Electròlisi de l’aigua. Experiment per a Espai Terra de TV3

Segons la següent reacció química té lloc l’electròlisi de l’aigua, és a dir el trencament de la molècula d’aigua mitjançant un corrent elèctric per donar hidrogen i oxigen.

electrolisi_aigua còpiaTal i com es mostra al següent vídeo, acabo de reproduir l’experiment que es va dur a terme per primera vegada el 1800, per William Nicholson i Anthony Carlisle, poc esprés que Volta inventés la primera pila. Mitjançant aquesta reacció d’electròlisi es demostra que l’aigua és un compost i no un element, tal i com defensaven els alquimistes. els personatges que comentem, el 1800, varen ser capaços de descomposar l’aigua  en hidrogen i oxigen, però no va ser fins el 1805 quan el químic francès Gay-Lussac va descobrir que l’aigua està formada per 2 parts d’hidrogen i 1 d’oxigen. És a dir, la molècula d’aigua és H2O.

2 H2O –> 2 H2 + O2

Aquest experiment el vam intentar dur a terme en directe a Espai Terra de TV3, abans d’ahir. I dic que ho vàrem intentar ja que se’ns va trencar un elèctrode i només vam aconseguir que la reacció es donés tímidament (pispant més temps de tele del que teníem 😉 ). Realment en Jordi i en Tomàs, com a bons científics, van ésser molt pacients!

Espaiterra_febrer2013

A l'esquerra, elèctrode trencat (abans del directe es va trencar la soldadura entre el fil de coure -interior del tub de vidre i que aquí veiem a fora- i el de platí que fa d'elèctrode en si, dins la dissolució). A la dreta, en Pep Duran soldant altre cop els dos filaments metàl·lics amb una mica d'estany fos.

A l’esquerra, elèctrode trencat (abans del directe es va trencar la soldadura entre el fil de coure -interior del tub de vidre i que aquí veiem a fora- i el de platí que fa d’elèctrode en si, dins la dissolució). A la dreta, en Pep Duran soldant altre cop els dos filaments metàl·lics amb una mica d’estany fos.

Mitjançant aquest experiment demostrem que la mescla d’hidrogen i oxigen és explosiva, davant d’una flama (recordem la imatge del zepelí Hindenburg en flames). És a dir, la recombinació d’hidrogen i oxigen molecular, per a donar aigua, és una reacció molt exotèrmica, que desprèn molta energia. Per tant, la reacció d’electròlisi inversa pot esdevenir clau per a la cerca de resposta al gran repte energètic que se’ns planteja i, en el camp de l’emmagatzematge d’hidrogen per a aquestes finalitats, desenvolupo la meva Tesi Doctoral a L’Institut de Química Computacional i Catàlisi de la Universitat de Girona. Precisament a Espai Terra vam mostrar el funcionament d’una pila de combustible amb el cas pràctic d’un cotxe que funciona amb motor elèctric que obté l’energia a partir de la reacció d’electròlisi inversa. Aquí el tenim:

L’hidrogen, per tant, pot arribar a esdevenir el combustible del futur?

Gràcies per la foto mentre fèiem el directe, Pau! :)

Gràcies per la foto mentre fèiem el directe, Pau! 🙂

Més info a https://pepquimic.wordpress.com/2011/01/26/electrolisi-i-el-cotxe-que-funciona-amb-aigua-al-1r-carnaval-de-la-quimica/

Anuncis

La reacció química que acabà amb l’apogeu del zepelí… mourà els automòbils del futur?

A principis d’aquest mes de maig vàrem recordar el terrible accident que va fer virar el rumb de la història de la navegació aèria.

Durant el primer terç del s.XX, els dirigibles rígids (dirigibles amb estructura rígida que sosté globus de gas no pressuritzat) varen ésser un mitjà de transport usat per al transport humà. La casa alemanya Luftschiffbau Zeppelin en va ésser la més famosa constructora, per aquest motiu també els coneixem amb el nom de zepelins. I, malauradament, el que ha passat a la història és el Hindenburg, un luxós i immens zepelí (245 m de llarg i 41 m de diàmetre) que, al cap d’un any d’haver nascut a la casa alemanya i després d’una seixantena de vols exitosos, va morir entre flames a Estats Units d’Amèrica.

El Hindenburg en flames a la Base Aeronaval de Lakehurst, Nova Jersey. Imatge, http://www.airships.net/hindenburg/disaster

Eren les 7 de la tarda del 6 de maig de 1937 (enguany commemorem els 75 anys del fet) quan, després d’un exitós i rècord vol transatlàntic, de Frànkfurt a Nova Jersey en només 2 dies (quan els millors vaixells de l’època ho feien en 5 dies), amb 97 persones a bord (36 passatgers i 61 de l’equip de tripulació), en plenes maniobres d’aterratge, el zepelí Hindenburg va patir un problema que seria irremeiable. Ja a la Base Aeronaval de Lakehurst, Nova Jersey, i a només 200 m d’alçada, es va produir un escapament d’hidrogen, d’una de les immenses 16 bosses que contenia l’aeronau per a la seva sustentació. Aquest fet era molt perillós, degut a l’alta inflamabitat de l’H2 i, sobretot per les descàrregues elèctriques que saltaven de la superfície de la nau carregada d’electricitat estàtica. El Hindenburg es va encendre i en menys d’1 minut va quedar absolutament destruït amb un tràgic balanç de 36 morts. Aquesta la gravació del terrible accident.

Des del punt de vista científic, fàcilment podem esbrinar la reacció química que tingué lloc a l’accident i és interessant d’estudi ja que podria ésser la resposta al gran repte energètic.

Tal com hem comentat, el Hindenburg, a l’interior d’una estructura rígida de duralumini, contenia 16 bosses plenes d’hidrogen (un total de 200000 m3 del gas no pressuritzat) per a la seva sustentació, aprofitant la menor densitat de l’H2 respecte l’aire. L’accident va tenir lloc degut a l’alta reactivitat de l’H2, gas inflamable. L’alternativa segura és l’ús de l’heli, un gas noble, inert, per tant no reactiu davant d’una flama (avui dia usat per fer levitar globus i fins i tot els zepelins moderns) i cal destacar que el Hindenburg havia estat projectat per a contenir He, però a l’època s’havia d’exportar d’EUA i els americans no van permetre aquesta exportació cap alemanya, de manera que els enginyers de la casa Zeppelin varen haver de substituir el gas noble pel, també menys dens que l’aire (i fins i tot menys dens que el mateix He), però potencialment perillós, hidrogen.

H2: 0.08988 g/L
He: 0.1786 g/L
Aire: 1.225 g/L

Però, quina és aquesta reacció química que es produí a l’accident del Hindenburg?

La fatídica guspira, va donar prou energia perquè s’encadenés una reacció química que allibera molta energia, una reacció exotèrmica. Es tracta de la reacció inversa a l’electròlisi. Però, per entendre-la bé, cal començar per repassar el procés electrolític.

Un prcés d’electròlisi, tal com ens indica l’etimologia de la paraula, és una reacció de trencament (lisi) per electricitat (electro). A l’electròlisi de l’aigua, té lloc el trencament de 2 molècules d’aigua per a donar-ne 2 d’H2 i 1 d’O2 (pel pas de corrent elèctric per una solució), segons la reacció:

Com hem comentat, aquesta reacció d’electròlisi requereix energia, no és tracta d’una reacció espontània. Hem d’introduir dos elèctrodes a la solució i connectar-los a una font de corrent segons l’esquema:

I el procés invers a l’esmentat, és a dir l’electròlisi inversa, té lloc per reacció entre l’hidrogen i l’oxigen, per donar aigua i energia. Aquest procés de formació d’aigua és molt exotèrmic. L’alliberament d’energia en la reacció es fa palès a les terribles imatges preses aquell 6 de maig de 1937.

Ara bé, aquesta energia acumulada en l’hidrogen (per això actualment parlem de les piles d’hidrogen) alliberada de forma descontrolada (llençada) en l’accident que hem comentat, així com en els experiments que faig servir per visualitzar aquests conceptes i el potencial de l’hidrogen -pel que fa al repte energètic- a estudiants de Secundària i Universitat (veure les gravacions que segueixen), pot ésser aprofitada.

L’energia acumulada en l’hidrogen pot ésser alliberada d’una forma raonable i utilitzada per a fer funcionar un motor elèctric gràcies a la reacció d’electròlisi inversa duta a terme a una cel·la electrolítica. Gràcies a aquest procés podem fer girar l’eix d’un motor elèctric, el qual fa girar l’eix entre dues rodes d’un cotxe, tal i com veiem a la següent gravació amb el petit prototip de cotxe elèctric amb cel·la electrolítica incorporada:

Però, a diferència de tenir ja la solució al gran repte energètic (res més lluny de la realitat), aquest pot ésser un primer pas per adonar-nos que les reaccions de combustió de combustibles fòssils poden ésser substituïdes com a procés d’obtenció d’energia.

Portar un dipòsit d’hidrogen al cotxe, per fer-lo reaccionar amb l’oxigen de l’atmosfera, és evidentment perillós (a diferència de la benzina, l’hidrogen no el podíem dur en fase líquida, sinó que l’hauríem de portar com a gas) i per aquest motiu molts investigadors estem fent recerca en maneres d’emmagatzemar hidrogen, per tal de portar-lo “amagat” amb la seva alta reactivitat “apagada” fins al moment d’encendre l’interruptor.

La mateixa reacció que va fer virar el rumb de la navegació aèria, podria ésser ara la clau per virar el de la navegació terrestre.

Potser d’aquí uns anys, quan a un garatge es combinin l’hidrogen i l’oxigen per generar energia i engegar el motor elèctric del cotxe, un avi explicarà al seu nét el terrible accident que va fer virar el rumb de la navegació aèria. Un terrible accident degut a una reacció química descontrolada, la mateixa reacció que ara alimenta el motor del seu propi vehicle.

Referències i més info:

Hidrogen extraterrestre i la bonica Nebulosa de l’Hèlix

El telescopi VISTA de l’ European Southern Observatory (ESO), situat a l’Observatori Paranal, a Xile, ens ofereix una nova, més nítida i espectacular imatge de la bonica Nebulosa de l’Hèlix (NGC 7293), que els aficionats a l’observació també coneixem com a Nebulosa de l’ull de gat.

Aquesta nova imatge, publicada ahir al web de l’ESO, ha estat presa en llum infraroja i revela uns filaments d’hidrogen molecular i un fons ric d’estrelles i galàxies, que no apreciàvem al visible.

A la següent figura es pot apreciar bé la diferència, entre com la vèiem fins ara (Vis; dreta) i com la veiem ara (IR, esquerra).

El tracta d’una nebulosa planetària que es troba a la Constel·lació d’Aquari, a uns 700 anys llum de la Terra. La seva formació parteix de la mort d’una estrella, la qual acabarà essent una nana blanca (la podem veure al centre de la nebulosa).

Els filaments d’hidrogen, coneguts com a nusos cometaris, que ara podem apreciar, són d’una mida semblant al nostre Sistema Solar. I, perquè ens adonem del tot de l’escala que estem parlant, l’anell principal de la nebulosa té un diàmetre d’uns 2 anys llum.

Nusos cometaris a la Nebulosa de l'Hèlix. APOD del 13 d'abril de 2008

Heus aquí una pinzellada de química extraterrestre, de la mà de l’astrofísica més avançada.

Referències:

Imatges: http://www.eso.org i http://apod.nasa.gov/

Més grafè per a l’emmagatzematge d’hidrogen. Ara, arrugat.

Precisament ahir en parlàvem, tal i com hem fet en moltes ocasions.
Des de que el passat 2010 el Premi Nobel de Física fos per Geim i Novoselov pels seus sobre el grafè, s’ha fet molta recerca i difusió al voltant d’aquest material bidimensional i ja en veiem algunes aplicacions a la vida quotidiana.

Ara llegeixo un article a la RSC que investigadors del NEST, National Enterprise for nanoScience and nanoTechnolog (Itàlia), amb els seus càlculs teòrics computacionals publiquen que làmines de grafè arrugades podrien ésser una bona base per a l’emmagatzematge d’hidrogen.

Now, Valentina Tozzini and Vittorio Pellegrini of NEST, have used density functional theory and molecular dynamics simulations to show that distorted sheets of graphene – single layers of carbon atoms in a honeycomb configuration – might provide another approach.

The team’s calculations suggest that if layers of graphene are compressed laterally to form corrugations, hydrogen would find it energetically favourable to chemically bind to the convex tops of the ridges. In flat sheets of graphene, carbon’s electronic orbitals are sp2 hybridised. If the sheet is buckled, the orbitals at the convex surfaces assume a geometry closer to sp3 hybridisation – which hydrogen finds attractive.

Computer simulations suggest that it would be energetically favourable for graphene to bind to the convex structures but not concave ones. © J. Phys. Chem. C

Més info:

http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2011/December/graphene-hydrogen-storage.asp

Article original:

V. Tozzini and V. Pellegrini, J. Phys. ChemC, 2011, DOI: 10.1021/jp208262

Un pas més cap a l’emmagatzematge d’hidrogen

Els que fem recerca en emmagatzematge d’hidrogen sabem que els hidrurs cristal·lins, d’elements lleugers com el B, són un bon recurs per a tal fita. Això sí, aquest hidrogen emmagatzemat no és fàcilment alliberable degut a la fortalesa dels enllaços.

Llegeixo al web de l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) que, per primera vegada, s’ha aconseguit cristal·litzar amb èxit un hidrur molt porós, el qual pot contenir molt més H2.

Les molècules d'H2 (esferes vermelles) emmagatzemades dins l'estructura cristal·lina de borhidrur de magnesi (Mg verd i BH4 blau). Imatge, ESRF.

Aquest descobriment, els resultats del qual s’han publicat a Angewandte Chemie, ha estat possible gràcies a la col·laboració entre diversos grups de recerca. Concretament, investigadors de les universitats de Louvain-la-Neuve (Bèlgica), Aarhus (Dinamarca) i Ginebra (Suïssa), així com del mateix ESRF.

Es tracta d’un pas més cap a la recerca d’una possible resposta a un dels grans reptes que té la química de cara al futur, el repte Energètic.

Més info a: http://www.esrf.eu/news/general/hydrogen-reservoir/

Sensor d’hidrogen avançat per al futur cotxe elèctric

Scientists at the National Microelectronic Centre, of the Spanish National Research Council (CSIC), have developed a low cost hydrogen sensor to be implemented in future electric cars. The sensor is more efficient than other similar sensors as works at room temperature and can detect hydrogen concentrations in air below 4%, which is the lower explosive limit. The development was achieved within the European project HySYS, aimed to obtain efficient and low cost components for hydrogen electric cars.

Llegeixo que investigadors del Centre Ancional de Microelectrònica del CSIC han desenvolupat un sensor d’hidrogen de baix cost i més segur que els actuals, on els resultats del projecte es van integrar en dos prototips de cotxe elèctric.

Amb aquest nou sensor, es pretén la cerca de solucions a diversos reptes, tal i com menciona l’article publicat pel CSIC:

… havia de ser un sensor que detectés concentracions d’hidrogen en aire inferiors al límit explosiu (4%); de baix cost i baix consum, i amb sortida digital en algun dels estàndards de comunicacions digitals. A més, el sensor havia de funcionar a temperatura ambient. I és que els actuals sensors d’hidrogen treballen a altes temperatures, fet que suposa un risc afegit si la concentració d’hidrogen augmenta.

Es tracta d’un sensor basat en Pd, metall que s’infla a l’entrar en contacte amb l’hidrogen. S’aprofita aquest canvi per tal de tancar un circuit, el pas del corrent pel qual genera un senyal que alerta de la presència d’hidrogen.

Més info a http://www.dicat.csic.es/rdcsic/rdfi30cat.htm

Musclos que utilitzen l’hidrogen com a font d’energia

Coneixem les interessants línies de recerca al voltant de molècules orgàniques contingudes en éssers que viuen en condicions extremes, a les profunditats oceàniques, com a potencials principis actius de fàrmacs. De la mateixa manera, sabem l’existència del mimetisme per part d’arquitectes i enginyers, per tal de desenvolupar i millorar estructures (com per exemple d’avions). I és que des de temps immemorials, la natura ha estat la font d’inspiració per a la ciència i la tècnica. El mateix Dalí es va basar en el que el rodejava per a dissenyar aquelles meravelloses estructures.

La revista Nature de fa dues setmanes (la de l’11 d’agost; número 7359) tenia en portada el dibuix d’uns musclos marins amb motiu d’un descobriment fet per l’Institut Max Planck de Microbiologia Marina de Bremen, el qual ha revelat que musclos que viuen a grans profunditats, prop de les fumaroles hidrotermals del fons oceànic (Article publicat a Nature: Hydrogen is an energy source for hydrothermal vent symbioses), són capaços de transformar l’hidrogen del medi en energia.

Prop de els fumaroles hidrotermals, a 3000 metres de profunditat, conviuen excepcionals comunitats simbiòtiques. © MARUM

S’ha descobert que aquests musclos, Bathymodiolus puteoserpentis, de les fumaroles hidrotermals de la dorsal mesoatlàntica, estan associats a uns simbions microbians que poden utilitzar l’hidrogen del medi com a important font d’energia.

Per tant, estem parlant d’uns éssers que han evolucionat per transformar eficientment l’hidrogen del medi en energia i (encara ho trobo més interessant) emmagatzemar l’energia generada a les seves pròpies “piles de combustible”. Segons els investigadors, aquest procés natural genera entre 7 i 18 vegades més energia que procesos sintètics avançats de l’actualitat.

Els llits de musclos a les fumaroles hidrotermals, formen extensions que contenen fins a mig milió d'individus. © MARUM

Aquest descobriment ens obre les portes  a una nova línia de recerca que podria produir unitats d’emmagatzematge i processament d’hidrogen de forma eficient i barata.

Mentrestant, el món sencer (recerca de la comunitat científica, tècnics, economistes,…) està barrinant la manera de substituir els combustibles fòssils. L’hidrogen és un dels candidats, però encara no sabem el com.

Cal ésser curiosos i observar el que ens envolta. Encara hem d’aprendre moltes coses de la natura.

Fonts d’informació: