Histórico de hidrogênio, estrutura, propriedades e usos

Ele hidrogênio É um elemento químico que é representado pelo símbolo h. Seu átomo é o menor de todos e é com o qual a tabela periódica começa, independentemente de onde ele está posicionado. Consiste em um gás incolor composto por moléculas diatômicas de H₂, e não para átomos isolados de H; Como nos gases nobres ele, ne, ar, entre outros.

De todos os elementos, talvez seja o mais emblemático e destacado, não apenas por suas propriedades em condições terrestres ou drásticas, mas por sua imensa abundância e variedade de seus compostos. O hidrogênio é um gás, embora inerte na ausência de fogo, inflamável e perigoso; Enquanto água, H₂Ou, é o solvente universal e a vida.

Cilindros vermelhos usados ​​para armazenar hidrogênio. Fonte: Famartin [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]

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

Se o hidrogênio não for armazenado em seus respectivos cilindros, escaparia do espaço enquanto uma grande parte reage na subida. E mesmo que tenha uma concentração muito baixa no ar que respiramos, fora da terra e no resto do universo, é o elemento mais abundante, estando 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 é praticamente coberta de oceanos e que o hidrogênio é encontrado em minerais, em óleo de óleo e em qualquer composto orgânico, além de fazer parte de todos os seres vivos.

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

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História

Identificação e nome

Embora em 1671 Robert Boyle tenha testemunhado pela primeira vez um gás que foi formado quando os arquivos de ferro reagiram com os ácidos, o cientista britânico Henry Cavendish, em 1766, que o identificou como uma nova substância; O "ar inflamável".

Cavendish descobriu que, quando esse suposto ar inflamável queimado, a água foi gerada. Com base em seu trabalho e resultados, o químico francês Antoine Lavoisier deu a este gás o nome de hidrogênio em 1783. Etimologicamente seu significado deriva das palavras gregas 'hidro' e 'genes': formador de água.

Eletrólise e combustível

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

A popularidade do hidrogênio era tanto que até o escritor Julio Verne se referiu a ele como um 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 que poderia esfriá -lo o suficiente para obtê -lo em sua fase sólida.

Dois canais

A partir deste ponto, a história do hidrogênio apresenta dois canais. Por um lado, seu desenvolvimento dentro do campo de combustíveis e baterias; E por outro, o entendimento da estrutura de seu átomo e como ele representou o elemento que abriu as portas para a física quântica.

Estrutura e configuração eletrônica

Molécula de hidrogênio diatômico. Fonte: Benjah-BMM27 [Domínio Público]

Os átomos de hidrogênio são muito pequenos e mal têm um elétron para formar ligações covalentes. Quando dois desses átomos se reúnem, eles dão origem a uma molécula diatômica, h₂; Este é o hidrogênio molecular a gás (imagem superior). Cada esfera branca corresponde a um átomo H individual e à esfera global para orbitais moleculares.

Assim, o hidrogênio realmente consiste em moléculas H₂ Muito pequeno que interaja através das forças de dispersão de Londres, pois elas não têm um momento dipolar para serem homonucleares. Portanto, eles são muito "inquietos" e se espalham rapidamente no espaço, pois não há forças intermoleculares fortes para diminuir a velocidade.

A configuração eletrônica de hidrogênio é simplesmente 1s¹. Este orbital, 1s, é o produto da resolução da famosa equação de Schrödinger para o átomo hidrogenóide. Em h₂ Dois 1s orbitais se sobrepõem para formar dois orbitais moleculares: um de Link e outro de AntienLace, de acordo com a teoria orbital molecular (TOM).

Esses orbitais permitem ou explicam a existência de íons h₂⁺ ou h₂^-; No entanto, a química de hidrogênio é definida em condições normais por H₂ ou os íons h⁺ ou h^-.

Números de oxidação

Da configuração eletrônica para hidrogênio, 1s¹, É muito fácil prever seus possíveis números de oxidação; Tendo em mente, é claro, que os 2s orbitais de maior energia não estão disponíveis para links químicos. Assim, no estado basal, o hidrogênio tem um número de oxidação de 0, h⁰.

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

E para quando o contrário acontecer, ou seja, vencer um elétron, o orbital agora terá dois elétrons e será 1s². Então o número de oxidação é -1 e corresponde ao ânion hidreto, h^-. Vale a pena notar que H^- Ele é isoletrônico a gás nobre de hélio, ele; isto é, ambas as espécies têm o mesmo número de elétrons.

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

Fases

A fase favorita do hidrogênio, pelo menos em condições terrestres, é refrigerante, devido aos motivos anteriormente declarados. No entanto, quando as temperaturas diminuem na ordem de -200 ºC, ou se a pressão aumenta centenas de milhares de vezes que a atmosférica, o hidrogênio pode condensar ou cristalizar em uma fase líquida ou sólida, respectivamente.

Nessas condições, as moléculas h₂ Eles podem se alinhar com diferentes maneiras de definir padrões estruturais. As forças de dispersão de Londres agora se tornam altamente direcionais e, portanto, geometrias ou simetrias adotadas por colegas aparecem₂.

Por exemplo, dois hsses h₂, É como escrever (h₂)₂ Defina um quadrado simétrico ou assimétrico. Enquanto isso, três pares H₂, ou (h₂)₃ Eles definem um hexágono, muito semelhante ao de carbono em cristais de grafite. De fato, essa fase hexagonal é a principal ou mais estável para hidrogênio sólido.

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

Propriedades

Aparência física

Hidrogênio é um gás incolor, inodoro e sem gosto. Portanto, se houver um vazamento representa um risco de explosão.

Ponto de ebulição

-253 ºC.

Ponto de fusão

-259 ºC.

Ponto de ignição e estabilidade

Praticamente explode em qualquer temperatura se houver uma fonte de faísca ou calor próximo ao gás, até a luz solar pode disparar hidrogênio. No entanto, desde que seja bem armazenado, é um pouco de gás reativo.

Densidade

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

Solubilidade

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

Pressão de vapor

1,24 · 10⁶ mmhg a 25 ºC. Este valor dá uma idéia de quão fechado os cilindros de hidrogênio devem estar para impedir que o gás escape.

Temperatura de auto -dirigir

560VºC.

Eletro-negatividade

2.20 na escala Pauling.

Calor de combustão

-285,8 kJ/mol.

Calor de vaporização

0,90 kJ/mol.

Calor de fusão

0,117 kJ/mol.

Isótopos

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

Espinhos isômeros

Existem dois tipos de hidrogênio molecular, h₂: Ortho e para. No primeiro, as duas rodadas (do próton) dos átomos H são orientadas para a mesma direção (são paralelas); Enquanto estão no segundo, os dois giros estão em direções opostas (são antiparalelas).

O hidrogênio é o mais estável dos dois isômeros; Mas aumentando a temperatura, a relação orto: tornar-se 3: 1, o que significa que o isômero de órgãos de hidrogênio predomina acima do outro. A temperaturas muito baixas (remotamente perto de zero absoluto, 20k), hidrogênio puro para.

Nomenclatura

A nomenclatura para se referir ao hidrogênio é uma das mais simples; Embora não seja da mesma maneira para seus compostos inorgânicos ou orgânicos. O h₂ Pode ser chamado com os seguintes nomes, além de 'hidrogênio':

-Hidrogênio molecular

-Di -hidrogênio

-Molécula de hidrogênio diatômico.

Para ion h⁺ Seus nomes são íons de prótons ou hidrogênio; E se estiver em meio aquoso, h₃QUALQUER⁺, Cátion de Hydronium. Enquanto ion h^- É o ânion hidreto.

O átomo de hidrogênio

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

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

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

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Onde está e produção

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

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

É o suficiente para olhar superficialmente para qualquer livraria composta para encontrar átomos de hidrogênio neles.

A questão está em não tanto quanto, mas como está presente. Por exemplo, a molécula M₂ É tão volátil e reativo sob a incidência de raios solares, o que é muito escasso na atmosfera; Portanto, ele reage para se juntar a outros elementos e, assim, ganhar estabilidade.

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

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

Natural

Colete os átomos de hidrogênios soltos no espaço soa imutável e extraindo -os das periferias do sol, ou do nebuloso, inatingível. Na terra, onde suas condições forçam esse elemento a existir como H₂, Pode ocorrer através de processos naturais ou geológicos.

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

Os seres vivos também são produtores de hidrogênio, mas em menor grau. Nesse caso, não se poderia explicar como constitui um dos componentes gasosos da flatulência; que demonstraram excessivamente que são inflamáveis.

Finalmente, vale a pena 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 demonstra:

3fe₂SiO₄ + 2 h₂O → 2 fé₃QUALQUER₄ + 3 Sio₂ + 3 h₂

Industrial

Embora o bio -hidrogênio seja uma alternativa para gerar esse gás em escalas industriais, os métodos mais usados ​​são praticamente "para" tirar "hidrogênio para os compostos que o contêm, de modo que seus átomos se juntam e formarem o H₂.

Os métodos menos ambientais para produzi -lo consistem em reagir a Coca -Cola (ou Carvão) com vapor de água superaquecido:

C (s) + h₂O (g) → co (g) + h₂(g)

Da mesma forma, o gás natural tem sido usado para esse fim:

CH₄(g) + h₂O (g) → co (g) + 3h₂(g)

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

Outro método para obter hidrogênio é aplicar um choque elétrico à água para decompor em suas partes elementares (eletrólise):

2 h₂Ou (l) → 2 h₂(g) + ou₂(g)

No laboratório

Em qualquer laboratório, o hidrogênio molecular pode ser preparado em pequenas quantidades. Para fazer isso, um metal ativo deve ser reagido com um ácido forte, em um copo ou em um tubo de ensaio. A bolha observável é um sinal claro de formação de hidrogênio, representada pela seguinte equação geral:

M (s) + NH⁺(AC) → Mⁿ⁺(AC) + H₂(g)

Onde n é a valência de metal. Assim, por exemplo, o magnésio reage com H⁺ Para produzir h₂:

Mg (s) + 2h⁺(AC) → Mg²⁺(AC) + H₂(g)

Reações

RÉDOX

Os próprios números de oxidação oferecem uma primeira abordagem de como o hidrogênio participa de reações químicas. O h₂ Ao reagir, pode permanecer inalterado ou dividir os íons h⁺ ou h^- dependendo de quais espécies ela liga; Se eles são mais ou menos eletronegativos do que ele.

O h₂ É pouco reativo devido à força de sua ligação covalente, H-H; No entanto, este não é um impedimento absoluto para reagir e formar compostos com quase todos os elementos da tabela periódica.

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

H₂(g) + ou₂(g) → 2h₂O (G)

E é uma afinidade para o oxigênio formar a molécula de água estável, que pode até reagir com ela como ânion ou^2- Em certos óxidos metálicos:

H₂(g) + CuO (s) → Cu (s) + H₂Ou (l)

Também óxido de prata reage ou "reduz" pela mesma reação:

H₂(g) + agosto (s) → ag (s) + h₂Ou (l)

Essas reações de hidrogênio correspondem às do tipo Rédox. Isto é, redução-oxidação. O hidrogênio oxida tanto na presença de oxigênio quanto os óxidos metálicos de metais menos reativos que ele; Por exemplo, cobre, prata, tungstênio, mercúrio e ouro.

Absorção

Alguns metais podem absorver hidrogênio gasoso para formar hidratantes metálicos, que são considerados como se fossem ligas. Por exemplo, metais de transição como o Paladium absorvem quantidades notórias de H_2, sendo semelhante a esponjas de metal.

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O mesmo acontece com ligas de metal mais complexas. Dessa maneira, o hidrogênio pode ser armazenado por outros meios, além de seus cilindros.

Adição

Moléculas orgânicas também podem "absorver" o hidrogênio através de mecanismos moleculares e/ou interações diferentes.

Para metais, moléculas H₂ Eles são cercados por átomos de metal dentro de seus cristais; Enquanto em moléculas orgânicas, a ligação H-H é quebrada para formar outras ligações covalentes. Em um sentido mais formalizado: o hidrogênio não é absorvido, mas é adicionado à estrutura.

O exemplo clássico é a adição de H₂ Para dobrar ou triplicar o link de alcenos ou alcinas, respectivamente:

C = C + H₂  → H-C-C-H

Ctalc + H₂ → hc = CH

Essas reações também recebem o nome de hidrogenação.

Formação de hidros

O hidrogênio reage diretamente aos elementos para formar uma família de compostos químicos chamados hidros. Existem principalmente dois tipos: salinos e molecular.

Existem também hidroros de metal, que consistem nas ligas metálicas já mencionadas quando esses metais absorvem hidrogênio gasoso; e o polimérico, com redes ou cadeias de ligações E-H, onde denota o elemento químico.

Salinos

Nos hidratantes salinos, o hidrogênio participa da ligação iônica, como o ânion hidreto, H^-. Para isso, o elemento deve necessariamente ser menos eletronegativo; Caso contrário, não desistiria de seus elétrons para hidrogênio.

Portanto, os hidros salinos são formados apenas quando o hidrogênio reage com metais muito eletropositivos, como alcalina e alcalinadores.

Por exemplo, o hidrogênio reage com 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

Hidretos moleculares são ainda mais conhecidos do que iônicos. Eles também recebem o nome de hidrogênio halogenuros, HX, quando o hidrogênio reage com um halogênio:

Cl₂(g) + h₂(g) → 2HCl (g)

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

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

S (s) + h₂(g) → H₂S (G)

Mas de todos os hidratantes moleculares os mais famosos (e talvez os mais difíceis 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 da síntese, inorgânica ou orgânica. Controlar esse gás geralmente tem outro objetivo do que reagir para criar outros compostos diferentes daqueles que foram extraídos.

Matéria prima

- É um dos reagentes para a síntese de amônia, que por sua vez possui inúmeras aplicações industriais, começando com a elaboração de fertilizantes, até que o material para medicamentos nitrogenares.

- Destina -se a reagir com monóxido de carbono e, assim, produzir metanol, um reagente que é rico em biocombustíveis.

Agente redutor

- É um agente redutor de certos óxidos metálicos, por isso é usado na redução metalúrgica (já explicada no caso de 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 refinamento.

Por exemplo, procura fragmentar moléculas grandes e pesadas em pequenas moléculas e com maior demanda no mercado (hidrocracheus); Libere metais presos em gaiolas de petroporfirina (hidrodesmetalização); eliminar átomos de enxofre como H₂S (hidrodesulfurização); ou reduzir links duplos para criar misturas ricas em parafinas.

Combustível

O próprio hidrogênio é um excelente combustível para foguetes ou espaçonave, uma vez que pequenas quantidades reagem com oxigênio, eles liberam enormes quantidades de calor ou energia.

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

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

Referências

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição). Mc Graw Hill.
2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui e Yanming Ma. (s.F.). Estruturas de temperatura ambiente de hidrogênio sólido a altas pressões. Laboratório Key de Materiais de Superhard, Universidade Jilin, Changchun 130012, China.
3. Pierre-Marie Robitaille. (2011). Hidrogênio metálico líquido: um bloco de construção para o sol líquido. Departamento de Radiologia, Universidade Estadual de Ohio, 395 W. 12th Ave, Columbus, Ohio 43210, EUA.
4. O grupo Bodner. (s.F.). A química do hidrogênio. Recuperado de: Chemed.Chem.Purdue.Edu
5. Wikipedia. (2019). Hidrogênio. Recuperado de: em.Wikipedia.org
6. Hidrogênio Europa. (2017). Aplicações de hidrogênio. Recuperado de: hidrogeneurope.UE
7. Foist Laura. (2019). Hidrogênio: propriedades e ocorrência. Estudar. Recuperado de: estudo.com
8. Jonas James. (4 de janeiro de 2009). A história do hidrogênio. Recuperado de: AltenergyMag.com