O hidrogênio é que gás. Hidrogênio - o que é essa substância? Propriedades químicas e físicas do hidrogênio

No sistema periódico, tem sua própria posição específica, que reflete as propriedades que exibe e fala de sua estrutura eletrônica. No entanto, entre todos há um átomo especial que ocupa duas células ao mesmo tempo. Ele está localizado em dois grupos de elementos que são completamente opostos em suas propriedades manifestadas. Isso é hidrogênio. Esses recursos o tornam único.

O hidrogênio não é apenas um elemento, mas também uma substância simples, bem como parte integrante de muitos compostos complexos, um elemento biogênico e organogênico. Portanto, consideramos suas características e propriedades com mais detalhes.

Hidrogênio como elemento químico

O hidrogênio é um elemento do primeiro grupo do subgrupo principal, bem como o sétimo grupo do subgrupo principal no primeiro pequeno período. Este período consiste em apenas dois átomos: hélio e o elemento que estamos considerando. Vamos descrever as principais características da posição do hidrogênio no sistema periódico.

1. O número de série do hidrogênio é 1, o número de elétrons é o mesmo, respectivamente, o número de prótons é o mesmo. A massa atômica é 1,00795. Existem três isótopos deste elemento com números de massa 1, 2, 3. No entanto, as propriedades de cada um deles são muito diferentes, pois um aumento de massa mesmo em um para o hidrogênio é imediatamente o dobro.
2. O fato de conter apenas um elétron no exterior permite que exiba com sucesso propriedades oxidantes e redutoras. Além disso, após a doação de um elétron, ele permanece um orbital livre, que participa da formação de ligações químicas de acordo com o mecanismo doador-aceitador.
3. O hidrogênio é um forte agente redutor. Portanto, o primeiro grupo do subgrupo principal é considerado seu local principal, onde lidera os metais mais ativos - álcalis.
4. No entanto, ao interagir com agentes redutores fortes, como, por exemplo, metais, também pode ser um agente oxidante, aceitando um elétron. Esses compostos são chamados de hidretos. Com base nisso, lidera o subgrupo de halogênios, com o qual é semelhante.
5. Devido à sua massa atômica muito pequena, o hidrogênio é considerado o elemento mais leve. Além disso, sua densidade também é muito baixa, por isso também é a referência de leveza.

Assim, é óbvio que o átomo de hidrogênio é completamente único, ao contrário de todos os outros elementos. Consequentemente, suas propriedades também são especiais, e as substâncias simples e complexas formadas são muito importantes. Vamos considerá-los mais.

substância simples

Se falamos desse elemento como uma molécula, devemos dizer que é diatômico. Ou seja, o hidrogênio (uma substância simples) é um gás. Sua fórmula empírica será escrita como H 2, e a gráfica - através de um único ligação sigma H-H. O mecanismo de formação de ligações entre os átomos é covalente apolar.

1. Reforma a vapor do metano.
2. Gaseificação do carvão - o processo envolve o aquecimento do carvão a 1000 0 C, resultando na formação de hidrogênio e carvão de alto carbono.
3. Eletrólise. Este método só pode ser usado para soluções aquosas de vários sais, uma vez que a fusão não leva à descarga de água no cátodo.

Métodos laboratoriais para produção de hidrogênio:

1. Hidrólise de hidretos metálicos.
2. A ação de ácidos diluídos em metais ativos e atividade média.
3. Interação de metais alcalinos e alcalino-terrosos com água.

Para coletar o hidrogênio resultante, é necessário manter o tubo de ensaio virado de cabeça para baixo. Afinal, esse gás não pode ser coletado da mesma forma que, por exemplo, o dióxido de carbono. Isso é hidrogênio, é muito mais leve que o ar. Ele volatiliza rapidamente e explode quando misturado ao ar em grandes quantidades. Portanto, o tubo deve ser invertido. Depois de enchê-lo, ele deve ser fechado com uma rolha de borracha.

Para verificar a pureza do hidrogênio coletado, você deve levar um fósforo aceso até o pescoço. Se o algodão for surdo e silencioso, o gás estará limpo, com o mínimo de impurezas do ar. Se estiver alto e assobiando, está sujo, com uma grande proporção de componentes estranhos.

Áreas de uso

Quando o hidrogênio é queimado, uma quantidade tão grande de energia (calor) é liberada que esse gás é considerado o combustível mais lucrativo. Além disso, é ecologicamente correto. No entanto, seu uso nesta área é atualmente limitado. Isso se deve aos problemas mal concebidos e não resolvidos de sintetizar hidrogênio puro, que seria adequado para uso como combustível em reatores, motores e dispositivos portáteis, bem como em caldeiras de aquecimento residencial.

Afinal, os métodos para obter esse gás são bastante caros, então primeiro é necessário desenvolver um método especial de síntese. Um que permitirá que você receba o produto em grande volume e com custo mínimo.

Existem várias áreas principais nas quais o gás que estamos considerando é usado.

1. Sínteses químicas. Com base na hidrogenação, obtêm-se sabonetes, margarinas e plásticos. Com a participação do hidrogênio, são sintetizados metanol e amônia, além de outros compostos.
2. Na indústria alimentícia - como aditivo E949.
3. Indústria da aviação (construção de foguetes, construção de aeronaves).
4. Indústria de energia.
5. Meteorologia.
6. Combustível de tipo ecológico.

Obviamente, o hidrogênio é tão importante quanto abundante na natureza. Um papel ainda maior é desempenhado pelos vários compostos formados por ele.

Compostos de hidrogênio

Estas são substâncias complexas contendo átomos de hidrogênio. Existem vários tipos principais de tais substâncias.

1. Haletos de hidrogênio. A fórmula geral é HHal. De particular importância entre eles é o cloreto de hidrogênio. É um gás que se dissolve em água para formar uma solução de ácido clorídrico. Este ácido é amplamente utilizado em quase todas as sínteses químicas. E tanto orgânicos quanto inorgânicos. O cloreto de hidrogênio é um composto que possui a fórmula empírica HCL e é uma das maiores em termos de produção anual em nosso país. Os haletos de hidrogênio também incluem iodeto de hidrogênio, fluoreto de hidrogênio e brometo de hidrogênio. Todos eles formam os ácidos correspondentes.
2. Voláteis Quase todos são gases bastante venenosos. Por exemplo, sulfureto de hidrogénio, metano, silano, fosfina e outros. No entanto, eles são muito inflamáveis.
3. Os hidretos são compostos com metais. Eles pertencem à classe dos sais.
4. Hidróxidos: bases, ácidos e compostos anfotéricos. Sua composição inclui necessariamente átomos de hidrogênio, um ou mais. Exemplo: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 e outros.
5. Hidróxido de hidrogênio. Este composto é mais conhecido como água. Outro nome para óxido de hidrogênio. A fórmula empírica se parece com isso - H 2 O.
6. Peróxido de hidrogênio. Este é o agente oxidante mais forte, cuja fórmula é H 2 O 2.
7. Numerosos compostos orgânicos: hidrocarbonetos, proteínas, gorduras, lipídios, vitaminas, hormônios, óleos essenciais e outros.

Obviamente, a variedade de compostos do elemento que estamos considerando é muito grande. Isso mais uma vez confirma sua alta importância para a natureza e o homem, bem como para todos os seres vivos.

é o melhor solvente

Como mencionado acima, o nome comum para esta substância é água. Consiste em dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, interligados por ligações polares covalentes. A molécula de água é um dipolo, o que explica muitas de suas propriedades. Em particular, o fato de ser um solvente universal.

É no meio aquático que ocorrem quase todos os processos químicos. As reações internas do metabolismo plástico e energético nos organismos vivos também são realizadas com a ajuda do óxido de hidrogênio.

A água é considerada a substância mais importante do planeta. Sabe-se que nenhum organismo vivo pode viver sem ele. Na Terra, é capaz de existir em três estados de agregação:

• líquido;
• gás (vapor);
• sólido (gelo).

Dependendo do isótopo de hidrogênio que faz parte da molécula, existem três tipos de água.

1. Luz ou prótio. Um isótopo com número de massa 1. A fórmula é H 2 O. Esta é a forma usual que todos os organismos usam.
2. Deutério ou pesado, sua fórmula é D 2 O. Contém o isótopo 2 H.
3. Super pesado ou trítio. A fórmula se parece com T 3 O, o isótopo é 3 H.

As reservas de água doce de prótio no planeta são muito importantes. Já está faltando em muitos países. Estão a ser desenvolvidos métodos para tratar a água salgada para obter água potável.

O peróxido de hidrogênio é um remédio universal

Este composto, como mencionado acima, é um excelente agente oxidante. No entanto, com representantes fortes também pode se comportar como redutor. Além disso, tem um efeito bactericida pronunciado.

Outro nome para este composto é peróxido. É nesta forma que é usado na medicina. Uma solução a 3% do hidrato cristalino do composto em questão é uma droga médica que é usada para tratar pequenas feridas para descontaminá-las. No entanto, foi comprovado que, neste caso, a cicatrização de feridas ao longo do tempo aumenta.

O peróxido de hidrogênio também é usado em combustível de foguete, na indústria para desinfecção e branqueamento, como agente espumante para a produção de materiais apropriados (espuma, por exemplo). Além disso, o peróxido ajuda a limpar aquários, descolorir cabelos e clarear os dentes. No entanto, ao mesmo tempo prejudica os tecidos, por isso não é recomendado por especialistas para esse fim.

Hidrogênio

HIDROGÊNIO-uma; m. Um elemento químico (H), um gás leve, incolor e inodoro que se combina com o oxigênio para formar água.

◁ Hidrogênio, th, th. Conexões V. bactérias V. V-a bomba(uma bomba de enorme poder destrutivo, cujo efeito explosivo é baseado em uma reação termonuclear). Hidrogênio, th, th.

hidrogênio

(lat. Hidrogênio), um elemento químico do grupo VII do sistema periódico. Na natureza, existem dois isótopos estáveis ​​(prótio e deutério) e um isótopo radioativo (trítio). A molécula é diatômica (H 2). Gás incolor e inodoro; densidade 0,0899 g/l, t quip - 252,76°C. Combina com muitos elementos para formar água com oxigênio. O elemento mais comum no espaço; compõe (na forma de plasma) mais de 70% da massa do Sol e das estrelas, a maior parte dos gases do meio interestelar e das nebulosas. O átomo de hidrogênio faz parte de muitos ácidos e bases, a maioria dos compostos orgânicos. Eles são usados ​​na produção de amônia, ácido clorídrico, para a hidrogenação de gorduras, etc., na soldagem e corte de metais. Promissor como combustível (ver. Energia de hidrogênio).

HIDROGÊNIO

HIDROGÊNIO (lat. Hidrogênio), H, um elemento químico com número atômico 1, massa atômica 1,00794. O símbolo químico do hidrogênio, H, é lido em nosso país como "cinza", pois esta letra é pronunciada em francês.
O hidrogênio natural consiste em uma mistura de dois nuclídeos estáveis (cm. NUCLÍDEO) com números de massa 1,007825 (99,985% na mistura) e 2,0140 (0,015%). Além disso, vestígios do nuclídeo radioativo, trítio, estão sempre presentes no hidrogênio natural. (cm. Trítio) 3 H (meia-vida T 1/2 12,43 anos). Como o núcleo de um átomo de hidrogênio contém apenas 1 próton (não pode haver menos prótons no núcleo de um átomo), às vezes se diz que o hidrogênio forma o limite inferior natural do sistema periódico de elementos de D. I. Mendeleev (embora o elemento hidrogênio em si está localizado nas tabelas da parte superior). O elemento hidrogênio está localizado no primeiro período da tabela periódica. Também pertence ao 1º grupo (grupo IA de metais alcalinos (cm. METAIS ALCALINOS)), e ao 7º grupo (grupo VIIA de halogênios (cm. HALOGÊNIOS)).
As massas dos átomos nos isótopos de hidrogênio diferem muito (por várias vezes). Isso leva a diferenças notáveis ​​em seu comportamento em processos físicos (destilação, eletrólise, etc.) Portanto, ao contrário dos isótopos de todos os outros elementos, os isótopos de hidrogênio têm símbolos e nomes especiais. O hidrogênio com um número de massa de 1 é chamado de hidrogênio leve, ou protium (lat. Protium, do grego protos - o primeiro), denotado pelo símbolo H, e seu núcleo é chamado de próton (cm. PRÓTON (partícula elementar)), símbolo r. O hidrogênio com número de massa 2 é chamado de hidrogênio pesado, deutério (cm. DEUTÉRIO)(latim deutério, do grego deuteros - o segundo), os símbolos 2 H, ou D (leia-se "de") são usados ​​para designá-lo, o núcleo d é o deutério. Um isótopo radioativo com um número de massa de 3 é chamado de hidrogênio superpesado, ou trítio (lat. Tritum, do grego tritos - o terceiro), o símbolo 2 H ou T (leia "aqueles"), o núcleo t é um tritão.
Configuração de uma única camada de elétrons de um átomo de hidrogênio neutro não excitado 1 s 1 . Em compostos, exibe estados de oxidação +1 e, menos frequentemente, -1 (valência I). O raio do átomo de hidrogênio neutro é 0,024 nm. A energia de ionização do átomo é 13,595 eV, a afinidade eletrônica é 0,75 eV. Na escala de Pauling, a eletronegatividade do hidrogênio é 2,20. O hidrogênio é um dos não metais.
Na sua forma livre, é um gás leve, inflamável, sem cor, odor ou sabor.
Histórico de descobertas
A liberação de gás combustível durante a interação de ácidos e metais foi observada nos séculos XVI e XVII, no início da formação da química como ciência. O famoso físico e químico inglês G. Cavendish (cm. Henry Cavendish) em 1766 ele investigou esse gás e o chamou de "ar combustível". Quando queimado, o "ar combustível" deu água, mas a adesão de Cavendish à teoria do flogisto (cm. FLOGISTO) impediu-o de tirar conclusões corretas. O químico francês A. Lavoisier (cm. Lavoisier Antoine Laurent) juntamente com o engenheiro J. Meunier (cm. MEUNIER Jean-Baptiste Marie Charles), usando gasômetros especiais, em 1783 realizou a síntese de água, e depois sua análise, decompondo o vapor de água com ferro em brasa. Assim, ele estabeleceu que o "ar combustível" faz parte da água e pode ser obtido a partir dela. Em 1787, Lavoisier chegou à conclusão de que o "ar combustível" é uma substância simples e, portanto, pertence ao número de elementos químicos. Ele lhe deu o nome de hidrogênio (do grego hydor - água e gennao - dar à luz) - "dar à luz a água". O estabelecimento da composição da água pôs fim à "teoria do flogisto". O nome russo "hidrogênio" foi proposto pelo químico M.F. Solovyov (cm. SOLOVIEV Mikhail Fedorovich) em 1824. Na virada dos séculos 18 e 19, descobriu-se que o átomo de hidrogênio é muito leve (comparado com os átomos de outros elementos), e o peso (massa) do átomo de hidrogênio foi tomado como uma unidade para comparação as massas atômicas dos elementos. A massa do átomo de hidrogênio recebeu um valor igual a 1.
Estar na natureza
O hidrogênio representa cerca de 1% da massa da crosta terrestre (10º lugar entre todos os elementos). O hidrogênio praticamente nunca é encontrado em sua forma livre em nosso planeta (seus traços são encontrados na alta atmosfera), mas é distribuído em quase todos os lugares da Terra na composição da água. O elemento hidrogênio é uma parte de compostos orgânicos e inorgânicos de organismos vivos, gás natural, petróleo, carvão. Está contido, é claro, na composição da água (cerca de 11% em peso), em vários hidratos e minerais cristalinos naturais, que contêm um ou mais grupos OH hidroxi.
O hidrogênio como um elemento domina o universo. É responsável por cerca de metade da massa do Sol e de outras estrelas, está presente na atmosfera de vários planetas.
Recibo
O hidrogênio pode ser obtido de várias maneiras. Na indústria, são utilizados gases naturais para isso, assim como gases obtidos do refino de petróleo, coqueificação e gaseificação de carvão e outros combustíveis. Na produção de hidrogênio a partir do gás natural (o principal componente é o metano), sua interação catalítica com o vapor de água e a oxidação incompleta com o oxigênio são realizadas:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 e CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
A separação do hidrogênio do gás de coque e dos gases de refinaria é baseada em sua liquefação durante o resfriamento profundo e remoção da mistura de gases que são mais facilmente liquefeitos que o hidrogênio. Na presença de eletricidade barata, o hidrogênio é obtido por eletrólise da água, passando a corrente através de soluções alcalinas. Em condições de laboratório, o hidrogênio é facilmente obtido pela interação de metais com ácidos, por exemplo, zinco com ácido clorídrico.
Físico e Propriedades quimicas
Em condições normais, o hidrogênio é um gás leve (densidade em condições normais 0,0899 kg/m 3). Ponto de fusão -259,15 °C, ponto de ebulição -252,7 °C. O hidrogênio líquido (no ponto de ebulição) tem uma densidade de 70,8 kg/m 3 e é o líquido mais leve. O potencial de eletrodo padrão H 2 / H - em uma solução aquosa é igual a 0. O hidrogênio é pouco solúvel em água: a 0 ° C, a solubilidade é inferior a 0,02 cm 3 / ml, mas é altamente solúvel em alguns metais (ferro esponja e outros), especialmente bom - em paládio metálico (cerca de 850 volumes de hidrogênio em 1 volume de metal). O calor de combustão do hidrogênio é 143,06 MJ/kg.
Existe na forma de moléculas de H 2 diatômicas. A constante de dissociação de H 2 em átomos a 300 K é 2,56 10 -34. A energia de dissociação da molécula de H 2 em átomos é 436 kJ/mol. A distância internuclear na molécula de H 2 é 0,07414 nm.
Como o núcleo de cada átomo de H, que faz parte da molécula, tem seu próprio spin (cm. RODAR), então o hidrogênio molecular pode estar em duas formas: na forma de orto-hidrogênio (o-H 2) (ambos os spins têm a mesma orientação) e na forma de para-hidrogênio (p-H 2) (os spins têm orientações diferentes). Sob condições normais, o hidrogênio normal é uma mistura de 75% de o-H2 e 25% de p-H2. As propriedades físicas de p- e o-H 2 diferem ligeiramente uma da outra. Então, se o ponto de ebulição do o-H 2 puro é 20,45 K, então puro p-n 2 - 20,26 K. A transformação de o-H 2 em p-H 2 é acompanhada pela liberação de 1418 J/mol de calor.
Tem sido repetidamente argumentado na literatura científica que altas pressões(acima de 10 GPa) e em baixas temperaturas (cerca de 10 K e abaixo), o hidrogênio sólido, que geralmente cristaliza em uma rede do tipo molecular hexagonal, pode se transformar em uma substância com propriedades metálicas, possivelmente até supercondutora. No entanto, ainda não há dados inequívocos sobre a possibilidade de tal transição.
Força elevada ligação química entre átomos em uma molécula de H 2 (o que, por exemplo, usando o método dos orbitais moleculares, pode ser explicado pelo fato de que nesta molécula o par de elétrons está no orbital de ligação, e o orbital de afrouxamento não é preenchido com elétrons) leva ao fato de que à temperatura ambiente, o hidrogênio gasoso é quimicamente inativo. Assim, sem aquecimento, com mistura simples, o hidrogênio reage (com uma explosão) apenas com flúor gasoso:
H 2 + F 2 \u003d 2HF + Q.
Se uma mistura de hidrogênio e cloro à temperatura ambiente é irradiada com luz ultravioleta, então é observada uma formação imediata de cloreto de hidrogênio HCl. A reação do hidrogênio com o oxigênio ocorre com uma explosão se um catalisador, paládio metálico (ou platina), for introduzido na mistura desses gases. Quando inflamado, uma mistura de hidrogênio e oxigênio (o chamado gás explosivo (cm. GÁS EXPLOSIVO)) explode, e uma explosão pode ocorrer em misturas nas quais o teor de hidrogênio é de 5 a 95 por cento em volume. O hidrogênio puro no ar ou no oxigênio puro queima silenciosamente com a liberação de uma grande quantidade de calor:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 kJ / mol
Se o hidrogênio interage com outros não metais e metais, somente sob certas condições (aquecimento, alta pressão, presença de um catalisador). Assim, o hidrogênio reage reversivelmente com o nitrogênio em pressão alta(20-30 MPa e mais) e a uma temperatura de 300-400 ° C na presença de um catalisador - ferro:
3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q.
Além disso, somente quando aquecido, o hidrogênio reage com enxofre para formar sulfeto de hidrogênio H 2 S, com bromo - para formar brometo de hidrogênio HBr, com iodo - para formar iodeto de hidrogênio HI. O hidrogênio reage com o carvão (grafite) para formar uma mistura de hidrocarbonetos de várias composições. O hidrogênio não interage diretamente com boro, silício e fósforo; os compostos desses elementos com o hidrogênio são obtidos indiretamente.
Quando aquecido, o hidrogênio é capaz de reagir com metais alcalinos, alcalino-terrosos e magnésio para formar compostos com caráter de ligação iônica, que contêm hidrogênio no estado de oxidação –1. Assim, quando o cálcio é aquecido em uma atmosfera de hidrogênio, forma-se um hidreto semelhante ao sal da composição CaH 2 . Hidreto de alumínio polimérico (AlH 3) x - um dos agentes redutores mais fortes - é obtido indiretamente (por exemplo, usando compostos organoalumínio). Com muitos metais de transição (por exemplo, zircônio, háfnio, etc.), o hidrogênio forma compostos de composição variável (soluções sólidas).
O hidrogênio é capaz de reagir não apenas com muitas substâncias simples, mas também com substâncias complexas. Em primeiro lugar, deve-se notar a capacidade do hidrogênio de reduzir muitos metais de seus óxidos (como ferro, níquel, chumbo, tungstênio, cobre, etc.). Assim, quando aquecido a uma temperatura de 400-450 ° C e acima, o ferro é reduzido pelo hidrogênio de qualquer um de seus óxidos, por exemplo:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
Deve-se notar que apenas os metais localizados na série de potenciais padrão além do manganês podem ser reduzidos de óxidos por hidrogênio. Metais mais ativos (incluindo manganês) não são reduzidos a metal a partir de óxidos.
O hidrogênio é capaz de adicionar uma ligação dupla ou tripla a muitos compostos orgânicos (estas são as chamadas reações de hidrogenação). Por exemplo, na presença de um catalisador de níquel, a hidrogenação de etileno C 2 H 4 pode ser realizada e o etano C 2 H 6 é formado:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
A interação de monóxido de carbono (II) e hidrogênio na indústria produz metanol:
2H 2 + CO \u003d CH 3 OH.
Em compostos em que um átomo de hidrogênio está ligado a um átomo de um elemento mais eletronegativo E (E = F, Cl, O, N), as ligações de hidrogênio são formadas entre as moléculas (cm. LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO)(dois átomos E do mesmo ou dois elementos diferentes estão interligados através do átomo H: E "... N ... E"", e todos os três átomos estão localizados na mesma linha reta). Tais ligações existem entre as moléculas de água, amônia, metanol, etc. e levam a um aumento notável nos pontos de ebulição dessas substâncias, um aumento no calor de evaporação, etc.
Inscrição
O hidrogênio é utilizado na síntese de amônia NH 3 , cloreto de hidrogênio HCl, metanol CH 3 OH, no hidrocraqueamento (craqueamento em atmosfera de hidrogênio) de hidrocarbonetos naturais, como agente redutor na produção de certos metais. hidrogenação (cm. HIDROGENAÇÃO) natural óleos vegetais obter gordura sólida - margarina. O hidrogênio líquido é usado como combustível de foguete e também como refrigerante. Uma mistura de oxigênio e hidrogênio é usada na soldagem.
Ao mesmo tempo, foi sugerido que em um futuro próximo a principal fonte de produção de energia seria a reação da combustão do hidrogênio, e a energia do hidrogênio substituiria as fontes tradicionais de produção de energia (carvão, petróleo, etc.). Ao mesmo tempo, assumiu-se que para a produção de hidrogênio em larga escala seria possível utilizar a eletrólise da água. A eletrólise da água é um processo bastante intensivo em energia e atualmente não é lucrativo obter hidrogênio por eletrólise em escala industrial. Mas esperava-se que a eletrólise fosse baseada no uso de calor de média temperatura (500-600°C), que ocorre em grandes quantidades durante a operação de usinas nucleares. Esse calor é de uso limitado, e a possibilidade de obter hidrogênio com sua ajuda resolveria tanto o problema da ecologia (quando o hidrogênio é queimado no ar, a quantidade de substâncias nocivas ao meio ambiente formadas é mínima) quanto o problema da utilização de temperaturas médias. aquecer. No entanto, após o desastre de Chernobyl, o desenvolvimento energia nuclear coagula em todos os lugares, de modo que a fonte especificada de energia se torna indisponível. Portanto, as perspectivas para o uso generalizado do hidrogênio como fonte de energia ainda estão mudando pelo menos até meados do século XXI.
Características de circulação
O hidrogênio não é venenoso, mas ao manuseá-lo, deve-se levar em consideração constantemente seu alto risco de incêndio e explosão, e o risco de explosão do hidrogênio é aumentado devido à alta capacidade do gás de se difundir mesmo através de alguns materiais sólidos. Antes de iniciar qualquer operação de aquecimento em uma atmosfera de hidrogênio, verifique se ela está limpa (ao acender o hidrogênio em um tubo de ensaio virado de cabeça para baixo, o som deve ser surdo, não latindo).
Papel biológico
O significado biológico do hidrogênio é determinado pelo fato de fazer parte das moléculas de água e de todos os grupos mais importantes de compostos naturais, incluindo proteínas, ácidos nucleicos, lipídios, carboidratos. Aproximadamente 10% da massa dos organismos vivos é hidrogênio. A capacidade do hidrogênio de formar uma ligação de hidrogênio desempenha um papel crucial na manutenção da estrutura quaternária espacial das proteínas, bem como na implementação do princípio da complementaridade. (cm. COMPLEMENTAR) na construção e funções dos ácidos nucleicos (isto é, no armazenamento e implementação da informação genética), em geral, na implementação do "reconhecimento" a nível molecular. O hidrogênio (íon H +) participa dos processos e reações dinâmicas mais importantes do corpo - na oxidação biológica, que fornece energia às células vivas, na fotossíntese nas plantas, nas reações de biossíntese, na fixação de nitrogênio e na fotossíntese bacteriana, na manutenção do ácido -equilíbrio de bases e homeostase (cm. homeostase), em processos de transporte de membrana. Assim, junto com o oxigênio e o carbono, o hidrogênio forma a base estrutural e funcional dos fenômenos da vida.

dicionário enciclopédico. 2009 .

Sinônimos:

Veja o que é "hidrogênio" em outros dicionários:

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O hidrogênio (Hydrogenium) foi descoberto na primeira metade do século XVI pelo médico e naturalista alemão Paracelsus. Em 1776, G. Cavendish (Inglaterra) estabeleceu suas propriedades e apontou as diferenças em relação a outros gases. Lavoisier foi o primeiro a obter hidrogênio da água e provou que a água é uma combinação química de hidrogênio e oxigênio (1783).

O hidrogênio tem três isótopos: prótio, deutério ou D e trítio ou T. Seus números de massa são 1, 2 e 3. O prótio e o deutério são estáveis, o trítio é radioativo (meia-vida de 12,5 anos). Em compostos naturais, deutério e prótio estão contidos em média em uma proporção de 1:6800 (de acordo com o número de átomos). O trítio é encontrado na natureza em quantidades insignificantes.

O núcleo de um átomo de hidrogênio contém um próton. Os núcleos de deutério e trítio incluem, além do próton, um e dois nêutrons, respectivamente.

A molécula de hidrogênio consiste em dois átomos. Aqui estão algumas propriedades que caracterizam o átomo e a molécula de hidrogênio:

Energia de ionização do átomo, eV 13,60

Afinidade de um átomo a um elétron, eV 0,75

Eletronegatividade relativa 2.1

Raio de um átomo, nm 0,046

Distância internuclear em uma molécula, nm 0,0741

Etalpia padrão de dissociação de moléculas em 436,1

115. Hidrogênio na natureza. Obtenção de hidrogênio.

O hidrogênio no estado livre é encontrado na Terra apenas em pequenas quantidades. Às vezes, é liberado junto com outros gases durante erupções vulcânicas, bem como de poços durante a extração de petróleo. Mas na forma de compostos, o hidrogênio é muito comum. Isso já pode ser visto pelo fato de constituir um nono da massa de água. O hidrogênio é um constituinte de todos os organismos vegetais e animais, petróleo, carvão duro e marrom, gases naturais e vários minerais. A parcela de hidrogênio de toda a massa da crosta terrestre, incluindo água e ar, representa cerca de 1%. No entanto, quando recalculado como uma porcentagem do número total de átomos, o teor de hidrogênio na crosta terrestre é de 17%.

O hidrogênio é o elemento mais abundante no espaço. É responsável por cerca de metade da massa do Sol e da maioria das outras estrelas. Está contido em nebulosas gasosas, em gás interestelar, e faz parte das estrelas. No interior das estrelas, os núcleos dos átomos de hidrogênio são convertidos nos núcleos dos átomos de hélio. Este processo prossegue com a liberação de energia; para muitas estrelas, incluindo o Sol, serve como a principal fonte de energia. A taxa do processo, ou seja, o número de núcleos de hidrogênio que se transformam em núcleos de hélio em um metro cúbico em um segundo, é pequeno. Portanto, a quantidade de energia liberada por unidade de tempo por unidade de volume é pequena. No entanto, devido à enorme massa do Sol, a quantidade total de energia gerada e emitida pelo Sol é muito grande. Corresponde a uma diminuição da massa do Sol em cerca de um segundo.

Na indústria, o hidrogênio é produzido principalmente a partir do gás natural. Este gás, que consiste principalmente de metano, é misturado com vapor de água e oxigênio. Quando uma mistura de gases é aquecida na presença de um catalisador, ocorre uma reação, que pode ser representada esquematicamente pela equação:

A mistura de gases resultante é separada. O hidrogênio é purificado e usado no local ou transportado em cilindros de aço pressurizado.

Um importante método industrial para a produção de hidrogênio é também o seu isolamento do gás de coqueria ou de gases de refino de petróleo. É realizado por resfriamento profundo, no qual todos os gases, exceto o hidrogênio, são liquefeitos.

Em laboratórios, o hidrogênio é produzido principalmente por eletrólise de soluções aquosas. A concentração dessas soluções é escolhida para corresponder à sua máxima condutividade elétrica. Os eletrodos são geralmente feitos de folha de níquel. Este metal não corrói em soluções alcalinas, mesmo sendo um ânodo. Se necessário, o hidrogênio resultante é purificado do vapor de água e traços de oxigênio. Dos outros métodos laboratoriais, o método mais comum é a extração de hidrogênio de soluções de ácidos sulfúrico ou clorídrico pela ação do zinco sobre eles. A reação é geralmente realizada em um aparelho Kipp (Fig. 105).

DEFINIÇÃO

Hidrogênioé o primeiro elemento da Tabela Periódica. Designação - H do latim "hidrogênio". Localizado no primeiro período, grupo IA. Refere-se a não metais. A carga nuclear é 1.

O hidrogênio é um dos elementos químicos mais comuns - sua participação é de cerca de 1% da massa de todas as três camadas da crosta terrestre (atmosfera, hidrosfera e litosfera), que, quando convertidas em porcentagens atômicas, dão um valor de 17,0.

A quantidade principal desse elemento está em um estado vinculado. Assim, a água contém cerca de 11% em peso. %, argila - cerca de 1,5%, etc. Na forma de compostos com carbono, o hidrogênio faz parte do petróleo, dos gases naturais combustíveis e de todos os organismos.

O hidrogênio é um gás incolor e inodoro (um diagrama da estrutura do átomo é mostrado na Fig. 1). Seus pontos de fusão e ebulição são muito baixos (-259 o C e -253 o C, respectivamente). À temperatura (-240 o C) e sob pressão, o hidrogênio é capaz de se liquefazer e, com a rápida evaporação do líquido resultante, transforma-se em Estado sólido(cristais transparentes). É ligeiramente solúvel em água - 2:100 por volume. O hidrogênio é caracterizado pela solubilidade em alguns metais, por exemplo, no ferro.

Arroz. 1. A estrutura do átomo de hidrogênio.

Peso atômico e molecular do hidrogênio

DEFINIÇÃO

Massa atômica relativa elemento é a razão entre a massa de um átomo de um dado elemento e 1/12 da massa de um átomo de carbono.

A massa atômica relativa não tem dimensão e é denotada por A r (o subscrito "r" é a letra inicial palavra em inglês relativo, que na tradução significa "relativo"). A massa atômica relativa do hidrogênio atômico é 1,008 amu.

As massas das moléculas, assim como as massas dos átomos, são expressas em unidades de massa atômica.

DEFINIÇÃO

peso molecular substância é chamada de massa da molécula, expressa em unidades de massa atômica. Peso molecular relativo substâncias chamam a razão da massa de uma molécula de uma dada substância para 1/12 da massa de um átomo de carbono, cuja massa é 12 a.m.u.

Sabe-se que a molécula de hidrogênio é diatômica - H 2 . O peso molecular relativo de uma molécula de hidrogênio será igual a:

M r (H 2) \u003d 1,008 × 2 \u003d 2,016.

Isótopos de hidrogênio

O hidrogênio tem três isótopos: prótio 1 H, deutério 2 H ou D e trítio 3 H ou T. Seus números de massa são 1, 2 e 3. O prótio e o deutério são estáveis, o trítio é radioativo (meia-vida de 12,5 anos). Em compostos naturais, deutério e prótio estão contidos em média em uma proporção de 1:6800 (de acordo com o número de átomos). O trítio é encontrado na natureza em quantidades insignificantes.

O núcleo do átomo de hidrogênio 1 H contém um próton. Os núcleos de deutério e trítio incluem, além do próton, um e dois nêutrons.

Íons de hidrogênio

Um átomo de hidrogênio pode doar seu único elétron para formar um íon positivo (que é um próton "nu") ou pode adicionar um elétron, transformando-se em um íon negativo, que tem uma configuração eletrônica de hélio.

A separação completa de um elétron de um átomo de hidrogênio requer o gasto de uma energia de ionização muito grande:

H + 315 kcal = H + + e.

Como resultado, na interação do hidrogênio com os metalóides, surgem ligações não iônicas, mas apenas polares.

A tendência de um átomo neutro de anexar um elétron em excesso é caracterizada pelo valor de sua afinidade eletrônica. No hidrogênio, é expresso de maneira bastante fraca (no entanto, isso não significa que esse íon de hidrogênio não possa existir):

H + e \u003d H - + 19 kcal.

Molécula e átomo de hidrogênio

A molécula de hidrogênio consiste em dois átomos - H 2 . Aqui estão algumas propriedades que caracterizam o átomo e a molécula de hidrogênio:

Exemplos de resolução de problemas

EXEMPLO 1

Exercício	Prove que existem hidretos de fórmula geral EN x contendo 12,5% de hidrogênio.
Solução	Calcule as massas do hidrogênio e do elemento desconhecido, tomando a massa da amostra como 100 g: m(H) = m(EN x)×w(H); m(H) = 100 × 0,125 = 12,5 g. m (E) \u003d m (EN x) - m (H); m (E) \u003d 100 - 12,5 \u003d 87,5 g. Vamos encontrar a quantidade de substância hidrogênio e um elemento desconhecido, denotando a massa molar deste último como "x" (a massa molar do hidrogênio é 1 g / mol):

O hidrogênio é um elemento químico com símbolo H e número atômico 1. Com um peso atômico padrão de cerca de 1,008, o hidrogênio é o elemento mais leve da tabela periódica. Sua forma monoatômica (H) é a substância química mais abundante no universo, representando aproximadamente 75% da massa total de um bárion. As estrelas são compostas principalmente de hidrogênio no estado de plasma. O isótopo mais comum do hidrogênio, chamado prótio (este nome é raramente usado, símbolo 1H), tem um próton e nenhum nêutron. O aparecimento generalizado do hidrogênio atômico ocorreu pela primeira vez na era da recombinação. Em temperaturas e pressões padrão, o hidrogênio é um gás diatômico incolor, inodoro, insípido, não tóxico, não metálico e inflamável com a fórmula molecular H2. Como o hidrogênio forma prontamente ligações covalentes com a maioria dos elementos não metálicos, a maior parte do hidrogênio na Terra existe em formas moleculares, como água ou compostos orgânicos. O hidrogênio desempenha um papel particularmente importante nas reações ácido-base porque a maioria das reações ácido-base envolvem a troca de prótons entre moléculas solúveis. Em compostos iônicos, o hidrogênio pode assumir a forma de uma carga negativa (isto é, ânion) e é conhecido como um hidreto, ou como uma espécie carregada positivamente (isto é, cátion), denotada pelo símbolo H+. O cátion de hidrogênio é descrito como sendo composto de um próton simples, mas os cátions de hidrogênio reais em compostos iônicos são sempre mais complexos. Como o único átomo neutro para o qual a equação de Schrödinger pode ser resolvida analiticamente, o hidrogênio (ou seja, o estudo da energia e da ligação de seu átomo) desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento da mecânica quântica. O gás hidrogênio foi produzido pela primeira vez artificialmente no início do século 16 pela reação de ácidos com metais. Em 1766-81. Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer que o gás hidrogênio é uma substância discreta e que produz água quando queimado, daí seu nome: hidrogênio em grego significa "produtor de água". A produção industrial de hidrogênio está associada principalmente à conversão a vapor do gás natural e, menos frequentemente, a métodos mais intensivos em energia, como a eletrólise da água. A maior parte do hidrogênio é usada perto de onde é produzido, sendo os dois usos mais comuns o processamento de combustível fóssil (por exemplo, hidrocraqueamento) e a produção de amônia, principalmente para o mercado de fertilizantes. O hidrogênio é uma preocupação na metalurgia porque pode quebrar muitos metais, dificultando o projeto de tubulações e tanques de armazenamento.

Propriedades

Combustão

O gás hidrogênio (di-hidrogênio ou hidrogênio molecular) é um gás inflamável que queima no ar em uma ampla faixa de concentrações de 4% a 75% em volume. A entalpia de combustão é 286 kJ/mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

O gás hidrogênio forma misturas explosivas com o ar em concentrações de 4-74% e com cloro em concentrações de até 5,95%. As reações explosivas podem ser causadas por faíscas, calor ou luz solar. A temperatura de autoignição do hidrogênio, a temperatura de ignição espontânea no ar, é de 500°C (932°F). Chamas de hidrogênio-oxigênio puro emitem radiação ultravioleta e com uma alta mistura de oxigênio são quase invisíveis a olho nu, como evidenciado pela fraca pluma do motor principal do Space Shuttle em comparação com a pluma altamente visível do foguete sólido do Space Shuttle, que usa um composto de perclorato de amônio. Um detector de chamas pode ser necessário para detectar um vazamento de hidrogênio em chamas; tais vazamentos podem ser muito perigosos. A chama do hidrogênio sob outras condições é azul e se assemelha à chama azul do gás natural. O naufrágio do dirigível "Hindenburg" é um exemplo notório de queima de hidrogênio, e o caso ainda está em discussão. A chama laranja visível neste incidente foi causada pela exposição a uma mistura de hidrogênio e oxigênio combinado com compostos de carbono da pele do dirigível. H2 reage com cada elemento oxidante. O hidrogênio pode reagir espontaneamente à temperatura ambiente com cloro e flúor para formar os correspondentes haletos de hidrogênio, cloreto de hidrogênio e fluoreto de hidrogênio, que também são ácidos potencialmente perigosos.

Níveis de energia eletrônica

O nível de energia do estado fundamental de um elétron em um átomo de hidrogênio é -13,6 eV, o que equivale a um fóton ultravioleta com um comprimento de onda de cerca de 91 nm. Níveis de energia o hidrogênio pode ser calculado com bastante precisão usando o modelo de Bohr do átomo, que conceitua o elétron como um próton "orbital", semelhante à órbita da Terra do Sol. No entanto, o elétron atômico e o próton são mantidos juntos pela força eletromagnética, enquanto os planetas e os objetos celestes são mantidos juntos pela gravidade. Devido à discretização do momento angular postulada no início mecânica quântica Bohr, o elétron no modelo de Bohr pode ocupar apenas certas distâncias permitidas do próton e, portanto, apenas certas energias permitidas. 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 mesmo o circuito integrado de Feynman para calcular a distribuição de densidade de probabilidade de um elétron em torno de um próton. Os métodos de processamento mais complexos permitem obter pequenos efeitos teoria especial relatividade e polarização do vácuo. Na usinagem quântica, o elétron no átomo de hidrogênio no estado fundamental não tem torque, ilustrando como uma "órbita planetária" difere do movimento de um elétron.

Formas moleculares elementares

Existem dois isômeros de spin diferentes de moléculas de hidrogênio diatômicas que diferem no spin relativo de seus núcleos. Na forma orto-hidrogênio, os spins dos dois prótons são paralelos e formam um estado tripleto com número quântico de spin molecular 1 (1/2 + 1/2); na forma de para-hidrogênio, os spins são antiparalelos e formam um singleto com um número quântico de spin molecular de 0 (1/2 1/2). À temperatura e pressão padrão, o gás hidrogênio contém cerca de 25% da forma para e 75% da forma orto, também conhecida como "forma normal". A razão de equilíbrio de ortohidrogênio para parahidrogênio depende da temperatura, mas como a forma orto é um estado excitado e tem energia mais alta que a forma para, ela é instável e não pode ser purificada. Em temperaturas muito baixas, o estado de equilíbrio consiste quase exclusivamente na forma para. Propriedades térmicas As fases líquida e gasosa do para-hidrogênio puro diferem significativamente das propriedades da forma normal devido às diferenças nas capacidades de calor rotacional, o que é discutido com mais detalhes nos isômeros de spin do hidrogênio. A diferença orto/par também ocorre em outras moléculas contendo hidrogênio ou grupos funcionais, como água e metileno, mas isso é pouco significativo para suas propriedades térmicas. A interconversão não catalisada entre para e orto H2 aumenta com o aumento da temperatura; assim, o H2 rapidamente condensado contém grandes quantidades forma ortogonal de alta energia, que é convertida muito lentamente para a forma para. A razão orto/para no H2 condensado é um fator importante na preparação e armazenamento de hidrogênio líquido: a conversão de orto em para é exotérmica e fornece calor suficiente para vaporizar parte do hidrogênio líquido, resultando na perda de material liquefeito. Catalisadores para conversão orto-para, como óxido de ferro, Carvão ativado, amianto platinado, metais de terras raras, compostos de urânio, óxido de cromo ou alguns compostos de níquel são usados ​​no resfriamento de hidrogênio.

Fases

Gás hidrogênio

hidrogênio líquido

lodo de hidrogênio

hidrogênio sólido

hidrogênio metálico

Conexões

Compostos covalentes e orgânicos

Embora o H2 não seja muito reativo em condições padrão, ele forma compostos com a maioria dos elementos. O hidrogênio pode formar compostos com elementos mais eletronegativos, como halogênios (por exemplo, F, Cl, Br, I) ou oxigênio; nesses compostos, o hidrogênio assume uma carga parcial positiva. Quando ligado ao flúor, oxigênio ou nitrogênio, o hidrogênio pode participar na forma de uma ligação não covalente de força média com o hidrogênio de outras moléculas semelhantes, um fenômeno chamado ligação de hidrogênio, que é fundamental para a estabilidade de muitas moléculas biológicas. O hidrogênio também forma compostos com elementos menos eletronegativos, como metais e metalóides, onde assume uma carga parcial negativa. Estes compostos são frequentemente conhecidos como hidretos. O hidrogênio forma uma grande variedade de compostos com carbono, chamados hidrocarbonetos, e uma variedade ainda maior de compostos com heteroátomos, que, devido à sua associação comum com os seres vivos, são chamados compostos orgânicos. O estudo de suas propriedades é química orgânica, e seu estudo no contexto de organismos vivos é conhecido como bioquímica. Por algumas definições, os compostos "orgânicos" devem conter apenas carbono. No entanto, a maioria também contém hidrogênio e, como é a ligação carbono-hidrogênio que dá a essa classe de compostos muitas de suas características químicas específicas, as ligações carbono-hidrogênio são necessárias em algumas definições da palavra "orgânico" em química. Milhões de hidrocarbonetos são conhecidos e geralmente são formados por vias sintéticas complexas que raramente envolvem hidrogênio elementar.

hidretos

Os compostos de hidrogênio são freqüentemente chamados de hidretos. O termo "hidreto" sugere que o átomo de H adquiriu um caráter negativo ou aniônico, designado H-, e é usado quando o hidrogênio forma um composto com um elemento mais eletropositivo. A existência de um ânion hidreto, proposta por Gilbert N. Lewis em 1916 para hidretos contendo sais 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 por ânodo. Para hidretos que não sejam metais dos grupos 1 e 2, o termo é enganoso, dada a baixa eletronegatividade do hidrogênio. Uma exceção nos hidretos do grupo 2 é o BeH2, que é polimérico. No hidreto de alumínio e lítio, o ânion AlH-4 carrega centros de hidreto firmemente ligados ao Al(III). Embora os hidretos possam se formar em quase todos os elementos do grupo principal, o número e a combinação de compostos possíveis variam muito; por exemplo, mais de 100 hidretos de borano binários e apenas um hidreto de alumínio binário são conhecidos. O hidreto de índio binário ainda não foi identificado, embora existam grandes complexos. Na química inorgânica, os hidretos também podem servir como ligantes de ponte que ligam dois centros metálicos em um complexo de coordenação. Esta função é especialmente característica de elementos do grupo 13, especialmente em boranos (hidretos de boro) e complexos de alumínio, bem como em carboranos agrupados.

prótons e ácidos

A oxidação do hidrogênio remove seu elétron e dá H+, que não contém elétrons nem núcleo, que geralmente consiste em um único próton. É por isso que o H+ é frequentemente chamado de próton. Essa visão é central para a discussão dos ácidos. De acordo com a teoria de Bronsted-Lowry, ácidos são doadores de prótons e bases são receptores de prótons. O próton nu, H+, não pode existir em solução ou em cristais iônicos por causa de sua atração irresistível por outros átomos ou moléculas com elétrons. Exceto pelas altas temperaturas associadas aos plasmas, esses prótons não podem ser removidos das nuvens eletrônicas de átomos e moléculas e permanecerão ligados a eles. No entanto, o termo "próton" às vezes é usado metaforicamente para se referir a hidrogênio catiônico ou carregado positivamente ligado a outras espécies dessa maneira e, como tal, é designado "H +" sem qualquer significado de que qualquer próton individual exista livremente como espécie. Para evitar o aparecimento de um "próton solvatado" nu em solução, às vezes se pensa que soluções aquosas ácidas contêm uma espécie fictícia menos improvável chamada "íon hidrônio" (H3O+). No entanto, mesmo neste caso, tais cátions de hidrogênio solvatados são percebidos mais realisticamente como aglomerados organizados que formam espécies próximas a H 9O+4. Outros íons oxônio são encontrados quando a água está em uma solução ácida com outros solventes. Apesar de ser exótico na Terra, um dos íons mais comuns no universo é o H+3, conhecido como hidrogênio molecular protonado ou cátion tri-hidrogênio.

isótopos

O hidrogênio tem três isótopos naturais, designados 1H, 2H e 3H. Outros núcleos altamente instáveis ​​(4H a 7H) foram sintetizados em laboratório, mas não foram observados na natureza. 1H é o isótopo mais comum de hidrogênio, com uma abundância de mais de 99,98%. Como o núcleo desse isótopo consiste em apenas um próton, ele recebe o nome formal descritivo, mas raramente usado, de protium. 2H, o outro isótopo estável de hidrogênio, é conhecido como deutério e contém um próton e um nêutron no núcleo. Acredita-se que todo o deutério do universo foi produzido durante o Big Bang e existe desde aquela época até agora. O deutério não é um elemento radioativo e não apresenta um risco de toxicidade significativo. A água enriquecida em moléculas que incluem deutério em vez de hidrogênio normal é chamada de água pesada. O deutério e seus compostos são usados ​​como um marcador não radioativo em experimentos químicos e em solventes para espectroscopia de 1H-RMN. 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. 3H é conhecido como trítio e contém um próton e dois nêutrons no núcleo. É radioativo, decaindo em hélio-3 via decaimento beta com meia-vida de 12,32 anos. É tão radioativo que pode ser usado em tintas luminosas, sendo útil na confecção de relógios com mostradores luminosos, por exemplo. O vidro evita que uma pequena quantidade de radiação escape. Uma pequena quantidade de trítio é produzida naturalmente pela interação dos raios cósmicos com os gases atmosféricos; trítio também foi liberado durante os testes armas nucleares. É usado em reações de fusão nuclear como um indicador de geoquímica de isótopos e em dispositivos de iluminação auto-alimentados especializados. O trítio também tem sido usado em experimentos de marcação química e biológica como marcador radioativo. O hidrogênio é o único elemento que tem nomes diferentes para seus isótopos que são de uso comum hoje. Durante o estudo inicial da radioatividade, vários isótopos radioativos pesados ​​foram dados nomes próprios, mas esses nomes não são mais usados, com exceção de deutério e trítio. Os símbolos D e T (em vez de 2H e 3H) às vezes são usados ​​para deutério e trítio, mas o símbolo correspondente para prótio P já é usado para fósforo e, portanto, não está disponível para prótio. Em suas diretrizes de nomenclatura, a União Internacional de Química Pura e Aplicada permite que qualquer um dos símbolos de D, T, 2H e 3H seja usado, embora 2H e 3H sejam preferidos. O átomo exótico muônio (símbolo Mu), consistindo de um antimúon e um elétron, às vezes também é considerado um radioisótopo leve de hidrogênio devido à diferença de massa entre o antimúon e o elétron, que foi descoberto em 1960. Durante o tempo de vida do múon, 2,2 μs, o muônio pode entrar em compostos como cloreto de muônio (MuCl) ou muoneto de sódio (NaMu), de forma semelhante ao cloreto de hidrogênio e hidreto de sódio, respectivamente.

História

Descoberta e uso

Em 1671, Robert Boyle descobriu e descreveu a reação entre limalha de ferro e ácidos diluídos que resulta em gás hidrogênio. Em 1766, Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer o gás hidrogênio como uma substância discreta, nomeando o gás "ar inflamável" por causa da reação metal-ácido. Ele sugeriu que o "ar inflamável" era de fato idêntico a uma substância hipotética chamada "flogisto" e descobriu novamente em 1781 que o gás produzia água quando queimado. Acredita-se que foi ele quem descobriu o hidrogênio como elemento. Em 1783, Antoine Lavoisier deu ao elemento o nome de hidrogênio (do grego ὑδρο-hydro que significa "água" e -γενής genes que significa "criador") quando ele e Laplace reproduziram os dados de Cavendish de que a água era formada quando o hidrogênio era queimado. Lavoisier produziu hidrogênio para seus experimentos de conservação de massa, reagindo uma corrente de vapor com ferro metálico através de uma lâmpada incandescente aquecida no fogo. A oxidação anaeróbica do ferro pelos prótons da água em alta temperatura pode ser representada esquematicamente por um conjunto das seguintes reações:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Muitos metais, como o zircônio, sofrem uma reação semelhante com a água para produzir hidrogênio. O hidrogênio foi liquefeito pela primeira vez por James Dewar em 1898 usando refrigeração regenerativa e sua invenção, o balão a vácuo. No ano seguinte, ele produziu hidrogênio sólido. O deutério foi descoberto em dezembro de 1931 por Harold Uray e o trítio foi preparado em 1934 por Ernest Rutherford, Mark Oliphant e Paul Harteck. A água pesada, que é composta de deutério em vez de hidrogênio comum, foi descoberta pelo grupo de Yurey em 1932. François Isaac de Rivaz construiu o primeiro motor Rivaz, o motor combustão interna, impulsionado por hidrogênio e oxigênio, em 1806. Edward Daniel Clark inventou o tubo de gás hidrogênio em 1819. O aço de Döbereiner (o primeiro isqueiro completo) foi inventado em 1823. O primeiro balão de hidrogênio foi inventado por Jacques Charles em 1783. O hidrogênio proporcionou o surgimento da primeira forma confiável de tráfego aéreo após a invenção de Henri Giffard do primeiro dirigível movido a hidrogênio em 1852. O conde alemão Ferdinand von Zeppelin promoveu a ideia de aeronaves rígidas levantadas no ar por hidrogênio, que mais tarde foram chamadas de Zeppelins; o primeiro deles voou pela primeira vez em 1900. Os voos regulares começaram em 1910 e, com a eclosão da Primeira Guerra Mundial, em agosto de 1914, eles transportaram 35.000 passageiros sem grandes incidentes. Durante a guerra, aeronaves de hidrogênio foram usadas como plataformas de observação e bombardeiros. O primeiro voo transatlântico sem escalas foi feito 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 deveria melhorar a segurança da aviação, mas o governo dos EUA se recusou a vender gás para esse fim, então o H2 foi usado no dirigível Hindenburg, que foi destruído na Incêndio em Milão em Nova Jersey em 6 de maio de 1937. O incidente foi transmitido ao vivo pelo rádio e gravado em vídeo. Foi amplamente assumido que a causa da ignição foi um vazamento de hidrogênio, no entanto, estudos posteriores indicam que o revestimento de tecido aluminizado foi inflamado por eletricidade estática. Mas a essa altura, a reputação do hidrogênio como gás de elevação já havia sido prejudicada. Nesse mesmo ano, o primeiro turbogerador refrigerado a hidrogênio com gás hidrogênio como refrigerante no rotor e estator entrou em operação em 1937 em Dayton, Ohio, pela Dayton Power & Light Co.; devido à condutividade térmica do gás hidrogênio, é o gás mais comum para uso neste campo hoje. A bateria de níquel-hidrogênio foi usada pela primeira vez em 1977 a bordo do US Navigation Technology Satellite 2 (NTS-2). O ISS, Mars Odyssey e Mars Global Surveyor 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, mais de 19 anos após o lançamento e 13 anos após terem sido projetadas.

Papel na teoria quântica

Por causa de sua estrutura atômica simples de apenas um próton e um elétron, o átomo de hidrogênio, juntamente com o espectro de luz criado ou absorvido por ele, tem sido central para o desenvolvimento da teoria da estrutura atômica. Além disso, o estudo da correspondente simplicidade da molécula de hidrogênio e do cátion H+2 correspondente levou a uma compreensão da natureza da ligação química, que logo se seguiu ao tratamento físico do átomo de hidrogênio na mecânica quântica em meados de 2020. Um dos primeiros efeitos quânticos que foi claramente observado (mas não compreendido naquela época) foi a observação de Maxwell envolvendo o hidrogênio meio século antes de haver uma teoria da mecânica quântica completa. Maxwell observou que calor específico H2 se afasta irreversivelmente do gás diatômico abaixo da temperatura ambiente e começa a se assemelhar cada vez mais à capacidade de calor específico do gás monoatômico em temperaturas criogênicas. De acordo com teoria quântica, esse comportamento decorre do espaçamento dos níveis de energia rotacional (quantizados), que são especialmente amplamente espaçados em H2 devido à sua baixa massa. Esses níveis amplamente espaçados impedem uma divisão igual da energia térmica em movimento rotacional no hidrogênio em baixas temperaturas. Os gases de diatomáceas, que são compostos de átomos mais pesados, não possuem níveis tão espaçados e não exibem o mesmo efeito. O anti-hidrogênio é o análogo antimaterial do hidrogênio. Consiste em um antipróton com um pósitron. O anti-hidrogênio é o único tipo de átomo de antimatéria que foi obtido a partir de 2015.

Estar na natureza

O hidrogênio 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 deste Elemento químico, mas acredita-se que tenha formas de massa ainda não descobertas, como matéria escura e energia escura.) Este elemento é encontrado em grande abundância em estrelas e gigantes gasosos. Nuvens moleculares H2 estão associadas à formação de estrelas. O hidrogênio desempenha um papel vital na ativação das estrelas através da reação próton-próton e da fusão nuclear do ciclo CNO. Em todo o mundo, o hidrogênio ocorre principalmente nos estados atômico e plasmático com propriedades bastante diferentes das do hidrogênio molecular. Como um plasma, o elétron e o próton do hidrogênio não estão ligados um ao outro, resultando em condutividade elétrica muito alta e alta emissividade (gerando luz do Sol e de outras estrelas). Partículas carregadas são fortemente afetadas por campos magnéticos e elétricos. Por exemplo, no vento solar, eles interagem com a magnetosfera da Terra, criando as correntes de Birkeland e a aurora. O hidrogênio está em um estado atômico neutro no meio interestelar. Acredita-se que a grande quantidade de hidrogênio neutro encontrado em sistemas Liman-alfa evanescentes domine a densidade cosmológica de bariônicos do Universo até o redshift z = 4. Sob condições normais na Terra, o hidrogênio elementar existe como um gás diatômico, H2. No entanto, o gás hidrogênio é muito raro na atmosfera terrestre (1 ppm em volume) devido à sua peso leve, o que lhe permite superar a gravidade da Terra mais facilmente do que os gases mais pesados. No entanto, o hidrogênio é o terceiro elemento mais abundante na superfície da Terra, existindo principalmente na forma de compostos químicos como hidrocarbonetos e água. O gás hidrogênio é produzido por algumas bactérias e algas e é um componente natural da flauta, assim como o metano, que é uma fonte cada vez mais importante de hidrogênio. Uma forma molecular chamada hidrogênio molecular protonado (H+3) é encontrada no meio interestelar, onde é gerada pela ionização do hidrogênio molecular dos raios cósmicos. Este íon carregado também foi observado na atmosfera superior do planeta Júpiter. O íon é relativamente estável em meio Ambiente devido à baixa temperatura e densidade. H+3 é um dos íons mais abundantes no universo e desempenha um papel de destaque na química do meio interestelar. O hidrogênio triatômico neutro H3 pode existir apenas na forma excitada e é instável. Em contraste, o íon de hidrogênio molecular positivo (H+2) é uma molécula rara no universo.

Produção de hidrogênio

O H2 é produzido em laboratórios químicos e biológicos, muitas vezes como subproduto de outras reações; na indústria para a hidrogenação de substratos insaturados; e na natureza como meio de deslocar equivalentes redutores em reações bioquímicas.

Reforma a vapor

O hidrogênio pode ser produzido de várias maneiras, mas economicamente os processos mais importantes envolvem a remoção de hidrogênio de hidrocarbonetos, já que cerca de 95% da produção de hidrogênio em 2000 veio da reforma a vapor. Comercialmente, grandes volumes de hidrogênio são normalmente produzidos pela reforma a vapor do gás natural. No temperaturas altas(1000-1400 K, 700-1100 °C ou 1300-2000 °F) o vapor (vapor) reage com o metano para produzir monóxido de carbono e H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Essa reação funciona melhor em baixas pressões, mas ainda pode ser realizada em altas pressões (2,0 MPa, 20 atm ou 600 polegadas de mercúrio). Isso ocorre porque o H2 de alta pressão é o produto mais popular e os sistemas de limpeza de superaquecimento pressurizado têm melhor desempenho em pressões mais altas. A mistura de produtos é conhecida como "gás de síntese" porque muitas vezes é usada diretamente para produzir metanol e compostos relacionados. Hidrocarbonetos diferentes do metano podem ser usados ​​para produzir gás de síntese com várias proporções de produto. Uma das muitas complicações desta tecnologia altamente otimizada é a formação de coque ou carbono:

CH4 → C + 2 H2

Portanto, a reforma a vapor geralmente usa um excesso de H2O. Hidrogênio adicional pode ser recuperado do vapor usando monóxido de carbono por meio de uma reação de deslocamento de água e gás, especialmente usando um catalisador de óxido de ferro. Esta reação também é uma fonte industrial comum de dióxido de carbono:

CO + H2O → CO2 + H2

Outros métodos importantes para H2 incluem a oxidação parcial de hidrocarbonetos:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

E a reação do carvão, que pode servir de prelúdio para a reação de deslocamento descrita acima:

C + H2O → CO + H2

Às vezes, o hidrogênio é produzido e consumido no mesmo processo industrial, sem separação. No processo Haber para a produção de amônia, o hidrogênio é gerado a partir do gás natural. A eletrólise da solução salina para produzir cloro também produz hidrogênio como subproduto.

ácido metálico

No laboratório, o H2 geralmente é feito pela reação de ácidos não oxidantes diluídos com certos metais reativos, como o zinco, com um aparelho Kipp.

Zn + 2H + → Zn2 + + H2

O alumínio também pode produzir H2 quando tratado com bases:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

A eletrólise da água é uma maneira simples de produzir hidrogênio. Uma corrente de baixa tensão flui através da água e o gás oxigênio é gerado no ânodo, enquanto o gás hidrogênio é gerado no cátodo. Normalmente, o cátodo é feito de platina ou outro metal inerte na produção de hidrogênio para armazenamento. Se, no entanto, o gás for queimado in situ, a presença de oxigênio é desejável para promover a combustão e, portanto, ambos os eletrodos serão feitos de metais inertes. (Por exemplo, o ferro oxida e, portanto, reduz a quantidade de oxigênio liberada). A eficiência máxima teórica (eletricidade utilizada em relação ao valor energético do hidrogênio produzido) está na faixa de 80-94%.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Uma liga de alumínio e gálio na forma de grânulos adicionados à água pode ser usada para produzir hidrogênio. Esse processo também produz alumina, mas o caro gálio, que evita a formação de película de óxido nos pellets, pode ser reutilizado. Isso tem implicações potenciais importantes para a economia do hidrogênio, uma vez que o hidrogênio pode ser produzido localmente e não precisa ser transportado.

Propriedades termoquímicas

Existem mais de 200 ciclos termoquímicos que podem ser usados ​​para separar a água, cerca de uma dúzia desses ciclos, como o ciclo do óxido de ferro, o ciclo do óxido de cério (IV), o ciclo do óxido de cério (III), o ciclo do óxido de zinco-zinco ciclo, o ciclo de iodo de enxofre, o ciclo de cobre e ciclo híbrido de cloro e enxofre estão sob pesquisa e testes para produzir hidrogênio e oxigênio a partir de água e calor sem o uso de eletricidade. Vários laboratórios (incluindo os da França, Alemanha, Grécia, Japão e EUA) estão desenvolvendo métodos termoquímicos para a produção de hidrogênio a partir da energia solar e da água.

Corrosão anaeróbica

Sob condições anaeróbicas, as ligas de ferro e aço são oxidadas lentamente por prótons de água enquanto são reduzidas em hidrogênio molecular (H2). A corrosão anaeróbica do ferro leva primeiro à formação de hidróxido de ferro (ferrugem verde) e pode ser descrita pela seguinte reação: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Por sua vez, sob condições anaeróbicas, o hidróxido de ferro (Fe (OH) 2) pode ser oxidado por prótons da água para formar magnetita e hidrogênio molecular. Este processo é descrito pela reação de Shikorra: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 hidróxido de ferro → magnésio + água + hidrogênio. A magnetita bem cristalizada (Fe3O4) é termodinamicamente mais estável que o hidróxido de ferro (Fe(OH)2). Este processo ocorre durante a corrosão anaeróbica do ferro e do aço em condições anóxicas. lençóis freáticos e ao restaurar solos abaixo do nível das águas subterrâneas.

Origem geológica: reação de serpentinização

Na ausência de oxigênio (O2) em condições geológicas, prevalecendo longe da atmosfera terrestre, o hidrogênio (H2) é formado no processo de serpentinização por oxidação anaeróbica pelos prótons da água (H+) do silicato de ferro (Fe2+) presente na rede cristalina da faialita (Fe2SiO4, olivina-ferro minal) . A reação correspondente que leva à formação de magnetita (Fe3O4), quartzo (SiO2) e hidrogênio (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 faialita + água → magnetita + quartzo + hidrogênio. Esta reação se assemelha à reação de Shikorra observada na oxidação anaeróbica do hidróxido de ferro em contato com a água.

Formação em transformadores

De todos os gases perigosos produzidos em transformadores de potência, o hidrogênio é o mais comum e é gerado na maioria das falhas; assim, a formação de hidrogênio é um sinal precoce de sérios problemas no ciclo de vida de um transformador.

Formulários

Consumo em vários processos

Grandes quantidades de H2 são necessárias nas indústrias de petróleo e química. O maior uso do H2 é para o processamento (“upgrading”) de combustíveis fósseis e para a produção de amônia. Em plantas petroquímicas, o H2 é usado em hidrodesalquilação, hidrodessulfurização e hidrocraqueamento. H2 tem vários outros usos importantes. O H2 é usado como agente hidrogenante, principalmente para aumentar o nível de saturação de gorduras e óleos insaturados (encontrados em itens como margarina) e na produção de metanol. É também uma fonte de hidrogênio na produção de ácido clorídrico. O H2 também é usado como agente redutor para minérios metálicos. O hidrogênio é altamente solúvel em muitas terras raras e metais de transição e é solúvel em metais nanocristalinos e amorfos. A solubilidade do hidrogênio em metais depende de distorções locais ou impurezas na rede cristalina. Isso pode ser útil quando o hidrogênio é purificado passando por discos quentes de paládio, mas a alta solubilidade do gás é um problema metalúrgico que fragiliza muitos metais, complicando o projeto de tubulações e tanques de armazenamento. Além de ser usado como reagente, o H2 tem uma ampla gama de aplicações em física e engenharia. É usado como gás de proteção em métodos de soldagem, como soldagem de hidrogênio atômico. O H2 é usado como refrigerante de rotor em geradores elétricos em usinas de energia porque possui a maior condutividade térmica de qualquer gás. O H2 líquido é usado em pesquisas criogênicas, incluindo pesquisas sobre supercondutividade. Como o H2 é mais leve que o ar, com pouco mais de 1/14 da densidade do ar, já foi amplamente utilizado como gás de elevação em balões e dirigíveis. Em aplicações mais recentes, o hidrogênio é usado puro ou misturado com nitrogênio (às vezes chamado de gás de formação) como gás traçador para detecção instantânea de vazamentos. O hidrogênio é usado nas indústrias automotiva, química, energética, aeroespacial e de telecomunicações. O hidrogênio é um aditivo alimentar permitido (E 949) que permite o teste de vazamento de alimentos, entre outras propriedades antioxidantes. Isótopos raros de hidrogênio também têm aplicações específicas. O deutério (hidrogênio-2) é usado em aplicações de fissão nuclear como moderador de nêutrons lentos e em reações de fusão nuclear. Compostos de deutério são usados ​​no campo da química e biologia no estudo dos efeitos isotópicos da reação. O trítio (hidrogênio-3), produzido em reatores nucleares, é utilizado na fabricação de bombas de hidrogênio, como marcador isotópico nas ciências biológicas e como fonte de radiação em tintas luminosas. A temperatura do ponto triplo do hidrogênio em equilíbrio é o ponto fixo definidor na escala de temperatura ITS-90 em 13,8033 Kelvin.

Meio de resfriamento

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. Estes incluem baixa densidade, baixa viscosidade e a maior capacidade de calor específico e condutividade térmica de qualquer gás.

Portador de energia

O hidrogênio não é um recurso energético, exceto no contexto hipotético de usinas comerciais de fusão usando deutério ou trítio, uma tecnologia atualmente longe de madura. A energia do Sol vem da fusão nuclear do hidrogênio, mas esse processo é difícil de ser alcançado na Terra. O hidrogênio elementar de fontes solares, biológicas ou elétricas requer mais energia para produzi-lo do que para queimá-lo, portanto, nesses casos, o hidrogênio funciona como um transportador de energia, semelhante a uma bateria. O hidrogênio pode ser obtido de fontes fósseis (como o metano), mas essas fontes são esgotáveis. A densidade de energia por unidade de volume de hidrogênio líquido e hidrogênio gasoso comprimido em qualquer pressão praticamente alcançável é significativamente menor do que as fontes de energia convencionais, embora a densidade de energia por unidade de massa de combustível seja maior. No entanto, o hidrogênio elementar tem sido amplamente discutido no contexto energético como um possível futuro portador de energia em toda a economia. Por exemplo, o sequestro de CO2 seguido de captura e armazenamento de carbono pode ser feito no ponto de produção de H2 a partir de combustíveis fósseis. O hidrogênio usado no transporte queimará de forma relativamente limpa, com algumas emissões de NOx, mas nenhuma emissão de carbono. No entanto, o custo de infraestrutura associado a uma conversão total para uma economia de hidrogênio será substancial. As células de combustível podem transformar hidrogênio e oxigênio diretamente em eletricidade com mais eficiência do que os motores de combustão interna.

Indústria de semicondutores

O hidrogênio é usado para saturar as ligações pendentes de silício amorfo e carbono amorfo, o que ajuda a estabilizar as propriedades do material. É também um potencial doador de elétrons em vários materiais de óxido, incluindo ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 e SrZrO3.

reações biológicas

O H2 é um produto de alguns tipos de metabolismo anaeróbio e é produzido por diversos microrganismos, geralmente por meio de reações catalisadas por enzimas contendo ferro ou níquel chamadas hidrogenases. Essas enzimas catalisam uma reação redox reversível entre H2 e seus dois prótons e dois elétrons componentes. A criação do gás hidrogênio ocorre pela transferência de equivalentes redutores produzidos pela fermentação do piruvato para a água. O ciclo natural de produção e consumo de hidrogênio pelos organismos é chamado de ciclo do hidrogênio. A divisão da água, o processo pelo qual a água é quebrada em seus prótons, elétrons e oxigênio constituintes, ocorre em reações de luz em todos os organismos fotossintéticos. Alguns desses organismos, incluindo as algas Chlamydomonas Reinhardtii e cianobactérias, desenvolveram um segundo estágio em reações escuras nas quais prótons e elétrons são reduzidos para formar gás H2 por hidrogenases especializadas no cloroplasto. Tentativas foram feitas para modificar geneticamente hidrases de cianobactérias para sintetizar eficientemente o gás H2, mesmo na presença de oxigênio. Esforços também foram feitos usando algas geneticamente modificadas em um biorreator.