O hidrogênio é o elemento químico mais leve do universo e é capaz de se ligar a outros átomos de hidrogênio, formando um gás que apresenta diversas utilizações
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O hidrogênio é o elemento químico de menor massa atômica (1 u) e menor número atômico (Z=1) entre todos os elementos conhecidos até hoje. Apesar de estar posicionado no primeiro período da família IA (metais alcalinos) da Tabela Periódica, o hidrogênio não apresenta características físicas e químicas semelhantes aos elementos dessa família e, por isso, não faz parte dela. De uma forma geral, o hidrogênio é o elemento mais abundante de todo o universo e o quarto elemento mais abundante no planeta Terra.
O hidrogênio apresenta características únicas, ou seja, ele não se assemelha a nenhum outro elemento químico conhecido pelo ser humano. Comumente, o hidrogênio participa da composição de diversos tipos de substâncias orgânicas e inorgânicas, como o metano e a água Quando não faz parte de substâncias químicas, ele é encontrado exclusivamente na forma gasosa, cuja fórmula é H2.
No seu estado natural e sob condições normais, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. É uma molécula com grande capacidade de armazenar energia e por esse motivo sua utilização como fonte renovável de energia elétrica e térmica vem sendo amplamente pesquisada.
Descoberta do hidrogênio
Em meados do século XVI, Pareselsvs resolveu colocar alguns metais em reação com ácidos, e acabou obtendo o hidrogênio. Embora testado anteriormente, Henry Cavendish conseguiu separar o hidrogênio dos gases inflamáveis e o considerou um elemento químico em 1766.
Não ser um metal e muito menos um ametal compõe a sua peculiaridade na Tabela Periódica. Em 1773, Antoine Lavoisier deu ao componente químico o nome de hidrogênio, que deriva do grego hydro e genes, e significa gerador de água.
Hidrogênio na natureza
- O hidrogênio faz parte da composição química de diversas substâncias orgânicas (proteínas, carboidratos, vitaminas e lipídios) e inorgânicas (ácidos, bases, sais e hidretos);
- No ar atmosférico, está presente no formato gasoso, representado pela forma molecular H2, que se forma através da ligação covalente entre dois átomos de hidrogênio;
- O hidrogênio também compõe as moléculas de água, importante recurso para a vida.
Fontes de hidrogênio
Na Terra, o hidrogênio não é encontrado em sua forma mais pura, e sim na forma combinada (hidrocarbonetos e derivados). Por esse motivo, o hidrogênio deve ser extraído de diversas fontes. As principais fontes de hidrogênio são:
- Gás Natural;
- Etanol;
- Metanol;
- Água;
- Biomassa;
- Metano;
- Algas e Bactérias;
- Gasolina e Diesel.
Características do hidrogênio atômico
- Possui três isótopos (átomos de mesmo número atômico e diferentes números de massa), sendo eles o prótio (1H1), deutério (1H2) e o trítio (1H3);
- Apresenta apenas um nível eletrônico;
- Possui um único próton em seu núcleo;
- Possui apenas um elétron em seu nível eletrônico;
- O número de nêutrons depende do isótopo - prótio (0 nêutrons), deutério (1 nêutron) e trítio (2 nêutrons);
- Possui um dos menores raios atômicos da Tabela Periódica;
- Possui maior eletronegatividade que qualquer elemento metálico;
- Possui maior potencial de ionização que qualquer elemento metálico;
- É um átomo capaz de se transformar em um cátion (H+) ou um ânion (H-).
A estabilidade do átomo de hidrogênio é alcançada quando ele recebe um elétron na camada de valência (a camada mais externa de um átomo). Em ligações iônicas, o hidrogênio interage exclusivamente com um metal, ganhando um elétron dele. Já em ligações covalentes, o hidrogênio compartilha seu elétron com um ametal ou com ele mesmo, formando ligações simples.
Características do hidrogênio molecular (H2)
- Em temperatura ambiente, é sempre encontrado no estado gasoso;
- É um gás inflamável;
- Seu ponto de fusão é de -259,2°C;
- Seu ponto de ebulição é de -252,9°C;
- Possui massa molar igual a 2 g/mol, sendo o gás mais leve;
- Apresenta uma ligação covalente sigma, tipo s-s, entre os dois átomos de hidrogênio envolvidos;
- Entre os átomos, existe compartilhamento de dois elétrons;
- Possui geometria molecular do tipo linear;
- Suas moléculas são apolares;
- Suas moléculas interagem por meio de forças dipolo induzido.
O hidrogênio molecular possui grande afinidade química com diversos compostos. Essa propriedade diz respeito à capacidade que uma substância tem de reagir com a outra, pois mesmo se duas ou mais substâncias forem colocadas em contato, mas não houver afinidade entre elas, não ocorrerá a reação. Desse modo, ele participa de reações como hidrogenação, combustão e simples troca.
Formas de obtenção do hidrogênio molecular (H2)
Método físico
O hidrogênio molecular pode ser obtido a partir do ar atmosférico, já que é um dos gases presentes nessa mistura. Para isso, é necessário submeter o ar atmosférico ao método de liquefação fracionada e, em seguida, à destilação fracionada.
Método químico
O hidrogênio molecular pode ser obtido por meio de reações químicas específicas, como:
Simples troca: reação na qual um metal não nobre (Me) desloca o hidrogênio presente em um ácido inorgânico (HX), formando um sal qualquer (MeX) e o hidrogênio molecular (H2):
Me + HX → MeX + H2
Hidratação do carvão coque (subproduto do carvão mineral): nessa reação o carbono (C) do carvão interage com o oxigênio da água (H2O), formando monóxido de carbono e o gás hidrogênio:
C + H2O → CO + H2
Eletrólise da água: quando a água é submetida ao processo da eletrólise, ocorre a formação dos gases oxigênio e hidrogênio:
H2O(l) → H2(g) + O2(g)
Utilidades do hidrogênio
- Combustível para foguetes ou carros;
- Maçaricos de arco voltaico (utilizam energia elétrica) para cortar metais;
- Soldas;
- Sínteses orgânicas, mais precisamente em reações de hidrogenação de hidrocarbonetos;
- Reações orgânicas que transformam gorduras em óleos vegetais;
- Produção de haletos de hidrogênio ou ácidos hidrogenados;
- Produção de hidretos metálicos, como o hidreto de sódio (NaH).
Bomba de hidrogênio
A bomba de hidrogênio, bomba H, ou bomba termonuclear é a bomba atômica que tem o maior potencial de destruição. Seu funcionamento decorre de um processo de fusão nuclear, motivo pelo qual também pode ser chamada de bomba de fusão.
A explosão de uma bomba de hidrogênio decorre do processo de fusão, o qual acontece sob temperaturas altíssimas, aproximadamente 10 milhões de graus Celsius. O processo de produção dessa bomba se inicia com a união dos isótopos do hidrogênio, chamados de prótio, deutério e trítio. A junção dos isótopos de hidrogênio faz com que o núcleo do átomo gere ainda mais energia, isso porque são formados núcleos de hélio, cuja massa atômica é 4 vezes maior do que a do hidrogênio.
Assim, o núcleo que era leve passa a ser pesado. Por isso, o processo de fusão nuclear é milhares de vezes mais violento do que o de fissão. A força de uma bomba de hidrogênio pode chegar a 10 milhões de toneladas de dinamites, liberando material radioativo e radiação eletromagnética em um nível muito superior ao das bombas atômicas.
O primeiro teste de uma bomba de hidrogênio, em 1952, liberou uma quantidade de energia equivalente a cerca de 10 milhões de toneladas de TNT. Vale ressaltar que esse tipo de reação é a fonte de energia das estrelas como o Sol. Ele é composto de 73% de hidrogênio, 26% de hélio e 1% de outros elementos. Isso é explicado pelo fato de ocorrerem reações de fusão em seu núcleo, em que átomos de hidrogênio se fundem originando átomos de hélio.
Curiosidades sobre o hidrogênio
- O hidrogênio molecular é mais leve que o ar e foi utilizado em dirigíveis rígidos pelo conde alemão Ferdinand von Zeppelin, daí o nome dos dirigíveis;
- O hidrogênio molecular pode ser sintetizado por algumas bactérias e algas;
- O hidrogênio pode ser utilizado na produção de combustível de energia limpa;
- O gás metano (CH4) é uma fonte de hidrogênio de crescente importância.
Hidrogênio verde: um combustível cheio de potencial para salvar o clima
No sentido da sustentabilidade e da preservação do meio ambiente, “hidrogênio verde" é um termo utilizado para se referir ao hidrogênio obtido a partir de fontes renováveis, em um processo no qual não haja a emissão de carbono. Diferente dos combustíveis fósseis, o aproveitamento energético do hidrogênio raramente se dá por sua combustão, mas sim por meio de uma transformação eletroquímica, realizada em células conhecidas como células a combustível.
Nesses equipamentos, o oxigênio existente na atmosfera se combina com o hidrogênio, produzindo energia elétrica e água. Ou seja, o processo de geração de energia por meio de células a combustível em si não impacta o meio ambiente, razão pela qual pode-se classificá-lo como sendo um processo limpo.
