Hidrógeno líquido

Hidrógeno líquido (H_2(l)) es el estado líquido del elemento hidrógeno. El hidrógeno se encuentra naturalmente en la forma molecular H₂.

Para existir como líquido, el H₂ debe enfriarse por debajo de su punto crítico de 33 K. Sin embargo, para que esté en estado completamente líquido a presión atmosférica, el H₂ debe enfriarse a 20,28 K (−252,87 °C; −423,17 °F). Un método común para obtener hidrógeno líquido implica un compresor que se asemeja a un motor a reacción tanto en apariencia como en principio. El hidrógeno líquido se usa típicamente como una forma concentrada de almacenamiento de hidrógeno. Almacenarlo como líquido ocupa menos espacio que almacenarlo como gas a temperatura y presión normales. Sin embargo, la densidad del líquido es muy baja en comparación con otros combustibles comunes. Una vez licuado, se puede mantener como líquido en recipientes presurizados y con aislamiento térmico.

Hay dos isómeros de espín de hidrógeno; el hidrógeno líquido consiste en 99,79% de parahidrógeno y 0,21% de ortohidrógeno.

Historia

En 1885, Zygmunt Florenty Wróblewski publicó que la temperatura crítica del hidrógeno era de 33 K; presión crítica, 13,3 atmósferas; y punto de ebullición, 23 K.

James Dewar licuó el hidrógeno en 1898 mediante el uso de refrigeración regenerativa y su invento, el matraz de vacío. La primera síntesis de la forma de isómero estable de hidrógeno líquido, parahidrógeno, fue realizada por Paul Harteck y Karl Friedrich Bonhoeffer en 1929.

Isómeros de espín de hidrógeno

Los dos núcleos de una molécula de dihidrógeno pueden tener dos estados de espín diferentes. El parahidrógeno, en el que los dos espines nucleares son antiparalelos, es más estable que el ortohidrógeno, en el que los dos son paralelos. A temperatura ambiente, el hidrógeno gaseoso se encuentra principalmente en forma ortoisomérica debido a la energía térmica, pero una mezcla ortoenriquecida solo es metaestable cuando se licua a baja temperatura. Lentamente sufre una reacción exotérmica para convertirse en el isómero para, con suficiente energía liberada en forma de calor para hacer que parte del líquido hierva. Para evitar la pérdida del líquido durante el almacenamiento a largo plazo, se convierte intencionalmente en el isómero para como parte del proceso de producción, generalmente utilizando un catalizador como el óxido de hierro (III), carbón activado, asbesto platinizado, metales de tierras raras, compuestos de uranio, óxido de cromo (III) o algunos compuestos de níquel.

Usos

El hidrógeno líquido es un combustible líquido común para cohetes para aplicaciones de cohetes: tanto la NASA como la Fuerza Aérea de los Estados Unidos operan una gran cantidad de tanques de hidrógeno líquido con una capacidad individual de hasta 3,8 millones de litros (1 millón de galones estadounidenses). En la mayoría de los motores de cohetes alimentados con hidrógeno líquido, primero enfría la boquilla y otras partes antes de mezclarse con el oxidante, generalmente oxígeno líquido (LOX), y quemarse para producir agua con trazas de ozono y peróxido de hidrógeno. Los prácticos motores de cohetes H₂–O₂ funcionan con mucho combustible, de modo que el escape contiene algo de hidrógeno sin quemar. Esto reduce la erosión de la cámara de combustión y la boquilla. También reduce el peso molecular de los gases de escape, lo que en realidad puede aumentar el impulso específico, a pesar de la combustión incompleta.

El hidrógeno líquido se puede utilizar como combustible para un motor de combustión interna o una pila de combustible. Se han construido varios submarinos (submarino Tipo 212, submarino Tipo 214) y vehículos conceptuales de hidrógeno utilizando esta forma de hidrógeno (ver DeepC, BMW H2R). Debido a su similitud, en ocasiones los constructores pueden modificar y compartir equipos con sistemas diseñados para gas natural licuado (GNL). El hidrógeno líquido se está investigando como combustible sin carbono para aeronaves. Sin embargo, debido a la menor energía volumétrica, los volúmenes de hidrógeno necesarios para la combustión son grandes. A menos que se utilice inyección directa, un efecto severo de desplazamiento de gas también dificulta la respiración máxima y aumenta las pérdidas por bombeo.

El hidrógeno líquido también se usa para enfriar los neutrones que se utilizarán en la dispersión de neutrones. Dado que los núcleos de neutrones e hidrógeno tienen masas similares, el intercambio de energía cinética por interacción es máximo (colisión elástica). Finalmente, se utilizó hidrógeno líquido sobrecalentado en muchos experimentos de cámara de burbujas.

La primera bomba termonuclear, Ivy Mike, utilizó deuterio líquido (hidrógeno-2) para la fusión nuclear.

Propiedades

El producto de la combustión del hidrógeno en un entorno de oxígeno puro es únicamente vapor de agua. Sin embargo, las altas temperaturas de combustión y el nitrógeno atmosférico presente pueden provocar la ruptura de los enlaces N≡N, formando NOx tóxicos si no se realiza una depuración de los gases de escape. Dado que el agua a menudo se considera inofensiva para el medio ambiente, un motor que la quema puede considerarse "cero emisiones". En aviación, sin embargo, el vapor de agua emitido en la atmósfera contribuye al calentamiento global (en menor medida que el CO₂). El hidrógeno líquido también tiene una energía específica mucho más alta que la gasolina, el gas natural o el diesel.

La densidad del hidrógeno líquido es de solo 70,85 g/L (a 20 K), una densidad relativa de solo 0,07. Aunque la energía específica es más del doble que la de otros combustibles, esto le da una densidad de energía volumétrica notablemente baja, muchas veces menor.

El hidrógeno líquido requiere tecnología de almacenamiento criogénico, como contenedores especiales con aislamiento térmico, y requiere un manejo especial común a todos los combustibles criogénicos. Esto es similar, pero más severo que el oxígeno líquido. Incluso con contenedores con aislamiento térmico, es difícil mantener una temperatura tan baja y el hidrógeno se escapará gradualmente (normalmente a una tasa del 1 % por día). También comparte muchos de los mismos problemas de seguridad que otras formas de hidrógeno, además de ser lo suficientemente frío como para licuar o incluso solidificar el oxígeno atmosférico, lo que puede ser un peligro de explosión.

El punto triple del hidrógeno está en 13,81 K 7,042 kPa.

• 

  burbujas de hidrógeno líquido formando en dos frascos de vidrio en el laboratorio de Bevatron, c. 1950s

• 

  Un gran tanque de hidrógeno en una cámara de vacío en Lewis Research Center en 1967

• 

  Tanque para hidrógeno líquido de Linde, Museum Autovision, Altlußheim, Alemania

Seguridad

Debido a sus bajas temperaturas, el hidrógeno líquido es un peligro de quemaduras por frío. El hidrógeno elemental como líquido es biológicamente inerte y su único peligro para la salud humana como vapor es el desplazamiento del oxígeno, lo que resulta en asfixia. Debido a su inflamabilidad, el hidrógeno líquido debe mantenerse alejado del calor o las llamas, a menos que se pretenda la ignición.