Hidrogênio

Hidrogênio
1H
- ↑ H ↓ Li Tabela periódica - ← → hidrogênio hélio
Aparência
gás incolor Brilho púrpura no seu estado de plasma Linhas espectrais do hidrogênio
Propriedades gerais
Nome, símbolo, número	hidrogénio, H, 1
Pronúncia	/ h aɪ d r ə dʒ ə n / HY--drə jən
Categoria elemento	metalóide
Grupo, período, bloco	1 , 1, s
Peso atômico padrão	1,008 (1)
Configuração eletrônica	1s 1 1
História
Descoberta	Henry Cavendish (1766)
Nomeado por	Antoine Lavoisier (1783)
Propriedades físicas
Cor	incolor
Fase	gás
Densidade	(0 ° C, 101,325 kPa) 0,08988 g / L
Líquido densidade no pf	0,07 (0,0763 sólido) · g cm -3
Líquido densidade no pb	0,07099 g · cm -3
Ponto de fusão	14,01 K , -259,14 ° C, -434,45 ° F
Ponto de ebulição	20,28 K, -252,87 ° C, -423,17 ° F
Ponto Triplo	13,8033 K (-259 ° C), 7,042 kPa
Ponto crítico	32,97 K, 1,293 MPa
Calor de fusão	(H 2) 0,117 kJ mol -1 ·
Calor de vaporização	(H 2) 0,904 kJ mol -1 ·
Capacidade calorífica molar	(H 2) 28,836 J · · mol -1 K -1
Pressão de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k em T (K) 15 20
Propriedades atômicas
Estados de oxidação	1, -1 (Óxido anfotérico)
Eletronegatividade	2,20 (escala de Pauling)
Energias de ionização	1º: 1312,0 kJ · mol -1
O raio de covalência	31 ± 17:00
Van der Waals raio	120 pm
Miscelânea
A estrutura de cristal	hexagonal
Ordenamento magnético	diamagnetic
Condutividade térmica	0,1805 W · m -1 · K -1
Velocidade do som	(Gás, 27 ° C) 1310 m · s -1
Número de registo CAS	1333-74-0
A maioria dos isótopos estáveis
Ver artigo principal: Isótopos de hidrogénio
iso N / D meia-vida DM DE ( MeV) DP 1H 99,985% 1 H é estável com 0 neutrões 2 H 0,015% 2 H é estável com um neutrão 3H traço 12,32 y β - 0,01861 3 Ele

O hidrogênio é um elemento químico com símbolo H e número atômico 1. Com uma peso atômico de 1.007 9 4 u (1.007 8 25 u para hidrogénio-1 ), o hidrogênio é o elemento mais leve e sua forma monatomic (H ₁₎ é o mais substância química abundante, constituindo cerca de 75% do universo de massa bariônica. Não- remanescente estrelas são compostas principalmente de hidrogênio em seu plasma estado.

Em a temperatura e pressão normal, o hidrogénio é um incolor, inodoro, sem sabor, não tóxica, não metálico, altamente combustível diatómico gás com a fórmula molecular _de H _2. Naturalmente que ocorre hidrogênio atômico é raro na Terra porque o hidrogênio forma facilmente compostos covalentes com a maioria dos elementos não-metálicos e está presente na molécula de água e na maior parte dos compostos orgânicos . Hidrogénio desempenha um papel particularmente importante na química ácido-base com muitas reações troca prótons entre as moléculas solúveis.

Em compostos iônicos, pode levar uma carga negativa (um ânion conhecido como e hidreto de escrita como H ^-), ou como uma carga positiva espécies H ^+. Este último catião é escrito como se composto por um protão nu, mas, na realidade, catiões de hidrogénio em compostos iônicos sempre ocorrem como espécies mais complexas.

O mais comum isótopo do hidrogênio é protium (nome raramente usado, símbolo ¹ H) com um único próton e nenhum nêutrons . Como o átomo de simples conhecido, o átomo de hidrogênio tem sido de uso teórico. Por exemplo, como o único átomo neutro com uma solução analítica para a Equação Schrödin, o estudo da energética e de ligação do átomo de hidrogénio desempenhou um papel chave no desenvolvimento da mecânica quântica .

O gás hidrogênio foi pela primeira vez produzido artificialmente no início do século 16, através da mistura de metais com ácidos fortes. Em 1766-1781, Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer que o gás de hidrogênio era uma substância discreta, e que produz água quando queimado, uma propriedade que mais tarde lhe deu o nome: em grego, hidrogênio significa "água-ex".

A produção industrial é principalmente a partir da reforma a vapor do gás natural, e menos frequentemente de mais intensivo de energia métodos de produção de hidrogênio como o eletrólise da água. A maioria de hidrogênio é empregado perto de seu local de produção, com as duas maiores usos sendo combustível fóssil processamento (por exemplo, hidrocraqueamento) e amônia produção, principalmente para o mercado de fertilizantes.

O hidrogênio é uma preocupação em metalurgia , pois ele pode fragilizam muitos metais, o que complica o projeto de dutos e tanques de armazenamento.

Propriedades

Combustão

O Space Shuttle Motor principal queimado hidrogênio com o oxigênio, produzindo uma chama quase invisível na potência máxima.

O gás hidrogénio (di-hidrogenofosfato ou o hidrogénio molecular) é altamente inflamável e vai queimar ao ar a uma gama muito ampla de concentrações de entre 4% e 75% em volume. O entalpia de combustão do hidrogênio é -286 kJ / mol:

2 H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2 _H2O (l) + 572 kJ (286 kJ / mol)

Formas de gás de hidrogênio de misturas explosivas com o ar se for 4-74% concentrado e com o cloro se é 5-95% concentrado. As misturas explodir espontaneamente por centelha, calor ou luz solar. O hidrogênio a temperatura de auto-ignição, a temperatura de ignição espontânea no ar, é 500 ° C (932 ° F). Chamas de hidrogênio-oxigênio puro emitem raios ultravioleta luz e são quase invisíveis a olho nu, como ilustrado pela pluma fraco da Space Shuttle Motor principal em comparação com a pluma altamente visível de um Space Shuttle impulsionador foguetes de combustível sólido. A detecção de uma fuga de hidrogénio queima pode necessitar de uma Detector de chamas; tais vazamentos pode ser muito perigoso. O destruição do dirigível Hindenburg foi um exemplo infame de combustão de hidrogênio; a causa é debatida, mas as chamas visíveis foram o resultado de uma rica mistura de hidrogênio ao oxigênio que produz uma chama visível.

H ₂ reage com cada elemento oxidante. O hidrogénio pode reagir violentamente espontaneamente e à temperatura ambiente com cloro e flúor para formar os correspondentes halogenetos de hidrogénio, de cloreto de hidrogénio e fluoreto de hidrogénio, que também são potencialmente perigosas ácidos .

Os níveis de energia de elétrons

Descrição de um átomo de hidrogénio, com tamanho de protões central representada, e o diâmetro atómico como cerca de duas vezes o Bohr raio modelo (imagem não à escala).

O estado fundamental nível de energia do elétron em um átomo de hidrogênio é -13,6 eV, que é equivalente a uma ultravioleta fotão de aproximadamente 92 comprimento de onda nm.

Os níveis de energia de hidrogénio pode ser calculada usando bastante precisão a Modelo de Bohr do átomo, que conceitua o elétron como "órbita" do próton em analogia à órbita do Sol da Terra No entanto, a força electromagnética atrai electrões e protões para o outro, enquanto planetas e corpos celestes são atraídos um para o outro por gravidade . Por causa da discretização do momento angular postulada no início de mecânica quântica de Bohr, o elétron no modelo de Bohr só pode ocupar determinadas distâncias permitida a partir do próton, e, portanto, só certas energias permitidas.

Uma descrição mais precisa do átomo de hidrogénio trata de um tratamento puramente mecânica quântica que utiliza o Equação de Schrödinger ou o Feynman caminho formulação integrante para calcular o densidade de probabilidade do electrão em torno do protão. Os tratamentos mais complicados permitir que os pequenos efeitos da relatividade especial e polarização vácuo. No tratamento da mecânica quântica, o elétron em um átomo de hidrogênio estado fundamental não tem momento angular em todos- uma ilustração de quão diferente a "órbita planetária" concepção de movimento do elétron difere da realidade.

Formas moleculares Elemental

Primeiras faixas observadas em hidrogênio líquido câmara de bolhas no Bevatron

Existem dois diferentes isômeros rotação de moléculas diatômicas hidrogênio que diferem pela relativa rotação de seus núcleos. No ortohidrog�io forma, os spins dos dois prótons são paralelas e formar um estado triplete com um número de rotação quântica molecular de 1 (½ + ½); no formar parahidrog�io os spins são antiparallel e formar uma camisola com um número de rotação quântica molecular de 0 (½-½). À temperatura e pressão normal, o gás hidrogénio contém cerca de 25% da forma para e 75% de forma orto, também conhecida como a "forma normal". A proporção de equilíbrio de ortohidrog�io para parahidrog�io depende da temperatura, mas, porque a forma de um orto estado excitado e tem uma energia mais elevada do que a forma parágrafo, é instável e não pode ser purificado. A temperaturas muito baixas, o estado de equilíbrio é composta quase exclusivamente a forma de par. As propriedades térmicas de fase gasosa e líquida de parahidrog�io puro diferem significativamente dos da forma normal devido a diferenças nas capacidades de calor de rotação, tal como discutido mais completamente em Isômeros rotação de hidrogênio. Também ocorre a orto / para distinção em outras moléculas que contêm hidrogénio ou grupos funcionais, tais como água e metileno, mas é de pouca importância para as suas propriedades térmicas.

A interconversão entre uncatalyzed para e orto H ₂ aumenta com o aumento da temperatura; H assim condensado rapidamente ₂ contém grandes quantidades da forma orto de alta energia que converte para a forma parágrafo muito lentamente. O rácio de orto / para condensada em H ₂ é uma consideração importante na preparação e armazenamento de hidrogénio líquido: a conversão de orto ao n é exotérmica e produz calor suficiente para evaporar uma parte do líquido de hidrogénio, conduzindo a perda de material liquefeito. Os catalisadores para a interconversão orto-para, tal como óxido férrico, platinizado, amianto, metais de terras raras, compostos activados de urânio de carbono, óxido de cromo, ou de alguns compostos de níquel, são utilizados durante o resfriamento de hidrogênio.

Fases

• Hidrogênio comprimido
• Hidrogênio líquido
• Hidrogênio Slush
• Hidrogênio sólido
• Hidrogênio metálico

Compostos

Covalente e compostos orgânicos

Enquanto H ₂ não é muito reactiva sob condições padrão, formam compostos que faz com a maioria dos elementos. O hidrogénio pode formar compostos com elementos que são mais electronegativo, tal como halogéneos (por exemplo, F, Cl, Br, I), ou oxigénio ; nestes compostos de hidrogénio fica com uma carga positiva parcial. Quando ligado a flúor , oxigénio , ou azoto , o hidrogénio pode participar numa forma de média resistência de ligação não covalente chamada ligação de hidrogénio, que é crítica para a estabilidade de muitas moléculas biológicas. O hidrogénio também forma compostos com menos elementos electronegativos, tais como os metais e metalóides, em que ele assume uma carga negativa parcial. Estes compostos são conhecidos como hidretos.

Hidrogénio forma uma vasta gama de compostos com carbono chamada hidrocarbonetos, e um conjunto mais vasto, mesmo com heteroátomos que, por causa de sua associação geral com as coisas vivas, são chamados de compostos orgânicos . O estudo das suas propriedades como é conhecido da química orgânica e o seu estudo no contexto de que vivem organismos é conhecido como bioquímica . De acordo com algumas definições, compostos "orgânicos" só são obrigados a conter carbono. No entanto, a maioria deles também contêm hidrogênio, e porque é a ligação carbono-hidrogênio que dá a esta classe de compostos a maioria de suas características químicas particulares, ligações carbono-hidrogênio são necessários em algumas definições da palavra "orgânico" em química. Milhões de hidrocarbonetos são conhecidos, e são geralmente formadas por vias de síntese complicados, que raramente envolvem hidrogénio elementar.

Hidretos

Os compostos de hidrogênio são freqüentemente chamados hidretos, um termo que é usado bastante vagamente. O termo "hidreto" sugere que o átomo de H adquiriu um carácter aniónico ou negativo, H denotado como ^-, e é utilizado quando o hidrogénio forma um composto com um mais elemento electropositive. A existência do anião hidreto, sugerido por Gilbert N. Lewis em 1916 para o grupo I e II do sal como hidretos, foi demonstrada por Moers em 1920 pela electrólise do fundido hidreto de lítio (LiH), um produzindo estequiometria da quantidade de hidrogénio no ânodo. Para outros do que o grupo I e II metais hidretos, o termo é bastante enganador, considerando a baixa eletronegatividade de hidrogênio. Uma excepção na hidretos do grupo II é BeH _2, que é polimérica. Em hidreto de alumínio e lítio , o AlH -
4 ânion carrega centros de hidretos firmemente ligados à Al (III).

Embora hidretos podem ser formadas com quase todos os elementos do grupo principal, o número ea combinação de possíveis compostos varia muito; por exemplo, existem mais de 100 hidretos de borano binários conhecidos, mas apenas um hidreto de alumínio e binário. Binário de índio hidreto ainda não foi identificado, embora existam complexos maiores.

Em química inorgânica , hidretos também pode servir como ligantes ponte que ligam dois centros metálicos em um complexo de coordenação. Esta função é particularmente comum no grupo 13 elementos, especialmente em boranos ( boro hidretos) e de alumínio complexos, bem como em agrupado carboranos.

Prótons e ácidos

A oxidação do hidrogénio remove electrões e dá a sua H ^+, que não contém electrões e um núcleo que é geralmente composto por um protão. É por isso que o H ⁺ é muitas vezes chamado de um próton. Esta espécie é central para a discussão de ácidos . Debaixo de Teoria de Bronsted-Lowry, os ácidos são dadores de protões, enquanto que as bases são aceitadores de protões.

Um protão nua, H ^+, não pode existir em solução ou na forma de cristais iónicos, devido à sua atracção incontrolável a outros átomos ou moléculas com electrões. Excepto para as altas temperaturas associadas com plasmas, tais protões não pode ser removido a partir da nuvens de elétrons de átomos e moléculas, e vai permanecer solidários com eles. No entanto, o termo "próton" é por vezes usado livremente e metaforicamente para referir-se carregado positivamente ou catiónico de hidrogénio ligados a outras espécies desta forma, e como tal é designado "H ^+" sem qualquer implicação de que quaisquer prótons individuais existir livremente como espécie .

Para evitar a implicação do nu "protão solvatado" em solução, as soluções aquosas ácidas são, por vezes, considerado como contendo uma espécie fictícios menos improváveis, o denominado " ião hidrónio _"(H3O ^+). No entanto, mesmo neste caso, tais catiões hidrogénio solvatadas são consideradas fisicamente mais realisticamente a ser organizadas em conjuntos que formam espécies mais perto H ₉ O +
4. Outros iões oxónio são encontrados quando a água se encontra em solução com outros solventes.

Embora invulgar na Terra, um dos iões mais comuns no universo é o H +
3 iónica, conhecido como hidrogénio molecular protonado ou o catião trihydrogen.

Isótopos

Descarga de hidrogênio (espectro) tubo

Descarga de deutério (espectro) tubo

Protium, o mais comum isótopo do hidrogênio, tem um próton e um elétron. Único entre todos os isótopos estáveis, não tem nêutrons (ver diproton para uma discussão sobre os outros porque não existe).

O hidrogénio tem três isótopos que ocorrem naturalmente, denotado ^{1H, 2H} e ^3H. Outros núcleos, altamente instáveis ⁽⁴ H ⁷ H) foram sintetizados no laboratório, mas não observado na natureza.

• ¹ H é o isótopo mais comum de hidrogénio com uma abundância de mais de 99,98%. Porque o núcleo desse isótopo consiste em apenas um único próton, é dado o descritivo, mas raramente usado nome formal protium.
• ² H, o outro isótopos de hidrogénio estável, como é conhecido deutério e contém um próton e um nêutron em seu núcleo. Essencialmente todos deutério no universo é pensado para ter sido produzido no momento do Big Bang , e tem sofrido desde aquela época. Deutério não é radioativo, e não representa um perigo de toxicidade significativa. A água enriquecida em moléculas que incluem deutério em vez de hidrogénio normal é denominada água pesada. Deutério e os seus compostos são utilizados como um marcador não radioactivo em experiências químicas e em solventes durante ¹ h - espectroscopia de RMN . A água pesada é usado como um moderador nuclear e refrigerante para reatores nucleares. O deutério é também um combustível potencial para comercial fusão nuclear.
• ³ H é conhecida como trítio e contém um próton e dois nêutrons em seu núcleo. É radioativo, decair em hélio-3 através desintegração beta com uma semi-vida de 12,32 anos. É assim radioactivos que podem ser utilizados em pintura luminosa, tornando-se útil em coisas como relógios. O vidro impede que a pequena quantidade de radiação de sair. Pequenas quantidades de trítio ocorrem naturalmente devido à interacção dos raios cósmicos com gases atmosféricos; trítio também foi lançado durante testes de armas nucleares. Ele é utilizado em reacções de fusão nuclear, como marcador no geoquímica de isótopos, e especializada em dispositivos de iluminação auto-alimentado. Trítio também tem sido utilizado em experiências de marcação químicos e biológicos como um radioactiva.

O hidrogênio é o único elemento que tem nomes diferentes para seus isótopos de uso comum hoje. Durante o estudo inicial de radioatividade, vários isótopos radioativos pesados foram dados os seus próprios nomes, mas esses nomes não são mais usados, com exceção de deutério e trítio. Os símbolos D e T (em vez de ² H e ³ H) são por vezes usados para deutério e trítio, mas o símbolo correspondente para protium, P, já está em uso em fósforo e, portanto, não está disponível para protium. Em seus nomenclatura orientações, a União Internacional de Química Pura e Aplicada permite que qualquer de D, T, ² H e ³ H para ser utilizado, embora sejam preferidos ^2H e ^3H.

História

Descoberta e uso

Em 1671, Robert Boyle descoberto e descrito a reacção entre o ferro e dilui-se limalha de ácidos , o que resulta na produção de gás de hidrogénio. Em 1766, Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer o gás de hidrogênio como uma substância discreta, nomeando o gás a partir de uma reação ácida metal "ar inflamável". Ele especulou que "ar inflamável" era de fato idêntico à substância hipotética chamada " phlogiston "e mais descoberta em 1781 que o gás produz água quando queimado. Ele geralmente é dado o crédito para sua descoberta como um elemento. Em 1783, Antoine Lavoisier deu o elemento hidrogênio nome (do grego ὕδρω hidro significa água genes e γενῆς intencionados criador), quando ele e Laplace reproduzida descoberta de Cavendish que a água é produzida quando o hidrogênio é queimado.

Antoine-Laurent Lavoisier de

Lavoisier produzido hidrogênio para suas experiências famosas da conservação de massa por reacção de um fluxo de vapor metálico com ferro através de um tubo de ferro incandescente aquecida no fogo. Oxidação anaeróbia de ferro pelos prótons de água a alta temperatura pode ser esquematicamente representado pelo conjunto das seguintes reações:

Fe + _H2O → FeO + H ₂

2 Fe + 3 _H2O → Fe ₂ O ₃ + 3H ₂

3 Fe + 4 _H2O → Fe ₃ O ₄ + 4H ₂

Muitos metais, tais como zircónio sofrer uma reacção semelhante com água conduzindo à produção de hidrogénio.

Hidrogênio foi liquefeito pela primeira vez pela James Dewar em 1898 usando resfriamento regenerativo e sua invenção, o balão de vácuo. Ele produziu hidrogênio sólido no próximo ano. Deutério foi descoberto em dezembro de 1931 por Harold Urey, e trítio foi preparado em 1934 por Ernest Rutherford , Mark Oliphant, e Paul Harteck. A água pesada, que consiste de deutério no lugar de hidrogênio regular, foi descoberto pelo grupo de Urey em 1932. François Isaac de Rivaz construiu o primeiro motor de combustão interna alimentado por uma mistura de hidrogênio e oxigênio em 1806. Edward Daniel Clarke inventou o maçarico a gás de hidrogênio em 1819. O Lâmpada de Döbereiner e ribalta foram inventados em 1823.

O primeiro cheio de hidrogénio- balão foi inventado por Jacques Charles em 1783. O hidrogênio desde o elevador para a primeira forma confiável de viagens aéreas após a 1852 invenção da primeira aeronave levantou-hidrogênio por Henri Giffard. Conde alemão Ferdinand von Zeppelin promoveu a idéia de dirigíveis rígidos levantadas por hidrogênio, que mais tarde foram chamados Zepelins; a primeira das quais teve seu vôo inaugural em 1900. vôos regulares começaram em 1910 e pela eclosão da Primeira Guerra Mundial em agosto de 1914, eles haviam realizado 35 mil passageiros sem um incidente grave. Aeronaves levantou-hidrogênio foram usados como plataformas de observação e bombardeiros durante a guerra.

A primeira travessia transatlântica non-stop foi feito pelo dirigível britânico R34 em 1919. serviço regular de passageiros retomado na década de 1920 ea descoberta de hélio reservas nos Estados Unidos prometeu aumentar a segurança, mas o governo dos EUA se recusou a vender o gás para o efeito. Portanto, H ₂ foi utilizado no Hindenburg dirigível, que foi destruída em um incêndio pleno ar em cima New Jersey em 6 de maio de 1937. O incidente foi transmitido ao vivo pela rádio e filmado. Ignição de vazamento de hidrogénio é amplamente assumido como sendo a causa, mas as investigações posteriores apontou para a ignição do aluminizado revestimento de tecido por electricidade estática. Mas os danos à reputação de hidrogênio como um gás de levantamento já foi feito.

No mesmo ano, o primeiro turbogerador resfriado a hidrogênio entrou em serviço com hidrogênio gasoso como um refrigerante em que o rotor e o estator, em 1937, em De Dayton, Ohio, pela Dayton Power & Light Co, devido à condutividade térmica do gás de hidrogénio este é o tipo mais comum hoje em seu campo.

O bateria níquel hidrogênio foi usada pela primeira vez em 1977 a bordo da Marinha os EUA tecnologia de navegação por satélite-2 (NTS-2). Por exemplo, o ISS , Mars Odyssey eo Mars Global Surveyor estão equipados com baterias de níquel-hidrogênio. Na parte escura de sua órbita, o Telescópio Espacial Hubble também é alimentado por baterias de níquel-hidrogênio, que foram finalmente substituiu em maio de 2009, mais de 19 anos após o lançamento, e 13 anos sobre a sua vida design.

Papel na teoria quântica

Hidrogênio linhas de espectro de emissão na faixa visível. Estas são as quatro linhas visíveis da Série Balmer

Por causa de sua estrutura atômica relativamente simples, consistindo apenas de um próton e um elétron, o átomo de hidrogénio, em conjunto com o espectro de luz produzida a partir dele ou absorvido por ele, tem sido essencial para o desenvolvimento da teoria de atómico estrutura. Além disso, a simplicidade da correspondente molécula de hidrogénio e o catião que corresponde H ₂ ⁺ permitiu mais completa compreensão da natureza da ligação química , que se seguiu logo após o tratamento mecânico quântico do átomo de hidrogênio foi desenvolvido em meados da década de 1920.

Um dos primeiros efeitos quânticos para ser explicitamente notado (mas não compreendido na época) foi uma observação Maxwell envolvendo hidrogênio, meio século antes completo a teoria da mecânica quântica chegou. Maxwell observado que o capacidade de calor específica de H ₂ sai inexplicavelmente que a partir de um gás diatômico abaixo da temperatura ambiente e começa a assemelhar-se cada vez mais que a de um gás monoatómico em temperaturas criogênicas. De acordo com a teoria quântica, este comportamento surge do espaçamento das quantificados) (níveis de energia de rotação, os quais são particularmente ampla espaçados em H _2, devido à sua massa reduzida. Estes níveis muito espaçados inibir igual partição de energia térmica em movimento de rotação em hidrogénio a baixas temperaturas. Gases diatómicos compostos de átomos mais pesados não têm tais níveis amplamente espaçados e não exibem o mesmo efeito.

Ocorrência natural

NGC 604, uma gigante região de hidrogênio ionizado no Galáxia de Triangulum

Hidrogénio, como H atómica, é a mais abundante elemento químico no universo, compondo 75% do matéria normal por massa e mais de 90% do número de átomos (a maior parte da massa do universo, no entanto, não está na forma de tipo químico-elemento de matéria, mas sim é postulada para ocorrer formas ainda não detectada da-massa, tais como matéria escura e energia escura). Este elemento é encontrado em grande abundância nas estrelas e gigantes de gás planetas. Nuvens moleculares de H ₂ estão associados com formação de estrelas. O hidrogênio tem um papel vital na alimentação estrelas através reação próton-próton e Ciclo CNO fusão nuclear.

Em todo o universo, o hidrogênio é encontrada principalmente nas atômicas e de plasma estados cujas propriedades são bastante diferentes de hidrogênio molecular. Como um plasma, de elétrons e prótons de hidrogênio não estão ligadas entre si, resultando em muito alta condutividade elétrica e alta emissividade (produzindo a luz do Sol e outras estrelas). As partículas carregadas são altamente influenciado por campos magnéticos e elétricos. Por exemplo, no vento solar interagem com a da Terra magnetosphere dando origem a Birkeland correntes e o aurora. O hidrogénio é encontrada no estado neutro atómica no meio interestelar. A grande quantidade de hidrogênio neutro encontrados nos sistemas de Lyman-alfa amortecidos é pensado para dominar a densidade bariônica cosmológica do Universo até redshift z = 4.

Sob condições ordinárias na Terra, hidrogénio elementar existe como o gás diatómico, H ₂ (para dados, ver tabela). No entanto, o gás hidrogênio é muito raro na atmosfera da Terra (1 ppm em volume) por causa do seu baixo peso, o que lhe permite escapar da gravidade da Terra com mais facilidade do que os gases mais pesados. No entanto, o hidrogénio é o terceiro elemento mais abundante na superfície da Terra, principalmente na forma de compostos químicos , tais como hidrocarbonetos e água. O gás hidrogénio é produzida por algumas bactérias e algas e é um componente natural da flatos, como é metano , ela própria uma fonte de hidrogénio cada vez mais importância.

Uma forma molecular chamada hidrogénio molecular protonado (H ⁺ ₃₎ encontra-se no meio interestelar, onde é gerado pela ionização de hidrogénio molecular desde raios cósmicos. Este ião carregado também foi observada na atmosfera superior do planeta Júpiter . O ião é relativamente estável no ambiente de espaço devido à baixa temperatura e densidade. H ₃ ⁺ é um dos iões mais abundantes no universo, e que desempenha um papel notável na química do meio interestelar. Neutro triatomic hidrogênio H ₃ só pode existir em um formulário animado e é instável. Por outro lado, o positivo ião molecular de hidrogénio (H ⁺ ₂₎ é uma molécula rara no universo.

Produção

H _{2 foi} produzido em laboratórios de química e de biologia, muitas vezes como um subproduto de outras reacções; na indústria para a hidrogenação de substratos insaturados; e na natureza como um meio de expulsão equivalentes redutores em reacções bioquímicas.

Laboratório

No laboratório, H ₂ é geralmente preparado pela reacção de diluído não oxidante ácidos em alguns metais reactivos tais como zinco com Aparelho de Kipp.

Zn + 2 H ⁺ → Zn2 ⁺ + H ₂

Alumínio também pode produzir H ₂ por tratamento com bases:

Al 2 + 6 _H2O + 2 OH ^- → Al 2 (OH) -
4 + 3 H ₂

O electrólise da água é um método simples de produção de hidrogénio. Uma corrente de baixa tensão é administrado através da água, e formas oxigénio gasoso na ânodo enquanto as formas gasosas de hidrogénio no cátodo. Tipicamente, o cátodo é feita a partir de platina ou de outro metal inerte ao produzir hidrogénio durante o armazenamento. Se, no entanto, o gás está a ser queimado no local, o oxigénio é desejável para ajudar a combustão, e assim os dois eléctrodos poderia ser feita a partir de metais inertes. (O ferro, por exemplo, seria oxidar, e, assim, diminuir a quantidade de oxigénio libertado.) A eficiência máxima teórica (electricidade utilizada vs valor energético de hidrogénio produzido a) está na gama de 80-94%.

2 _H2O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

Em 2007, foi descoberto que uma liga de alumínio e gálio em forma de pastilha adicionada a água pode ser usada para gerar hidrogénio. O processo também cria a alumina , mas o gálio caro, o que impede a formação de uma película de óxido sobre os grânulos, pode ser re-utilizado. Isto tem importantes implicações potenciais para uma economia de hidrogénio, tal como hidrogénio pode ser produzido no local, e não necessita de ser transportado.

Industrial

O hidrogénio pode ser preparado de várias maneiras diferentes, mas os processos economicamente mais importantes envolvem a remoção de hidrogénio de hidrocarbonetos. Grandes quantidades de hidrogénio comercial é produzido geralmente pela reforma a vapor do gás natural . A temperaturas elevadas (1000-1400 K, 700-1100 ° C ou 1300-2000 ° F), o vapor (vapor de água) reage com o metano para originar monóxido de carbono e _H2.

_CH4 + _H2O CO + → 3 H ₂

Esta reacção é favorecida a pressões baixas, mas no entanto é conduzida a pressões elevadas (2,0 MPa, 20 atm ou 600 inHg). Isto é porque a alta pressão _{de H2} é o produto mais comerciável e Pressure Swing Adsorption (PSA) sistemas de purificação de trabalhar melhor a pressões mais elevadas. A mistura de produto é conhecido como " gás de síntese ", porque é muitas vezes usado directamente para a produção de metanol e compostos relacionados. Outros hidrocarbonetos do metano podem ser usadas para produzir gás de síntese com rácios de produtos diferentes. Uma das muitas complicações a esta tecnologia altamente optimizada é a formação de coque ou de carbono:

CH ₄ → C + 2 H ₂

Consequentemente, o vapor de reformação tipicamente emprega um excesso de _H2O. Hidrogénio adicional pode ser recuperado a partir do vapor através da utilização de monóxido de carbono através da reação de deslocamento de água e gás, especialmente com uma óxido de ferro catalisador. Esta reacção é também uma fonte industrial comum de dióxido de carbono :

CO + _H2O → CO ₂ + H ₂

Outros métodos importantes para a produção de _H2 incluem a oxidação parcial de hidrocarbonetos:

2 _CH4 + _O2 → 2 CO + H ₂ 4

e a reacção do carvão, o qual pode servir como um prelúdio para a reacção de deslocamento acima:

C + _H2O CO + H → ₂

O hidrogénio é, por vezes, produzida e consumida no mesmo processo industrial, sem ser separada. No Haber processo para a produção de amônia, hidrogênio é gerado a partir do gás natural. Electrólise de salmoura para produzir cloro também produz hidrogénio como um co-produto.

Termoquímica

Existem mais de 200 ciclos termoquímicos que podem ser utilizados para separação da água, cerca de uma dúzia desses ciclos, como o ferro ciclo de óxido, ciclo de cério (IV), óxido de cério-óxido (III), zinco ciclo-óxido de zinco, ciclo-iodo enxofre, cobre-cloro e ciclo ciclo do enxofre híbrido estão sob investigação e em fase de testes para produzir hidrogênio e oxigênio da água e calor sem o uso de eletricidade. Um número de laboratórios (incluindo na França, Alemanha, Grécia, Japão e EUA) estão desenvolvendo métodos termoquímicos para produção de hidrogênio a partir da energia solar e água.

Corrosão anaeróbio

Em condições anaeróbias, ferro e ligas de aço estão lentamente oxidado pelos prótons de água concomitantemente reduzidos em hidrogênio molecular (H _2). O corrosão anaeróbio de ferro conduz à formação primeiro de hidróxido ferroso (ferrugem verde) e pode ser descrita pela reacção seguinte:

Fe + 2 _H2O → Fe (OH) ₂ + H ₂

Por sua vez, sob condições anaeróbicas, o hidróxido ferroso (Fe (OH) ₂₎ pode ser oxidado por os protões de água para formar magnetita e hidrogênio molecular. Este processo é descrito pela Reação Schikorr:

3 Fe (OH) ₂ → Fe ₃ O ₄ + 2 H ₂ O + H ₂

hidróxido ferroso → magnetita + água + hidrogênio

A magnetite bem cristalizado (Fe ₃ O ₄₎ é termodinamicamente mais estável do que o hidróxido ferroso (Fe (OH) _2).

Este processo ocorre durante a corrosão anaeróbio de ferro e aço em livre de oxigênio água subterrânea e na redução solos abaixo do lençol freático.

Ocorrência geológica: a reação serpentinização

Na ausência de oxigénio atmosférico (O _2), em condições prevalecentes geológicas profundas longe da atmosfera da Terra, o hidrogénio _(H2) é produzido durante o processo de serpentinização pela oxidação anaeróbica pelos protões da água (H ⁺⁾ do ferrosos (Fe ²⁺⁾ silicato presente na rede cristalina do faialite (Fe ₂ SiO _4, o olivina ferro-endmember). A reacção correspondente, conduzindo à formação de magnetita (Fe ₃ O _4), quartzo _(SiO2) e hidrogénio _(H2) é a seguinte:

3 Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O 2 → Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

faialite + água → magnetita + quartzo + hidrogênio

Esta reacção se assemelha a Reacção Schikorr observada na oxidação anaeróbica do hidróxido ferroso em contacto com a água.

Formação em transformadores

De todos os gases de falha formadas no poder transformadores, o hidrogênio é o mais comum e é gerado na maioria das condições de falha; Assim, a formação de hidrogénio é uma indicação precoce de graves problemas no ciclo de vida do transformador.

Aplicações

Consumo em processos

Grandes quantidades de H ₂ são necessários na indústria de petróleo e químicos. A maior aplicação de H ₂ é para o processamento ("melhoria") de combustíveis fósseis, e na produção de amoníaco . Os principais consumidores de H ₂ na planta petroquímica incluem hidrodesalquila�o, hidrodessulfurização, e hidrocraqueamento. H ₂ tem várias outras utilizações importantes. H ₂ é utilizado como um agente de hidrogenação, particularmente no aumento do nível de saturação de gorduras insaturadas e óleos (encontrados em artigos tais como margarina), e na produção de metanol . É semelhante a fonte de hidrogénio na produção de ácido clorídrico . H ₂ também é usado como um agente redutor de metal minérios.

O hidrogénio é muito solúvel em muitos terra e raros metais de transição e é solúvel em ambos nanocristalino e metais amorfos. Hidrogénio solubilidade em metais é influenciada por distorções locais ou impurezas no estrutura de cristal.Estas propriedades podem ser úteis quando o hidrogénio é purificado por passagem através de quentespaládiodiscos, mas elevada solubilidade do gás é um problema metalúrgico, o que contribui para afragilização de muitos metais, o que complica a concepção das condutas e tanques de armazenamento.

Além de seu uso como um reagente, H ₂ tem amplas aplicações em física e engenharia. É usado como um gás de proteção na soldagem métodos como solda hidrogênio atômico. H ₂ é usado como líquido de arrefecimento do rotor em geradores eléctricos em centrais eléctricas, uma vez que tem a maior condutividade térmica de qualquer gás. H líquido ₂ é usado em pesquisa criogênica, incluindo a supercondutividade estudos. Porque H ₂ é mais leve que o ar, tendo um pouco mais de ¹ / ₁₅ da densidade do ar, uma vez que foi amplamente utilizado como um gás de elevação em balões e dirigíveis .

Em aplicações mais recentes, o hidrogênio é usado puro ou misturado com nitrogênio (às vezes chamado de gás de formação) como gás marcador para detecção de vazamento minuto. Os aplicativos podem ser encontrados nas indústrias automotiva, química, geração de energia, aeroespacial e de telecomunicações. O hidrogênio é um aditivo alimentar autorizado (E 949), que permite o teste de fugas embalagem de alimentos entre outras propriedades anti-oxidantes.

Isótopos de Hidrogénio mais raras também cada um tem aplicações específicas.deutério (hidrogénio-2) é usado emaplicações de fissão nuclear como ummoderador para retardarneutrões, e em reações de fusão nuclear.compostos de deutério, ter aplicações em química e biologia em estudos de reacçãoefeitos de isótopos.trítio (hidrogénio-3 ), produzidos emreactores nucleares, é usado na produção debombas de hidrogénio, como um rótulo isotópico nas ciências biológicas, e como umafonte de radiação em tintas luminosas.

O temperatura do ponto triplo de equilíbrio de hidrogênio é um ponto fixo de definição sobre aescala ITS-90 temperatura a 13,8033kelvins.

Refrigerante

O hidrogénio é normalmente usado em centrais de energia como um refrigerante em geradores devido a um número de propriedades favoráveis ​​que são um resultado directo das suas moléculas diatómicas luz. Estes incluem baixo de densidade , de baixa viscosidade, e a mais elevada calor específico e condutividade térmica de todos os gases.

Portador de energia

O hidrogénio não é uma fonte de energia, exceto no contexto hipotético de comerciais usinas de fusão nuclear usando deutério ou trítio, uma tecnologia atualmente longe de desenvolvimento. A energia do sol vem de fusão nuclear de hidrogénio, mas este processo é difícil de conseguir controladamente na Terra. Hidrogênio elementar a partir de fontes solares, biológicas ou elétricos requerem mais energia para fazê-lo do que é obtido pela queima-lo, por isso, essas funções casos de hidrogênio como um portador de energia, como uma bateria. O hidrogénio pode ser obtido a partir de fontes fósseis (tais como metano), mas estas fontes são insustentável.

O densidade de energia por unidade de volume de ambos hidrogénio líquido e gás hidrogénio comprimido a uma pressão praticável é significativamente menor do que a de fontes combustíveis tradicionais, embora a densidade de energia por unidade de combustível em massa é maior. No entanto, o hidrogênio elementar tem sido amplamente discutida no contexto da energia, como um possível futuro portador de energia à escala de toda a economia. Por exemplo, CO ₂ sequestro seguido de captura e armazenamento de carbono poderia ser realizada no ponto de H ₂ de produção a partir de combustíveis fósseis. O hidrogênio usado no transporte iria queimar relativamente limpa, com algumas NÃO _x emissões, mas sem emissões de carbono. No entanto, os custos de infraestrutura associados com a conversão completa para uma economia do hidrogénio seria substancial.

Indústria de semicondutores

O hidrogênio é utilizado para saturar quebradas ("pendurados") laços de silício amorfo e carbono amorfo que ajuda a estabilizar as propriedades do material. É também um potencial dador de electrões em vários materiais, incluindo óxido de ZnO, SnO ₂ , CdO, MgO, ZrO ₂ , HfO ₂ , La ₂ O ₃ , Y ₂ S ₃ , TiO ₂ , SrTiO ₃ , LaAlO ₃ , SiO ₂ , Al ₂ ó ₃ , ZrSiO ₄ , HfSiO ₄ , e SrZrO ₃ .

Reacções biológicas

H ₂ é um produto de alguns tipos de metabolismo anaeróbico e é produzida por vários microrganismos, geralmente através de reações catalisadas pelo ferro - ou níquel -contendo enzimas chamadas hydrogenases. Estas enzimas catalisam a reversível reação redox entre H ₂ e seus componentes dois prótons e dois elétrons. Criação de hidrogénio gasoso ocorre na transferência de equivalentes redutores produzidos durante piruvato de fermentação à água.

Separação da água, em que a água é decomposta em sua prótons componentes, elétrons e oxigênio, ocorre nas reações de luz em todos os fotossintéticos organismos. Alguns de tais organismos, incluindo a alga Chlamydomonas reinhardtii e cianobactérias, têm evoluído de um segundo passo nas reacções escuras na qual protões e electrões são reduzidas para formar H ₂ gás por hidrogenases especializados no cloroplasto. Os esforços têm sido realizados para modificar geneticamente hydrogenases cianobactérias para sintetizar de forma eficiente H ₂ gás, mesmo na presença de oxigênio. Esforços também têm sido realizados com geneticamente modificado alga em um biorreator.

Segurança e precauções

Hidrogênio coloca uma série de riscos para a segurança humana, a partir de potenciais explosões e incêndios quando misturado com o ar de ser um asfixiante na sua, pura oxigênio forma -livre. Além disso, o hidrogénio é um líquido criogénio e apresenta riscos (tais como queimaduras) associados com os líquidos muito frios. De hidrogénio dissolve-se em muitos metais, e, além de vazar, pode ter efeitos adversos sobre os mesmos, tais como friabilidade de hidrogénio, conduzindo a rachaduras e explosões. Hidrogênio gás vazando para o ar externo pode inflamar-se espontaneamente. Além disso, o fogo de hidrogénio, sendo extremamente quente, é quase invisível e, assim, podem conduzir a queimaduras acidentais.

Mesmo interpretação dos dados de hidrogênio (incluindo dados de segurança) é confundida por uma série de fenômenos. Muitas propriedades físicas e químicas de hidrogénio depende da razão parahidrog�io / ortohidrog�io (que muitas vezes leva dias ou semanas a uma dada temperatura para alcançar a relação de equilíbrio, para o qual os dados são normalmente dada). Parâmetros de detonação de hidrogénio, tal como a pressão crítica e da temperatura de detonação, dependem fortemente da geometria do recipiente.