Hidrogênio: história, estrutura, propriedades e usos - Ciência - 2023

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o hidrogênio É um elemento químico representado pelo símbolo H. Seu átomo é o menor de todos e é com ele que começa a tabela periódica, independentemente de onde se posicione. Consiste em um gás incolor composto por moléculas diatômicas de H₂, e não por átomos de H isolados; como acontece com os gases nobres He, Ne, Ar, entre outros.

De todos os elementos, é quiçá o mais emblemático e notável, não só pelas suas propriedades em condições terrestres ou drásticas, mas pela imensa abundância e variedade dos seus compostos. O hidrogênio é um gás, embora inerte na ausência de fogo, inflamável e perigoso; enquanto a água, H₂Ou, é o solvente universal e da vida.

Por si só, o hidrogênio não apresenta nenhuma peculiaridade visual digna de admiração, sendo simplesmente um gás que é armazenado em cilindros ou garrafas vermelhas. No entanto, são suas propriedades e capacidade de se ligar a todos os elementos que tornam o hidrogênio especial. E tudo isso, apesar de ter apenas um elétron de valência.

Se o hidrogênio não fosse armazenado em seus respectivos cilindros, ele escaparia para o espaço enquanto grande parte dele 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 recoberta de oceanos e que o hidrogênio se encontra nos minerais, no 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 verdadeiramente lucrativos.

História

Identificação e nome

Embora em 1671 Robert Boyle tenha testemunhado pela primeira vez um gás que se formou quando as 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 ar supostamente inflamável queimava, água era gerada. 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': formação de 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 encontraram a eletrólise da água. Mais tarde, em 1838, o químico suíço Christian Friedrich Schoenbein apresentou a ideia de aproveitar a combustão do hidrogênio para gerar eletricidade.

A popularidade do hidrogênio foi tão grande que até o escritor Júlio Verne se referiu a ele como o combustível do futuro em seu livro A ilha misteriosa (1874).

Isolamento

Em 1899, o químico escocês James Dewar foi o primeiro a isolar o hidrogênio como gás liquefeito, sendo ele mesmo quem o resfriou o suficiente para obtê-lo em sua fase sólida.

Dois canais

A partir daí, a história do hidrogênio apresenta dois canais. Por um lado, o seu desenvolvimento na área dos combustíveis e baterias; e, por outro, a compreensão da estrutura de seu átomo e como ele representava o elemento que abriu as portas para a física quântica.

Estrutura e configuração eletrônica

Os átomos de hidrogênio são muito pequenos e têm apenas um elétron para formar ligações covalentes. Quando dois desses átomos se unem, eles dão origem a uma molécula diatômica, H₂; este é o gás hidrogênio molecular (imagem superior). Cada esfera branca corresponde a um átomo de H individual, e a esfera global aos orbitais moleculares.

Então, o hidrogênio na verdade consiste em moléculas H₂ muito pequenos que interagem por meio das forças de dispersão de London, já que carecem de um momento de dipolo por serem homonucleares. Portanto, eles são muito "inquietos" e se espalham rapidamente no espaço, pois não há forças intermoleculares fortes o suficiente para retardá-los.

A configuração eletrônica do hidrogênio é simplesmente 1s¹. 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 ligante e um anti-ligação, de acordo com a teoria dos orbitais moleculares (TOM).

Esses orbitais permitem ou explicam a existência de íons H₂⁺ ou H₂^–; no entanto, a química do hidrogênio é definida em condições normais por H₂ ou íons H⁺ ou H^–.

Números de oxidação

Da configuração de elétrons para hidrogênio, 1s¹, é muito fácil prever seus possíveis números de oxidação; tendo em mente, é claro, que o orbital 2s de alta energia não está disponível para ligações químicas. Assim, no estado basal, o hidrogênio tem um número de oxidação de 0, H⁰.

Se ele perder seu único elétron, o orbital 1s permanece vazio e o íon hidrogênio ou cátion, H, é formado⁺, altamente móvel em quase qualquer meio líquido; especialmente a água. Nesse caso, seu número de oxidação é +1.

E quando acontecer o contrário, ou seja, ganhando um elétron, o orbital passará a ter dois elétrons e se tornará 1s². Em seguida, o número de oxidação torna-se -1 e corresponde ao ânion hidreto, H^–. É importante notar que o H^– é isoeletrônico ao gás nobre hélio, He; ou seja, ambas as espécies têm o mesmo número de elétrons.

Em resumo, os números de oxidação do hidrogênio são: +1, 0 e -1 e a molécula H₂ conta como tendo dois átomos de hidrogênio H⁰.

Fases

A fase preferida do hidrogênio, pelo menos em condições terrestres, é a gasosa, pelos motivos anteriormente expostos. Porém, quando as temperaturas diminuem na ordem de -200 ºC, ou se a pressão aumenta centenas de milhares de vezes a atmosférica, o hidrogênio pode condensar ou cristalizar em uma fase líquida ou sólida, respectivamente.

Nessas condições, as moléculas H₂ eles podem ser alinhados de diferentes maneiras para definir padrões estruturais. As forças de dispersão de Londres agora se tornam altamente direcionais e, portanto, geometrias ou simetrias adotadas pelos pares H aparecem.₂.

Por exemplo, dois pares H₂, é igual a escrever (H₂)₂ definir um quadrado simétrico ou assimétrico. Enquanto isso, três pares H₂, ou (H₂)₃ definem um hexágono, muito parecido com aqueles de carbono em cristais de grafite. Na verdade, esta fase hexagonal é a fase principal ou mais estável para o hidrogênio sólido.

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

Propriedades

Aparência física

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

Ponto de ebulição

-253 ° C

Ponto de fusão

-259 ° C

Ponto de fulgor e estabilidade

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

Densidade

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

Solubilidade

1,62 mg / L a 21 ºC em água. É, geralmente, insolúvel na maioria dos líquidos.

Pressão de vapor

1,24·10⁶ mmHg a 25 ° C Este valor dá uma ideia de quão fechados os cilindros de hidrogênio devem estar para evitar que o gás escape.

Temperatura de autoignição

560v ° C.

Eletro-negatividade

2,20 na escala de Pauling.

Calor de combustão

-285,8 kJ / mol.

Calor da vaporização

0,90 kJ / mol.

Calor de fusão

0,117 kJ / mol.

Isótopos

O átomo de hidrogênio "normal" é o prótio, ¹H, que representa cerca de 99,985% do hidrogênio. Os outros dois isótopos para este elemento são o deutério, ²H, e trítio, ³H. Estes diferem no número de nêutrons; o deutério tem um nêutron, enquanto o trítio tem dois.

Isômeros de spin

Existem dois tipos de hidrogênio molecular, H₂: o orto e o para. No primeiro, os dois spins (do próton) dos átomos de H são orientados na mesma direção (são paralelos); enquanto no segundo, os dois spins estão em direções opostas (são antiparalelos).

Hydrogen-para é o mais estável dos dois isômeros; Mas à medida que a temperatura aumenta, a razão orto: para torna-se 3: 1, o que significa que o isômero hidrogênio-orto predomina sobre o outro. Em temperaturas muito baixas (remotamente perto de zero absoluto, 20K), amostras de hidrogênio-para puro podem ser obtidas.

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 H₂ Ele pode ser chamado pelos seguintes nomes, além de 'hidrogênio':

-Hidrogênio molecular

-Dihidrogênio

-Molécula de hidrogênio diatômico.

Para o íon H⁺ seus nomes são próton ou íon hidrogênio; e se estiver em um meio aquoso, H₃OU⁺, cátion hidrônio. Enquanto o íon H^– é o ânion hidreto.

O átomo de hidrogênio

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

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

Onde encontrar e produção

O hidrogênio é, embora talvez em menor grau em comparação com o carbono, o elemento químico que pode ser dito sem dúvida estar em toda parte; no ar, formando parte da água que preenche os mares, oceanos e nossos corpos, em petróleo bruto e minerais, bem como nos compostos orgânicos que se juntam para criar a vida.

Basta folhear qualquer biblioteca de compostos para encontrar átomos de hidrogênio neles.

A questão não é tanto quanto, mas como está presente. Por exemplo, a molécula H₂ é tão volátil e reativo sob a incidência dos raios solares, que é muito raro na atmosfera; portanto, ele reage para se juntar a outros elementos e, assim, ganhar estabilidade.

Embora mais acima no cosmos, o hidrogênio é predominantemente encontrado como átomos neutros, H.

Na verdade, o hidrogênio, em sua fase metálica e condensada, é considerado o bloco de construção das estrelas. Por serem em quantidades incomensuráveis e, devido à sua robustez e dimensões colossais, tornam este elemento o mais abundante em todo o universo. Estima-se que 75% da matéria conhecida corresponde a átomos de hidrogênio.

natural

Coletar átomos de hidrogênio soltos no espaço parece impraticável e extraí-los das periferias do Sol, ou nebulosas, inacessível. Na Terra, onde suas condições forçam este elemento a existir como H₂, podem ser produzidos por processos naturais ou geológicos.

Por exemplo, o hidrogênio tem seu próprio ciclo natural no qual certas bactérias, micróbios e algas podem gerá-lo por meio de reações fotoquímicas. A escalada dos processos naturais e paralelos a estes inclui o uso de biorreatores, onde as bactérias se alimentam de hidrocarbonetos para liberar o hidrogênio neles contido.

Os seres vivos também são produtores de hidrogênio, mas em menor grau. Se assim não fosse, não seria possível explicar como constitui um dos componentes gasosos da flatulência; que foram excessivamente comprovados como inflamáveis.

Finalmente, é importante mencionar que em 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:

3Fe₂sim₄ + 2 H₂O → 2 Fe₃OU₄ + 3 SiO₂ + 3 H₂

Industrial

Embora o biohidrogênio seja uma alternativa para gerar esse gás em escala industrial, os métodos mais utilizados consistem praticamente em “retirar” o hidrogênio dos compostos que o contêm, para que seus átomos se unam e formem H₂.

Os métodos menos ecológicos de produzi-lo consistem na reação de coque (ou carvão) com vapor superaquecido:

C (s) + H₂O (g) → CO (g) + H₂(g)

Da mesma forma, o gás natural tem sido usado para esta finalidade:

CH₄(g) + H₂O (g) → CO (g) + 3H₂(g)

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

Outro método para obter hidrogênio é aplicar uma descarga elétrica à água para quebrá-la em suas partes elementares (eletrólise):

2 h₂O (l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

No laboratório

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

M (s) + nH⁺(ac) → M^{n +}(ac) + H₂(g)

Onde n é a valência do metal. Assim, por exemplo, o magnésio reage com H⁺ para produzir H₂:

Mg (s) + 2H⁺(ac) → Mg²⁺(ac) + H₂(g)

Reações

Redox

Os números de oxidação por si só fornecem um primeiro vislumbre de como o hidrogênio participa das reações químicas. O H₂ ao reagir, pode permanecer inalterado ou se dividir em íons H⁺ ou H^– dependendo de qual espécie está ligada; se são mais ou menos eletronegativos do que ele.

O H₂ não é muito reativo devido à força de sua ligação covalente, H-H; entretanto, isso não é um impedimento absoluto para que reaja e forme compostos com quase todos os elementos da tabela periódica.

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

H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O (g)

E tal é sua afinidade com o oxigênio para formar a molécula de água estável que pode até reagir com ela como um ânion O.^2- em certos óxidos de metal:

H₂(g) + CuO (s) → Cu (s) + H₂O (l)

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

H₂(g) + AgO (s) → Ag (s) + H₂O (l)

Essas reações de hidrogênio correspondem ao tipo redox. Ou seja, redução-oxidação. O hidrogênio oxida tanto na presença de oxigênio como dos óxidos metálicos de metais menos reativos que ele; por exemplo, cobre, prata, tungstênio, mercúrio e ouro.

Absorção

Alguns metais podem absorver gás hidrogênio para formar hidretos metálicos, que são considerados ligas. Por exemplo, metais de transição, como paládio, absorvem quantidades significativas de H_2, sendo semelhantes às esponjas metálicas.

O mesmo acontece com ligas metálicas mais complexas. Desta forma, o hidrogênio pode ser armazenado por outros meios que não seus cilindros.

Adição

As moléculas orgânicas também podem "absorver" o hidrogênio por meio de diferentes mecanismos moleculares e / ou interações.

Para metais, moléculas H₂ eles são cercados por átomos metálicos dentro de seus cristais; enquanto nas moléculas orgânicas, a ligação H-H se quebra para formar outras ligações covalentes. Em um sentido mais formal: o hidrogênio não é absorvido, mas adicionado à estrutura.

O exemplo clássico é a adição do H₂ à ligação dupla ou tripla dos alcenos ou alcinos, respectivamente:

C = C + H₂ → H-C-C-H

C≡C + H₂ → 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: salino e molecular.

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

Salina

Em hidretos salinos, o hidrogênio participa da ligação iônica como o ânion hidreto, H^–. Para que isso se forma, o elemento necessariamente tem que ser menos eletronegativo; caso contrário, não entregaria seus elétrons ao hidrogênio.

Portanto, os hidretos salinos são formados apenas quando o hidrogênio reage com metais altamente eletropositivos, como metais alcalinos e alcalino-terrosos.

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

2Na (s) + H₂(g) → 2NaH (s)

Ou com bário para produzir hidreto de bário:

Ba (s) + H₂(g) → BaH₂(s)

Molecular

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

Cl₂(g) + H₂(g) → 2HCl (g)

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

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

S (s) + H₂(g) → H₂S (g)

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

N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)

Formulários

Na seção anterior um dos principais usos do hidrogênio já foi abordado: como matéria-prima para o desenvolvimento de síntese, inorgânica ou orgânica. O controle desse gás geralmente não tem outro propósito a não ser fazê-lo reagir para criar compostos diferentes daqueles dos quais foi extraído.

Matéria prima

- É um dos reagentes para a síntese de amônia, que por sua vez tem inúmeras aplicações industriais, começando pela produção de fertilizantes, até como material para nitrogênio de drogas.

- Pretende-se reagir com o monóxido de carbono e, assim, produzir em massa o metanol, um reagente de grande importância nos biocombustíveis.

Agente redutor

- É um agente redutor de certos óxidos metálicos, por isso é utilizado na redução metalúrgica (já explicado no caso do cobre e outros metais).

- Reduza gorduras ou óleos para produzir margarina.

Indústria de petróleo

Na indústria do petróleo, o hidrogênio é usado para "hidrotratar" o petróleo bruto em processos de refino.

Por exemplo, busca fragmentar moléculas grandes e pesadas em pequenas moléculas com maior demanda no mercado (hidrocraqueamento); liberar os metais presos nas gaiolas de petroporfirina (hidrodemetalização); remover átomos de enxofre como H₂S (hidrodessulfurização); ou reduzir ligações duplas para criar misturas ricas em parafina.

Combustível

O próprio hidrogênio é um excelente combustível para foguetes ou espaçonaves, pois pequenas quantidades dele, ao reagir com o oxigênio, liberam grandes 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 a dificuldade de não conseguir armazenar esse gás adequadamente; e o desafio de se tornar completamente independente da queima de combustíveis fósseis.

Do lado positivo, o hidrogênio usado como combustível libera apenas água; em vez de gases que representam meios de poluição para a atmosfera e ecossistemas.

Referências

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