Hidrogénio

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Pix.gifHidrogênioStylised atom with three Bohr model orbits and stylised nucleus.svg
HidrogênioHélio
 Hexagonal.png
 
1
H
 
        
        
                  
                  
                                
                                
H
Lítio
Tabela completaTabela estendida
Aparência
Gás incolor com brilho roxo no estado de plasma.



Linhas espectrais do hidrogénio.
Informações gerais
Nome, símbolo, númeroHidrogênio, H, 1
Série químicaNão-metal
Grupo, período, bloco1 (IA), 1, s
Densidade, dureza0,0899 3, não apresenta
Número CAS1333-74-0
Número EINECS
Propriedade atómicas
Massa atômica1,00794(7) u
Raio atómico (calculado)25(53) pm
Raio covalente37 pm
Raio de Van der Waals120 pm
Configuração electrónica1s1
Elétrons (por nível de energia)1 (ver imagem)
Estado(s) de oxidação1 (anfótero)
Óxido
Estrutura cristalinahexagonal
Propriedades físicas
Estado da matériagasoso
Ponto de fusão14,025 K
Ponto de ebulição20,268 K
Entalpia de fusão0,05868 kJ/mol
Entalpia de vaporização0,44936 kJ/mol
Temperatura crítica K
Pressão crítica Pa
Volume molar1,14×10-5 3/mol
Pressão de vapor209 Pa a 23 K
Velocidade do som1270 m/s a 20 °C
Classe magnéticadiamagnético
Susceptibilidade magnética-2,2x10-9
Permeabilidade magnética
Temperatura de Curie K
Diversos
Eletronegatividade (Pauling)2,2
Calor específico14304 J/(kg·K)
Condutividade elétrica106 S/m
Condutividade térmica0,1815 W/(m·K)
Potencial de ionização1312 kJ/mol
2º Potencial de ionização kJ/mol
Isótopos mais estáveis
isoANMeia-vidaMDEdPD
MeV
1H99,985%estável com 0 neutrões
2H0,015%estável com 1 neutrões
3Hsintético12,33 aß-0,0193He
4Hsintético9,93·10-23 sn2,9103He
Unidades do SI & CNTP, salvo indicação contrária.

O hidrogénio (português europeu) ou hidrogênio (português brasileiro) (pronuncia-se /idɾɔˈʒɛniu/ ou /idɾɔˈʒeniu/ de hidro + génio/gênio, ou do fr. hidrogène e admitindo-se a grafia dupla pelo acordo ortográfico[1]) é um elemento químico com número atómicoPE ou atômico PB 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 condições normais de temperatura e pressão (CNTP). Este gás é inflamável, incolor, inodoro, e insolúvel em água.[2] O hidrogénio, 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 elétron na camada de valência (ou última camada).[3]

O hidrogénio é o mais abundante dos elementos químicos, constituindo aproximadamente 75% da massa elementar do Universo.[4] [nota 1] Estrelas na sequência principal são compostas primariamente de hidrogénio em seu estado de plasma. O Hidrogénio 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 hidrogénio elementar é usada "em cativeiro" (o que significa localmente no lugar de produção). Os maiores mercados do mundo usufruem do uso do hidrogénio para o aprimoramento de combustíveis fósseis (no processo de hidrocraqueamento) e na produção de amoníaco (maior parte para o mercado de fertilizantes). O hidrogénio 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.[5]

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 laboratório o isótopo 4H e, a partir de 2003, foram sintetizados os isótopos 5H até 7H.[6][7] 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)[8] e no desenvolvimento de maneiras seguras de estocá-lo para uso como combustível.[9] É altamente solúvel em diversos compostos que possuem Terras-raras e metais de transição[10] e pode ser dissolvido tanto em metais cristalinos e amorfos.[11] A solubilidade do hidrogênio em metais é influenciada por distorções ou impurezas locais na estrutura cristalina do metal.[12]

História

Origem e evolução

Quando o universo expandiu em existência com o Big Bang, há quase 14 bilhões de anos atrás, não havia planetas, estrelas ou galáxias, houve apenas uma bola de plasma super quente inflando. O universo esfriou conforme ele se expandiu e quarks foram os primeiros a congelar, em seguida, prótons e nêutrons, posteriormente elétrons.[13] Depois de cerca de 380 mil anos, o hidrogênio começou a se formar.[14] Alguns destes átomos foram fundidos em carbono, de oxigênio, nitrogênio, ferro e todos os outros elementos. No entanto, quando o universo tinha cerca de um bilhão de anos, 9 em cada 10 desses átomos de hidrogênio originais foram destruídos. Não se sabe exatamente quando e como os primeiros átomos de hidrogênio foram destruídos[15].

Descoberta e uso

Dirigível Hindenburg, 1936.

O gás hidrogênio, H2, foi o primeiro produzido artificialmente e formalmente descrito por T. Von Hohenheim (também conhecido como Paracelso, 1493–1541) por meio da reação química entre metais e ácidos fortes.[16] Paracelso não tinha o conhecimento de que o gás inflamável produzido por esta reação química era constituído por um novo elemento químico. Em 1671, Robert Boyle redescobriu e descreveu a reação entre limalhas de ferro e ácidos diluídos, o que resulta na produção de gás hidrogênio.[17] 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.[18][19] Em 1783, Antoine Lavoisier deu ao elemento o nome de hidrogênio (do grego υδρώ (hydro), água e γένος-ου (genes), gerar)[20] quando ele e Laplace reproduziram a descoberta de Cavendish, onde água é produzida quando hidrogênio é queimado.[19]

Lavoisier produziu hidrogênio pelas suas experiências sobre conservação de massa fazendo reagir um fluxo de vapor de metal por meio de um tubo de ferro aquecida ao fogo. A oxidação anaeróbica de ferro pelos protões da água a alta temperatura pode ser esquematicamente representada pelo conjunto das seguintes reacções:

   Fe +    H2O → FeO + H2
2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2
3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Muitos metais, tais como o zircónio são submetidos a uma reacção semelhante com água o que conduz à produção de hidrogénio.

Hidrogênio foi liquefeito pela primeira vez por James Dewar em 1898 ao usar resfriamento regenerativo e sua invenção se aproxima muito daquilo que conhecemos como garrafa térmica nos dias de hoje.[19] Ele produziu hidrogênio sólido no ano seguinte.[19] O deutério foi descoberto em dezembro de 1931 por Harold Urey, e o trítio foi preparado em 1934 por Ernest Rutherford, Marcus Oliphant, e Paul Harteck.[18] A água pesada, que possui deutério no lugar de hidrogênio regular na molécula de água, foi descoberta pela equipe de Urey em 1932.[19]

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.[19]

O enchimento do primeiro balão com gás hidrogênio, foi documentado por Jacques Charles em 1783.[19] 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.[19] O conde alemão Ferdinand von Zeppelin promoveu a ideia de usar o hidrogênio em dirigíveis rígidos, que mais tarde foram chamados de Zeppelins; o primeiro dos quais teve seu voo inaugural em 1900.[19] Voos 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.[21]

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, o hélio, 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, H2 foi usado no dirigível Hindenburg, o qual foi destruído em um incidente em pleno voo sobre New Jersey no dia 6 de maio de 1937.[19] 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.[22] 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 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.[23]