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Cos'è l'idrogeno: È il primo elemento chimico della tavola periodica, ha come simbolo H e come numero atomico 1. Allo stato elementare esiste sotto forma.

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1 Cos'è l'idrogeno: È il primo elemento chimico della tavola periodica, ha come simbolo H e come numero atomico 1. Allo stato elementare esiste sotto forma di molecola biatomica H 2 e rappresenta l'elemento più abbondante dell'universo. A pressione atmosferica e a temperatura ambiente è un gas incolore, inodore, altamente infiammabile. Dopo l'elio è il gas più difficile da liquefare: è necessario raggiungere la temperatura di -259,2°C.

2 Cos'è l'idrogeno: PROPRIETA' CHIMICHE PROPRIETA' VALORE Numero atomico 1 Massa atomica (g/mol) 1, Elettronegatività 2.1 Densità (g. cm -3 a 20°C) *10 -3 Punto di fusione (°C) Punto di ebollizione (°C) Raggio ionico (nm) Isotopi 3 Guscio elettronico 1s 1 Energia di prima ionizzazione (KJ/mol -1 ) 1311

3 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 REFORMING PRIM. REFORMING SEC. CONVERSIONE DEL CO IN CO 2 SEPARAZIONE CO 2 METANAZIONE CICLO DI SINTESI VAPORE ARIA VAPORE CO 2 NH 3

4 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.

5 Produzione dell'idrogeno 1. Desolforazione Se si tratta di composti solforati neutri, si ricorre allidrosolforazione su catalizzatori a base di ossidi di cobalto e molibdeno con trasformazione di tutti in H 2 S. Se H 2 S è presente in alte concentrazioni, viene separato per assorbimento con soluzioni alcaline. Per concentrazioni minori o per una ulteriore purificazione si usa ladsorbimento su carbone attivo o ossido di zinco. Se la depurazione con ZnO viene condotta a caldo si eliminano zolfo e i mercaptani.

6 Produzione dell'idrogeno 2. Reforming primario CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 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%.

7 Produzione dell'idrogeno 3. Reforming secondario CH 4 + ½O 2 CO + 2H 2 Si completa la conversione con laggiunta di aria. Si opera a 1000°C.

8 Produzione dell'idrogeno 4. Conversione del CO in CO 2 4. Conversione del CO in CO 2 CO + H 2 O H 2 + CO 2 Tutto il carbonio sarà presente come CO, veleno per i catalizzatori, che deve essere allontanato convertendolo a CO 2. Viene convertito a CO 2 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 Cr 2 O, ZnO e Al 2 O 3. Si aggiunge altro vapore in eccesso per portare a completezza la reazione.

9 Produzione dell'idrogeno 5. Separazione della CO 2 Avviene per assorbimento con soluzioni alcaline. 6. Metanazione CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O N 2 +H 2 + CH 4 puro di sintesi Serve per eliminare le impurezze costituite da CO e CO 2 residui e da gas inerti (Ar).

10 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.

11 Impieghi dell' idrogeno La sintesi dellammoniaca a partire dagli elementi (N 2 e H 2 ) è uno dei processi catalitici più importanti e più studiati. Lammoniaca 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 Produzione dell'ammoniaca 3H 2 + N 2 2NH 3

12 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 allaumentare 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.

13 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.

14 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 dazoto. Il catalizzatore deve essere in grado di adsorbire dissociativamente lazoto, ma ladsorbimento non deve essere eccessivamente forte da rendere non reattivo lazoto, in modo che lNH 3 si posso desorbire facilmente e lasciare liberi i centri attivi.

15 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

16 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 2H 2 + O 2 2H 2 O + Energia Il prodotto di reazione è teoricamente solo acqua pura: non cè produzione di gas serra.

17 Impieghi dell' idrogeno Lo strumento principale che condizionerà Pesantemente la sua reale affermazione come Vettore energetico pulito è la cella a combustibile.


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