O hidrogénio (português europeu) ou hidrogênio (português brasileiro) (pronuncia-se /idɾɔˈʒɛniu/ ou /idɾɔˈʒeniu/ de hidro + gênio, ou do fr. hidrogène e admitindo-se a grafia dupla pelo acordo ortográfico[1]) é um elemento químico com número atômicoPB ou atómico PE 1 e representado pelo símbolo H. Com uma massa atómica de aproximadamente 1,0 u, o hidrogênio é o elemento menos denso. Ele geralmente apresenta-se em sua forma molecular, formando o gás diatômico (H2) nas CNTP. Este gás é inflamável, incolor, inodoro, não-metálico e insolúvel em água[2]
O elemento hidrogênio, por possuir propriedades distintas, não se enquadra claramente em nenhum grupo da tabela periódica, sendo muitas vezes colocado no grupo 1 (ou família 1A) por possuir apenas 1 próton.
O hidrogênio é o mais abundante dos elementos químicos, constituindo aproximadamente 75% da massa elementar do Universo.[3]
Estrelas na sequência principal são compostas primariamente de hidrogênio em seu estado de plasma.
O Hidrogênio elementar é relativamente raro na Terra, e é industrialmente produzido a partir de hidrocarbonetos presentes no gás natural, tais como metano, após o qual a maior parte do hidrogênio elementar é usada "em cativeiro" (o que significa localmente no lugar de produção). Os maiores mercados do mundo fazem uso do hidrogênio para o aprimoramento de combustíveis fósseis (no processo de hidrocraqueamento) e na produção de amoníaco (maior parte para o mercado de fertilizantes). O hidrogênio também pode ser obtido por meio da eletrólise da água, porém, este processo é atualmente dispendioso, o que privilegia sua obtenção a partir do gás natural.[4]
O isótopo do hidrogênio que possui maior ocorrência, conhecido como prótio, é formado por um único próton e nenhum nêutron. Em compostos iônicos pode ter uma carga positiva (se tornando um cátion) ou uma carga negativa (se tornando o ânion conhecido como hidreto). Também pode formar outros isótopos, como o deutério, com apenas um nêutron, e o trítio, com dois nêutrons. Em 2001, foi criado em laborário o isótopo 4H e, a partir de 2003, foram sintetizados os isótopos 5H até 7H.[5][6] O elemento hidrogênio forma compostos com a maioria dos elementos, está presente na água e na maior parte dos compostos orgânicos.
Possui um papel particularmente importante na química ácido-base, na qual muitas reações envolvem a troca de prótons entre moléculas solúveis. Como o único átomo neutro pelo qual a Equação de Schrödinger pode ser resolvida analiticamente; o estudo energético e de ligações do átomo hidrogênio teve um papel principal no desenvolvimento da mecânica quântica.
A solubilidade e características do hidrogênio com vários metais são muito importantes na metalurgia (uma vez que muitos metais podem sofrer fragilidade em sua presença)[7] e no desenvolvimento de maneiras seguras de estocá-lo para uso como combustível.[8] É altamente solúvel em diversos compostos que possuem Terras-raras e metais de transição[9] e pode ser dissolvido tanto em metais cristalinos e amorfos.[10] A solubilidade do hidrogênio em metais é influenciada por distorções ou impurezas locais na estrutura cristalina do metal.[11]
Papel na teoria quântica
Um dos primeiros efeitos quânticos a ser explicitamente notado (mas não entendido naquela época) foi a observação de Maxwell envolvendo hidrogênio, meio século antes da teoria da mecânica quântica completa aparecer. Maxwell observou que o calor específico de H2 inexplicavelmente se afasta daquele de um gás diatômico abaixo da temperatura ambiente e começa a parecer gradativamente com aquele de um gás monoatômico em temperaturas criogênicas. Segundo a teoria quântica, este comportamento surge do espaçamento dos níveis de energia rotativos (quantificados), os quais são particularmente bem espaçados em H2 por causa de sua reduzida massa. Estes níveis largamente espaçados inibem partições iguais da energia de calor em movimentos rotativos em hidrogênio sob baixas temperaturas. Gases diatômicos compostos de átomos mais pesados não possuem níveis tão largamente espaçados e não exibem o mesmo efeito.[19]
Ocorrência natural
Hidrogênio é o elemento mais abundante no universo, compondo 75% da matéria normal por massa e mais de 90% por número de átomos.[20] Este elemento é encontrado em grande abundância em estrelas e planetas gigantes de gás. Nuvens moleculares de H2 são associadas a formação de estrelas. O elemento tem um papel vital em dar energia às estrelas através de cadeias próton-próton e do ciclo CNO de fusão nuclear.[21]
Pelo universo, o hidrogênio é geralmente encontrado
cujas propriedades são bem diferentes das do hidrogênio molecular.
Como plasma, o elétron e o próton de hidrogênio não estão ligados,
resultando em uma condutividade elétrica elevada
e alta emissividade (produzindo a luz do Sol).
As partículas carregadas são altamente influenciadas por campos elétricos e magnéticos. Por exemplo, no vento solar elas interagem com a magnetosfera da Terra, fazendo surgir as correntes de Birkeland e a aurora. Hidrogênio é encontrado em estado atômico neutro no meio interestelar. Acredita-se que a grande quantidade de hidrogênio neutro encontrado nos sistemas úmidos Lyman-alfa domina a densidade cosmológica bariônica do Universo até o desvio para o vermelho z=4.[22]
Em Condições Normais de Temperatura e Pressão na Terra, o hidrogênio existe como um gás diatômico, H2 (para dados ver tabela). Entretanto, o gás de hidrogênio é muito raro na atmosfera da Terra (1 ppm volume) devido à sua pequena densidade, o que o possibilita escapar da gravidade da Terra mais facilmente que gases mais pesados. Entretanto, o hidrogênio (na forma combinada quimicamente) é o terceiro elemento mais abundante na superfície da Terra.[23] A maior parte do hidrogênio da Terra está na forma de compostos químicos tais como hidrocarbonetos e água.[24] O gás de hidrogênio é produzido por algumas bactérias e algas, e é um componente natural do flato. Metano é uma fonte de hidrogênio de crescente importância.[25]
Propriedades
Combustão
- 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)[29]
H2 reage diretamente com outros elementos oxidantes. Uma reação violenta e espontânea pode ocorrer em temperatura ambiente com cloro e flúor, formando os haletos de hidrogênio correspondentes: Cloreto de hidrogênio e fluoreto de hidrogênio.[33]
Níveis de energia do elétron
Os níveis de energia do hidrogênio podem ser calculados razoavelmente com precisão usando o modelo de Bohr para o átomo, o qual conceitualiza o elétron como "orbitando" o próton em analogia à órbita da Terra em relação ao Sol. Entretanto, a força eletromagnética atrai elétrons e prótons para cada um, enquanto planetas e objetos celestiais são atraídos uns aos outros pela gravidade.
Por causa da discretização do momento angular postulado por Bohr no começo da mecânica quântica, o elétron no modelo de Bohr pode somente ocupar certas distâncias permitidas do próton, e portanto, somente certas energias permitidas.[35]
Uma descrição mais precisa do átomo de hidrogênio parte de um tratamento puramente mecânico quântico que utiliza a equação de Schrödinger ou a equivalente integração funcional de Feynman para calcular a densidade de probabilidade do elétron perto do próton.[36]
Formas moleculares elementais
Existem duas moléculas diatômicas diferentes de isômeros spin de hidrogênio que diferem pelo spin relativo de seu núcleo.[37]
Na forma de orto-hidrogênio, os spins dos dois prótons são paralelos e formam um estado triplo; na forma de para-hidrogênio, os spins são antiparalelos e formam um singular. Nas condições normais de temperatura e pressão, o gás hidrogênio contém aproximadamente 25% da forma para- e 75% da forma orto-, também conhecido como a "forma normal".[38] A taxa de equilíbrio de orto-hidrogênio para para-hidrogênio depende da temperatura, mas já que a forma orto- é um estado excitado e possui energia mais alta que a forma para-, é instável e não pode ser purificado. Em temperaturas muito baixas, o estado de equilíbrio é composto quase exclusivamente da forma para-. As propriedades físicas do para-hidrogênio puro diferem ligeiramente daquelas da forma normal.[39] A distinção orto-/para- também ocorre em outros grupos funcionais ou moléculas que contêm hidrogênio, como água e metileno.[40]
A interconversão não-$atalisada entre para- e orto- H2 aumenta com a temperatura crescente; portanto, H2 rapidamente condensado contém grandes quantidades da forma orto- de alta energia que convertem para a forma para- muito lentamente.[41] A taxa orto-/para- no H2 condensado é uma consideração importante na preparação e armazenagem do hidrogênio líquido: a conversão de orto- para para- é exotérmica e produz calor suficiente para evaporar o hidrogênio líquido, levando a perda do material liquefeito. Catalizadores para a interconversão orto-/para-, como o óxido férrico, carbono ativado, asbesto platinizado, raros metais alcalinos-terrosos, compostos de urânio, óxido crômico, ou compostos de níquel,[42] são usados durante o resfriamento de hidrogênio.[43]
Uma forma molecular chamada hidrogênio protonado molecular,
ou H3+, é encontrado no meio interestelar,
onde ele é gerado pela ionização
do hidrogênio molecular dos raios cósmicos.
Também tem sido observado na atmosfera mais alta do planeta Júpiter. Esta molécula é relativamente estável no ambiente do espaço sideral devido a baixa temperatura e densidade. H3+ é um dos íons mais abundantes no Universo, e possui um papel notável na química do meio interestelar.[44]
Compostos
Compostos orgânicos e covalentes
Apesar do hidrogênio, em sua forma gasosa (H2) não reagir muito nas CNTP, em sua forma atômica ele está combinado com a maioria dos elementos da Tabela Periódica, formando compostos com diferentes propriedades químicas e físicas. Ele pode formar compostos com elementos mais eletronegativos, tais como os do grupo 17 da Tabela Periódica (halogênios: (F, Cl, Br, I); nestes compostos, o hidrogênio é marcado por atrair para si uma carga parcial positiva.[45]Quando unido a flúor, oxigênio, ou nitrogênio, o hidrogênio pode participar na forma de forte ligação não-covalente chamada ligação de hidrogênio, que é essencial à estabilidade de muitas moléculas biológicas.[46][47] Hidrogênio também forma compostos com menos elementos eletronegativos, como metais e semimetais, nos quais gera uma carga parcial negativa. Estes compostos são geralmente conhecidos como hidretos.[48]
Quando o hidrogênio se combina com o carbono,
ele pode formar uma infinidade de compostos.
Devido à marcante presença destes compostos nos organismos vivos, eles vieram a ser chamados de compostos orgânicos;[49] o ramo da química que estuda as propriedades destes compostos é conhecido como Química Orgânica[50] e seu estudo no contexto de organismos vivos é conhecido como bioquímica.[51] Por algumas definições, compostos "orgânicos" necessitam apenas da condição de conter carbono. Entretanto, a maior parte destes compostos também contém o hidrogênio e, uma vez que é a ligação carbono-hidrogênio que dá a esta classe de compostos suas características químicas particulares, isso faz com que algumas definições de "Química Orgânica" incluam a presença de ligações químicas entre carbono-hidrogênio.[49]
Na Química Inorgânica, hidretos podem também servir como ligantes de ponte, responsáveis pelo elo entre dois centros metálicos em um composto de coordenação. Esta função é particularmente comum em elementos do grupo 13, especialmente em boranos (hidretos de boro) e complexos de alumínio, assim como em carboranos agrupados.[24]
Na natureza conhece-se milhões de hidrocarbonetos mas eles não são formados pela reação direta do hás hidrogênio com o carbono (apesar da produção de gás de síntese segundo o processo de Fischer-Tropsch para criar hidrocarbonetos ter chegado próxima de ser uma exceção, uma vez que isto inicia-se com carvão e o hidrogênio elementar é gerado no local).
Hidretos
Compostos de hidrogênio são freqüentemente chamados de hidretos, um termo que é usado bem livremente. Para químicos, o termo "hidreto" geralmente implica que o átomo H adquiriu um caráter negativo ou aniônico, denotados H−.A existência do aniôn hidreto, sugerida por Gilbert N. Lewis em 1916 para hidretos similares ao sal nos grupos I e II, foi demonstrada por Moers em 1920 com a eletrólise de hidreto de lítio (LiH) derretido, que produziu uma quantidade de hidrogênio estequiométrica no ânodo.[52] Para outros hidretos além dos metais de grupo I e II, o termo é bem enganoso, considerando a eletronegatividade de hidrogênio baixa. Uma exceção nos hidretos do grupo II é BeH2, o qual é polimérico.
No hidreto de alumínio e lítio, o ânion AlH4− carrega centros hidreticos firmamente ligados ao Al(III). Ainda que hidretos podem ser formados com quase todos os elementos do grupo principal, o número e combinação de possíveis compostos varia vastamente; por exemplo, existem mais de 100 hidretos binários de borano conhecidos, mas somente um hidreto binário de alumínio.[53] Hidreto binário de índio ainda não foi identificado, apesar de complexos mais largos existirem.[54]
Prótons e ácidos
Oxidação de hidrogênio, a fim de remover seu elétron, formalmente gera H+, não contendo elétrons e um núcleo, que é geralmente composto de um próton. É por isso que H+ é frequentemente chamado de próton. Esta espécie é central à discussão de ácidos. Sob a teoria de Brønsted-Lowry, ácidos são doadores de prótons, enquanto bases são receptores de prótons.Um próton H+ puro não pode existir em solução devido a sua forte tendência de se ligar a átomos ou moléculas com elétrons. Entretanto, o termo 'próton' é usado livremente para se referir ao hidrogênio de carga positiva ou catiônico, denotado H+.
Para evitar a ficção conveniente do "próton em solução" nu, soluções ácidas aquáticas são às vezes consideradas a conter o íon hidrônio (H3O+), que é organizado em grupos para formar H9O4+.[55] Outros íons oxônio são encontrados quando a água está em solução com outros solventes.[56]
Ainda que exóticos na terra, um dos íons mais comuns no universo é o íon H3+, conhecido como hidrogênio protonado molecular ou cátion trihidrogênio.[57]
Isótopos
existindo outros dois,
O hidrogénio possuiu ainda outros isótopos altamente instáveis (do 4H ao 7H) e que foram sintetizados em laboratório, mas nunca observados na natureza.[58][59]
- ¹H, conhecido como prótio, é o isótopo mais comum do hidrogénio com uma abundância de mais de 99,98%. Devido a que o núcleo deste isótopo é formado por um só próton ele foi baptizado como prótio, nome que apesar de ser muito descritivo, é pouco usado.
- ²H, o outro isótopo estável do hidrogénio, é conhecido como deutério e o seu núcleo contém um próton e um nêutron. O deutério representa 0,0026% ou 0,0184% (segundo seja em fracção molar ou fracção atómica) do hidrogénio presente na Terra, encontrando-se as menores concentrações no hidrogénio gasoso, e as maiores (0,015% ou 150 ppm) em águas oceânicas. O deutério não é radioactivo, e não representa um risco significativo de toxicidade. A água enriquecida em moléculas que incluem deutério no lugar de hidrogénio ¹H (prótio), denomina-se água pesada. O deutério e seus compostos empregam-se em marcações não radioactivas em experiências e também em dissolventes usados em espectroscopia ¹H - RMN. A água pesada utiliza-se como moderador de nêutrons e refrigerante em reactores nucleares. O deutério é também um potencial combustível para a fusão nuclear com fins comerciais.
- ³H é conhecido como trítio e contém um próton e dois nêutrons no seu núcleo. é radioactivo, desintegrando-se em ³2He+ através de uma emissão beta. Possui uma meia-vida de 12,33 anos.[24] Pequenas quantidades de trítio encontram-se na natureza por efeito da interacção dos raios cósmicos com os gases atmosféricos. Também foi libertado trítio para a realização de provas de armamento nuclear. O trítio usa-se em reacções de fusão nuclear, como traçador em Geoquímica Isotópica, e em dispositivos luminosos auto-alimentados. Antes era comum empregar o trítio como radiomarcador em experiências químicas e biológicas, mas actualmente usa-se menos.
O hidrogénio é o único elemento que possui diferentes nomes comuns
para cada um de seus isótopos (naturais).
Durante o começo dos estudos sobre a radioactividade, a alguns isótopos radioactivos pesados foram-lhes atribuídos nomes, mas nenhum deles se continua a usar). Os símbolos D e T (em lugar de ²H e ³H) usam-se às vezes para referir-se ao deutério e ao trítio, mas o símbolo P corresponde ao fósforo e, portanto, não pode usar-se para representar o prótio. A IUPAC declara que ainda que o uso destes símbolos seja comum, ele não é aconselhado.
Reações biológicas
H2 é um produto de alguns tipos de metabolismo anaeróbico e é produzido por vários microorganismos, geralmente via reações catalizadas por enzimas contendo ferro ou níquel chamadas hidrogenases. Estas enzimas catalizam a reação redox reversível entre H2 e seus componentes, dois prótons e dois elétrons. A criação de gás hidrogênio ocorre na transferência para reduzir eqüivalentes produzidos durante fermentação do piruvato à água.[60]na qual a água é decomposta em seus componentes
prótons, elétrons, e oxigênio, ocorre na fase clara
em todos os organismos fotossintéticos.
Alguns organismos — incluindo a alga Chlamydomonas reinhardtii e cianobactéria — evoluiram um passo adiante na fase escura na qual prótons e elétrons são reduzidos para formar gás H2 por hidrogenases especializadas no cloroplasto.[61] Esforços foram feitos para modificar geneticamente as hidrogenases das cianobactérias para sintetizar o gás H2 eficientemente mesmo na presença de oxigênio.[62] Esforços também foram tomados com com algas geneticamente modificadas em um bioreator.[63]
Aplicações
Grandes quantidades de H2 são necessárias nas indústrias de petróleo e química. A maior aplicação de H2 é para o processamento ("aprimoramento") de combustíveis fósseis, e na produção de amoníaco. Os principais consumidores de H2 em uma fábrica petroquímica incluem hidrodesalquilação, hidrodessulfurização, e hidrocraqueamento. H2 também possui diversos outros usos importantes. H2 é utilizado como um agente hidrogenizante, particularmente no aumento do nível de saturação de gorduras insaturadas e óleos (encontrado em itens como margarina), e na produção de metanol. É semelhantemente a fonte de hidrogênio na manufatura de ácido clorídrico. H2 também é usado como um agente redutor de minérios metálicos.[71]Além de seu uso como um reagente, o H2 possui amplas aplicações na física e engenharia. É utilizado como um gás de proteção nos métodos de soldagem como soldagem de hidrogênio atômico.[72][73] H2 é usado como cooler de geradores em usinas, por que tem a maior conductividade térmica de qualquer gás. H2 líquido é usado em pesquisas criogênicas, incluindo estudos de supercondutividade.[74] Uma vez que o H2 é mais leve que o ar, tendo um pouco mais do que 1/15 da densidade do ar, foi certa vez vastamente usado como um gás de levantamento em balões e dirigíveis.[75]
Em aplicações mais recentes, o hidrogênio é utilizado puro ou misturado com nitrogênio (às vezes chamado de forming gas) como um gás rastreador para detectar vazamentos. Aplicações podem ser encontradas nas indústrias automotiva, química, de geração de energia, aeroespacial, e de telecomunicações.[76] Hidrogênio é um aditivo alimentar autorizado (E 949) que permite o teste de vazamento de embalagens, entre outras propriedades antioxidantes.[77]
Os isótopos mais raros do hidrogênio também possuem aplicações específicas para cada um. Deutério (hidrogênio-2) é usado em aplicações de fissão nuclear como um moderador para neutrons lentos, e nas reações de fusão nuclear.[15] Compostos de deutério possuem aplicações em química e biologia nos estudos da reação dos efeitos de isótopos.[78] Trítio (hidrogênio-3), produzido em reatores nucleares, é utilizado na produção de bombas de hidrogênio,[79] como um selo isotópico nas ciências biológicas,[80] e como uma fonte de radiação em pinturas luminosas.[81]
A temperatura de equilíbrio do hidrogênio em ponto triplo
é um ponto fixo definido na escala de temperatura
Portador de energia
Hidrogênio não é um recurso de energia,[83] exceto no contexto hipotético das usinas comerciais de fusão nuclear usando deutério ou trítio, uma tecnologia atualmente longe de desenvolvimento.[84] A energia do Sol origina-se da fusão nuclear de hidrogênio, mas este processo é difícil de alcançar controlavelmente na Terra.[85] Hidrogênio elementar de fontes solares, biológicas ou elétricas requerem mais energia para criar do que é obtida ao queimá-lo, então, nestes casos, o hidrogênio funciona como um portador de energia, como uma bateria. Ele pode ser obtido de fontes fósseis (como metano), mas estas fontes são insustentáveis.[83]A densidade de energia por unidade volume de ambos hidrogênio líquido e gás de hidrogênio comprimido em qualquer pressão praticável é significantemente menor do que aquela de fontes tradicionais de combustível, apesar da densidade de energia por unidade massa de combustível é mais alta.[83] Todavia, o hidrogênio elementar tem sido amplamente discutido no contexto da energia, como um possível portador de energia futuro em uma grande escala da economia.[86] Por exemplo, CO2 sequestramento seguido de captura e armazenamento de carbono poderia ser conduzido ao ponto da produção de H2 a partir de combustíveis fósseis.[87] O hidrogênio usado no transporte queimaria relativamente limpo, com algumas emissões de NOx,[88] porém sem emissões de carbono.[87] Entretanto, os custos de infraestrutura associados com a conversão total a uma economia de hidrogênio seria substancial.[89]
Indústria de semicondutores
Hidrogênio é empregado para saturar ligações quebradas de silício amorfo e carbono amorfo que ajudam a estabilizar propriedades materiais.[90] É também um potencial doador de elétron em vários materiais óxidos, incluindo ZnO,[91][92] SnO2, CdO, MgO,[93] ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4, e SrZrO3.[94]Segurança e precauções
O hidrogênio gera vários perigos à segurança humana,
de potenciais detonações e incêndios
quando misturado com o ar a ser um asfixiante
Em adição, hidrogênio líquido é um criogênico e apresenta perigos (como congelamento) associados a líquidos muito gelados.[96] O elemento dissolve-se em alguns metais, e, além de vazar, pode ter efeitos adversos neles, como a fragilização por hidrogênio.[97] O vazamento de gás hidrogênio no ar externo pode espontaneamente entrar em combustão. Além disso, o fogo de hidrogênio, enquanto sendo extremamente quente, é quase invisível, e portanto pode levar a queimaduras acidentais.[98]
Até mesmo interpretar os dados do hidrogênio (incluindo dados para a segurança) é confundido por diversos fenômenos. Muitas propriedades físicas e químicas do hidrogênio dependem da taxa de para-hidrogênio/orto-hidrogênio (geralmente levam-se dias ou semanas em uma dada temperatura para alcançar a taxa de equilíbrio, pelo qual os resultados usualmente aparecem. os parâmetros de detonação do hidrogênio, como a pressão e temperatura críticas de fudição, dependem muito da geometria do contentor.[95]
Hidrogênio líquido
O hidrogênio líquido (também denominado por LH2) é a forma líquida do hidrogênio.
É utilizado como propelente combustível de foguetes pela indústria aeroespacial.
Atualmente, são pesquisados carros com motor de combustão interna com tanques de hidrogénio líquido (por exemplo, o BMW H2R).
A explosão de uma bomba atômica consegue facilmente arrasar uma grande cidade.
bomba atômica usada contra civis em finais da Segunda Guerra Mundial.
Entretanto a força da bomba jogada sobre Hiroshima, baseada em fissão nuclear
é muitas vezes menor que uma bomba de hidrogênio (nunca utilizada em guerra),
teve força 4000 vezes superior à bomba de Hiroshima
Fonte:
Wikipédia
Wikipédia
http://pt.wikipedia.org/wiki/Hidrogenio
Sejam felizes todos os seres.
Vivam em paz todos os seres.
Sejam abençoados todos os seres.
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