Hidrogênio: história, estrutura, propriedades e usos

O hidrogénio é um elemento químico que é representado pelo símbolo H. O átomo é o mais pequeno de todos e é a uma que começa da tabela periódica, não importa onde é posicionado. Consiste em um gás incolor composto por moléculas diatômicas de H 2 , e não por átomos isolados de H; como nos gases nobres He, Ne, Ar, entre outros.

De todos os elementos, é talvez o mais emblemático e destacado, não apenas por suas propriedades em condições terrestres ou drásticas, mas por sua imensa abundância e variedade de seus compostos. O hidrogênio é um gás, embora inerte na ausência de fogo, inflamável e perigoso; enquanto a água, H 2 O, é solvente universal e vida.

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Cilindros vermelhos usados ​​para armazenar hidrogênio. Fonte: Famartin [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Por si só, o hidrogênio não mostra nenhuma peculiaridade visual que valha a pena admirar, sendo simplesmente um gás armazenado em cilindros vermelhos ou cilindros. No entanto, são suas propriedades e capacidade de se relacionar com todos os elementos, que retornam ao hidrogênio especial. E tudo isso, embora tenha apenas um elétron de Valência.

Se o hidrogênio não fosse armazenado em seus respectivos cilindros, ele escaparia para o espaço enquanto uma grande parte reage na subida. E embora tenha uma concentração muito baixa no ar que respiramos, fora da Terra e no resto do Universo, é o elemento mais abundante, encontrado nas estrelas e considerado sua unidade de construção.

Na Terra, por outro lado, representa cerca de 10% de sua massa total. Para visualizar o que isso significa, deve-se considerar que a superfície do planeta está praticamente coberta de oceanos e que o hidrogênio é encontrado em minerais, em petróleo bruto e em qualquer composto orgânico, além de fazer parte de todos os seres vivos.

Como o carbono, todas as biomoléculas (carboidratos, proteínas, enzimas, DNA etc.) têm átomos de hidrogênio. Portanto, existem muitas fontes para extraí-lo ou produzi-lo; no entanto, poucos representam métodos de produção realmente lucrativos.

História

Identificação e nome

Enquanto em 1671 Robert Boyle testemunhou pela primeira vez um gás que se formou quando limalhas de ferro reagiram com ácidos, foi o cientista britânico Henry Cavendish, em 1766, que o identificou como uma nova substância; o “ar inflamável”.

Cavendish descobriu que, quando esse suposto ar inflamável queimava, era gerada água. Com base em seu trabalho e resultados, o químico francês Antoine Lavoisier deu a esse gás o nome de hidrogênio em 1783. Etimologicamente, seu significado deriva das palavras gregas “hidro” e “genes”: o anterior da água.

Eletrólise e combustível

Pouco depois, em 1800, os cientistas americanos William Nicholson e Sir Anthony Carlisle descobriram que a água pode se decompor em hidrogênio e oxigênio; Eles atingiram a eletrólise da água. Mais tarde, em 1838, o químico suíço Christian Friedrich Schoenbein apresentou a idéia de aproveitar a combustão de hidrogênio para gerar eletricidade.

O hidrogênio era tão popular que até o escritor Julio Verne se referiu a ele como combustível para o futuro em seu livro A Ilha Misteriosa (1874).

Isolamento

Em 1899, o químico escocês James Dewar foi o primeiro a isolar o hidrogênio como um gás liquefeito, e ele próprio conseguiu resfriá-lo o suficiente para obtê-lo em sua fase sólida.

Dois canais

A partir daí, a história do hidrogênio apresenta dois canais. Por um lado, seu desenvolvimento no campo de combustíveis e baterias; e, por outro, o entendimento da estrutura de seu átomo e como ele representava o elemento que abriu as portas para a física quântica.

Estrutura e configuração eletrônicas

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Molécula de hidrogênio diatômica. Fonte: Benjah-bmm27 [Domínio público]

Os átomos de hidrogênio são muito pequenos e dificilmente possuem um elétron para formar ligações covalentes. Quando dois destes átomos estão ligados, resultando numa molécula diatómica, H 2 ; Este é o hidrogênio molecular gasoso (imagem superior). Cada esfera branca corresponde a um átomo de H individual e a esfera global a orbitais moleculares.

Assim, as moléculas de hidrogénio H consiste na realidade em duas muito pequenas que interagem por forças de dispersão de London, uma vez que falta ser momento de dipolo homonuclear. Portanto, eles são muito “inquietos” e se espalham rapidamente no espaço, pois não há forças intermoleculares suficientemente fortes para retardá-los.

A configuração eletrônica do hidrogênio é simplesmente 1s 1 . Este orbital, 1s, é o produto da resolução da famosa equação de Schrödinger para o átomo de hidrogênio. No H2 , dois orbitais 1s se sobrepõem para formar dois orbitais moleculares: um link e outro, de acordo com a teoria do orbital molecular (TOM).

Estas orbitais permitir ou explicar a existência de iões de H 2 + ou H 2 ; No entanto, a química do hidrogênio é definida em condições normais pelos íons H 2 ou H + ou H .

Números de oxidação

A partir da configuração eletrônica do hidrogênio, 1s 1 , é muito fácil prever seus possíveis números de oxidação; tendo em mente, é claro, que o orbital 2s de maior energia não está disponível para ligações químicas . Assim, no estado basal, o hidrogênio tem um número de oxidação de 0, H .

Se perder seu único elétron, o orbital 1s está vazio e o cátion ou íon hidrogênio, H + , é formado com grande mobilidade em quase qualquer meio líquido; especialmente água. Nesse caso, seu número de oxidação é +1.

E quando o oposto acontece, isto é, ganhar um elétron, o orbital agora terá dois elétrons e se tornará 1s 2 . Então o número de oxidação se torna -1 e corresponde ao ânion hidreto, H . Vale ressaltar que H é isoeletrônico ao gás hélio nobre, He; isto é, ambas as espécies têm o mesmo número de elétrons.

Em resumo, os números de oxidação de hidrogénio são: 1, 0 e -1 e a molécula de H 2 tem como tendo dois átomos de hidrogénio H .

Fases

A fase preferida do hidrogênio, pelo menos em condições terrestres, é o gás, pelas razões expostas anteriormente. No entanto, quando as temperaturas diminuem na ordem de -200 ° C, ou se a pressão aumenta centenas de milhares de vezes que a atmosférica, o hidrogênio pode condensar ou cristalizar em uma fase líquida ou sólida, respectivamente.

Sob estas condições, as moléculas de H 2 podem ser alinhadas de várias maneiras para definir padrões estruturais. A força de dispersão de London agora tornar-se altamente direccional e, por conseguinte, aparecem geometrias ou simetrias tomadas H pairwise 2 .

Por exemplo, dois pares H 2 , o mesmo que escrever (H 2 ) 2, definem um quadrado simétrico ou assimétrico. Enquanto três pares de H 2 , ou (H 2 ) 3 definir um hexágono, muito parecido com o carbono no cristal de grafite. De fato, essa fase hexagonal é a principal ou a mais estável para o hidrogênio sólido.

Mas e se o sólido fosse composto não de moléculas, mas de átomos de H? Então lidaríamos com hidrogênio metálico. Esses átomos de H, lembrando as esferas brancas, podem definir uma fase metálica líquida e sólida.

Propriedades

Aparência física

O hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. Portanto, se houver um vazamento, isso representa um risco de explosão.

Ponto de ebulição

-253 ° C.

Ponto de fusão

-259 ° C.

Ponto de inflamação e estabilidade

Praticamente explode a qualquer temperatura, se houver uma fonte de faísca ou calor perto do gás, até a luz do sol pode inflamar o hidrogênio. No entanto, desde que bem armazenado, é um pouco de gás reativo.

Densidade

0,082 g / L. É 14 vezes mais leve que o ar.

Solubilidade

1,62 mg / L a 21 ° C em água. É, em termos gerais, insolúvel na maioria dos líquidos.

Pressão de vapor

1,24 x 10 6 mm Hg a 25 ° C. Esse valor fornece uma idéia de quão fechados os cilindros de hidrogênio devem estar para impedir que o gás escape.

Temperatura de auto-ignição

560v.

Eletronegatividade

2.20 na escala de Pauling.

Calor de combustão

-285,8 kJ / mol.

Calor de vaporização

0,90 kJ / mol.

Calor de fusão

0,117 kJ / mol.

Isótopos

Átomo de hidrogénio “normal” é protium, 1 H, que constitui cerca de 99,985% de hidrogénio. Os outros dois isótopos desse elemento são deutério, 2 H e trítio, 3 H. Esses diferem no número de nêutrons; O deutério possui um nêutron, enquanto o trítio possui dois.

Isômeros de rotação

Dois tipos de hidrogénio molecular, H 2 : em orto e para. No primeiro, os dois giros (do próton) dos átomos de H são orientados na mesma direção (eles são paralelos); enquanto no segundo, os dois giros estão em direções opostas (eles são antiparalelos).

O hidrogênio-para é o mais estável dos dois isômeros; mas quando a temperatura aumenta, a razão orto: para se torna 3: 1, o que significa que o isômero hidrogênio-orto predomina sobre o outro. Em temperaturas muito baixas (remotamente próximas do zero absoluto, 20K), podem ser obtidas amostras puras de hidrogênio-para.

Nomenclatura

A nomenclatura para se referir ao hidrogênio é uma das mais simples; embora não seja o mesmo para seus compostos inorgânicos ou orgânicos. O H 2 pode ser chamado sob os seguintes nomes em adição ao ‘hidrogénio’:

– Hidrogênio molecular

-Diidrogênio

Molécula de hidrogênio diatômica.

Para o íon H +, seus nomes são próton ou íon hidrogênio; e se estiver em meio aquoso, H 3 O + , cátion hidrônio. Enquanto o íon H é o ânion hidreto.

Átomo de hidrogênio

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O átomo de hidrogênio representado através do modelo planetário de Bohr. Fonte: Pixabay

O átomo de hidrogênio é o mais simples de todos e geralmente é representado como na imagem acima: um núcleo com um único próton (por 1 H), cercado por um elétron que desenha uma órbita. Neste átomo, todos os orbitais atômicos foram construídos e estimados para os outros elementos da tabela periódica.

Uma representação mais fiel à compreensão atual dos átomos seria a de uma esfera cuja periferia é definida pelo elétron e pela nuvem probabilística do elétron (seu orbital 1s).

Onde está localizado e produção

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Um campo estelar: fonte inesgotável de hidrogênio. Fonte: Pixabay

O hidrogênio é, embora talvez em menor grau comparado ao carbono, o elemento químico que pode ser dito sem dúvida que está em toda parte; no ar, fazendo parte da água que enche os mares, oceanos e nossos corpos, em óleo e minerais, bem como nos compostos orgânicos que são reunidos para criar vida.

Basta olhar superficialmente para qualquer biblioteca de compostos para encontrar átomos de hidrogênio neles.

A questão não é tanto quanto, mas como está presente. Por exemplo, a molécula de H 2 é tão volátil e reactiva na incidência de luz solar, que é muito baixa na atmosfera; portanto, reage para unir outros elementos e, assim, ganhar estabilidade.

Enquanto acima, no cosmos, o hidrogênio é predominantemente como átomos neutros, H.

De fato, o hidrogênio é considerado, em sua fase metálica e condensada, como a unidade de construção das estrelas. Existem quantidades imensuráveis ​​delas e, devido à sua robustez e dimensões colossais, elas tornam esse elemento o mais abundante em todo o universo. Estima-se que 75% da matéria conhecida corresponda a átomos de hidrogênio.

Natural

Coletar os átomos de hidrogênio solto no espaço parece impraticável e extraí-los das periferias do Sol, ou das nebulosas, inatingíveis. Em terra, onde as condições requerem este elemento de existir na forma de H 2 , ou pode ser produzido por processos geológicos naturais.

Por exemplo, o hidrogênio tem seu próprio ciclo natural, no qual certas bactérias, micróbios e algas podem gerá-lo através de reações fotoquímicas. O escalonamento dos processos naturais e paralelo a eles inclui o uso de biorreatores, onde as bactérias se alimentam de hidrocarbonetos para liberar o hidrogênio contido neles.

Os seres vivos também são produtores de hidrogênio, mas em menor grau. Caso contrário, não poderia ser explicado como constitui um dos componentes gasosos da flatulência; que se mostraram excessivamente inflamáveis.

Finalmente, deve-se mencionar que sob condições anaeróbicas (sem oxigênio), por exemplo em camadas subterrâneas, os minerais podem reagir lentamente com a água para produzir hidrogênio. A reação de Fayelita prova isso:

3Fe 2 SiO 4 + 2 H 2 O → 2 Fe 3 O 4 + 3 SiO 2 + 3 H 2

Industrial

Enquanto biohidrogénio é uma alternativa para gerar este gás para escalas industriais, os métodos mais amplamente utilizados consistem substancialmente de “remover” a hidrogénio a compostos contendo-o, de modo que os seus átomos em conjunto e formando o H 2 .

Os métodos menos ecológicos para produzi-lo consistem em reagir o coque (ou carvão) com vapor superaquecido:

C (s) + H 2 O (g) → CO (g) + H 2 (g)

Além disso, o gás natural tem sido utilizado para este fim:

CH 4 (g) + H 2 O (g) → CO (g) + 3H 2 (g)

E como as quantidades de coque ou gás natural são vastas, é rentável produzir hidrogênio por qualquer uma dessas duas reações.

Outro método para obter hidrogênio é aplicar um choque elétrico na água para decompô-lo em suas partes elementares (eletrólise):

2 H 2 O (l) → 2 H 2 (g) + O 2 (g)

No laboratório

O hidrogênio molecular pode ser preparado em pequenas quantidades em qualquer laboratório. Para isso, um metal ativo deve reagir com um ácido forte, em um copo ou em um tubo de ensaio. O borbulhamento observável é um sinal claro da formação de hidrogênio, representado pela seguinte equação geral:

H (s) + nH + (aq) → M n + (aq) + H 2 (g)

Onde n é a valência do metal. Por exemplo, de magnésio reage com H + para produzir H 2 :

Mg (s) + 2H + (aq) → Mg 2+ (aq) + H 2 (g)

Reacções

Redox

Os próprios números de oxidação oferecem uma primeira abordagem de como o hidrogênio participa de reações químicas. Ao reagir, o H 2 pode permanecer inalterado ou fracionar em íons H + ou H dependendo de quais espécies ele se liga; se eles são mais ou menos eletronegativos que ele.

O H 2 é muito reactivo devido à força da ligação covalente, HH; no entanto, isso não é um impedimento absoluto para ele reagir e formar compostos com quase todos os elementos da tabela periódica.

Sua reação mais conhecida é a do gás oxigênio para produzir vapores de água:

H 2 (g) + O 2 (g) → 2H 2 O (g)

E sua afinidade pelo oxigênio para formar a molécula estável da água é tal que ele pode até reagir com ele como um ânion O 2- em certos óxidos metálicos:

H 2 (g) + CuO (s) → Cu (s) + H 2 O (l)

O óxido de prata também reage ou é “reduzido” pela mesma reação:

H 2 (g) + atrás (s) → Ag (s) + H 2 O (l)

Essas reações de hidrogênio correspondem às do tipo redox. Ou seja, redução de oxidação. O hidrogênio é oxidado na presença de oxigênio e óxidos metálicos de metais menos reativos que ele; por exemplo, cobre, prata, tungstênio, mercúrio e ouro.

Absorção

Alguns metais podem absorver hidrogênio gasoso para formar hidretos metálicos, considerados ligas. Por exemplo, metais de transição, como o paládio, absorvem quantidades visíveis de H2 , sendo semelhantes às esponjas de metal.

O mesmo se aplica às ligas metálicas mais complexas. Desta forma, o hidrogênio pode ser armazenado por outros meios além dos cilindros.

Adendo

As moléculas orgânicas também podem “absorver” o hidrogênio através de diferentes mecanismos moleculares e / ou interações.

No caso dos metais, as moléculas de H 2 está rodeado por os átomos de metal em forma de cristais; enquanto nas moléculas orgânicas, a ligação HH é quebrada para formar outras ligações covalentes. Em um sentido mais formalizado: o hidrogênio não é absorvido, mas é adicionado à estrutura.

O exemplo clássico é a adição de H 2 ligação dupla ou tripla de alcinos ou alcenos respectivamente:

C = C + H 2 → HCCH

C = C + H 2 → HC = CH

Essas reações também são chamadas de hidrogenação.

Formação de hidreto

O hidrogênio reage diretamente com os elementos para formar uma família de compostos químicos chamados hidretos. Existem principalmente de dois tipos: solução salina e molecular.

Da mesma forma, existem hidretos metálicos, que consistem nas ligas metálicas já mencionadas quando esses metais absorvem hidrogênio gasoso; e os poliméricos, com redes ou cadeias de elos EH, onde E denota o elemento químico.

Salines

Nos hidretos salinos, o hidrogênio participa da ligação iônica, como o ânion hidreto, H . Para isso se formar, o elemento deve necessariamente ser menos eletronegativo; caso contrário, não entregaria seus elétrons ao hidrogênio.

Portanto, os hidretos salinos só se formam quando o hidrogênio reage com metais muito eletropositivos, como metais alcalinos e alcalino-terrosos.

Por exemplo, o hidrogênio reage com o sódio metálico para produzir hidreto de sódio:

2Na (s) + H 2 (g) → 2NaH (s)

Ou com bário para produzir hidreto de bário:

Ba (s) + H 2 (g) → BaH 2 (s)

Molecular

Os hidretos moleculares são ainda mais conhecidos que os iônicos. Eles também são chamados de halogenetos de hidrogênio, HX, quando o hidrogênio reage com um halogênio:

Cl 2 (g) + H 2 (g) → 2HCl (g)

Aqui o hidrogênio participa da ligação covalente como H + ; desde então, as diferenças entre as eletronegatividades entre os dois átomos não são muito grandes.

A mesma água pode ser considerada como um hidreto de oxigênio (ou óxido de hidrogênio), cuja reação de formação já foi exposta. Muito semelhante é a reação com o enxofre para dar sulfeto de hidrogênio, um gás fedorento:

S (s) + H 2 (g) → H 2 S (g)

Mas, de todos os hidretos moleculares, o mais famoso (e talvez o mais difícil de sintetizar) é a amônia:

N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g)

Usos

Na seção anterior, um dos principais usos do hidrogênio já foi abordado: como matéria-prima para o desenvolvimento de síntese, inorgânica ou orgânica. Controlar esse gás normalmente não tem outro objetivo senão reagir para criar outros compostos diferentes daqueles que foram extraídos.

Matéria prima

– É um dos reagentes para a síntese de amônia, que, por sua vez, tem inúmeras aplicações industriais, começando com a preparação de fertilizantes, mesmo como material para drogas nitrogenadas.

– Destina-se a reagir com monóxido de carbono e, assim, produzir maciçamente metanol, um reagente de grande importância nos biocombustíveis.

Agente redutor

– É um agente redutor de certos óxidos metálicos, sendo utilizado na redução metalúrgica (já explicada no caso do cobre e de outros metais).

– Reduz gorduras ou óleos para produzir margarina.

Indústria petrolífera

O hidrogênio é usado na indústria de petróleo para “hidrotratar” o petróleo bruto nos processos de refino.

Por exemplo, procura fragmentar moléculas grandes e pesadas em moléculas pequenas e com maior demanda no mercado (hidrocracking); liberar os metais presos nas gaiolas de petroporfirina (hidrodemetalização); remover átomos de enxofre como H 2 S (hidrodessulfurização); ou reduzir ligações duplas para criar misturas ricas em parafina.

Combustível

O hidrogênio em si é um excelente combustível para foguetes ou naves espaciais, uma vez que pequenas quantidades reagindo com oxigênio liberam enormes quantidades de calor ou energia.

Em uma escala menor, essa reação é usada para projetar células ou baterias de hidrogênio. No entanto, essas células enfrentam as dificuldades de não conseguir armazenar adequadamente esse gás; e o desafio de se tornar completamente independente da queima de combustíveis fósseis.

No lado positivo, usado como combustível, o hidrogênio libera apenas água; em vez de gases que representam meios de poluição para a atmosfera e os ecossistemas.

Referências

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  2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui e Yanming Ma. (Sf). Estruturas à temperatura ambiente de hidrogênio sólido a altas pressões. Laboratório Chave do Estado de Materiais Superhard, Universidade de Jilin, Changchun 130012, China.
  3. Pierre-Marie Robitaille. (2011). Hidrogênio metálico líquido: um bloco de construção para o sol líquido. Departamento de Radiologia, Universidade Estadual de Ohio, 395 W. 12th Ave, Columbus, Ohio 43210, EUA.
  4. The Bodner Group (sf). A Química do Hidrogênio. Recuperado de: chemed.chem.purdue.edu
  5. Wikipedia (2019). Hidrogênio Recuperado de: en.wikipedia.org
  6. Hydrogen Europe (2017). Aplicações de hidrogênio Recuperado de: hydrogeneurope.eu
  7. Foist Laura. (2019). Hidrogênio: Propriedades e Ocorrência. Estudo Recuperado de: study.com
  8. Jonas James (4 de janeiro de 2009). A história do hidrogênio. Recuperado de: altenergymag.com

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