Hidrogênio

O hidrogênio é o primeiro elemento químico da Tabela Periódica. Apesar de estar no grupo 1, o hidrogênio é um ametal. De todos os elementos existentes, é o que apresenta uma estrutura atômica mais simples, com apenas um único próton e um único elétron. O hidrogênio é conhecido por ter três isótopos: prótio, deutério e trítio; além disso, é capaz de reagir com boa parte dos elementos nas condições adequadas de temperatura e pressão.

O hidrogênio possui aplicações importantes na indústria química, seja para produção da amônia, seja como agente redutor, assim como tem sido amplamente estudado para substituir combustíveis fósseis na geração de energia, uma vez que sua combustão produz apenas água. O hidrogênio, entretanto, não possui fontes renováveis viáveis de produção, sendo esse um grande desafio. O elemento químico hidrogênio é o mais abundante do universo e é tratado com o primeiro elemento químico a ser produzido após o Big Bang.

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Resumo sobre o hidrogênio

• O hidrogênio, símbolo H, é o primeiro elemento químico da Tabela Periódica, sendo um ametal com apenas um próton e um elétron em sua estrutura.
• Possui, como substância mais estável, o gás hidrogênio, H₂, o qual é inflamável, inodoro, incolor e atóxico, além de ser menos denso que o ar.
• É aplicado na produção da amônia e de outros insumos químicos, além de ser utilizado como agente redutor em diversos processos de interesse.
• O gás hidrogênio é tratado como um potencial substituto aos combustíveis fósseis, uma vez que sua combustão só produz água.
• O hidrogênio, em condições adequadas, é capaz de reagir com boa parte dos elementos da Tabela Periódica.
• É o elemento mais abundante do nosso universo, sendo considerado o primeiro elemento a ser produzido logo após os eventos do Big Bang.

O que é hidrogênio?

O hidrogênio, símbolo H, é um ametal localizado no grupo 1 da Tabela Periódica, sendo o primeiro elemento desta. De todos os elementos existentes, é o que apresenta os átomos com as estruturas mais simples, possuindo um único próton no núcleo.

Fórmula do hidrogênio

O elemento químico hidrogênio é representado pela letra H, contudo é muito comum representá-lo como H₂, em referência a sua substância simples, o gás hidrogênio. Deve-se, inclusive, analisar o contexto, pois muitos textos, ao escreverem “hidrogênio”, não se referem ao elemento, mas sim à substância.

O hidrogênio também apresenta três isótopos: prótio, mais comum, deutério e trítio. Estes são diferenciados pelo seu número de massa, ou por letras específicas, sendo ¹H ou H para o isótopo prótio, ²H ou D para o isótopo deutério, e ³H ou T para o isótopo trítio.

Para que serve o hidrogênio?

As principais aplicações (se não todas) do elemento hidrogênio giram em torno do gás hidrogênio, H₂. O maior uso dessa substância, em termos industriais, é na produção da amônia, NH₃, no chamado processo Haber-Bosch:

N₂ (g) + 3 H₂ (g) ⇌ 2 NH₃ (g)

Também se destaca o seu uso na hidrogenação catalítica de gorduras insaturadas líquidas vegetais, para produção de gorduras saturadas sólidas, tais como a margarina, e na produção de produtos químicos, como o metanol no processo Oxo:

CO + 2 H₂ → CH₃OH

A reação direta de H₂ e Cl₂ é uma fonte majoritária para produção do cloreto de hidrogênio, HCl, usado na preparação de diversos hidretos metálicos.

Sem dúvida alguma, o H₂ é um dos combustíveis mais estudados para se fazer a transição para uma energia livre dos combustíveis fósseis, os quais são finitos e agridem o meio ambiente com suas emissões. A combustão do gás hidrogênio produz exclusivamente água:

2 H₂ (g) + O₂ (g) → 2 H₂O

Com uma quantidade substancial de energia (436 kJ para cada mol de H₂), também se pode empregar o H₂ como combustível em células eletroquímicas. Contudo, o grande desafio da utilização de gás hidrogênio como combustível reside na sua forma de produção. Deve-se lembrar que é um gás escasso na atmosfera terrestre e, portanto, produzi-lo a partir de fontes renováveis é um grande objetivo. Uma saída seria a utilização da energia solar para esse fim.

Características do hidrogênio

Na sua forma pura, o hidrogênio se apresenta como um gás diatômico, incolor e inodoro, de fórmula H₂. Seus parâmetros são especificados a seguir.

• Símbolo: H.
• Número atômico: 1.
• Massa atômica aproximada: entre 1,00784 e 1,00811 u.m.a.
• Temperatura de fusão: −259,1 °C.
• Temperatura de ebulição: −252,76 °C.
• Densidade: 0,08988 g/L (gás); 0,0708 g/mL (líquido, a −253 °C); 0,0706 g/mL (sólido, a −262 °C).
• Configuração eletrônica: 1s¹.
• Posição na Tabela Periódica: Grupo 1, primeiro período (não é um metal alcalino, mas sim um ametal).
• Números de oxidação possíveis: +1 e −1.

O principal isótopo do hidrogênio possui uma estrutura atômica simples: apenas 1 próton e 1 elétron. Contudo, outros dois isótopos de hidrogênio existem: o deutério, com 1 próton, 1 nêutron e 1 elétron, e o trítio, com 1 próton, 2 nêutrons e 1 elétron.

O principal isótopo do hidrogênio é também chamado de prótio, apresentando uma abundância natural de 99,985%. Já o deutério possui uma abundância equivalente a 0,0156%. O trítio é o isótopo natural mais raro, com uma ocorrência inferior a 1 átomo a cada 10¹⁷ átomos desse elemento.

A energia de ionização do hidrogênio é de 1312 kJ/mol, muito elevada em relação aos demais elementos, como os metais alcalinos. A possível retirada desse elétron da estrutura do átomo de hidrogênio deixaria apenas um único próton, com um raio de, aproximadamente, 0,0015 pm (picômetros), o que não seria capaz de existir na fase condensada.

Contudo, percebe-se que a água e outros solventes (como amônia) possuem grande afinidade por H⁺ e, além disso, a energia de solvatação do íon H⁺ em água é significativamente exotérmica, fazendo com que a espécie H₃O⁺ seja bem conhecida e definida. Como é sabido, compostos que fornecem íons H⁺ solvatados em solventes polares, como a própria água, são conhecidos como ácidos protônicos. Por isso, é mais adequado representar a natureza iônica do íon H⁺ em água na forma de H₃O⁺, que é o chamado íon hidroxônio ou hidrônio, embora seja mais comum chamá-lo simplesmente de “íon hidrogênio”.

O átomo de hidrogênio possui afinidade eletrônica, liberando 73 kJ/mol de energia na aquisição de elétrons. Tal processo produz o íon hidreto (H⁻), que possui a mesma configuração eletrônica do gás hélio (He), porém bem menos estável, uma vez que o único próton deve dar conta de dois elétrons.

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Propriedades do hidrogênio

O gás hidrogênio não é muito reativo em condições ambiente, mais por conta da termodinâmica (a ligação H−H é muito forte) do que da cinética. Porém, em temperaturas maiores, o hidrogênio molecular é capaz de reagir com boa parte dos elementos, algumas vezes necessitando de catalisador para tal. A imagem a seguir apresenta algumas das principais reações envolvendo o gás hidrogênio:

Adaptado de: KAKIUCHI, M. Hydrogen: Inorganic Chemistry. In: Encyclopedia of Inorganic Chemistry. 2. ed. Wiley: Nova Jersey, 2005.

Percebe-se o papel redutor do gás hidrogênio na sua reação com óxidos metálicos (M_xO_y) e com os compostos orgânicos.

Entre outras reações envolvendo o gás hidrogênio, podemos citar sua reação com o enxofre, produzindo gás sulfídrico, em uma temperatura de cerca de 250 °C:

H₂ + S → H₂S

O gás hidrogênio também é capaz de reagir com o carbono em altas temperaturas, mediante presença de catalisadores:

C (grafite) + 2 H₂ → CH₄

Onde o hidrogênio é encontrado?

O hidrogênio é o elemento mais abundante do Universo. No Sistema Solar, corresponde a 91% dos átomos existentes. No nosso planeta, é o terceiro elemento mais abundante, ficando atrás apenas do oxigênio e do silício. Contudo, boa parte do hidrogênio presente na Terra está na forma de água (H₂O) ou combinado com carbono em compostos orgânicos.

Já na atmosfera terrestre, o hidrogênio gasoso, H₂, ocorre em uma concentração menor do que 1 ppm em termos de volume (1 mL de gás H₂ para cada 1 m³ de ar atmosférico).

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Como se produz hidrogênio?

A produção de gás hidrogênio pode ocorrer tanto em escala laboratorial quanto industrial.

• Eletrólise da água

Em laboratório, é possível realizar a produção de gás hidrogênio por meio de água acidificada em eletrodos de platina. É um experimento que comprova a composição química da água e, assim, produz hidrogênio em uma pequena escala. Gás hidrogênio com pureza acima dos 99,99% pode ser produzido por esse método.

                        Reação anódica: 4 OH⁻ → 2 H₂O + O₂ + 4 e⁻

                        Reação catódica: 4 H₂O + 4 e⁻ → 2 H₂ + 4 OH⁻

• Reação de metais com água ou ácidos diluídos

Alguns metais são tão eletropositivos, como os metais alcalinos e alcalinoterrosos, que conseguem deslocar o hidrogênio da água ou de ácidos diluídos em temperatura ambiente.

2 Na + 2 H₂O → 2 Na⁺ + 2 OH⁻ + H₂

Ca + 2 H₂O → Ca²⁺ + 2 OH⁻ + H₂

Zn + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H₂

• Reação de água com hidretos metálicos

Também para produção em escala de laboratório, é possível realizar a hidrólise de hidretos metálicos, para produção de gás hidrogênio.

CaH₂ + 2 H₂O → Ca(OH)₂ + 2 H₂

• Reação de silício com soluções de hidróxidos de metais alcalinos

Nesse método, emprega-se hidróxido de sódio concentrado para reagir com silício em pó ou ferrosilício, produzindo gás hidrogênio e uma solução de silicato.

Si + 2 OH⁻ + H₂O → (SiO₃)²⁻ + 2 H₂

• Reação de metais em soluções de hidróxidos de metais alcalinos

Metais de caráter anfótero, como alumínio e zinco, podem ser utilizados para produção de gás hidrogênio mediante reação com solução de hidróxido de sódio, por exemplo.

Al + OH⁻ + H₂O → (AlO₂)⁻ + H₂

Zn + 2 OH⁻ + 2 H₂O → [Zn(OH₄)]²⁻ + H₂

• Decomposição eletrolítica da água

É um processo industrial para produção de gás hidrogênio a partir da decomposição eletrolítica da água, contudo, para tal, a região deve possuir baixo custo de energia elétrica e ter uma grande demanda para os gases hidrogênio e oxigênio.

• Reação de vapor e hidrocarbonetos

A reação catalítica de hidrocarbonetos com vapor pode ser aplicada para produção em larga escala de gás hidrogênio. O craqueamento térmico de hidrocarbonetos é uma etapa importante do refinamento do petróleo e produz uma grande quantidade de H₂. A reação do metano proveniente do gás natural e o vapor, por exemplo, ocorre na faixa dos 1100 °C.

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

• Reação de vapor e coque

Ao se passar vapor de água por coque aquecido a 1000 °C, a seguinte reação ocorre:

C + H₂O → CO + H₂

O monóxido de carbono pode ainda ser convertido em mais gás hidrogênio, por meio da passagem de vapor com auxílio de um catalisador de óxido de cobalto ou de ferro, na temperatura de 400 °C:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Cuidados com hidrogênio

O gás hidrogênio é incolor, inodoro, atóxico e insípido. Contudo, é um gás extremamente inflamável e de fácil ignição. Por conta disso, sua manipulação exige cuidados e medidas próprias de segurança.

Também devemos atentar para ambientes fechados em que hajam vazamentos de gás hidrogênio, uma vez que ele pode levar à queda na concentração de gás oxigênio e, assim, causar asfixia.

Contudo, ao seu favor, temos a baixa densidade, por isso ele se dispersa rapidamente, minimizando riscos de ignição e asfixia.

História do hidrogênio

A história do hidrogênio data do início do nosso Universo. Segundo constam as teorias, cerca de 379 mil anos após a explosão do Big Bang, o plasma quente e denso de prótons, elétrons e fótons começou a resfriar e expandir, assim sendo prótons e elétrons começaram a se juntar para formar os átomos.

“Apenas” quatro milhões de anos depois, as estrelas — como o nosso Sol — evoluíram a partir de nuvens de gás de hidrogênio gravitacionalmente colapsadas, provendo o calor necessário para manter a vida em um outrora abismo cósmico gigante e congelante de meros 2,7 K de temperatura.

Para nós, a terceira etapa importante da participação do hidrogênio foi quando, há cerca de 4,4 bilhões de anos, as temperaturas do planeta Terra ficaram abaixo dos 100 °C, permitindo a condensação dos vapores óxido de di-hidrogênio (a água) sob sua superfície, permitindo o início da vida no novo ecossistema aquoso.

A comprovação do hidrogênio por parte dos humanos veio muito tempo depois. O cientista Van Helmont foi o primeiro a observar que o gás hidrogênio, apesar de combustível em contato com o ar, não era capaz de suportar a reação de combustão por conta própria. Em 1671, Robert Boyle descreveu a formação de bolhas gasosas a partir da reação de enxertos de ferro com ácido, contudo foi Henry Cavendish quem identificou o H₂ — a quem chamou de “ar inflamável” —, como uma substância distinta dos outros gases. Tal gás, segundo Cavendish, quando queimado na presença do “ar deflogisticado” (gás oxigênio) produzia água. Tal descoberta inspirou Antoine Lavoisier a chamar a substância como “hydro-gen”, ou seja, “formador de água”, no ano de 1783.

Em 1800, Nicholson e Carlisle (imediatamente seguidos por Ritter) conseguiram decompor a água em seus componentes elementares por meio da eletrólise, um processo que hoje tentamos alcançar, mas com um custo muito menor de energia, por meio de um processo fotoquímico.

Fontes

HOUSECROFT, C. E.; SHARPE, A. G. Inorganic Chemistry. 2. ed. Pearson Education Limited: Londres, 2005.

HAYNES, W. M. (ed.) CRC Handbook of Chemistry and Physics. 95^a ed. CRC Press: 2014.

GROCHALA, W. First there was hydrogen. Nature Chemistry. v. 7, n. 264, fev. 2015.

KAKIUCHI, M. Hydrogen: Inorganic Chemistry. In: Encyclopedia of Inorganic Chemistry. 2. ed. Wiley: Nova Jersey, 2005.

U. S. DEPARTMENT OF ENERGY. Hydrogen Safety. Disponível em: <https://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/h2_safety_fsheet.pdf>.