A escala laboratorio, el hidrógeno se puede preparar mediante la reacción de ácidos diluidos o agua con metales alcalinos, alcalinotérreos o metales de los grupos 3 (Sc) y 4 (Ti). La reacción puede ser muy explosiva y violenta:
M + H2O → M(OH) + 1/2 H2
Los métodos de síntesis más convenientes a pequeña escala consisten en la reacción de amalgama de sodio, o calcio, con agua, o en la reacción del Zn con ácido clorhídrico:
Na(Hg) + H2O → Na+ (ac) + OH¯ (ac) + 1/2 H2 (g)
Ca (s) + 2 H2O → Ca2+ (ac) + 2OH¯ (ac) + H2 (g)
Zn (s) + 2HCl (ac) → Zn2+ (ac) + 2Cl¯(ac) + H2 (g)
Otro método utilizado para la obtención de H2 a pequeña escala es la hidrólisis de hidruros metálicos:
CaH2 (s) + 2 H2O → Ca2+ (ac) + 2OH¯ (ac) + 2H2 (g)
La preparación de H2 a escala industrial se lleva a cabo mediante los siguientes procesos:
- Procesos de reformado del vapor de agua con el gas natural.
- Electrolisis del agua.
- Como subproducto de las industrias del cloro-alcali, de las refinerías, de las plantas petroquímicas, de las plantas de carbón y de otras industrias químicas.
Producción de H2 en Procesos Petroquímicos
El 77% del H2 se produce a partir de los procesos petroquímicos. Ésta es la manera más barata y más importante de producir hidrógeno. Se obtiene mediante la reacción catalítica del vapor de agua con el gas natural (metano) o de otros hidrocarburos ligeros (propano, butano, nafta con punto de ebullición por debajo de los 200 ˚C):
CH4 + H2O → 3 H2 + CO...........ΔH = 205 kJ/mol
[cat], 1100 ºC
Además de este proceso, el hidrógeno también se puede producir mediante la oxidación parcial de hidrocarburos pesados a altas temperaturas:
2 CnH2n+2 + nO2 → 2(n+1)H2 + 2nCO
Estas reacciones vienen seguidas de una reacción térmica no catalítica que consiste en la conversión del monóxido de carbono en dióxido de carbono e hidrógeno:
CO (g) + H2O (g) → CO2(g) + H2 (g)
Este equilibrio se denomina reacción de desplazamiento del gas de agua. Se puede desplazar a la derecha a bajas temperaturas y hacia la izquierda a altas. Para evitar que vaya hacia la izquierda, la mezcla se enfría alrededor de los 400 ºC con vapor de agua, y se hace pasar a través de un reactor de desplazamiento que opera a 400 ºC y en presencia de un catalizador de hierro-cobre, se convierte la mezcla de CO y agua en CO2 e H2. En países donde el carbón es barato (como Sudáfrica), el H2 se prepara directamente mediante la siguiente reacción:
3C + O2 + H2O → H2 + 3CO...........ΔH = -286 kJ/mol
Electrolisis del Agua
La producción de H2 mediante la electrolisis del agua ha caído en importancia debido a la baja eficiencia del proceso electrolítico y a los altos costes de la electricidad. Este proceso constituye sólo un 4% de la producción de hidrógeno, aunque la pureza es mayor del 99%.
La celda electrolítica consiste básicamente en dos electrodos separados mediante un diafragma de asbestos impermeable a los gases. Para aumentar la conductividad del electrolito se disuelve en el mismo hidróxido sódico del 20-30%. La electrolisis se lleva a cabo a temperaturas entre 80-85 ºC.
El oxígeno se produce en el ánodo y hidrógeno en el cátodo:
2 OH- → H2O + 1/2 O2 + 2e ÁNODO
2H2O + 2e → H2 + 2 OH- CÁTODO
H2O → H + 1/2O2 REACCIÓN GLOBAL
El agua pesada, D2O, se produce como subproducto durante la electrolisis.
Otros Procesos de Producción del Hidrógeno
El hidrógeno se forma como subproducto, a gran escala, en un número importante de procesos industriales:
- en el craqueo y reformado del petróleo.
- en procesos de producción de alquenos, acetileno y estireno.
- en el proceso Fischer-Tropsch (síntesis de metanol).
- en la síntesis de amoniaco.
- en la industria cloro-alcali