Dihidróxenu
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El dihidróxenu[1] (d'antiguo llamáu hidróxenu o hidróxenu gaseosu) ye una molécula diatómica compuesta por dos átomos d'hidróxenu; a temperatura ambiente ye un gas inflamable, incoloru y nun tien golor.
Nel llaboratoriu llograr por aciu la reaición d'ácidos con metales como'l cinc y industrialmente por aciu la electrólisis de l'agua. El dihidrógeno emplegar na producción d'amoniacu, como combustible alternativu y apocayá pal suministru d'enerxía nes piles de combustible.
Tien un puntu de ebullición de tan solo 20,27 K (−252,88 °C) y un puntu de fusión de 14,02 K (−259,13 °C). A bien alta presión, tal como la que se produz nel nucleu de les estrelles xigantes de gas, les molécules camuden la so naturaleza y el dihidrógeno convertir nun líquidu metálicu (ver hidróxenu metálicu). A bien baxa presión, como la del espaciu, l'elementu hidróxenu tiende a esistir como átomos individuales, a cencielles porque ye bien baxa la probabilidá de que se combinen. Sicasí, cuando esto asocede pueden llegar a formase nubes de H2 que s'acomuñar a la xénesis de les estrelles.
Aplicaciones editar
Na industria químico y petroquímica ríquense grandes cantidaes de H2. L'aplicación principal del H2 ye pal procesamientu (refinamientu) de combustibles fósiles y pa la síntesis del amoniacu (procesu d'Haber). Los procesos fundamentales que peracaben H2 nuna planta petroquímica son la hidrodesalquilación, la hidrodesulfurización y el hidrocraking.[2] El H2 tien otros munchos usos como axente hidrogenante, particularmente na medría de la saturación de les grases y los aceites insaturados (que s'atopen en productos como la margarina), y na producción de metanol. Emplégase tamién na fabricación del ácidu clorhídrico y como axente reductor pa minerales metálicos.
- Producción d'ácidu clorhídrico, combustible para cohetes, y amenorgamientu de minerales metálicos.
- El dihidrógeno líquidu emplegar n'aplicaciones criogénicas, incluyendo la investigación de la superconductividá.
- Emplegáu antaño pola so llixereza como gas de rellenu en globos y zepelinos, tres el desastre del Hindenburg abandonóse'l so usu pol so gran inflamabilidad.
Amás de los sos usos como reactivu, el H2 tien munches aplicaciones en Física y Inxeniería. Usar pal escudu de gas en métodos de soldadura, tales como la soldadura d'hidróxenu atómicu. El H2 emplégase como refrigerante en xeneradores llétricos nes estaciones llétriques, yá que ye'l gas con mayor conductividá térmica. El H2 líquidu usar na investigación criogénica, incluyendo l'estudiu de la superconductividá. Puesto que el H2 ye más llixeru que l'aire (tien una densidá pocu mayor que la quinceava parte de la del aire) foi usáu como gas de rellenu pa globos aerostáticos y aeronaves. Sicasí, esti usu foi abandonáu tres el desastre del Hindenburg que evidenció la peligrosidá del hidróxenu cuando ye usáu pa estos fines. Sicasí, entá se sigue usando pa encher globo sonda meteorolóxicos.
Los isótopos del hidróxenu tamién tienen les sos aplicaciones particulares. El deuteriu (²H) tien aplicaciones nel campu de la fisión nuclear, como moderador pa frenar neutrones, y tamién tien aplicaciones en reaiciones de fusión nuclear. Los compuestos de deuteriu tienen usos en Química y Bioloxía, sobremanera nos estudios de los efeutos isotópicos. El tritiu (³H), xeneráu nos reactores nucleares, usar na producción de bombes d'hidróxenu, como radiomarcador en Ciencies Biolóxiques, y como fonte de radiación en pintures luminiscentes.
La temperatura d'equilibriu del puntu triple del dihidrógeno ye un puntu fixu definíu na escala de temperatures ITS-90.
El spin o xiru de la molécula de dihidrógeno puede ser alliniáu homogéneamente por aciu ondes de radiofrecuencia. Esta propiedá ye'l fundamentu de la resonancia magnética nuclear, dispositivu de llogru d'imáxenes que ye capaz de recoyer información en función de la distinta velocidá de recuperación del spin orixinal de les molécules d'hidróxenu (presentes na agua) de los distintos texíos d'un ser vivu.
El dihidrógeno como portador d'enerxía editar
El dihidrógeno nun ye una fonte d'enerxía, sacante nel hipotéticu contestu de les plantes comerciales de fusión nuclear alimentaes por deuteriu o tritiu, una teunoloxía qu'anguaño s'atopa en desenvolvimientu nel reactor esperimental ITER. La enerxía del Sol provién de la fusión nuclear del hidróxenu, sicasí, ye un procesu complicáu de consiguir na Tierra. El dihidrógeno elemental llográu de fontes solares, biolóxiques o llétriques cuesta muncha más enerxía pa producilo de la que se llogra de la so combustión. El dihidrógeno puede xenerase a partir de fontes fósiles (como'l metanu) gastando menos enerxía de la que se llogra, pero tratar de fontes non anovables que, amás son fontes enerxétiques por sigo mesmes.
Dihidrógeno como combustible editar
Falóse enforma del dihidrógeno molecular como posible portador d'enerxía. L'usu del H2 tendría la ventaya de que les fontes fósiles podríen usase direutamente pal llogru del gas (a partir de metanu, por casu). El H2 usáu nos medios de tresporte produciría una combustión llimpia na que l'únicu productu sería l'agua, esaniciando por completu les emisiones de CO2.
Sicasí, los costos pa la infraestructura necesaria pa llevar a cabu una conversión completa a una economía del dihidrógeno seríen sustanciales.[3] Amás, la densidá enerxética del dihidrógeno líquidu o gaseosu (dientro d'unes presiones práutiques) ye significativamente menor que los combustibles tradicionales.
Por casu, puede emplegase en motores de combustión interna. Una flota d'automóviles con motores d'esti tipu ye caltenida na actualidá por Chrysler-BMW. Amás, les piles de combustible en desenvolvimientu paez que van ser capaces d'ufiertar una alternativa llimpio y económico a los motores de combustión interna.
Por cuenta de que l'hidróxenu ye escasu en forma llibre y la mayor parte d'él atópase combináu con otros elementos, nun ye una fonte d'enerxía primaria, como sí lo son el gas natural, el petroleu y el carbón. En realidá, el dihidrógeno ye un vector enerxéticu, ye dicir un portador d'enerxía que se debe producir a partir de fontes primaries. Aun así, el dihidrógeno como combustible presenta diverses ventayes. El dihidrógeno quemar nel aire llibre cuando hai concentraciones ente'l 4 y el 75 % del so volume. Sicasí, el gas natural failo ente'l 5,4 y el 15 %. La temperatura por combustión bonal ye de 585 °C, ente que pal gas natural ye de 540 °C. El gas natural esplota en concentraciones del 6,3 al 14 %, ente que'l dihidrógeno rique concentraciones ente'l 13 y el 64 %, polo que'l gas natural ye más esplosivu que'l dihidrógeno.
Na actualidá esisten cuatro formes d'utilizar l'hidróxenu pa producir enerxía:
- Xuniendo los sos nucleos dientro d'un reactor denomináu Tokamak, mientres el procesu conocíu como fusión nuclear.
- Combinándolo electroquímicamente col dioxígeno ensin xenerar llapada pa producir direutamente lletricidá dientro d'un reactor conocíu como pila de combustible.
- Combinándolo químicamente col dioxígeno del aire al traviés de quemadores convencionales y al traviés de procesos catalíticos, métodu que cunta con una amplia aplicación doméstica.
- Combinándolo químicamente col osíxenu en mediu aguacientu dientro d'una caldera non convencional pa producir vapor motriz, nel ciclu conocíu como Chan K'iin [1].
Unu de los principales problemes que se tienen col dihidrógeno ye'l so almacenamientu y tresporte. Si se confina en forma gaseosa, el contenedor tendría que soportar presiones d'hasta 200 atmósferes. Si deseyar almacenar en forma líquida, tiense qu'esfrecer a -253 °C y darréu guardase nun depósitu perfectamente aislláu. Otra forma d'almacenamientu puede llevase a cabu por aciu una reaición química reversible con diverses sustancies pa formar hidruros metálicos.
Propiedaes físiques y químiques editar
Les carauterístiques de solubilidá y d'adsorción del dihidrógeno con dellos metales son bien importantes na metalurxa (dellos metales pueden sufrir debilitamientu per hidróxenu) y nel desenvolvimientu de formes segures d'almacenamientu pal so usu como combustible. El dihidrógeno ye bien soluble en munchos compuestos formaos por metales de les tierres rares y metales de transición,[4] y puede eslleise tantu en metales cristalinos como en metales amorfos.[5] La solubilidá del dihidrógeno nos metales ta influyida por aburuyar locales y les impureces de la rede cristalina del metal.[6]
Combustión editar
El dihidrógeno gaseosu ye bien inflamable y ambura en concentraciones bien baxes n'aire (4 % de H2). La entalpía de combustión del dihidrógeno ye −286 kJ/mol, y la reaición de combustión ye la siguiente:
- 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ/mol
Cuando s'entemez con dioxígeno nun ampliu rangu de proporciones el dihidrógeno esplota. Nel aire, el dihidrógeno ambura violentamente. Les llapaes de dioxígeno y dihidrógeno puru son cuasi invisibles al güeyu humanu, como se constata al ver lo tenues que son les llapaes de los motores principales de les danzaderes espaciales (en contraposición a lo fácilmente visibles que son les llapaes de los cohetes impulsores de les danzaderes). Por esti motivu, ye difícil detectar visualmente si un escape de dihidrógeno ta amburando. Les llapaes que s'aprecien nes semeyes del dirixible Hindenburg son llapaes de dihidrógeno coloriaes pol material de la cubierta de l'aeronave, que contenía carbonu y polvu d'aluminiu pirofórico, según otros materiales combustibles.[7] (Independientemente de la causa d'esta quema, ye claro que se produció la ignición del dihidrógeno, yá que n'ausencia d'esti gas la cubierta del dirixible tardaría hores en quemar).[8] Otra carauterística de los fueos alimentaos por dihidrógeno ye que les llapaes tienden a xubir rápido col gas al traviés del aire (daqué que tamién se puede apreciar nes fotografíes del accidente del Hindenburg), causando menos daños que los fueos alimentaos por hidrocarburos. Por casu, dos tercios de los pasaxeros del dirixible sobrevivieron a la quema, y munches de les muertes que se producieron fueron por cayíes al vaciu y pola combustión de gasolina.[9]
El H2 reacciona direutamente con otros elementos oxidantes. Puede producise una reaición bonal y violento a temperatura ambiente en presencia de dicloro o diflúor, cola formación de los correspondientes halogenuros d'hidróxenu: cloruru d'hidróxenu y fluoruro d'hidróxenu.
Historia editar
Descubrimientu del H2 editar
L'hidróxenu diatómico gaseosu, H2, foi formalmente descritu per primer vegada por T. Von Hohenheim (más conocíu como Paracelso, 1493 - 1541) que lo llogró artificialmente entemeciendo metales con ácidos fuertes. Paracelso nun yera consciente de que'l gas inflamable xeneráu nestes reaiciones químiques taba formáu por un nuevu elementu químicu. En 1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reaición que se producía ente limaduras de fierro y ácidos esleíos, y que xeneraba dihidrógeno gaseosu.[10]
En 1766, Henry Cavendish foi'l primeru en reconocer el dihidrógeno gaseosu como una sustancia discreto, identificando'l gas producíu na reaición un metal y un ácidu como "aire inflamable" y afayando que la combustión del gas xeneraba agua. Cavendish zarapicó col dihidrógeno cuando esperimentaba con ácidos y mercuriu. Anque asumió equivocadamente que'l dihidrógeno yera un componente lliberáu pol mercuriu y non pol ácidu, foi capaz de describir con precisión delles propiedaes fundamentales del dihidrógeno. Tradicionalmente, considerar a Cavendish el descubridor d'esti elementu.
En 1783, Antoine Lavoisier dio al elementu'l nome d'hidróxenu (en francés Hydrogène, del griegu ὕδωρ, ὕδᾰτος, "agua" y γένος-ου, "xenerador") cuando comprobó (xunto a Laplace) el descubrimientu de Cavendish de que la combustión del gas xeneraba agua.
Primeros usos editar
Unu de los primeros usos que se dio al dihidrógeno gaseosu foi como gas de rellenu pa globo aerostáticos y, más tarde, otres aeronaves. El dihidrógeno gaseosu llograr por reaición ente l'ácidu sulfúrico y el fierro metálicu. L'alta y rápida inflamabilidad del dihidrógeno gaseosu dexóse patente na traxedia del dirixible Hindenburg en 1937, que s'amburó cuando aterrizaba provocando la muerte de 35 persones. Por cuenta de esta peligrosidá que presentaba'l dihidrógeno gaseosu, foi reemplazáu darréu en globos y aeronaves pol heliu gaseosu, un gas inerte.
Llogru y producción editar
El H2 llograr en llaboratorios de Química y de Bioloxía, de cutiu como subproductu d'otres reaiciones; na industria llograr pa la hidrogenación de sustratos insaturados; y na naturaleza como mediu pa expeler equivalentes reductores nes reaiciones bioquímiques.
Síntesis en llaboratoriu editar
Nel llaboratoriu, el H2 suel llograse pola reaición d'ácidos con metales, tales como'l cinc.
- Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2
Nel casu del aluminiu, non solo xenérase H2 cuando ye tratáu con un ácidu, sinón que tamién lo fai cuando se-y trata con una base:
- 2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2
La electrolisis de l'agua ye un métodu simple de producir dihidrógeno, anque'l gas resultante tien necesariamente menos enerxía de la riquida pa producilo. Una corriente de baxu voltaxe traviesa l'agua, formándose dioxígeno gaseosu nel ánodu y dihidrógeno gaseosu nel cátodu. Xeneralmente, cuando se produz dihidrógeno que va ser almacenáu emplégase un cátodu de platín o de dalgún otru metal inerte. Otra manera, si'l dihidrógeno va ser consumíu in situ, ye necesaria la presencia de dioxígeno por que se produza la combustión y procúrase que dambos electrodos (tanto ánodu como cátodu) sían de metal inerte (si emplegara un metal non inerte, por casu el fierro, ésti s'aferruñaría y menguaría la cantidá de dioxígeno que s'esprende). La máxima eficiencia teórica (lletricidá emplegada frente al valor enerxéticu del dihidrógeno xeneráu) ye d'ente un 80 % y un 94 %.[11]
- 2H2O(aq) → 2H2(g) + O2(g)
Nel añu 2007 afayóse qu'una aleación d'aluminiu y galio en forma de pastilla añadida a l'agua puede emplegase pa llograr dihidrógeno.[12] El procesu tamién produz óxido d'aluminiu, pero'l galio (que tien un eleváu preciu), que previén la formación d'una capa d'óxidu na superficie de la pastilla, puede reutilizase. Esti descubrimientu tien importantes implicaciones na economía del dihidrógeno, una y bones ésti puede sintetizase in situ fácilmente y nun precisa ser tresportáu.
Síntesis industrial editar
El dihidrógeno puede llograse de distintes maneres, pero les más económiques impliquen la so estraición a partir d'hidrocarburos. El dihidrógeno comercial produzse xeneralmente por aciu el reformáu con vapor del gas natural.[13] Esti procesu consiste na reaición d'una corriente de vapor d'agua con metanu p'aniciar monóxidu de carbonu y dihidrógeno, a una temperatura d'ente 700 °C y 1100 °C.
- CH4 + H2O → CO + 3 H2
Esta reaición ta favorecida a baxes presiones, sicasí, llevar a cabu a altes presiones (20 atm) una y bones el H2 d'alta presión ye'l productu más comercializable. L'amiestu producíu conozse como "gas de síntesis" porque de cutiu úsase direutamente pa la producción de metanol y otros compuestos rellacionaos. A parte del metanu, pueden usase otros hidrocarburos pa xenerar el gas de síntesis con distintes proporciones de los componentes productos. Una de los entueyos que se presenta nesta teunoloxía altamente optimizada ye la formación de coque o carbón:
- CH4 → C + 2 H2
Pa evitalo, el reformáu con vapor suel emplegar un escesu de H2O.
Puede recuperase dihidrógeno adicional nesti procesu a partir del monóxidu de carbonu, por aciu una reaición de desplazamientu de l'agua gaseoso, especialmente con un catalizador d'óxidu de fierro. Esta reaición tamién s'emplega industrialmente como fonte de dióxidu de carbonu:[13]
- CO + H2O → CO2 + H2
Otros métodos importantes pa la producción de H2 inclúin la oxidación parcial d'hidrocarburos:
- CH4 + 0.5 O2 → CO + 2 H2
y la reaición del carbón, que puede sirvir como preludiu a la reaición de desplazamientu mentada enantes:[13]
- C + H2O → CO + H2
Munches vegaes el dihidrógeno ye producíu y consumíu nel mesmu procesu industrial, ensin necesidá de ser separáu. Nel procesu Haber - Bosch pa la síntesis d'amoniacu (el quintu compuestu más producíu industrialmente nel mundu), el dihidrógeno llograr a partir del gas natural.
El dihidrógeno tamién se produz en cantidaes significatives como un subproductu na mayoría de los procesos petroquímicos de cracking con vapor y reformáu. La electrólisis de la salmoria pa llograr dicloro tamién xenera dihidrógeno como subproductu.
Síntesis biolóxica editar
El dihidrógeno ye un productu de dellos tipos de metabolismu anaeróbico y ye xeneráu por munchos microorganismos, xeneralmente al traviés de reaiciones catalizadas por enzimes que contienen fierro o níquel, llamaes hidrogenasas. Estes enzimes catalizan la reaición redox reversible ente'l H2 y los sos dos protones y dos electrones. La evolución del dihidrógeno gaseosu tien llugar na tresferencia d'equivalentes reductores (producíos mientres el metabolismu del piruvato) a l'agua.[14]
La separación de l'agua, na qu'ésta se descompon nos sos protones, electrones y dioxígeno, tien llugar nes reaiciones de la fase lluminosa del metabolismu de los organismos fotosintéticos. Dalgunos d'esos organismos -incluyendo'l alga Chlamydomonas reinhardtii y les cianobacteries- evolucionaron desenvolviendo un segundu pasu nes reaiciones de la fase escura nel que los protones amenorgar pa formar H2 gaseosu pola aición de hidrogenasas especializaes nos cloroplastos.[15] Realizáronse esfuercios pa modificar xenéticamente les hidrogenasas bacterianes pa sintetizar H2 gaseosu de manera eficiente inclusive en presencia de dioxígeno.[16]
Esisten otres rutes pocu frecuentes, anque mecanísticamente interesantes, pa la producción de H2 na naturaleza. La nitrogenasa xenera aproximao un equivalente de H2 per cada equivalente de N2 amenorgáu a amoniacu. Dalgunes fosfatasas amenorguen fosfitos a H2.
Formes editar
En condiciones normales, el gas dihidrógeno ye un amiestu de molécules de dos tipos d'átomos d'hidróxenu distintos en función de la direición del espín de los sos electrones y nucleos. Estes formes conócense como orto- y pa-hidróxenu. L'hidróxenu normal ta compuestu por un 25 % de la forma pa- y un 75 % de la forma orto-, la considerada "normal", anque nun pueda llograse n'estáu puru. Dambes formes tienen enerxíes llixeramente distintes, lo que provoca que les sos propiedaes físiques nun sían idéntiques; asina por casu, la forma para- tien puntos de fusión y ebullición 0,1 K más baxos que la forma orto-.
Procuros editar
El dihidrógeno ye un gas desaxeradamente inflamable. Reacciona violentamente col diflúor y el dicloro, especialmente col primeru, col que la reaición ye tan rápida ya imprevisible que nun se puede controlar. Tamién ye peligrosa la so despresurización rápida, yá que a diferencia del restu de gases, al espandise percima de -40 °C calezse, pudiendo engafar.
- Especificaciones téuniques del dihidrógeno
- ICSC: 0001
- CAS:
- UN:1049
- CE:001-001-00-9
- Puntu de ebullición: - 252,8 °C
- Bien pocu miscible n'agua
- Temperatura de autoignición 580 °C
- Puntu de conxelación: - 252,9 °C
- Temperatura crítico: - 240,9 °C
Peligros editar
Físicos editar
El gas ye más llixeru que l'aire. El gas entemezse bien col aire, formándose fácilmente amiestos esplosivos.
Químicos editar
El calentamientu intensu puede aniciar combustión violenta o esplosión. Reacciona violentamente con aire, dioxígeno, dicloro, diflúor y oxidantes fuertes aniciando peligru de quema y esplosión. Los metales catalizadores tales como'l platino o'l níquel aumenten la velocidá d'esti tipu de reaiciones.
Quemes editar
Evitar les llapaes, nun producir chispes y nun fumar. Desaxeradamente inflamable. El so rangu de inflamabilidad ye bien grande. Munches reaiciones pueden producir quema o esplosión. Si ye posible, cortar el suministru. Si puédese y nun esiste riesgu pa la redolada próxima, dexar que'l fueu escastar por sigo mesmu. Apagar con agua pulverizada, polvu, dióxidu de carbonu y halón. El dihidrógeno cuando se produz fueu o esplosión quemar con una llapada cuasi invisible.
Esplosión editar
Entemecer gas/aire son esplosives. Como prevención tien de tenese la ventilación fayadiza. Les ferramientes manuales nun tienen de xenerar chispes. Los equipos llétricos y d'allumáu tienen de tar preparaos a prueba d'esplosión. La quema debe de combatise dende un llugar protexíu.
Derrames y fugues editar
Pa comprobar si esisten escapes, utilizar agua y xabón. Sacupar la zona de peligru. Ventilar les árees zarraes pa prevenir la formación d'atmósferes inflamables o deficientes en dioxígeno. La ventilación puede ser manual o mecánica. Esaniciar toles fontes potenciales de ignición. P'ayuda adicional, consultar a un espertu. Llevar equipu autónomu de respiración.
Esposición editar
El dihidrógeno nun ye tóxicu y ta clasificáu como un simple afogadizu. La cantidá necesaria p'amenorgar les concentraciones del dioxígeno nun nivel inferior al riquíu pa soportar la vida causaría amiestos dientro de los rangos de inflamabilidad. Por tanto, prohíbese la entrada n'árees que contengan amiestos inflamables debíu al peligru inmediatu de quema o esplosión. El dihidrógeno puede absorbese por inhalación y al traviés de la piel.
Al causase perdes en zones confinaes, esti líquidu se evapora bien rápido aniciando una saturación total del aire, pudiendo producir afuega, dificultá respiratoria, y perda de conocencia. Como prevención tien de tenese la ventilación fayadiza introduciendo aire llimpio.
En contautu con líquidu produz la conxelación. Como prevención tienen d'utilizase guantes aislantes del fríu y traxe de proteición.
Almacenamientu editar
Almacenar los cilindros y contenedores n'árees bien ventiladas. Caltener los cilindros alloñaos de les fontes de ignición y de material combustible. Evitar poner los cilindros n'árees nes qu'haya sales y otros productos químicos corroyentes. L'almacenamientu del dihidrógeno debe de tar dixebráu de los gases oxidantes, tales como dioxígeno, diflúor, etc. siquier a 6 metros de distancia.
Hidrogeneras editar
Les hidrogeneras son les estaciones de serviciu preparaes pa sirvir dihidrógeno nos coches propulsados por piles de combustible.
Ver tamién editar
Referencies editar
- ↑ Connelly, Neil G. (2005). «Nomenclature of inorganic chemistry - IUPAC recommendations». Nomenclature of Inorganic Chemistry. p. 49, ISBN 0-85404-438-8. https://books.google.com/books?id=w1Kf1CakyZIC&pg=PA49&lpg=PA49&dq=DIR-3.4.3+Names+of+allotropes+of+definite+molecular+formula&source=web&ots=rMxMYCRX0d&sig=Tf0aQ10Re2ZdhQo807qAJNFGycE.
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- ↑ See Romm, Joseph (2004). The Hype about Hydrogen, Fact and Fiction in the Race to Save the Climate. Nueva York: Island Press. (ISBN 1-55963-704-8)
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Enllaces esternos editar
Wikcionariu tien definiciones y otra información tocante a hidróxenu.
Wikimedia Commons tien conteníu multimedia tocante a Dihidróxenu.- WebElements.com
- EnvironmentalChemistry.com
- Ye Elemental
- L'hidróxenu como combustible
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