Hidrogênio

Hidrogênio é o elemento químico com o símbolo H e número atômico 1. O hidrogênio é o elemento mais leve. Em condições padrão, o hidrogênio é um gás de moléculas diatômicas com a fórmula H₂. É incolor, inodoro, insípido, não tóxico e altamente combustível. O hidrogênio é a substância química mais abundante no universo, constituindo aproximadamente 75% de toda a matéria normal. Estrelas como o Sol são compostas principalmente de hidrogênio no estado de plasma. A maior parte do hidrogênio na Terra existe em formas moleculares, como água e compostos orgânicos. Para o isótopo mais comum de hidrogênio (símbolo ¹H), cada átomo tem um próton, um elétron e nenhum nêutron.

No início do universo, a formação de prótons, os núcleos de hidrogênio, ocorreu durante o primeiro segundo após o Big Bang. O surgimento de átomos neutros de hidrogênio em todo o universo ocorreu cerca de 370.000 anos depois, durante a época de recombinação, quando o plasma esfriou o suficiente para que os elétrons permanecessem ligados aos prótons.

O hidrogênio é não metálico (exceto que se torna metálico em pressões extremamente altas) e prontamente forma uma única ligação covalente com a maioria dos elementos não metálicos, formando compostos como a água e quase todos os compostos orgânicos. O hidrogênio desempenha um papel particularmente importante nas reações ácido-base porque essas reações geralmente envolvem a troca de prótons entre moléculas solúveis. Em compostos iônicos, o hidrogênio pode assumir a forma de uma carga negativa (ou seja, ânion), onde é conhecido como hidreto, ou como uma espécie carregada positivamente (ou seja, cátion) indicada pelo símbolo H⁺. O cátion H⁺ é simplesmente um próton (símbolo p), mas seu o comportamento em soluções aquosas e em compostos iônicos envolve a triagem de sua carga elétrica por moléculas polares próximas ou ânions. Como o hidrogênio é o único átomo neutro para o qual a equação de Schrödinger pode ser resolvida analiticamente, o estudo de sua energia e ligação química desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento da mecânica quântica.

O gás hidrogênio foi produzido artificialmente pela primeira vez no início do século 16 pela reação de ácidos em metais. Em 1766-1781, Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer que o gás hidrogênio era uma substância discreta e que produz água quando queimado, propriedade pela qual foi nomeado mais tarde: em grego, hidrogênio significa "formador de água" 34;.

A produção industrial é principalmente de reforma a vapor de gás natural, reforma de óleo ou gaseificação de carvão. Uma pequena porcentagem também é produzida usando métodos mais intensivos em energia, como a eletrólise da água. A maior parte do hidrogênio é usada perto do local de sua produção, sendo os dois maiores usos o processamento de combustíveis fósseis (por exemplo, hidrocraqueamento) e a produção de amônia. Pode ser queimado para produzir calor ou combinado com oxigênio em células de combustível para gerar eletricidade diretamente, sendo a água a única emissão no ponto de uso. Átomos de hidrogênio (mas não moléculas gasosas) podem causar a fragilidade de muitos metais.

Propriedades

Combustão

O ônibus espacial principal Motor queimou hidrogênio com oxigênio, produzindo uma chama quase invisível em pleno impulso.

Gás hidrogênio (di-hidrogênio ou hidrogênio molecular) é altamente inflamável:

2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l) (572 kJ/2 mol = 286 kJ/mol = 141.865 MJ/kg)

A entalpia de combustão é −286 kJ/mol.

O gás hidrogênio forma misturas explosivas com o ar em concentrações de 4 a 74% e com cloro de 5 a 95%. As reações explosivas podem ser desencadeadas por faísca, calor ou luz solar. A temperatura de autoignição do hidrogênio, a temperatura de ignição espontânea no ar, é de 500 °C (932 °F).

Chama

As chamas de hidrogênio-oxigênio puro emitem luz ultravioleta e com alta mistura de oxigênio são quase invisíveis a olho nu, como ilustrado pela tênue pluma do motor principal do ônibus espacial, em comparação com a pluma altamente visível de um foguete sólido do ônibus espacial, que usa um composto de perclorato de amônio. A detecção de um vazamento de hidrogênio em chamas pode exigir um detector de chamas; esses vazamentos podem ser muito perigosos. Chamas de hidrogênio em outras condições são azuis, lembrando chamas azuis de gás natural. A destruição do dirigível Hindenburg foi um exemplo notório de combustão de hidrogênio e a causa ainda é debatida. As chamas visíveis nas fotografias foram o resultado de compostos de carbono na queima da pele do dirigível.

Reagentes

H₂ não é reativo em comparação com elementos diatômicos, como halogênios ou oxigênio. A base termodinâmica dessa baixa reatividade é a forte ligação H-H, com uma energia de dissociação de ligação de 435,7 kJ/mol. A base cinética da baixa reatividade é a natureza não polar de H₂ e sua fraca polarizabilidade. Ele reage espontaneamente com cloro e flúor para formar cloreto de hidrogênio e fluoreto de hidrogênio, respectivamente. A reatividade do H₂ é fortemente afetada pela presença de catalisadores metálicos. Assim, enquanto misturas de H₂ com O₂ ou o ar entra em combustão facilmente quando aquecido a pelo menos 500 °C por uma faísca ou chama, eles não reagem à temperatura ambiente na ausência de um catalisador.

Níveis de energia do elétron

Depicção de um átomo de hidrogênio com tamanho do protão central mostrado, e o diâmetro atômico mostrado como aproximadamente o dobro do raio do modelo de Bohr (imagem para não escalar)

O nível de energia do estado fundamental do elétron em um átomo de hidrogênio é −13,6 eV, o que é equivalente a um fóton ultravioleta de aproximadamente 91 nm de comprimento de onda.

Os níveis de energia do hidrogênio podem ser calculados com bastante precisão usando o modelo de Bohr do átomo, que conceitua o elétron como "orbitando" o próton em analogia com a órbita da Terra do Sol. No entanto, o elétron atômico e o próton são mantidos juntos pela força eletromagnética, enquanto os planetas e objetos celestes são mantidos pela gravidade. Devido à discretização do momento angular postulada na mecânica quântica inicial por Bohr, o elétron no modelo de Bohr só pode ocupar certas distâncias permitidas do próton e, portanto, apenas certas energias permitidas.

Uma descrição mais precisa do átomo de hidrogênio vem de um tratamento puramente mecânico quântico que usa a equação de Schrödinger, a equação de Dirac ou a formulação integral do caminho de Feynman para calcular a densidade de probabilidade do elétron ao redor do próton. Os tratamentos mais complicados permitem os pequenos efeitos da relatividade especial e da polarização do vácuo. No tratamento da mecânica quântica, o elétron em um átomo de hidrogênio no estado fundamental não tem nenhum momento angular - ilustrando como a "órbita planetária" difere do movimento do elétron.

Isômeros de rotação

Molecular H. H. H.₂ existe como dois isômeros de rotação, ou seja, compostos que diferem apenas nos estados de rotação de seus núcleos. No Ortodoxo forma, os spins dos dois núcleos são paralelos, formando um estado triplo de rotação com uma rotação molecular total $S=1}$; no Parasidratação formar os spins são antiparalelos e formar um estado de spin singlet tendo spin $- Sim.$. A relação de equilíbrio da orto-a para-hidrogênio depende da temperatura. À temperatura ambiente ou mais quente, o gás de hidrogênio de equilíbrio contém cerca de 25% da forma para e 75% da forma orto. A forma orto é um estado excitado, tendo maior energia do que a forma de para por 1.455 kJ/mol, e converte-se para a forma de para sobre o curso de vários minutos quando refrigerado a baixa temperatura. As propriedades térmicas das formas diferem porque diferem em seus estados quânticos rotacionais permitidos, resultando em diferentes propriedades térmicas, como a capacidade de calor.

A proporção orto-para-em H₂ é uma consideração importante na liquefação e armazenamento de hidrogênio líquido: a conversão de orto para para é exotérmica e produz calor suficiente para evaporar a maior parte do líquido se não for convertido primeiro em parahidrogênio durante o processo de resfriamento. Catalisadores para a interconversão orto-para, como óxido férrico e compostos de carvão ativado, são usados durante o resfriamento do hidrogênio para evitar essa perda de líquido.

Fases

O gás de hidrogênio é incolor e transparente, aqui contido em uma ampola de vidro.

Diagrama de fase de hidrogênio. As escalas de temperatura e pressão são logarítmicas, então uma unidade corresponde a uma mudança de 10×. A borda esquerda corresponde a 10⁵ Pai, o que é sobre a pressão atmosférica.

• Hidrogénio gasoso
• hidrogénio líquido
• Hidrogénio Slush
• Hidrogénio sólido
• Hidrogénio metálico
• Hidrogénio de plasma

Compostos

Compostos covalentes e orgânicos

Embora H₂ não seja muito reativo em condições padrão, ele forma compostos com a maioria dos elementos. O hidrogênio pode formar compostos com elementos mais eletronegativos, como halogênios (F, Cl, Br, I) ou oxigênio; nesses compostos, o hidrogênio assume uma carga parcial positiva. Quando ligado a um elemento mais eletronegativo, particularmente flúor, oxigênio ou nitrogênio, o hidrogênio pode participar de uma forma de ligação não covalente de força média com outro elemento eletronegativo com um par solitário, um fenômeno chamado ligação de hidrogênio que é crítico para a estabilidade de muitos moléculas biológicas. O hidrogênio também forma compostos com elementos menos eletronegativos, como metais e metalóides, onde assume uma carga negativa parcial. Esses compostos são frequentemente conhecidos como hidretos.

O hidrogênio forma uma vasta gama de compostos com o carbono chamados de hidrocarbonetos, e uma gama ainda mais vasta de heteroátomos que, por causa de sua associação geral com os seres vivos, são chamados de compostos orgânicos. O estudo de suas propriedades é conhecido como química orgânica e seu estudo no contexto dos organismos vivos é conhecido como bioquímica. Por algumas definições, "orgânico" os compostos só precisam conter carbono. No entanto, a maioria deles também contém hidrogênio e, como é a ligação carbono-hidrogênio que dá a essa classe de compostos a maioria de suas características químicas particulares, as ligações carbono-hidrogênio são necessárias em algumas definições da palavra "orgânico".; em química. Milhões de hidrocarbonetos são conhecidos e geralmente são formados por caminhos complicados que raramente envolvem hidrogênio elementar.

O hidrogênio é altamente solúvel em muitas terras raras e metais de transição e é solúvel em metais nanocristalinos e amorfos. A solubilidade do hidrogênio em metais é influenciada por distorções locais ou impurezas na rede cristalina. Essas propriedades podem ser úteis quando o hidrogênio é purificado pela passagem por discos quentes de paládio, mas a alta solubilidade do gás é um problema metalúrgico, contribuindo para a fragilização de muitos metais, complicando o projeto de dutos e tanques de armazenamento.

Hidretos

Uma amostra de hidreto de sódio

Compostos de hidrogênio são freqüentemente chamados de hidretos, um termo que é usado de forma bastante imprecisa. O termo "hidreto" sugere que o átomo H adquiriu um caráter negativo ou aniônico, denotado H⁻, e é usado quando o hidrogênio forma um composto com um elemento mais eletropositivo. A existência do ânion hidreto, sugerido por Gilbert N. Lewis em 1916 para os grupos 1 e 2 de hidretos semelhantes a sais, foi demonstrada por Moers em 1920 pela eletrólise de hidreto de lítio fundido (LiH), produzindo uma quantidade estequiométrica de hidrogênio na ânodo. Para hidretos que não sejam metais dos grupos 1 e 2, o termo é bastante enganoso, considerando a baixa eletronegatividade do hidrogênio. Uma exceção nos hidretos do grupo 2 é o BeH₂, que é polimérico. No hidreto de alumínio e lítio, o [AlH₄]⁻ carrega centros hídricos firmemente ligados ao Al(III).

Embora os hidretos possam ser formados com quase todos os elementos do grupo principal, o número e a combinação de possíveis compostos variam amplamente; por exemplo, mais de 100 hidretos de borano binários são conhecidos, mas apenas um hidreto de alumínio binário. O hidreto de índio binário ainda não foi identificado, embora existam complexos maiores.

Na química inorgânica, os hidretos também podem servir como pontes ligantes que ligam dois centros metálicos em um complexo de coordenação. Esta função é particularmente comum em elementos do grupo 13, especialmente em boranos (hidretos de boro) e complexos de alumínio, bem como em carboranos agrupados.

Prótons e ácidos

A oxidação do hidrogênio remove seu elétron e dá H+, que não contém elétrons e um núcleo que geralmente é composto por um próton. É por isso que H⁺ costuma ser chamado de próton. Esta espécie é central para a discussão de ácidos. De acordo com a teoria ácido-base de Brønsted-Lowry, os ácidos são doadores de prótons, enquanto as bases são receptores de prótons.

Um próton nu, H⁺, não pode existir em solução ou em cristais iônicos por causa de sua atração imparável para outros átomos ou moléculas com elétrons. Exceto nas altas temperaturas associadas aos plasmas, esses prótons não podem ser removidos das nuvens eletrônicas de átomos e moléculas, e permanecerão ligados a eles. No entanto, o termo 'próton' às vezes é usado vagamente e metaforicamente para se referir a hidrogênio carregado positivamente ou catiônico ligado a outras espécies dessa maneira e, como tal, é denotado "H⁺" sem qualquer implicação de que quaisquer prótons existam livremente como uma espécie.

Para evitar a implicação do "próton solvatado" em solução, às vezes considera-se que as soluções aquosas ácidas contêm uma espécie fictícia menos improvável, denominada "íon hidrônio" ([H₃O]⁺). No entanto, mesmo neste caso, tais cátions de hidrogênio solvatados são mais realisticamente concebidos como sendo organizados em grupos que formam espécies mais próximas de [H_{9< /sub>O4]⁺}. Outros íons oxônio são encontrados quando a água está em solução ácida com outros solventes.

Apesar de exótico na Terra, um dos íons mais comuns no universo é o H+< span>3, conhecido como hidrogênio molecular protonado ou cátion trihidrogênio.

Isótopos

Tubo de descarga de hidrogênio (spectrum)

Tubo de descarga de deutério (spectrum)

O hidrogênio tem três isótopos de ocorrência natural, denotados ¹
< sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">H, ²
_{< /sub>}H e ³
H. Outros núcleos altamente instáveis (⁴
H para ⁷
H) foram sintetizados em laboratório, mas não observados na natureza.

• ¹
  H. H. H. é o isótopo de hidrogênio mais comum, com uma abundância de mais de 99,98%. Como o núcleo deste isótopo consiste em apenas um único protão, é dado o nome formal descritivo, mas raramente usado Protium. É único entre todos os isótopos estáveis em não ter nêutrons; ver diproton para uma discussão de por que outros não existem.
• ²
  H. H. H., o outro isótopo de hidrogênio estável, é conhecido como Deuteronómio e contém um próton e um nêutron no núcleo. Todo o deutério no universo é pensado para ter sido produzido no momento do Big Bang, e tem suportado desde então. O deutério não é radioativo e não representa um risco significativo de toxicidade. Água enriquecida em moléculas que incluem deutério em vez de hidrogênio normal é chamado de água pesada. Deuterium e seus compostos são usados como um rótulo não radioativo em experimentos químicos e em solventes para ¹
  H. H. H.- Espectroscopia NMR. A água pesada é usada como um moderador de nêutrons e refrigerante para reatores nucleares. Deuterium também é um potencial combustível para a fusão nuclear comercial.
• ³
  H. H. H. é conhecido como Tritium e contém um próton e dois nêutrons em seu núcleo. É radioativo, decaindo em hélio-3 através da decadência beta com uma meia-vida de 12,32 anos. É tão radioativo que pode ser usado em tinta luminosa, tornando-o útil em coisas como relógios. O vidro impede a pequena quantidade de radiação de sair. Pequenas quantidades de tritium são produzidas naturalmente pela interação dos raios cósmicos com gases atmosféricos; o tritium também foi liberado durante os testes de armas nucleares. É usado em reações de fusão nuclear, como um rastreador em geoquímica isótopa, e em dispositivos de iluminação auto-alimentados especializados. O tritium também foi usado em experimentos de rotulagem química e biológica como um radiolabel.

Único entre os elementos, nomes distintos são atribuídos aos seus isótopos de uso comum hoje. Durante o estudo inicial da radioatividade, vários isótopos radioativos pesados receberam seus próprios nomes, mas esses nomes não são mais usados, exceto deutério e trítio. Os símbolos D e T (em vez de ²
H e ³
H) às vezes são usados para deutério e trítio, mas o símbolo P já está em uso para fósforo e, portanto, não está disponível para protium. Em suas diretrizes nomenclaturais, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) permite qualquer um de D, T, ²
H e ³
H a ser usado, embora ²
H e ³
H são preferidos.

O átomo exótico muônio (símbolo Mu), composto de um antimúon e um elétron, também pode ser considerado um radioisótopo leve do hidrogênio. Como os múons decaem com vida 2,2 µs, o muônio é muito instável para exibir uma química observável. No entanto, compostos de muônio são importantes casos de teste para simulação quântica, devido à diferença de massa entre o antimúon e o próton, e a nomenclatura IUPAC incorpora compostos hipotéticos como cloreto de muônio (MuCl) e muonídeo de sódio (NaMu), análogos ao cloreto de hidrogênio e sódio hidreto respectivamente.

Propriedades térmicas e físicas

Tabela de propriedades térmicas e físicas do hidrogênio (H₂) à pressão atmosférica:

História

Descoberta e uso

Em 1671, Robert Boyle descobriu e descreveu a reação entre limalhas de ferro e ácidos diluídos, que resulta na produção de gás hidrogênio.

Tendo fornecido um espírito salino [ácido clorídrico], que por uma forma incomum de preparação foi feita excessivamente afiada e piercing, nós colocamos em um frasco, capaz de conter três ou quatro onças de água, uma quantidade conveniente de arquivamentos de aço, que não eram tais como são comumente vendidos em lojas para Chymists e Apothecaries, (que normalmente não são livres o suficiente da ferrugem) mas tal como eu tinha um bom tempo. Este pó de metal que está sendo hidratado no viol com um pouco do menstruum, foi depois drench'd com mais; em que a mistura cresceu muito quente, e belch'd acima fumes copiosas e mal cheirosas; que se eles consistiam completamente do enxofre volátil das Marte [iron?], ou de vapores metálicos que participam de uma natureza sulfureous aqui, e não é necessário juntar-se a mim. Mas, quando todo este smoak fedorento procedeu, tão inflamável foi, que sobre a aproximação de uma vela iluminada para ele, ele prontamente pegaria fogo, e queimaria com uma chama esverdeada e um pouco esverdeada na boca do viol por um bom tempo juntos; e que, embora com pouca luz, ainda com mais força do que um facilmente suspeitaria.

—Robert Boyle, Tracts escrito pelo honroso Robert Boyle contendo novas experiências, tocando a relação chama betwixt e ar...

A palavra "sulfuroso" pode ser um pouco confuso, especialmente porque Boyle fez um experimento semelhante com ferro e ácido sulfúrico. No entanto, com toda a probabilidade, "sulfuroso" deve aqui ser entendido como combustível.

Em 1766, Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer o gás hidrogênio como uma substância discreta, chamando o gás de uma reação metal-ácido de "ar inflamável". Ele especulou que o "ar inflamável" era de fato idêntico à substância hipotética chamada "flogisto" e descobrindo ainda em 1781 que o gás produz água quando queimado. Ele geralmente recebe o crédito pela descoberta do hidrogênio como elemento. Em 1783, Antoine Lavoisier deu ao elemento o nome de hidrogênio (do grego ὑδρο- hidro que significa "água" e -γενής genes que significa " ex') quando ele e Laplace reproduziram a descoberta de Cavendish de que a água é produzida quando o hidrogênio é queimado.

Antoine-Laurent de Lavoisier

Lavoisier produziu hidrogênio para seus experimentos de conservação de massa ao reagir um fluxo de vapor com ferro metálico através de um tubo de ferro incandescente aquecido no fogo. A oxidação anaeróbica do ferro pelos prótons da água em alta temperatura pode ser esquematicamente representada pelo conjunto das seguintes reações:

1) Fe + H₂O → FeO + H₂

2) Fe + 3 H₂O → Fe₂O₃ + 3 H₂

3) Fe + 4 H₂O → Fe₃O₄ + 4 H₂

Muitos metais, como o zircônio, sofrem uma reação semelhante com a água, levando à produção de hidrogênio.

O hidrogênio foi liquefeito pela primeira vez por James Dewar em 1898, usando resfriamento regenerativo e sua invenção, o frasco a vácuo. Ele produziu hidrogênio sólido no ano seguinte. O deutério foi descoberto em dezembro de 1931 por Harold Urey, e o trítio foi preparado em 1934 por Ernest Rutherford, Mark Oliphant e Paul Harteck. A água pesada, que consiste em deutério no lugar do hidrogênio comum, foi descoberta pelo grupo de Urey em 1932. François Isaac de Rivaz construiu o primeiro motor de Rivaz, um motor de combustão interna alimentado por uma mistura de hidrogênio e oxigênio em 1806. Edward Daniel Clarke inventou o maçarico de gás hidrogênio em 1819. A lâmpada e o centro das atenções de Döbereiner foram inventados em 1823.

O primeiro balão cheio de hidrogênio foi inventado por Jacques Charles em 1783. O hidrogênio forneceu a sustentação para a primeira forma confiável de viagem aérea após a invenção de 1852 do primeiro dirigível movido a hidrogênio por Henri Giffard. O conde alemão Ferdinand von Zeppelin promoveu a ideia de aeronaves rígidas levantadas por hidrogênio que mais tarde foram chamadas de zepelins; o primeiro deles teve seu voo inaugural em 1900. Os voos regulares começaram em 1910 e, com a eclosão da Primeira Guerra Mundial em agosto de 1914, eles transportaram 35.000 passageiros sem nenhum incidente grave. Dirigíveis movidos a hidrogênio foram usados como plataformas de observação e bombardeiros durante a guerra.

A primeira travessia transatlântica sem escalas foi feita pelo dirigível britânico R34 em 1919. O serviço regular de passageiros foi retomado na década de 1920 e a descoberta de reservas de hélio nos Estados Unidos prometia maior segurança, mas o O governo dos Estados Unidos se recusou a vender o gás para esse fim. Portanto, H₂ foi usado no dirigível Hindenburg, que foi destruído em um incêndio aéreo sobre Nova Jersey em 6 de maio de 1937. O incidente foi transmitido ao vivo pelo rádio e filmado. A ignição do vazamento de hidrogênio é amplamente considerada a causa, mas investigações posteriores apontaram para a ignição do revestimento de tecido aluminizado por eletricidade estática. Mas o dano à reputação do hidrogênio como um gás de elevação já foi feito e as viagens comerciais de dirigíveis de hidrogênio cessaram. O hidrogênio ainda é usado, em vez do hélio não inflamável, mas mais caro, como gás de elevação para balões meteorológicos.

No mesmo ano, o primeiro turbogerador refrigerado a hidrogênio entrou em serviço com hidrogênio gasoso como refrigerante no rotor e no estator em 1937 em Dayton, Ohio, pela Dayton Power & Light Co.; devido à condutividade térmica e à viscosidade muito baixa do gás hidrogênio, portanto, menor arrasto do que o ar, este é o tipo mais comum em seu campo hoje para grandes geradores (normalmente 60 MW e maiores; geradores menores geralmente são resfriados a ar).

A bateria de níquel hidrogênio foi usada pela primeira vez em 1977 a bordo do satélite de tecnologia de navegação da Marinha dos EUA-2 (NTS-2). Por exemplo, a ISS, a Mars Odyssey e a Mars Global Surveyor são equipadas com baterias de níquel-hidrogênio. Na parte escura de sua órbita, o Telescópio Espacial Hubble também é alimentado por baterias de níquel-hidrogênio, que foram finalmente substituídas em maio de 2009, mais de 19 anos após o lançamento e 13 anos além de sua vida útil.

Papel na teoria quântica

Linhas de espectro de emissões de hidrogênio na faixa visível. Estas são as quatro linhas visíveis da série Balmer.

Devido à sua estrutura atômica simples, consistindo apenas de um próton e um elétron, o átomo de hidrogênio, juntamente com o espectro de luz produzido ou absorvido por ele, tem sido fundamental para o desenvolvimento da teoria da estrutura atômica. Além disso, o estudo da simplicidade correspondente da molécula de hidrogênio e do cátion correspondente H+2 trouxe a compreensão da natureza da ligação química, que ocorreu logo após o desenvolvimento do tratamento mecânico quântico do átomo de hidrogênio em meados da década de 1920.

Um dos primeiros efeitos quânticos a ser notado explicitamente (mas não compreendido na época) foi uma observação de Maxwell envolvendo hidrogênio, meio século antes da chegada da teoria mecânica quântica completa. Maxwell observou que a capacidade de calor específico de H₂ inexplicavelmente se afasta da de um gás diatômico abaixo da temperatura ambiente e começa a se assemelhar cada vez mais a um gás monoatômico em temperaturas criogênicas. De acordo com a teoria quântica, esse comportamento surge do espaçamento dos níveis de energia rotacional (quantizados), que são particularmente espaçados em H₂ por causa de sua baixa massa. Esses níveis amplamente espaçados inibem a partição igual da energia térmica em movimento rotacional no hidrogênio a baixas temperaturas. Gases diatômicos compostos de átomos mais pesados não possuem níveis tão espaçados e não exibem o mesmo efeito.

Anti-hidrogênio (
H
) é a contraparte de antimatéria do hidrogênio. Consiste em um antipróton com um pósitron. O anti-hidrogênio é o único tipo de átomo de antimatéria produzido a partir de 2015.

Prevalência e distribuição cósmica

NGC 604, uma região gigante de hidrogênio ionizado na galáxia Triangulum

O hidrogênio, como H atômico, é o elemento químico mais abundante no universo, constituindo 75% da matéria normal em massa e mais de 90% em número de átomos. (A maior parte da massa do universo, no entanto, não está na forma de matéria do tipo elemento químico, mas postula-se que ocorra como formas de massa ainda não detectadas, como matéria escura e energia escura.) Esse elemento é encontrado em grande abundância em estrelas e planetas gigantes gasosos. Nuvens moleculares de H₂ estão associadas à formação estelar. O hidrogênio desempenha um papel vital na alimentação de estrelas através da reação próton-próton no caso de estrelas com massa muito baixa a aproximadamente 1 do Sol e o ciclo CNO de fusão nuclear no caso de estrelas mais massivas que o Sol.

Estados

Em todo o universo, o hidrogênio é encontrado principalmente nos estados atômico e plasmático, com propriedades bastante distintas das do hidrogênio molecular. Como um plasma, o elétron e o próton do hidrogênio não estão ligados, resultando em condutividade elétrica muito alta e alta emissividade (produzindo a luz do Sol e de outras estrelas). As partículas carregadas são altamente influenciadas por campos magnéticos e elétricos. Por exemplo, no vento solar eles interagem com a magnetosfera da Terra dando origem às correntes de Birkeland e à aurora.

O hidrogênio é encontrado no estado atômico neutro no meio interestelar porque os átomos raramente colidem e se combinam. Eles são a fonte da linha de hidrogênio de 21 cm a 1420 MHz que é detectada para sondar o hidrogênio primordial. Acredita-se que a grande quantidade de hidrogênio neutro encontrada nos sistemas Lyman-alpha amortecidos domine a densidade bariônica cosmológica do universo até um desvio para o vermelho de z = 4.

Sob condições comuns na Terra, o hidrogênio elementar existe como o gás diatômico, H₂. O gás hidrogênio é muito raro na atmosfera da Terra (cerca de 0,53 ppm em uma base molar) por causa de seu peso leve, o que permite que ele escape da atmosfera mais rapidamente do que os gases mais pesados. No entanto, o hidrogênio é o terceiro elemento mais abundante na superfície da Terra, principalmente na forma de compostos químicos, como hidrocarbonetos e água.

Uma forma molecular chamada hidrogênio molecular protonado (H+3< /span>) é encontrado no meio interestelar, onde é gerado pela ionização do hidrogênio molecular dos raios cósmicos. Este íon também foi observado na atmosfera superior do planeta Júpiter. O íon é relativamente estável no ambiente do espaço sideral devido à baixa temperatura e densidade. H+3 é um dos íons mais abundantes no universo, e desempenha um papel notável na química do meio interestelar. O hidrogênio triatômico neutro H₃ pode existir apenas em uma forma excitada e é instável. Por outro lado, o íon molecular de hidrogênio positivo (H+2) é uma molécula rara no universo.

Produção

H₂ é produzido em laboratórios de química e biologia, geralmente como subproduto de outros reações; na indústria para a hidrogenação de substratos insaturados; e na natureza como um meio de expelir equivalentes redutores em reações bioquímicas.

Métodos comerciais

Ilustrando entradas e saídas de reforma a vapor de gás natural, um processo para produzir hidrogênio

O hidrogênio geralmente é produzido pela reação da água com metano e monóxido de carbono, o que causa a remoção de hidrogênio dos hidrocarbonetos em temperaturas muito altas, com 48% da produção de hidrogênio proveniente da reforma a vapor. O vapor de água é então reagido com o monóxido de carbono produzido pela reforma a vapor para oxidá-lo em dióxido de carbono e transformar a água em hidrogênio. O hidrogênio a granel comercial é geralmente produzido pela reforma a vapor do gás natural com liberação de gás de efeito estufa atmosférico ou com captura usando CCS e mitigação das mudanças climáticas. A reforma a vapor também é conhecida como processo Bosch e é amplamente utilizada para a preparação industrial de hidrogênio.

Em altas temperaturas (1000–1400 K, 700–1100 °C ou 1300–2000 °F), o vapor (vapor d'água) reage com o metano para produzir monóxido de carbono e H₂.

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

Esta reação é favorecida em baixas pressões, mas ainda assim é conduzida em altas pressões (2,0 MPa, 20 atm ou 600 inHg). Isso ocorre porque o H₂ de alta pressão é o produto mais comercializável e a adsorção por oscilação de pressão (PSA) sistemas de purificação funcionam melhor em pressões mais altas. A mistura de produtos é conhecida como "gás de síntese" porque muitas vezes é usado diretamente para a produção de metanol e compostos relacionados. Outros hidrocarbonetos além do metano podem ser usados para produzir gás de síntese com proporções de produtos variáveis. Uma das muitas complicações dessa tecnologia altamente otimizada é a formação de coque ou carbono:

CH₄ → C + 2 H₂

Consequentemente, a reforma a vapor normalmente emprega um excesso de H₂O. Hidrogênio adicional pode ser recuperado do vapor pelo uso de monóxido de carbono através da reação de deslocamento de gás água, especialmente com um catalisador de óxido de ferro. Esta reação também é uma fonte industrial comum de dióxido de carbono:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Outros métodos importantes para a produção de CO e H₂ incluem a oxidação parcial de hidrocarbonetos:

2 CH₄ + O₂ → 2 CO + 4 H₂

e a reação do carvão, que pode servir como um prelúdio para a reação de deslocamento acima:

C + H₂O → CO + H₂

O hidrogênio às vezes é produzido e consumido no mesmo processo industrial, sem ser separado. No processo Haber para a produção de amônia, o hidrogênio é gerado a partir do gás natural. A eletrólise da salmoura para produzir cloro também produz hidrogênio como coproduto.

As unidades de produção de olefinas podem produzir quantidades substanciais de subprodutos de hidrogênio, particularmente do craqueamento de matérias-primas leves, como etano ou propano.

Eletrólise da água

Ilustrando entradas e saídas de electrólise simples da produção de água de hidrogênio

A eletrólise da água é um método simples de produzir hidrogênio. Uma corrente passa pela água e o oxigênio gasoso se forma no ânodo, enquanto o hidrogênio gasoso se forma no cátodo. Normalmente, o cátodo é feito de platina ou outro metal inerte ao produzir hidrogênio para armazenamento. Se, no entanto, o gás for queimado no local, o oxigênio é desejável para auxiliar a combustão e, portanto, ambos os eletrodos seriam feitos de metais inertes. (O ferro, por exemplo, oxidaria e, assim, diminuiria a quantidade de oxigênio liberada.) A eficiência máxima teórica (eletricidade usada versus valor energético do hidrogênio produzido) está na faixa de 88–94%.

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

Pirólise de metano

A produção de hidrogênio usando pirólise de metano de gás natural é um processo com uma pegada de carbono menor do que os processos comerciais de produção de hidrogênio. O desenvolvimento de um processo comercial de pirólise de metano pode acelerar o uso expandido de hidrogênio em aplicações industriais e de transporte. A pirólise do metano é realizada pela passagem do metano através de um catalisador de metal fundido contendo níquel dissolvido. O metano é convertido em gás hidrogênio e carbono sólido.

CH₄(g) → C(s) + 2 H₂(g) (ΔH° = 74 kJ/mol)

O carbono pode ser vendido como matéria-prima de fabricação ou combustível, ou depositado em aterros.

Mais pesquisas continuam em vários laboratórios, inclusive no Karlsruhe Liquid-metal Laboratory e na University of California – Santa Barbara. A BASF construiu uma planta piloto de pirólise de metano.

Metal-ácido

Muitos metais reagem com a água para produzir H₂, mas a taxa de evolução do hidrogênio depende o metal, o pH e a presença de agentes de liga. Mais comumente, a evolução do hidrogênio é induzida por ácidos. Os metais alcalinos e alcalino-terrosos, alumínio, zinco, manganês e ferro reagem facilmente com ácidos aquosos. Essa reação é a base do aparato de Kipp, que já foi usado como fonte de gás de laboratório:

Zn + 2 H⁺ →²⁺ + H₂

Na ausência de ácido, a evolução de H₂ é mais lenta. Como o ferro é um material estrutural amplamente utilizado, sua corrosão anaeróbica é de importância tecnológica:

Fe + 2 H₂O → Fe (OH)₂ + H₂

Muitos metais, como o alumínio, reagem lentamente com a água porque formam revestimentos passivados de óxidos. Uma liga de alumínio e gálio, no entanto, reage com a água. Em pH alto, o alumínio pode produzir H₂:

2 Al + 6 H₂O + 2 OH^{- Sim.} → 2 [Al (OH)₄]^{- Sim.} + 3 H₂

Alguns compostos contendo metais reagem com ácidos para evoluir H₂. Sob condições anaeróbicas, hidróxido ferroso (Fe(OH)
< sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">2) pode ser oxidado pelos prótons da água para formar magnetita e < span class="chemf nowrap">H₂. Este processo é descrito pela reação de Schikorr:

3 Fe(OH)₂ → Fe₃O₄ + 2 H₂O + H₂

Esse processo ocorre durante a corrosão anaeróbica do ferro e do aço em águas subterrâneas livres de oxigênio e na redução de solos abaixo do lençol freático.

Termoquímico

Mais de 200 ciclos termoquímicos podem ser usados para separação de água. Muitos desses ciclos, como o ciclo do óxido de ferro, o ciclo do óxido de cério (IV)-óxido de cério (III), o ciclo do zinco-óxido de zinco, o ciclo do enxofre-iodo, o ciclo do cobre-cloro e o ciclo híbrido do enxofre foram avaliados quanto ao seu potencial comercial. produzir hidrogênio e oxigênio a partir da água e do calor sem usar eletricidade. Vários laboratórios (incluindo na França, Alemanha, Grécia, Japão e Estados Unidos) estão desenvolvendo métodos termoquímicos para produzir hidrogênio a partir de energia solar e água.

Aplicativos

Indústria petroquímica

Grandes quantidades de H₂ são usadas no processo de "atualização" de combustíveis fósseis. Os principais consumidores de H₂ incluem hidrodesalquilação, hidrodessulfurização e hidrocraqueamento. Muitas dessas reações podem ser classificadas como hidrogenólise, ou seja, a quebra de ligações ao carbono. Ilustrativa é a separação do enxofre dos combustíveis fósseis líquidos:

R₂S + 2 H₂ → H₂S + 2 RH

Hidrogenação

A hidrogenação, a adição de H₂ a vários substratos é realizada em grande escala. A hidrogenação de N₂ para produzir amônia pelo processo Haber-Bosch consome uma pequena porcentagem da energia orçamento em toda a indústria. A amônia resultante é usada para fornecer a maior parte da proteína consumida pelos humanos. A hidrogenação é usada para converter gorduras e óleos insaturados em gorduras e óleos saturados. A principal aplicação é a produção de margarina. O metanol é produzido pela hidrogenação do dióxido de carbono. Da mesma forma, é a fonte de hidrogênio na fabricação de ácido clorídrico. H₂ também é usado como agente redutor para a conversão de alguns minérios em metais.

Refrigerante

O hidrogênio é comumente usado em usinas elétricas como refrigerante em geradores devido a uma série de propriedades favoráveis que são resultado direto de suas moléculas diatômicas leves. Estes incluem baixa densidade, baixa viscosidade e o maior calor específico e condutividade térmica de todos os gases.

Carreador de energia

O hidrogênio elementar tem sido amplamente discutido no contexto da energia, como um possível futuro portador de energia em escala econômica. O hidrogênio é um ''transportador'' de energia em vez de um recurso energético, porque não há nenhuma fonte natural de hidrogênio em quantidades úteis.

O hidrogênio pode ser queimado para produzir calor ou combinado com oxigênio em células de combustível para gerar eletricidade diretamente, sendo a água a única emissão no ponto de uso. As emissões gerais do ciclo de vida do hidrogênio dependem de como ele é produzido. Quase todo o suprimento atual de hidrogênio do mundo é criado a partir de combustíveis fósseis. O principal método é a reforma a vapor do metano, na qual o hidrogênio é produzido a partir de uma reação química entre o vapor e o metano, principal componente do gás natural. A produção de uma tonelada de hidrogênio por meio desse processo emite de 6,6 a 9,3 toneladas de dióxido de carbono. Embora a captura e o armazenamento de carbono possam remover uma grande fração dessas emissões, a pegada de carbono geral do hidrogênio do gás natural é difícil de avaliar a partir de 2021, em parte devido às emissões criadas na produção do próprio gás natural.

A eletricidade pode ser usada para dividir as moléculas de água, produzindo hidrogênio sustentável, desde que a eletricidade seja gerada de forma sustentável. No entanto, esse processo de eletrólise é atualmente mais caro do que criar hidrogênio a partir do metano e a eficiência da conversão de energia é inerentemente baixa. O hidrogênio pode ser produzido quando há um excedente de eletricidade renovável variável, armazenado e usado para gerar calor ou para gerar novamente eletricidade. O hidrogênio criado por eletrólise usando energia renovável é comumente referido como "hidrogênio verde" Ele pode ser posteriormente transformado em combustíveis sintéticos, como amônia e metanol.

A inovação em eletrolisadores de hidrogênio pode tornar a produção em larga escala de hidrogênio a partir da eletricidade mais competitiva em termos de custo. Existe potencial para o hidrogênio desempenhar um papel significativo na descarbonização dos sistemas energéticos porque, em certos setores, a substituição de combustíveis fósseis pelo uso direto de eletricidade seria muito difícil. O combustível de hidrogênio pode produzir o calor intenso necessário para a produção industrial de aço, cimento, vidro e produtos químicos. Para a siderurgia, o hidrogênio pode funcionar como um transportador de energia limpa e, simultaneamente, como um catalisador de baixo carbono, substituindo o coque derivado do carvão. O hidrogênio usado no transporte queimaria de forma relativamente limpa, com algumas emissões de NOx, mas sem emissões de carbono. As desvantagens do hidrogênio como transportador de energia incluem altos custos de armazenamento e distribuição devido à explosividade do hidrogênio, seu grande volume em comparação com outros combustíveis e sua tendência de tornar os tubos quebradiços. Os custos de infraestrutura associados à conversão total para uma economia de hidrogênio seriam substanciais.

Indústria de semicondutores

O hidrogênio é empregado para saturar ligações quebradas ("penduradas") de silício amorfo e carbono amorfo que ajuda a estabilizar as propriedades do material. É também um potencial doador de elétrons em vários materiais de óxido, incluindo ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 e SrZrO3.

Aeroespacial

O hidrogênio líquido e o oxigênio líquido juntos servem como combustível criogênico em foguetes de propelente líquido, como nos motores principais do ônibus espacial.

Usos de nicho e em evolução

• Gás de blindagem: O hidrogênio é usado como um gás de blindagem em métodos de soldagem, como soldagem por hidrogênio atômico.

• Pesquisa criogênica: Líquido H. H. H.₂ é usado em pesquisa criogênica, incluindo estudos de supercondutividade.

• Levantamento de buoyant: Porque... H. H. H.₂ é mais leve do que o ar, tendo apenas 7% da densidade do ar, já foi amplamente utilizado como um gás de elevação em balões e naves aéreas.
• Detecção de vazamento: Puro ou misturado com nitrogênio (às vezes chamado de gás de formação), o hidrogênio é um gás rastreador para detecção de vazamentos de minutos. As aplicações podem ser encontradas nas indústrias automotiva, química, geração de energia, aeroespacial e telecomunicações. O hidrogênio é um aditivo alimentar autorizado (E 949) que permite testes de vazamento de pacotes de alimentos, bem como ter propriedades antioxidantes.

• Moderação de neutrões: Deuterium (hidrogênio-2) é usado em aplicações de fissão nuclear como um moderador para neutrões lentos.
• Combustível de fusão nuclear: Deuterium é usado em reações de fusão nuclear.
• Rotulagem isotópica: Compostos de deutério têm aplicações em química e biologia em estudos de efeitos isótopos em taxas de reação.

• Rocket propellant: A NASA investigou o uso de propelente de foguetes feitos de hidrogênio atômico, boro ou carbono que é congelado em partículas de hidrogênio molecular sólidas que são suspensas em hélio líquido. Ao aquecer, a mistura vaporiza para permitir que a espécie atômica recombine, aquecendo a mistura a alta temperatura.
• Tritium usa: Tritium (hidrogênio-3), produzido em reatores nucleares, é usado na produção de bombas de hidrogênio, como um rótulo isotópico nas biociências, e como fonte de radiação beta em tinta radioluminescente para mostradores de instrumento e sinalização de emergência.

Reações biológicas

H₂ é um produto de alguns tipos de metabolismo anaeróbico e é produzido por vários microorganismos, geralmente por meio de reações catalisadas por enzimas contendo ferro ou níquel chamadas hidrogenases. Essas enzimas catalisam a reação redox reversível entre H₂ e seus componentes dois prótons e dois elétrons. A criação de gás hidrogênio ocorre na transferência de equivalentes redutores, produzidos durante a fermentação do piruvato, para a água. O ciclo natural de produção e consumo de hidrogênio pelos organismos é chamado de ciclo do hidrogênio. Bactérias como a Mycobacterium smegmatis podem utilizar a pequena quantidade de hidrogênio da atmosfera como fonte de energia quando faltam outras fontes, usando uma hidrogenase com pequenos canais que excluem o oxigênio e assim permitem que a reação ocorra mesmo embora a concentração de hidrogênio seja muito baixa e a concentração de oxigênio seja como no ar normal.

O hidrogênio é o elemento mais abundante no corpo humano em termos de número de átomos do elemento, mas o terceiro elemento mais abundante em massa. H₂ ocorre na respiração humana devido à atividade metabólica de microrganismos contendo hidrogenase no grande intestino e é um componente natural do flatulência. A concentração na respiração de pessoas em jejum em repouso é normalmente inferior a 5 partes por milhão (ppm), mas pode ser de 50 ppm quando pessoas com distúrbios intestinais consomem moléculas que não podem absorver durante os testes respiratórios de diagnóstico de hidrogênio.

A divisão da água, na qual a água é decomposta em seus componentes prótons, elétrons e oxigênio, ocorre nas reações de luz em todos os organismos fotossintéticos. Alguns desses organismos, incluindo a alga Chlamydomonas reinhardtii e cianobactérias, desenvolveram uma segunda etapa nas reações escuras nas quais prótons e elétrons são reduzidos para formar H₂ gás por hidrogenases especializadas no cloroplasto. Esforços têm sido realizados para modificar geneticamente hidrogenases de cianobactérias para sintetizar eficientemente o gás H₂ mesmo na presença de oxigênio. Esforços também foram realizados com algas geneticamente modificadas em um biorreator.

Segurança e precauções

O hidrogênio representa uma série de perigos para a segurança humana, desde possíveis detonações e incêndios quando misturado ao ar até ser um asfixiante em sua forma pura e livre de oxigênio. Além disso, o hidrogênio líquido é criogênico e apresenta perigos (como congelamento) associados a líquidos muito frios. O hidrogênio se dissolve em muitos metais e, além de vazar, pode causar efeitos adversos sobre eles, como fragilização por hidrogênio, levando a rachaduras e explosões. O vazamento de gás hidrogênio para o ar externo pode inflamar espontaneamente. Além disso, o fogo do hidrogênio, embora extremamente quente, é quase invisível e, portanto, pode levar a queimaduras acidentais.

Mesmo a interpretação dos dados de hidrogênio (incluindo dados de segurança) é confundida por uma série de fenômenos. Muitas propriedades físicas e químicas do hidrogênio dependem da razão para-hidrogênio/orto-hidrogênio (muitas vezes leva dias ou semanas a uma determinada temperatura para atingir a razão de equilíbrio, para a qual os dados geralmente são fornecidos). Parâmetros de detonação de hidrogênio, como pressão e temperatura de detonação críticas, dependem fortemente da geometria do recipiente.