Hidrogênio

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Hidrogênio,  1 H
Hydrogen discharge tube.jpg
Brilho roxo em seu estado de plasma
Hidrogênio
Aparênciagás incolor
Peso atômico padrão A r, std (H) [1.007 841,008 11 ] convencional: 1,008 [1]
Hidrogênio na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
-

H

Li
- ← hidrogêniohélio
Número atômico ( Z )1
Grupogrupo 1 : hidrogênio e metais alcalinos
Períodoperíodo 1
Bloquear  bloco s
Configuração de elétron1s 1
Elétrons por camada1
Propriedades físicas
Fase em  STPgás
Ponto de fusão(H 2 ) 13,99  K (−259,16 ° C, −434,49 ° F)
Ponto de ebulição(H 2 ) 20,271 K (−252,879 ° C, −423,182 ° F)
Densidade (em STP)0,08988 g / L
quando líquido (em  mp )0,07 g / cm 3 (sólido: 0,0763 g / cm 3 ) [2]
quando líquido (em  bp )0,07099 g / cm 3
Ponto Triplo13,8033 K, 7,041 kPa
Ponto crítico32,938 K, 1,2858 MPa
Calor de fusão(H 2 ) 0,117  kJ / mol
Calor da vaporização(H 2 ) 0,904 kJ / mol
Capacidade de calor molar(H 2 ) 28,836 J / (mol · K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 mil 10 k 100 k
em  T  (K) 15 20
Propriedades atômicas
Estados de oxidação-1 , +1 (um óxido anfotérico )
Eletro-negatividadeEscala de Pauling: 2,20
Energias de ionização
  • 1o: 1312,0 kJ / mol
Raio covalente31 ±  17h
Raio de Van der Waals120 pm
Color lines in a spectral range
Linhas espectrais de hidrogênio
Outras propriedades
Ocorrência naturalprimordial
Estrutura de cristalhexagonal
Hexagonal crystal structure for hydrogen
Velocidade do som1310 m / s (gás, 27 ° C)
Condutividade térmica0,1805 W / (m⋅K)
Ordenação magnéticadiamagnético [3]
Suscetibilidade magnética molar−3,98 × 10 −6  cm 3 / mol (298 K) [4]
Número CAS12385-13-6
1333-74-0 (H 2 )
História
DescobertaHenry Cavendish [5] [6] (1766)
Nomeado porAntoine Lavoisier [7] (1783)
Principais isótopos de hidrogênio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
1 H 99,98% estábulo
2 H 0,02% estábulo
3 H vestígio 12,32 anos β - 3 ele
Category Categoria: Hidrogênio
| referências

O 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 H 2 . É incolor , inodoro , não tóxico e altamente combustível . O hidrogênio é a substância química mais abundante no universo , constituindo cerca de 75% de toda a matéria normal . [8] [nota 1] Estrelas como oO Sol é composto principalmente de hidrogênio no estado de plasma . A maior parte do hidrogênio da Terra existe em formas moleculares , como água e compostos orgânicos . Para o isótopo mais comum de hidrogênio (símbolo 1 H), cada átomo tem um próton , um elétron e nenhum nêutron .

No início do universo , a formação de prótons, os núcleos do hidrogênio, ocorreu durante o primeiro segundo após o Big Bang . O surgimento de átomos de hidrogênio neutros em todo o universo ocorreu cerca de 370.000 anos depois, durante a época de recombinação , quando o plasma havia esfriado o suficiente para que os elétrons permanecessem ligados aos prótons. [9]

O hidrogênio é não metálico , exceto em pressões extremamente altas, e forma prontamente 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 um hidreto , ou como uma espécie com carga positiva (ou seja, cátion ) denotada pelo símbolo H + . O H+ cátion é simplesmente um próton (símbolo p ), mas seu 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, [10] o estudo de sua energética e ligações químicas 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 nos metais. Em 1766-81, Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer que o gás hidrogênio era uma substância discreta, [11] e que produz água quando queimado, propriedade pela qual foi nomeado posteriormente: em grego, hidrogênio significa "formador de água" .

A produção industrial é principalmente de gás natural de reforma a vapor e, com menos frequência, de métodos mais intensivos em energia, como a eletrólise da água . [12] A maior parte do hidrogênio é usada perto do local de sua produção, sendo os dois maiores usos o processamento de combustível fóssil (por exemplo, hidrocraqueamento ) e a produção de amônia , principalmente para o mercado de fertilizantes. O hidrogênio é problemático na metalurgia porque pode fragilizar muitos metais, [13] complicando o projeto de dutos e tanques de armazenamento . [14]

Propriedades

Combustão

Combustão do hidrogênio com o oxigênio do ar. Quando a tampa inferior é removida, permitindo que o ar entre na parte inferior, o hidrogênio no recipiente sobe e queima ao se misturar com o ar.
A black cup-like object hanging by its bottom with blue glow coming out of its opening.
O motor principal do ônibus espacial queimava hidrogênio com oxigênio, produzindo uma chama quase invisível a todo vapor.

O gás hidrogênio ( dihidrogênio ou hidrogênio molecular) [15] é altamente inflamável:

2 H 2 (g) + O 2 (g) → 2 H 2 O (l) + 572 kJ (286 kJ / mol) [nota 2]

A entalpia de combustão é -286 kJ / mol. [16]

O gás hidrogênio forma misturas explosivas com o ar em concentrações de 4 a 74% [17] 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). [18]

Chama

Chamas de hidrogênio-oxigênio puro emitem luz ultravioleta e com alta mistura de oxigênio são quase invisíveis a olho nu, conforme ilustrado pela pluma tênue do motor principal do ônibus espacial , em comparação com a pluma altamente visível de um impulsionador de foguete sólido do ônibus espacial , que usa um composto de perclorato de amônio . A detecção de um vazamento de hidrogênio queimando pode exigir um detector de chama ; esses vazamentos podem ser muito perigosos. As chamas de hidrogênio em outras condições são azuis, assemelhando-se a chamas azuis de gás natural. [19] A destruição do dirigível Hindenburgfoi um exemplo notório de combustão de hidrogênio e a causa ainda é debatida. As chamas visíveis nas fotos eram o resultado de compostos de carbono na queima da pele do dirigível. [20]

Reagentes

H 2 não é reativo em comparação com elementos diatômicos, como halogênios ou oxigênio. A base termodinâmica dessa baixa reatividade é a ligação HH muito forte, com uma energia de dissociação de ligação de 435,7 kJ / mol. [21] A base cinética da baixa reatividade é a natureza apolar do H 2 e sua fraca polarizabilidade. Ele reage espontaneamente com cloro e flúor para formar cloreto de hidrogênio e fluoreto de hidrogênio , respectivamente. [22] A reatividade do H 2 é fortemente afetada pela presença de catalisadores metálicos. Assim, embora as misturas de H 2 com O2 ou ar combustam prontamente quando aquecidos a pelo menos 500 C por uma faísca ou chama, eles não reagem à temperatura ambiente na ausência de um catalisador.

Níveis de energia de elétrons

Drawing of a light-gray large sphere with a cut off quarter and a black small sphere and numbers 1.7x10−5 illustrating their relative diameters.
Representação de um átomo de hidrogênio com o tamanho do próton central mostrado e o diâmetro atômico mostrado como cerca de duas vezes o raio do modelo de Bohr (imagem fora da escala)

O nível de energia do estado fundamental do elétron em um átomo de hidrogênio é −13,6  eV , [23] que é equivalente a um fóton ultravioleta de aproximadamente 91  nm de comprimento de onda. [24]

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 à órbita do Sol na Terra. No entanto, o elétron atômico e o próton são mantidos juntos pela força eletromagnética , enquanto os planetas e objetos celestes são mantidos pela gravidade . Por causa da discretização do momento angular postulado 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. [25]

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. [26] Os tratamentos mais complicados permitem os pequenos efeitos da relatividade especial e da polarização a vácuo . No tratamento da mecânica quântica, o elétron em um átomo de hidrogênio do estado fundamental não tem momento angular - ilustrando como a "órbita planetária" difere do movimento do elétron.

Isômeros de spin

Molecular H 2 existe como dois isómeros de rotação , ou seja, compostos que diferem apenas nos estados de spin de seus núcleos. [27] Na forma orto - hidrogênio , os spins dos dois núcleos são paralelos, formando um estado tripleto de spin com um spin molecular total ; na forma para - hidrogênio , os spins são antiparalelos e formam um estado de spin singlet com spin. A proporção de equilíbrio de orto- para para-hidrogênio depende da temperatura. Em temperatura ambiente ou mais quente, o gás hidrogênio de equilíbrio contém cerca de 25% da forma para e 75% da forma orto. [28] A forma orto é um estado excitado , com energia mais alta do que a forma para em 1.455 kJ / mol, [29] e se converte para a forma para ao longo de vários minutos quando resfriado a baixa temperatura. [30] As propriedades térmicas das formas diferem porque diferem em seus estados quânticos rotacionais permitidos , resultando em propriedades térmicas diferentes, como a capacidade de calor. [31]

A razão orto-para-para em H 2 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 para-hidrogênio durante o processo de resfriamento. [32] Catalisadores para a interconversão orto-para, como óxido férrico e compostos de carvão ativado , são usados ​​durante o resfriamento de hidrogênio para evitar essa perda de líquido. [33]

Fases

Phase diagram of hydrogen on logarithmic scales. Lines show boundaries between phases, with the end of the liquid-gas line indicating the critical point. The triple point of hydrogen is just off-scale to the left.
Diagrama de fases do hidrogênio. As escalas de temperatura e pressão são logarítmicas , então uma unidade corresponde a uma mudança de 10x. A borda esquerda corresponde a 10 5 Pa, que é aproximadamente a pressão atmosférica .

Compostos

Compostos covalentes e orgânicos

Embora o H 2 não seja muito reativo sob 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. [34] 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 fundamental para o estabilidade de muitas moléculas biológicas.[35] [36] O hidrogênio também forma compostos com menos elementos eletronegativos, como metais e metalóides , onde assume uma carga parcial negativa. Esses compostos são freqüentemente conhecidos como hidretos . [37]

O hidrogênio forma uma vasta gama de compostos com o carbono, chamados de hidrocarbonetos , e ainda mais ampla, com heteroátomos que, por causa de sua associação geral com os seres vivos, são chamados de compostos orgânicos . [38] O estudo de suas propriedades é conhecido como química orgânica [39] e seu estudo no contexto de organismos vivos é conhecido como bioquímica . [40]Por algumas definições, os compostos "orgânicos" 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 maior parte de suas características químicas particulares, as ligações carbono-hidrogênio são necessárias em algumas definições da palavra "orgânico" em química. [38] 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 [41] e é solúvel em metais nanocristalinos e amorfos . [42] A solubilidade do hidrogênio em metais é influenciada por distorções locais ou impurezas na estrutura cristalina . [43] Essas propriedades podem ser úteis quando o hidrogênio é purificado pela passagem através de discos quentes de paládio , mas a alta solubilidade do gás é um problema metalúrgico, contribuindo para a fragilização de muitos metais, [13] complicando o projeto de dutos e tanques de armazenamento. [14]

Hidretos

Os compostos de hidrogênio são freqüentemente chamados de hidretos , um termo usado de forma bastante vaga. O termo "hidreto" sugere que o átomo de H adquiriu um negativo ou carácter aniónico, denotado H - , e é utilizado quando o hidrogênio forma um composto com um mais electropositivo elemento. A existência do ânion hidreto , sugerido por Gilbert N. Lewis em 1916 para os hidretos do tipo sal dos grupos 1 e 2, foi demonstrada por Moers em 1920 pela eletrólise do hidreto de lítio fundido (LiH), produzindo uma quantidade estequiométrica de hidrogênio no ânodo. [44]Para hidretos diferentes dos metais dos grupos 1 e 2, o termo é bastante enganoso, considerando a baixa eletronegatividade do hidrogênio. Uma exceção no grupo 2 hidretos é BeH
2
, que é polimérico. No hidreto de alumínio e lítio , o AlH-
4
ânion 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 compostos possíveis variam amplamente; por exemplo, mais de 100 hidretos de borano binários são conhecidos, mas apenas um hidreto de alumínio binário. [45] O hidreto de índio binário ainda não foi identificado, embora existam complexos maiores. [46]

Na química inorgânica , os hidretos também podem servir como ligantes de ponte que ligam dois centros de metal 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 . [47]

Prótons e ácidos

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

Um próton puro, H+
, não pode existir em solução ou em cristais iônicos por causa de sua atração imparável por outros átomos ou moléculas com elétrons. Exceto nas altas temperaturas associadas aos plasmas, esses prótons não podem ser removidos das nuvens de elétrons 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 desta forma, e como tal é denotado " H+
"sem qualquer implicação de que qualquer próton exista livremente como espécie.

Para evitar a implicação do "próton solvatado" puro em solução, as soluções aquosas ácidas às vezes são consideradas como contendo uma espécie fictícia menos improvável, denominada " íon hidrônio " ( H
3
O+
) No entanto, mesmo neste caso, tais cátions de hidrogênio solvatados são mais realisticamente concebidos como sendo organizados em aglomerados que formam espécies mais próximas de H
9
O+
4
. [48] Outros íons de oxônio são encontrados quando a água está em solução ácida com outros solventes. [49]

Embora exótico na Terra, um dos íons mais comuns no universo é o H+
3
, conhecido como hidrogênio molecular protonado ou cátion trihidrogênio. [50]

Isótopos

Blausen 0530 HydrogenIsotopes.png
Tubo de descarga de hidrogênio (espectro)
Tubo de descarga de deutério (espectro)

O hidrogênio tem três isótopos naturais, denotados 1
H
,2
H
e3
H
. Outros núcleos altamente instáveis ​​(4
H
para7
H
) foram sintetizados em laboratório, mas não observados na natureza. [51] [52]

  • 1
    H
    é o isótopo de hidrogênio mais comum, com abundância de mais de 99,98%. Como o núcleo desse isótopo consiste em apenas um único próton, ele recebe o nome formal descritivo, mas raramente usado, de protium . [53] É único entre todos os isótopos estáveis ​​por não ter nêutrons; veja diproton para uma discussão sobre por que outros não existem.
  • 2
    H
    , o outro isótopo de hidrogênio estável, é conhecido como deutério e contém um próton e um nêutron no núcleo. Pensa-se que todo o deutério no universo foi produzido na época do Big Bang e tem durado 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 chamada de água pesada . Deutério e seus compostos são usados ​​como um marcador não radioativo em experimentos químicos e em solventes para1
    H
    - espectroscopia de RMN . [54] A água pesada é usada como moderador de nêutrons e refrigerante para reatores nucleares. O deutério também é um combustível potencial para a fusão nuclear comercial . [55]
  • 3
    H
    é conhecido como trítio e contém um próton e dois nêutrons em seu núcleo. É radioativo, decaindo em hélio-3 por meio do decaimento beta com meia-vida de 12,32 anos. [47] É tão radioativo que pode ser usado em tintas luminosas , o que o torna útil em coisas como relógios. O vidro evita que a pequena quantidade de radiação saia. [56] Pequenas quantidades de trítio são produzidas naturalmente pela interação dos raios cósmicos com os gases atmosféricos; trítio também foi liberado durante testes de armas nucleares . [57] É usado em reações de fusão nuclear, [58]como traçador em geoquímica de isótopos , [59] e em dispositivos de iluminação autoalimentados especializados . [60] O trítio também foi usado em experimentos de rotulagem química e biológica como um radiomarcador . [61]

Único entre os elementos, nomes distintos são atribuídos a 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 para deutério e trítio. Os símbolos D e T (em vez de2
H
e3
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. [62] Em suas diretrizes de nomenclatura , a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) permite qualquer um de D, T,2
H
, e3
H
para ser usado, embora2
H
e3
H
são os preferidos. [63]

O átomo exótico muônio (símbolo Mu), composto por um antimuon e um elétron , às vezes também é considerado um radioisótopo leve de hidrogênio, devido à diferença de massa entre o antimuon e o elétron. [64] O muônio foi descoberto em 1960. [65] Durante aCom 2,2  µs de vida, o muônio pode entrar em compostos como o cloreto de muônio (MuCl) ou o muoneto de sódio (NaMu), análogo ao cloreto de hidrogênio e hidreto de sódio, respectivamente. [66]

História

Descoberta e uso

Em 1671, Robert Boyle descobriu e descreveu a reação entre limalha de ferro e ácidos diluídos , que resulta na produção de gás hidrogênio. [67] [68] Em 1766, Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer o gás hidrogênio como uma substância discreta, nomeando o gás de uma reação metal-ácido de "ar inflamável". Ele especulou que o "ar inflamável" era de fato idêntico à substância hipotética chamada " flogístico " [69] [70] e descobriu em 1781 que o gás produz água quando queimado. Ele geralmente recebe crédito pela descoberta do hidrogênio como um elemento. [5] [6]Em 1783, Antoine Lavoisier deu ao elemento o nome de hidrogênio (do grego ὑδρο- hydro que significa "água" e genes -γενής que significam "anterior") [71] quando ele e Laplace reproduziram a descoberta de Cavendish de que a água é produzida quando o hidrogênio é queimado. [6]

Antoine-Laurent de Lavoisier

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

1)
2)
3)

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 o resfriamento regenerativo e sua invenção, o frasco a vácuo . [6] Ele produziu hidrogênio sólido no ano seguinte. [6] 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 . [5] Água pesada , que consiste em deutério no lugar do hidrogênio regular, foi descoberta pelo grupo de Urey em 1932. [6] François Isaac de Rivaz construiu o primeiro motor de Rivaz , um motor de combustão interna movido por uma mistura de hidrogênio e oxigênio em 1806. Edward Daniel Clarke inventou o maçarico a gás hidrogênio em 1819. A lâmpada e os holofotes do Döbereiner foram inventados em 1823. [6]

O primeiro balão cheio de hidrogênio foi inventado por Jacques Charles em 1783. [6] 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 . [6] 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 vôo inaugural em 1900. [6]Os voos regulares começaram em 1910 e com a eclosão da Primeira Guerra Mundial em agosto de 1914, eles transportaram 35.000 passageiros sem um incidente sério. Os 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 prometeu maior segurança, mas o governo dos EUA recusou-se a vender o gás para esse fim . Portanto, H 2 foi usado no dirigível Hindenburg , que foi destruído em um incêndio no ar sobre Nova Jersey em 6 de maio de 1937. [6] 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 gás de elevação já estava feito e as viagens comerciais de dirigíveis a hidrogênio cessaram . O hidrogênio ainda é usado, de preferência ao hélio não inflamável, mas mais caro, como gás de elevação para balões meteorológicos .

No mesmo ano, o primeiro turbogerador resfriado 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 .; [72] por causa da condutividade térmica e da 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 são geralmente refrigerados a ar ) .

A bateria de níquel hidrogênio foi usada pela primeira vez em 1977 a bordo do satélite-2 de tecnologia de navegação da Marinha dos EUA (NTS-2). [73] Por exemplo, a ISS , [74] Mars Odyssey [75] e o Mars Global Surveyor [76] estão equipados 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, [77] mais de 19 anos após o lançamento e 13 anos além de sua vida útil. [78]

Papel na teoria quântica

A line spectrum showing black background with narrow lines superimposed on it: one violet, one blue, one cyan, and one red.
Linhas do espectro de emissão de hidrogênio na faixa visível. Estas são as quatro linhas visíveis da série Balmer

Por causa de sua estrutura atômica simples, consistindo apenas de um próton e um elétron, o átomo de hidrogênio , junto com o espectro de luz produzido a partir dele ou por ele absorvido, foi fundamental para o desenvolvimento da teoria da estrutura atômica . [79] Além disso, o estudo da simplicidade correspondente da molécula de hidrogênio e o cátion H correspondente+
2
trouxe a compreensão da natureza da ligação química , que se seguiu logo após o tratamento mecânico quântico do átomo de hidrogênio ter sido desenvolvido em meados da década de 1920.

Um dos primeiros efeitos quânticos a ser explicitamente notado (mas não compreendido na época) foi uma observação de Maxwell envolvendo hidrogênio, meio século antes da teoria da mecânica quântica completa chegar. Maxwell observou que a capacidade de calor específico de H 2 inexplicavelmente afasta-se da de um gás diatômico abaixo da temperatura ambiente e começa a se assemelhar cada vez mais à de um gás monoatômico em temperaturas criogênicas. De acordo com a teoria quântica, esse comportamento decorre do espaçamento dos níveis de energia rotacional (quantizados), que são particularmente espaçados em H 2.por causa de sua baixa massa. Esses níveis amplamente espaçados inibem a partição igual da energia térmica em movimento rotacional no hidrogênio em baixas temperaturas. Gases diatômicos compostos de átomos mais pesados ​​não têm níveis tão espaçados e não exibem o mesmo efeito. [80]

Antihidrogênio (
H
) é a antimatéria equivalente ao hidrogênio. Consiste em um antipróton com um pósitron . O anti-hidrogênio é o único tipo de átomo de antimatéria produzido em 2015 . [81] [82]

Prevalência e distribuição cósmica

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 ainda não detectadas de massa, como matéria escura e energia escura . [83] ) Este elemento é encontrado em grande abundância em estrelas e planetas gigantes gasosos. Nuvens moleculares de H 2 estão associadas à formação de estrelas . O hidrogênio desempenha um papel vital no fornecimento de energia às estrelasatravés da reação próton-próton no caso de estrelas com muito baixa a aproximadamente 1 massa do Sol e do ciclo CNO de fusão nuclear no caso de estrelas mais massivas que o nosso Sol . [84]

Estados

Em todo o universo, o hidrogênio é encontrado principalmente nos estados atômico e plasmático , com propriedades bem distintas das do hidrogênio molecular. Como um plasma, o elétron e o próton do hidrogênio não estão ligados, resultando em condutividade elétrica e emissividade muito altas (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. [85] Acredita-se que a grande quantidade de hidrogênio neutro encontrada nos sistemas Lyman-alfa amortecidos domine a densidade bariônica cosmológica do universo até um desvio para o vermelho de z  = 4. [86]

Em condições normais na Terra, o hidrogênio elementar existe como o gás diatômico, H 2 . O gás hidrogênio é muito raro na atmosfera terrestre (1 ppm por volume) devido ao seu peso leve, 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, [87] principalmente na forma de compostos químicos como hidrocarbonetos e água. [47]

Uma forma molecular chamada hidrogênio molecular protonado ( H+
3
) é encontrado no meio interestelar, onde é gerado pela ionização do hidrogênio molecular dos raios cósmicos . Este íon também foi observado na alta atmosfera 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 do universo e desempenha um papel notável na química do meio interestelar. [88] H 3 hidrogênio triatômico neutro pode existir apenas em uma forma excitada e é instável. [89] Em contraste, o íon molecular de hidrogênio positivo ( H+
2
) é uma molécula rara no universo.

Produção

H
2
é produzido em laboratórios de química e biologia, muitas vezes como um subproduto de outras reações; na indústria de hidrogenação de substratos insaturados ; e na natureza como um meio de expulsar equivalentes redutores em reações bioquímicas.

Eletrólise de água

Ilustrando entradas e saídas de eletrólise simples de produção de água de hidrogênio

A eletrólise da água é um método simples de produção de hidrogênio. Uma corrente de baixa voltagem 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, entretanto, 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 liberado.) A eficiência máxima teórica (eletricidade usada vs. valor energético do hidrogênio produzido) está na faixa de 88-94%. [90] [91]

2 H
2
O
(l) → 2 H
2
(g) + O
2
(g)

Pirólise de metano (método industrial)

Ilustrando entradas e saídas da pirólise do metano , um processo para produzir hidrogênio

A produção de hidrogênio usando a pirólise de metano com gás natural é um processo recente "sem gases de efeito estufa" em uma etapa. [92] [93] O desenvolvimento da produção de volume usando este método é a chave para permitir a redução mais rápida de carbono usando hidrogênio em processos industriais, [94] transporte de caminhão pesado elétrico por célula de combustível , [95] [96] [97] [98] e na geração de energia elétrica por turbinas a gás. [99] [100] Pirólise de metano usa metano CH
4
borbulhou através do catalisador de metal fundido em altas temperaturas (1340 K, 1065 ° C ou 1950 ° F) para produzir hidrogênio H não poluente
2
gás em alto volume, com baixo custo e produz carbono sólido não poluente C [101] [102] sem emissão de gases de efeito estufa. [103] [104]

CH
4
(g) → C (s) + 2 H
2
(g) ΔH ° = 74 kJ / mol

O carbono sólido de qualidade industrial pode ser comercializado como matéria-prima de manufatura ou permanentemente depositado em aterro, não é lançado na atmosfera e não há poluição do lençol freático em aterro. A pirólise do metano está em desenvolvimento e é considerada adequada para a produção comercial de hidrogênio a granel. A produção em volume está sendo avaliada na planta piloto de "pirólise de metano em escala" da BASF . [105] Outras pesquisas continuam em vários laboratórios, incluindo o Laboratório de metal líquido de Karlsruhe (KALLA) [106] e o laboratório de engenharia química da Universidade da Califórnia - Santa Bárbara [107]

Métodos industriais

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

O hidrogênio é frequentemente produzido usando vapor de água com alguma transmissão de gases naturais, que envolve a remoção do hidrogênio dos hidrocarbonetos em temperaturas muito altas, com 48% da produção de hidrogênio proveniente da reforma a vapor. [108] [109] O hidrogênio a granel comercial é geralmente produzido pela reforma a vapor do gás natural [110] com liberação de gás de efeito estufa atmosférico ou com captura usando CCS e mitigação da mudança climática . 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 de água) reage com o metano para produzir monóxido de carbono e H
2
.

CH
4
+ H
2
O
→ CO + 3 H
2

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

CH
4
→ C + 2 H
2

Consequentemente, a reforma a vapor normalmente emprega um excesso de H
2
O
. O hidrogênio adicional pode ser recuperado do vapor pelo uso de monóxido de carbono por meio da reação de deslocamento do gás água , especialmente com um catalisador de óxido de ferro . Essa reação também é uma fonte industrial comum de dióxido de carbono : [110]

CO + H
2
O
CO
2
+ H
2

Outros métodos importantes para CO e H
2
a produção inclui a oxidação parcial de hidrocarbonetos: [111]

2 CH
4
+ O
2
→ 2 CO + 4 H
2

e a reação do carvão, que pode servir como um prelúdio para a reação de mudança acima: [110]

C + H
2
O
→ CO + H
2

O hidrogênio às vezes é produzido e consumido no mesmo processo industrial, sem ser separado. No processo Haber de produção de amônia , o hidrogênio é gerado a partir do gás natural. [112] A eletrólise da salmoura para produzir cloro também produz hidrogênio como um co-produto. [113]

Ácido metálico

Muitos metais reagem com a água para produzir H
2
, mas a taxa de evolução do hidrogênio depende do metal, do pH e da 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 prontamente com ácidos aquosos. Essa reação é a base do aparelho de Kipp , que já foi usado como fonte de gás de laboratório:

Zn + 2 H+
Zn2+
+ H
2

Na ausência de ácido, a evolução de H
2
é mais lento. Como o ferro é um material estrutural amplamente utilizado, sua corrosão anaeróbica é de importância tecnológica:

Fe + 2 H
2
O → Fe (OH)
2
+ H
2

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. [114] Em pH alto, o alumínio pode produzir H
2
:

2 Al + 6 H
2
O
+ 2 OH-
→ 2 Al (OH)-
4
+ 3 H
2

Alguns compostos contendo metal reagem com ácidos para desenvolver H
2
. Em condições anaeróbicas, hidróxido ferroso ( Fe (OH)
2
) pode ser oxidado pelos prótons da água para formar magnetita e H
2
. Este processo é descrito pela reação de Schikorr :

3 Fe (OH)
2
Fe
3
O
4
+ 2 H
2
O + H
2

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

Termoquímica

Mais de 200 ciclos termoquímicos podem ser usados ​​para separação de água . Muitos destes ciclos, tais como o ciclo de óxido de ferro , cério (IV) de óxido de cério (III) ciclo óxido , zinco ciclo-óxido de zinco , ciclo do enxofre-iodo , ciclo cobre-cloro e ciclo do enxofre híbrido foram avaliadas quanto ao seu potencial comercial para produzir hidrogênio e oxigênio a partir da água e do calor sem usar eletricidade. [115] Vários laboratórios (incluindo na França, Alemanha, Grécia, Japão e EUA) estão desenvolvendo métodos termoquímicos para produzir hidrogênio a partir da energia solar e água. [116]

Reação de serpentinização

Em profundas condições geológicas prevalecentes longe da atmosfera terrestre, o hidrogênio ( H
2
) é produzido durante o processo de serpentinização . Neste processo, prótons de água (H + ) são reduzidos por íons ferrosos (Fe 2+ ) fornecidos pela faialita ( Fe
2
SiO
4
) A reação forma magnetita ( Fe
3
O
4
), quartzo (Si O
2
), e hidrogênio ( H
2
): [117] [118]

3 Fe
2
SiO
4
+ 2 H
2
O → 2 Fe
3
O
4
+ 3 Si O
2
+ 3 H
2
fayalita + água → magnetita + quartzo + hidrogênio

Esta reação se assemelha muito à reação de Schikorr observada na oxidação anaeróbica de hidróxido ferroso em contato com água.

Formulários

Indústria petroquímica

Grandes quantidades de H
2
são usados ​​na "atualização" de combustíveis fósseis. Principais consumidores de H
2
incluem hidrodealquilação , hidrodessulfurização e hidrocraqueamento . Muitas dessas reações podem ser classificadas como hidrogenólise , ou seja, a clivagem de ligações ao carbono. Ilustrativo é a separação do enxofre dos combustíveis fósseis líquidos:

RSR + 2 H 2 → H 2 S + 2 HR

Hidrogenação

Hidrogenação , a adição de H
2
a vários substratos é conduzido em grande escala. A hidrogenação do N2 para produzir amônia pelo processo Haber-Bosch consome alguns por cento do orçamento de energia em toda a indústria. A amônia resultante é usada para fornecer a maior parte da proteína consumida por humanos. [119] A hidrogenação é usada para converter gorduras e óleos insaturados em óleos e gorduras saturadas. A principal aplicação é a produção de margarinas . O metanol é produzido pela hidrogenação do dióxido de carbono. Da mesma forma, é a fonte de hidrogênio na fabricação de ácido clorídrico . H
2
também é usado como um agente redutor para a conversão de alguns minérios em metais. [120]

Refrigerante

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

Portador de energia

O hidrogênio não é um recurso energético como combustível de combustão porque não existe uma fonte natural de hidrogênio em quantidades úteis. [121] A energia do Sol vem da fusão nuclear do hidrogênio, mas este processo é difícil de ser alcançado de forma controlada na Terra. [122] O hidrogênio elementar de fontes solares, biológicas ou elétricas exige mais energia para ser produzido do que a obtida ao ser queimado, portanto, nesses casos, o hidrogênio funciona como um transportador de energia, como uma bateria. O hidrogênio pode ser obtido de fontes fósseis (como o metano), mas essas fontes são insustentáveis. [121]

A densidade de energia por unidade de volume do hidrogênio líquido e do gás hidrogênio comprimido em qualquer pressão praticável é significativamente menor do que a das fontes de combustível tradicionais, embora a densidade de energia por unidade de massa de combustível seja maior. [121] No entanto, o hidrogênio elementar tem sido amplamente discutido no contexto da energia, como um possível transportador futuro de energia em uma escala econômica. [123] Por exemplo, CO
2
sequestro seguido de captura e armazenamento de carbono pode ser realizado no ponto H
2
produção de combustíveis fósseis. [124] O hidrogênio usado no transporte queimaria de maneira relativamente limpa, com algumas emissões de NO x , [125] mas sem emissões de carbono. [124] No entanto, os custos de infraestrutura associados à conversão total para uma economia de hidrogênio seriam substanciais. [126] As células de combustível podem converter hidrogênio e oxigênio diretamente em eletricidade de forma mais eficiente do que os motores de combustão interna. [127]

Indústria de semicondutores

O hidrogênio é empregado para saturar ligações quebradas ("pendentes") de silício amorfo e carbono amorfo que ajuda a estabilizar as propriedades do material. [128] É também um potencial doador de elétrons em vários materiais de óxido, incluindo ZnO , [129] [130] SnO 2 , CdO , MgO , [131] ZrO 2 , HfO 2 , La 2 O 3 , Y 2 O 3 , TiO 2 , SrTiO 3 ,LaAlO 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrSiO 4 , HfSiO 4 e SrZrO 3 . [132]

Propelente de foguete

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

Nicho e usos em evolução

  • Levantamento flutuante: Porque H
    2
    é mais leve que o ar, tendo apenas 7% da densidade do ar, já foi amplamente utilizado como gás de elevação em balões e dirigíveis . [136]
  • Detecção de vazamento: Puro ou misturado com nitrogênio (às vezes chamado de gás de formação ), o hidrogênio é um gás marcador para detecção de vazamentos minúsculos. As aplicações podem ser encontradas nos setores automotivo, químico, de geração de energia, aeroespacial e de telecomunicações. [137] O hidrogênio é um aditivo alimentar autorizado (E 949) que permite o teste de vazamento de embalagens de alimentos, além de possuir propriedades antioxidantes. [138]
  • Propelente de foguete: a NASA investigou o uso de propelente de foguete feito de hidrogênio atômico, boro ou carbono que é congelado em partículas sólidas de hidrogênio molecular que estão suspensas em hélio líquido. Após o aquecimento, a mistura vaporiza para permitir que a espécie atômica se recombine, aquecendo a mistura a alta temperatura. [140]
  • O trítio usa: O trítio (hidrogênio-3), produzido em reatores nucleares , é usado na produção de bombas de hidrogênio , [141] como um marcador isotópico nas biociências, [61] e como uma fonte de radiação em tintas luminosas. [142]

Reações biológicas

H 2 é um produto de alguns tipos de metabolismo anaeróbico e é produzida por vários microrganismos , geralmente através de reacções catalisadas por ferro - ou níquel contendo enzimas denominadas hidrogenases . Essas enzimas catalisam a reação redox reversível entre H 2 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. [143] O ciclo natural de produção e consumo de hidrogênio pelos organismos é chamado deciclo do hidrogênio . [144] O hidrogênio é o elemento mais abundante no corpo humano em termos de número de átomos do elemento, mas é o terceiro elemento mais abundante em massa, porque o hidrogênio é muito leve. H 2 ocorre na respiração de humanos devido à atividade metabólica de microrganismos contendo hidrogenase no intestino grosso . A concentração em pessoas em jejum em repouso é normalmente inferior a 5 partes por milhão (ppm), mas pode ser 50 ppm quando pessoas com distúrbios intestinais consomem moléculas que não podem absorver durante os testes diagnósticos de hidrogênio no ar expirado . [145] O gás hidrogênio é produzido por algumas bactérias e algase é um componente natural do flato , assim como o metano , uma fonte de hidrogênio cada vez mais importante. [146]

A divisão da água , na qual a água é decomposta em seus prótons, elétrons e oxigênio componentes, 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 gás H 2 por hidrogenases especializadas no cloroplasto . [147] foram desenvolvidos esforços para modificar geneticamente hidrogenases cianobactérias para sintetizar eficientemente H 2 gás, mesmo na presença de oxigénio. [148]Esforços também foram realizados com algas geneticamente modificadas em um biorreator . [149]

Segurança e precauções

Hidrogênio
Perigos
Pictogramas GHS GHS02: Flammable
Palavra-sinal GHS Perigo
H220
P202 , P210 , P271 , P403 , P377 , P381 [150]
NFPA 704 (diamante de fogo)
0
4
0

O hidrogênio representa uma série de riscos à segurança humana, desde possíveis detonações e incêndios quando misturado ao ar até ser um asfixiante em sua forma pura e livre de oxigênio . [151] Além disso, o hidrogênio líquido é um criogênio e apresenta perigos (como congelamento ) associados a líquidos muito frios. [152] O hidrogênio se dissolve em muitos metais e, além de vazar, pode ter efeitos adversos sobre eles, como fragilização por hidrogênio , [153] levando a rachaduras e explosões. [154]O vazamento de gás hidrogênio para o ar externo pode inflamar-se espontaneamente. Além disso, o fogo do hidrogênio, embora extremamente quente, é quase invisível e, portanto, pode causar queimaduras acidentais. [155]

Mesmo a interpretação dos dados do 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 (geralmente leva dias ou semanas em uma determinada temperatura para atingir a razão de equilíbrio, para a qual os dados são geralmente fornecidos). Os parâmetros de detonação de hidrogênio, como pressão crítica de detonação e temperatura, dependem fortemente da geometria do recipiente. [151]

Notas

  1. ^ No entanto, a maior parte da massa do universo não está na forma de bárions ou elementos químicos. Veja matéria escura e energia escura .
  2. ^ 286 kJ / mol: energia por mol do material combustível (hidrogênio molecular).

Veja também

Referências

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