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Hidrogênio - H
Número atômico 1 | Massa atômica 1,00794 | Elétrons 1s1 |
História
Do grego hydro e genes (gerador de água. Nome atribuído por Lavoisier em 1783). O
físico e químico inglês Robert Boyle descreveu, em 1671, a formação de um gás inflamável
pela reação de partículas metálicas com ácidos diluídos. Em 1766, Henry Cavendish,
também físico e químico inglês, reconheceu-o como elemento distinto, apesar da suposição
equivocada de que era liberado pelo metal e não pelo ácido.
Disponibilidade
É o elemento mais abundante no Universo. Todos os demais foram formados a partir dele
ou de outros elementos que o hidrogênio formou. Estima-se que o hidrogênio representa
cerca de 90% dos átomos do universo e 75% da sua massa.
É o elemento básico das estrelas, que liberam enormes quantidades de energia pela reação
de fusão de átomos de hidrogênio para formar o hélio.
É o componente principal de Júpiter e de outros planetas gigantes. No interior do planeta,
depois de certa profundidade, a pressão é tanta que o hidrogênio molecular sólido é convertido
em hidrogênio metálico. Esse último já foi obtido em laboratório.
Não é encontrado puro no ambiente terrestre. Na realidade, é encontrado na atmosfera
em pequenas proporções, menos de 1 ppm em volume (por ser o gás mais leve, escapa
facilmente da gravidade terrestre). Na forma combinada, está presente em numerosos
compostos (o mais comum é, naturalmente, a água). É considerado o décimo elemento
mais abundante do planeta.
A substância hidrogênio possui moléculas diatômicas (H2 ). Assim, a palavra "hidrogênio"
pode tanto significar o átomo do elemento (H) quanto a substância constituída dessas
moléculas.
Produção
Em pequenas quantidades, pode ser obtido pela reação de ácidos com metais. Exemplo:
Fe + H2 SO4 → FeSO4 + H2
Ou pela reação do hidreto de cálcio com água:
CaH2 + 2H2 O → Ca(OH)2 + 2H2
Industrialmente pode ser produzido pela decomposição de hidrocarbonetos sob ação do
calor:
CH4 + H2 O → CO + 3H2
Ou pela oxidação parcial de hidrocarbonetos:
CH4 + (1/2) O2 → CO + 2H2
Outro método industrial viável é a eletrólise da água.
Propriedades
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Grandeza
Calor de atomização
Calor de fusão (H2 )
Calor de vaporização (H2 )
Condutividade térmica a 0°C e 1 atm
Cp (a 100 kPa e 25°C)
Cv (a 100 kPa e 25°C)
Eletronegatividade
Estados de oxidação
Massa específica crítica
Massa específica do gás (0ºC e 1 atm)
Massa específica do gás, a 15ºC e 1 atm
Massa específica do gás, na temp ebulição e 1 atm
Massa específica do líquido na temp ebulição e 1 atm
Massa molecular
Ponto de ebulição (1 atm)
Ponto de fusão (1 atm)
Pressão crítica
Pressão do ponto tríplice
Relação Cp / Cv (a 100 kPa e 25°C)
Solubilidade em água a 0ºC e 1 atm
Temperatura crítica
Temperatura de autoignição
Temperatura do ponto tríplice
Viscosidade a 0°C e 1 atm
Valor
Unidade
218
0,117
0,91
0,168
0,029
0,021
2,2
+1 −1
30,09
0,09
0,085
1,312
70,973
2,016
−252,87
−259,14
1298
7,2
1,384
0,0214
−240
560
−259,3
8,92 10−6
kJ/mol
kJ/mol
kJ/mol
W/(m °C)
kJ/(mol °C)
kJ/(mol °C)
Pauling
kg/m3
kg/m3
kg/m3
kg/m3
kg/m3
g/mol
°C
°C
kPa
kPa
vol/vol
°C
°C
°C
Pa s
Hidrogênio é um gás incolor altamente inflamável. Concentrações baixas (acima de 4%)
são suficientes para a queima no ar. Considerando que a chama é praticamente incolor
e que vazamentos ocorrem com relativa facilidade, pode-se concluir que a manipulação
requer procedimentos e tecnologias especiais por razões de segurança.
Compostos e/ou reações - alguns exemplos
Na Terra, o principal composto é formado com o oxigênio, isto é, água. Também existe em
substâncias orgânicas, no petróleo, no carvão. Combina-se com muitos outros elementos,
algumas vezes de forma explosiva. Interessante observar que, apesar da ampla variedade
de compostos, o hidrogênio não reage, diretamente e sob condições normais, com a
maioria dos elementos.
Reação com oxigênio: 2H2 + O2 → 2H2 O
Reação com água: não ocorre. Pode haver dissolução na razão de ≈ 0,0016 g/kg sob
pressão normal e 20ºC.
Reação com halogênios (exemplo): H2 + F2 → 2HF
Aplicações - alguns exemplos
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Produção de amônia (processo Haber), hidrogenação de óleos e gorduras comestíveis,
produção de metanol, redução de minerais metálicos, soldas, remoção de enxofre de
óleo combustível e gasolina, análises químicas, fabricação de semicondutores, tratamento
térmico de metais, combustível para foguetes, células de combustível, etc.
É o gás de menor massa específica e, por isso, foi muito usado em balões e dirigíveis
até certa época. Mas é perigoso por ser bastante inflamável. O histórico incêndio do
dirigível alemão Hindenburg em 1937, que marcou o fim da era desse tipo de transporte,
é o exemplo clássico, embora alguns estudiosos digam que outros materiais inflamáveis
contribuíram para a tragédia, além dos cerca de 212 000 metros cúbicos de hidrogênio que
o artefato continha.
O seu ponto de ebulição é cerca de 20°C acima do zero absoluto e, assim, tem importantes
aplicações em criogenia.
O deutério (2 H) é usado em reatores nucleares como moderador de nêutrons. O trítio (3 H)
é gerado em reatores nucleares e usado em bombas de fissão.
Isótopos
A coluna % natural indica o teor encontrado no elemento natural. Valor nulo indica produção
artificial. Símbolos para tempos de meia vida: s (segundo), m (minuto), h (hora), d (dia), a
(ano).
Símbolo
% natural
Massa
Meia-vida
Decaimento
1H
99,985
0,015
0
1,0078
2,0141
3,0160
Estável
Estável
12,3 a
β− p/ 3 He
2H
3H
A tabela contém os principais isótopos do elemento. Não são necessariamente todos.
Hidrogênio e energia
Poder calorífico de um combustível é a quantidade de calor, por unidade de massa, gerada
pela sua queima. Segue uma comparação do hidrogênio com alguns combustíveis comuns
(em kJ/kg).
Hidrogênio
Propano
Gasolina
Querosene
Óleo diesel
Álcool
144500
50032
46055
45218
44380
30145
Por ser o combustível de maior poder calorífico, é usado em foguetes espaciais, onde o
peso é fator determinante. O produto da combustão é apenas água e, por isso, classificado
como combustível limpo, sem prejuízos ambientais.
Esses fatores levam à suposição de que o hidrogênio pode ser uma alternativa futura para
os combustíveis fósseis, sem a indesejável emissão do dióxido de carbono responsável
pelo efeito estufa. Motores de combustão interna podem ser construídos para usar hidrogênio.
Alguns modelos experimentais para uso em veículos já se encontram em operação. As
células de combustível produzem eletricidade diretamente a partir da reação do hidrogênio
com o oxigênio, mas custo ainda alto é limitante para aplicações comuns.
Entretanto, há problemas a resolver. Não existem jazidas de hidrogênio na natureza e,
portanto, ele é produzido a partir de algum composto, o que exige teoricamente a mesma
energia que ele pode fornecer. Mas, para manter o status de não agressão ambiental,
a fonte dessa energia deve ser também limpa. A estocagem é outro aspecto que precisa
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evoluir em razão, principalmente, dos riscos de um combustível gasoso, altamente inflamável
e de chama invisível.
O fato de o hidrogênio não ser encontrado livre na natureza terrestre leva-o à condição
de meio de transporte de energia e não de fonte energética em si. Em razão disso e
considerando as dificuldades e riscos do transporte e da armazenagem em larga escala,
alguns especialistas sugerem que seria mais viável intensificar as pesquisas por baterias
mais eficientes para uso automotivo. Assim, os meios de transporte passariam a usar
diretamente a energia elétrica e as ações necessárias seriam basicamente o aumento das
estruturas existentes de geração e distribuição.
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