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 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.
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.
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) e no desenvolvimento de maneiras seguras de estocá-lo para uso como combustível.
História
Descoberta e uso
Dirigível Hindenburg, 1936.
Em
1766,
Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer o gás hidrogênio como uma discreta substância, ao identificar o gás de uma
reação ácido-metal como "ar inflamável" e descobrindo mais profundamente, em
1781, que o gás produz água quando queimado. A ele geralmente é dado o crédito pela sua descoberta como um elemento químico. Em
1783,
Antoine Lavoisier deu ao elemento o nome de hidrogênio (do
grego υδρώ (hydro), água e γένος-ου (genes), gerar) quando ele e
Laplace reproduziram a descoberta de Cavendish, onde água é produzida quando hidrogênio é queimado.
A
água pesada, que possui deutério no lugar de hidrogênio regular na molécula de água, foi descoberta pela equipe de Urey em
1932.
François Isaac de Rivaz construiu o primeiro dispositivo de combustão interna movido por uma mistura de hidrogênio e oxigênio em
1806. Edward Daniel Clarke inventou o cano de sopro de gás hidrogênio em
1819. A
lâmpada de Döbereiner e a
Luminária Drummond foram inventadas em
1823.
O enchimento do primeiro
balão com gás hidrogênio, foi documentado por
Jacques Charles em
1783.
[15] O hidrogênio provia a subida para a primeira maneira confiável de viagem aérea seguindo a invenção do primeiro dirigível decolado com hidrogênio em
1852, por
Henri Giffard. O conde alemão
Ferdinand von Zeppelin promoveu a idéia de usar o hidrogênio em dirigíveis rígidos, que mais tarde foram chamados de
Zeppelins; o primeiro dos quais teve seu vôo inaugural em
1900.Vôos programados regularmente começaram em
1910 e com o surgimento da
Primeira Guerra Mundial em agosto de
1914, eles haviam transportado 35.000 passageiros sem qualquer incidente sério. Dirigíveis levantados por hidrogênio foram usados como plataformas de observação e bombardeadores durante a guerra.
O primeiro cruzamento transatlântico sem escalas foi realizado pelo dirigível britânico
R34 em 1919. Com o lançamento do
Graf Zeppelin nos
anos 1920, o serviço regular de passageiros prosseguiu até meados dos
anos 1930 sem nenhum acidente. Com a descoberta de reservas de um
outro tipo de gás leve nos Estados Unidos esse projeto deveria sofrer modificações, já que o outro elemento prometia um aumento na segurança, mas o governo dos E.U.A. se recusou a vender o gás para este propósito.
Sendo assim, H
2 foi usado no dirigível
Hindenburg, o qual foi destruído em um incidente em pleno vôo sobre
New Jersey no dia
6 de maio de
1937. O incidente foi transmitido ao vivo no rádio e filmado. A ignição do vazamento de hidrogênio foi atribuída como a causa do incidente, porém, investigações posteriores apontaram à ignição do revestimento de tecido
aluminizado pela
eletricidade estática.
Papel na teoria quântica
Linhas do espectro de emissões do hidrogênio na região do visível. Estas são as quatro linhas visíveis da
série de Balmer.
Devido a sua estrutura atômica relativamente simples, consistindo somente de um próton e um elétron, o
átomo de hidrogênio, junto com o espectro de luz produzido por ele ou absorvido por ele, foi de suma importância ao desenvolvimento da teoria da estrutura
atômica.
[18] Além disso, a simplicidade correspondente da molécula de hidrogênio e o cátion correspondente
H2+ permitiu um total entendimento da natureza da
ligação química, que seguiu pouco depois do tratamento mecânico quântico do átomo de hidrogênio ter sido desenvolvimento na metade dos
anos 1920.
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 H
2 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.
Ocorrência natural
Pelo universo, o hidrogênio é geralmente encontrado nos estados
atômico e
plasma, 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).
Em
Condições Normais de Temperatura e Pressão na Terra, o hidrogênio existe como um
gás diatômico, H
2 (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.
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.
Propriedades
Combustão
Gás hidrogênio (dihidrogênio
[26]) é altamente inflamável e queimará em concentrações de 4% ou mais H
2 no ar.
[27] A
entalpia de combustão para o hidrogênio é −286 kJ/mol;
[28] ele queima de acordo com a seguinte equação balanceada.
- 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)[29]
Quando misturado com oxigênio por entre uma grande variedade de proporções, o hidrogênio explode por ignição. Hidrogênio queima violentamente no ar, tendo ignição automaticamente na temperatura de 560 °C.
Chamas de hidrogênio-oxigênio puros queimam no alcance de cor
ultravioleta e são quase invisíveis a olho nu, como ilustrado pela faintness da chama das turbinas principais do
ônibus espacial (ao contrário das chamas facilmente vísiveis do
foguete acelerador sólido). Então ele necessita de um
detector de chama para detectar se um vazamento de hidrogênio está queimando. A
explosão do dirigível Hindenburg foi um caso infame de combustão de hidrogênio; a causa é debatida, mas os materiais combustíveis na pele do dirigível foram responsáveis pela coloração das chamas.
Outra característica dos fogos de hidrogênio é que as chamas tendem a ascender rapidamente com o gás no ar, como ilustrado pelas chamas do
Hindenburg, causando menos dano que fogos de hidrocarboneto. Dois terços dos passageiros do
Hindenburg sobreviveram ao incêndio, e muitas das mortes que ocorreram foram da queda ou da queima do combustível
diesel.
[32]
Níveis de energia do elétron
-
Representação de um átomo de hidrogênio mostrando o diâmetro de quase o dobro do raio do
átomo de Bohr.
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.
Formas moleculares elementais
-
Existem duas moléculas diatômicas diferentes de isômeros spin de hidrogênio que diferem pelo
spin relativo de seu núcleo. 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". 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. A distinção orto-/para- também ocorre em outros grupos funcionais ou moléculas que contêm hidrogênio, como água e
metileno.
A interconversão não-$atalisada entre para- e orto- H
2 aumenta com a temperatura crescente; portanto, H
2 rapidamente condensado contém grandes quantidades da forma orto- de alta energia que convertem para a forma para- muito lentamente. A taxa orto-/para- no H
2 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.
Uma forma molecular chamada
hidrogênio protonado molecular, ou H
3+, 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. H
3+ é um dos íons mais abundantes no Universo, e possui um papel notável na química do meio interestelar.
Compostos
-
Compostos orgânicos e covalentes
Apesar do hidrogênio, em sua forma gasosa (H
2) 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.
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. 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.
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;
o ramo da química que estuda as propriedades destes compostos é conhecido como
Química Orgânica e seu estudo no contexto de
organismos vivos é conhecido como
bioquímica.
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.
Na natureza conhece-se milhões de hidrocarbonetos mas eles não são formados pela reação direta do gás 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. 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 BeH
2, o qual é polimérico. No
hidreto de alumínio e lítio, o ânion AlH
4− 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. Hidreto binário de
índio ainda não foi identificado, apesar de complexos mais largos existirem.
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 (H
3O
+), que é organizado em grupos para formar H
9O
4+.
[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
O isótopo mais comum do hidrogênio não possui nêutrons, existindo outros dois, o
deutério (D) com um e o
trítio (T),
radioativo com dois. O deutério tem uma abundância natural compreendida entre 0,0184 e 0,0082% (
IUPAC).
O hidrogênio é o único elemento químico que tem nomes e símbolos químicos distintos para seus diferentes isótopos.
O hidrogénio possuiu ainda outros isótopos altamente instáveis (do
4H ao
7H) e que foram sintetizados em laboratório, mas nunca observados na natureza.
- 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.
NGC 4038/9 - "A Antena" vista pelo VLA
2003-09-24
Crédito: NRAO/AUI & J. Hibbard.
Telescópio: Very Large Array (VLA).
Imagem composta de duas galáxias em colisão, NGC 4038 e NGC 4039. Este sistema é conhecido por "A Antena" devido à forma peculiar adoptada pelas caudas das duas galáxias em interacção.
A imagem mostra a luz das estrelas a branco e a verde, sendo o gás atómico neutro representado a azul. As observações do hidrogénio atómico foram realizadas com o Very Large Array (VLA). Estas observações fornecem informação sobre a distribuição do gás, bem como sobre a sua cinemática.
Esta informação é crucial para melhor se conseguir desenvolver modelos que procuram descrever a evolução passada e futura do sistema em colisão. Comparar com as imagens obtidas com o VLT e com o Hubble, disponibilizadas nos dias 3 de Março e 26 de Agosto, respectivamente.
Fonte:
Portal do Astrônomo - Portugal
Wikipédia
http://www.portaldoastronomo.org/npod.php?id=318
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