOLFORAZIONE
VAPORE
ARIA
VAPORE
REFORMING PRIM.
REFORMING SEC.
CONVERSIONE
DEL CO IN CO2
SEPARAZIONE CO2
CO2
METANAZIONE
CICLO DI SINTESI
NH3
Produzione dell'idrogeno
1. Desolforazione
Serve per eliminare i composti solforati dal gas
naturale, in quanto essi costituiscono un veleno
per i catalizzatori.
La depurazione pùò essere condotta in vari
modi in relazione al tipo e alla concentrazione
dei composti solforati presenti.
Produzione dell'idrogeno
1. Desolforazione
Se si tratta di composti solforati neutri, si ricorre
all’idrosolforazione su catalizzatori a base di ossidi
di cobalto e molibdeno con trasformazione di tutti in
H2S.
Se H2S è presente in alte concentrazioni, viene
separato per assorbimento con soluzioni alcaline.
Per concentrazioni minori o per una ulteriore
purificazione si usa l’adsorbimento su carbone
attivo o ossido di zinco. Se la depurazione con ZnO
viene condotta a caldo si eliminano zolfo e i
mercaptani.
Produzione dell'idrogeno
2. Reforming primario
CH4 + H2O → CO + 3H2
La carica desolforata viene addizionata di vapore, e
la reazione avviene su catalizzatori a base di nichel
(supportato su allumina).
Si opera a 700°C-900°C e sotto moderata pressione.
Il vapore ha anche la funzione di inibire la
formazione di depositi carboniosi.
La conversione è limitata al 70%.
Produzione dell'idrogeno
3. Reforming secondario
CH4 + ½O2 →CO + 2H2
Si completa la conversione con l’aggiunta di aria.
Si opera a 1000°C.
Produzione dell'idrogeno
4. Conversione del CO in CO2 CO + H2O→ H2 + CO2
Tutto il carbonio sarà presente come CO, veleno
per i catalizzatori, che deve essere allontanato
convertendolo a CO2.
Viene convertito a CO2 facendo reagire il CO con
vapore ancora presente.
Si opera inizialmente su catalizzatori a base di
ossidi di ferro e cromo, poi in un secondo stadio, a
su catalizzatori a base di Cr2O, ZnO e Al2O3.
Si aggiunge altro vapore in eccesso per portare a
completezza la reazione.
Produzione dell'idrogeno
5. Separazione della CO2
Avviene per assorbimento con soluzioni alcaline.
6. Metanazione
CO + 3H2 → CH4 + H2O
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
N2 +H2 + CH4→ puro di sintesi
Serve per eliminare le impurezze costituite da CO
e CO2 residui e da gas inerti (Ar).
Impieghi dell' idrogeno
L'idrogeno viene impiegato come materia prima in un
gran numero di operazioni chimiche, la più
importante è la Produzione dell' ammoniaca.
Impieghi dell' idrogeno
Produzione dell'ammoniaca
3H2 + N2 → 2NH3
La sintesi dell’ammoniaca a partire dagli elementi
(N2e H2) è uno dei processi catalitici più importanti e
più studiati.
L’ammoniaca è la materia prima di base per la
preparazione della quasi totalità dei
fertilizzanti azotati sintetici e quindi la sua
produzione è collegata
alla produzione agricola mondiale
Impieghi dell' idrogeno
Produzione dell'ammoniaca
Aspetti termodinamici:
La reazione è esotermica e decorre con
diminuzione del numero di moli (ΔS < 0). Il ΔG
cresce all’aumentare della temperatura, e diventa
positivo per valori al di sopra di 455 K. Quindi è
sfavorita termodinamicamente al di sopra di questa
temperatura, ma poiché decorre con diminuzione
del numero di moli, è possibile operare sotto
pressione per renderla spontanea anche a
temperature più elevate.
Impieghi dell' idrogeno
Produzione dell'ammoniaca
Aspetti cinetici:
L'inerzia chimica della molecola dell'azoto è un
fattore determinante sul meccanismo della catalisi
in quanto per rompere il legame
occorre un' energia maggiore a quella richiesta per
rompere il legame H-H.
Inoltre la stechiometria della reazione è tale da
richiedere un urto quadrimolecolare tra i reagenti,
urto questo molto poco probabile.
Impieghi dell' idrogeno
Produzione dell'ammoniaca
Aspetti cinetici:
Quindi per far avvenire la reazione avremo
bisogno di un catalizzatore che sia in grado di
rompere il triplo legame della molecola d’azoto.
Il catalizzatore deve essere in grado di adsorbire
dissociativamente l’azoto, ma l’adsorbimento non
deve essere eccessivamente forte da rendere non
reattivo l’azoto, in modo che l’NH3 si posso
desorbire facilmente e lasciare liberi i centri attivi.
Impieghi dell' idrogeno
Produzione dell'ammoniaca
Aspetti cinetici:
I catalizzatori a base di ferro accelerano la
reazione abbassando drasticamente l'energia
di attivazione dei reagenti.
Ciò è possibile grazie alla formazione di un
complesso attivato intermedio per cui la
reazione tra azoto e idrogeno attivati avviene
attraverso una serie di reazioni cineticamente
semplici e veloci
Impieghi dell' idrogeno
C'è però da considerare anche il ruolo che esso può
giocare in campo energetico.
È ormai considerato il combustibile del futuro, dati i
vantaggi che potrebbe offrire sia dal punto di vista
dell'efficienza energetica sia dal punto di vista
ambientale.
La sua reazione di combustione è
2H2 + O2 → 2H2O + Energia
Il prodotto di reazione è teoricamente solo acqua
pura: non cè produzione di gas serra.
Impieghi dell' idrogeno
Lo strumento principale che condizionerà
Pesantemente la sua reale affermazione come
Vettore energetico pulito è la cella a combustibile.