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Hidrogênio − H




Número atômico 1 | Massa atômica 1,00794 | Elétrons 1s1 |


1) História

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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.


2) Disponibilidade

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Elemento mais abundante no Universo, constituinte básico das estrelas, que liberam energia pela reação de fusão de átomos de hidrogênio para formar o hélio. Todos os demais foram formados a partir dele ou de outros elementos que o hidrogênio formou. Estima-se que o hidrogênio represente cerca de 90% dos átomos do Universo e 75% da sua massa.

É o componente principal de Júpiter e de outros planetas gigantes. No interior do planeta, depois de certa profundidade, supõe-se que a pressão converte o hidrogênio molecular sólido em hidrogênio metálico.

Não é encontrado puro no ambiente terrestre (na realidade, há pequenas proporções atmosfera, menos que 1 ppm em volume. Por ser o gás mais leve, escapa facilmente da gravidade terrestre). Na forma combinada, está presente em compostos, dos quais o mais comum é a água. É considerado o décimo elemento mais abundante do planeta.

A substância elementar do hidrogênio possui moléculas diatômicas (H2).


3) Produção

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Em laboratório, pode ser obtido pela reação de ácidos com metais. Exemplo:
$$\ce{Fe + H2SO4 -> FeSO4 + H2}$$ Ou pela reação do hidreto de cálcio com água:
$$\ce{CaH2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + 2H2}$$ Industrialmente pode ser produzido pela decomposição de hidrocarbonetos sob ação do calor:
$$\ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}$$ Ou pela oxidação parcial de hidrocarbonetos:
$$\ce{CH4 + (1/2) O2 -> CO + 2H2}$$ Outro método industrial viável é a eletrólise da água.


4) Propriedades

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Hidrogênio é um gás incolor, 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.

Grandeza Condição / Obs Valor Unidade
Calor de atomização   218 kJ/mol
Calor de fusão H2 0,117 kJ/mol
Calor de vaporização H2 0,91 kJ/mol
Condutividade térmica 0°C e 1 atm 0,168 W/(m °C)
Cp 100 kPa e 25°C 0,029 kJ/(mol °C)
Cv 100 kPa e 25°C 0,021 kJ/(mol °C)
Eletronegatividade   2,20 Pauling
Estados de oxidação (principal) (+1) −1  
Massa específica Líq temp ebulição e 1 atm 70,973 kg/m3
Massa específica Gás a 0°C e 1 atm 0,09 kg/m3
Massa específica Gás a 15°C e 1 atm 0,085 kg/m3
Massa específica Gás temp ebulição e 1 atm 1,312 kg/m3
Massa específica crítica   30,09 kg/m3
Massa molecular   2,016 g/mol
Ponto de ebulição 1 atm −252,87 °C
Ponto de fusão 1 atm −259,14 °C
Pressão crítica   1298 kPa
Pressão do ponto triplo   7,2 kPa
Relação Cp / Cv 100 kPa e 25°C 1,384 -
Solubilidade em água 0°C e 1 atm 0,0214 m3/m3
Temperatura crítica   −240 °C
Temperatura de autoignição   560 °C
Temperatura do ponto triplo   −259,3 °C
Viscosidade 0°C e 1 atm 0,0000892 Poise


5) Compostos e/ou Reações - Alguns Exemplos

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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. Apesar da variedade de compostos, o hidrogênio não reage, diretamente e sob condições normais, com a maioria dos outros elementos.

Reação com água:

Não ocorre. Pode haver dissolução na razão de ≈ 0,0016 g/kg, sob pressão normal e 20°C.

Reação com halogênios (exemplo):
$$\ce{H2 + F2 -> 2HF}$$ Reação com oxigênio:
$$\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$$

6) 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 usado em balões e dirigíveis até certa época. Mas é perigoso por ser 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 aplicações em criogenia.

O deutério (2H) é usado em reatores nucleares como moderador de nêutrons. O trítio (3H) é gerado em reatores nucleares e usado em bombas de fissão.


7) Isótopos

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Simb % natural Massa Meia-vida Decaimento
1H 99,985 1,0078 Estável -
2H 0,015 2,0141 Estável -
3H 0 3,0160 12,3 a β + 3He

Nota: 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). A tabela contém os principais isótopos do elemento. Não são necessariamente todos.


8) Hidrogênio e Energia

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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).

Hidrogênio144500
Propano50032
Gasolina46055
Querosene45218
Óleo diesel44380
Álcool30145

Por ser o combustível de maior poder calorífico, é usado em foguetes espaciais, onde o peso é 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 o custo é elevado 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 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 e armazenagem 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.
Topo | 12/06 | Referências:
WebElements Periodic Table.
Los Alamos National Laboratory. Periodic Table of the Elements.