hidrogênio - Hydrogen


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Hidrogénio,   1 H
tube.jpg descarga Hidrogénio
brilho púrpura no seu estado de plasma
Propriedades gerais
Aparência gás incolor
Peso atómico Padrão ( A r, padrão ) [ 1,007 841,008 11 ] convencional:  1.008
Hidrogénio na tabela periódica
hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro argão
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio crômio Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo criptônio
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Indium Lata antimônio Telúrio Iodo xênon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio neodímio Promécio Samário európio gadolínio Térbio disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Conduzir Bismuto Polônio Astatine radão
francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio amerício curandeiro Berkelium californium Einsteinium fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium dubnium seaborgium Bohrium hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium fleróvio Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
-

H

Li
- ← hidrogéniohélio
Número atómico ( Z ) 1
Grupo grupo 1
Período período 1
Quadra s-bloco
categoria de elemento   metalóide reactivo
configuração eletrônica 1s 1
Elétrons por shell
1
Propriedades físicas
Fase em  STP gás
Ponto de fusão 13,99  K (-259,16 ° C, -434,49 ° F)
Ponto de ebulição 20,271 K (-252,879 ° C, -423,182 ° F)
Densidade (a PTN) 0,08988 g / L
quando o líquido (no  pf ) 0,07 g / cm 3 (sólido: 0,0763 g / cm 3 )
quando o líquido (em  pb ) 0,07099 g / cm 3
Ponto Triplo 13,8033 K, 7.041 kPa
Ponto crítico 32,938 K, 1,2858 MPa
Calor de fusão (H 2 ) 0,117  kJ / mol
Calor da vaporização (H 2 ) 0,904 kJ / mol
capacidade térmica molar (H 2 ) 28,836 J / (mol · K)
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 (um  anfotérico óxido)
Eletro-negatividade escala Pauling: 2,20
energias de ionização
  • 1: 1312,0 kJ / mol
raio covalente 31 ± 5  pm
Van der Waals raio 120 pm
Linhas de cor em uma faixa espectral
Linhas espectrais de hidrogénio
outras propriedades
Estrutura de cristal hexagonal
estrutura de cristal hexagonal para hidrogénio
Velocidade do som 1.310 m / s (de gás, 27 ° C)
Condutividade térmica 0,1805 W / (mK)
ordenamento magnético diamagnetic
susceptibilidade magnética -3,98 · 10 -6  cm 3 / mol (298 K)
Número CAS 12385-13-6
1333-74-0 (H 2 )
História
Descoberta Henry Cavendish (1766)
nomeado pela Antoine Lavoisier (1783)
Principais isótopos de hidrogénio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) modo de decaimento produtos
1 H 99,98% estável
2 H 0,02% estável
3 H vestígio 12,32 y β - 3 Ele
| referências

Hidrogénio é um elemento químico com símbolo H e número atómico  1. Com um peso atómico padrão de 1,008 , o hidrogénio é o elemento mais leve na tabela periódica . A sua monatomic forma (H) é o mais abundante substância química no universo , constituindo cerca de 75% de todos bariónica massa. Não remanescentes estrelas são compostas principalmente de hidrogénio no estado de plasma . O mais comum de isótopos de hidrogénio, denominado protium (nome raramente usado, o símbolo 1 H), tem um protão e não há neutrões .

O surgimento universal de hidrogênio atômico primeira ocorreu durante a época de recombinação . No temperatura e pressão normal , o hidrogénio é um incolor , inodoro , insípido , não-tóxico, não metálico , altamente inflamável diatómico gás com a fórmula molecular de H 2 . Desde hidrogénio forma prontamente covalentes compostos com a maioria dos elementos não metálicos, a maior parte do hidrogénio na Terra existir em formas moleculares , tais como a água ou os compostos orgânicos . Hidrogénio desempenha um papel particularmente importante em reacções de ácido-base , porque a maioria das reacções ácido-base envolver a troca de protões entre as moléculas solúveis. Em compostos iónicos , hidrogénio pode assumir a forma de uma carga negativa (isto é, anião ) quando ela é conhecida como um hidreto , ou como uma carga positiva (isto é, catião ) espécies denotada pelo símbolo H + . O catião de hidrogénio está escrito como se composto por um protão nu, mas, na realidade, catiões de hidrogénio em compostos iónicos são sempre mais complexo. Como o único átomo de neutro para que a equação de Schrödinger pode ser resolvido analiticamente, estudo da energética e de ligação do átomo de hidrogénio tem desempenhado um papel chave no desenvolvimento da mecânica quântica .

O gás hidrogénio foi primeiro produzido artificialmente no início do século 16 por meio da reacção de ácidos em metais. Em 1766-81, Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer que o gás de hidrogênio era uma substância discreta, e que produz água quando queimado, a propriedade para a qual foi nomeado mais tarde: em grego, hidrogênio significa "ex-água".

A produção industrial é principalmente de reforma a vapor do gás natural, e menos frequentemente a partir de métodos mais intensivos em energia, como a eletrólise da água . A maioria de hidrogênio é usado perto do local de sua produção, os dois maiores usos sendo de combustíveis fósseis de processamento (por exemplo, hidrocraqueamento ) e amônia produção, principalmente para o mercado de fertilizantes. O hidrogénio é uma preocupação em metalurgia , uma vez que pode fragilizar muitos metais, o que complica a concepção de condutas e tanques de armazenamento.

propriedades

Combustão

Um objecto semelhante a taça preto pendurado pela sua parte inferior com brilho azul saindo da sua abertura.
O Motor principal ônibus espacial queimado hidrogênio com o oxigênio, produzindo uma chama quase invisível na potência máxima.
Explosão de uma mistura de hidrogénio-ar.

O gás hidrogénio ( di-hidrogenofosfato ou o hidrogénio molecular, também chamado diprotium quando consistindo especificamente de um par de prótio átomos) é altamente inflamável e vai queimar ao ar a uma gama muito ampla de concentrações de entre 4% e 75% em volume. A entalpia de combustão é -286 kJ / mol:

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

Hidrogénio gasoso forma misturas explosivas com o ar, em concentrações de 4-74% e com cloro a 5-95%. As reacções explosivas podem ser desencadeadas por faísca, calor ou luz solar. O hidrogénio temperatura de auto-ignição , a temperatura de ignição espontânea no ar, é 500 ° C (932 ° F). Pure hidrogénio-oxigénio chamas emitem raios ultravioleta da luz e com mistura de alta oxigénio são praticamente invisíveis a olho nu, como ilustrado pela pluma fraco do motor principal vaivém espacial , em comparação com a pluma altamente visível de um vaivém espacial de combustível sólido de reforço , que utiliza um composto perclorato de amónio . A detecção de uma fuga de hidrogénio queima pode exigir um detector de chama ; tais vazamentos pode ser muito perigoso. Chamas de hidrogénio em outras condições são azuis, assemelhando-se azuis chamas de gás natural.

A destruição do dirigível Hindenburg era um exemplo conhecido de combustão de hidrogénio e a causa ainda é debatido. As chamas laranja visível em que incidente foram o resultado de uma mistura rica em hidrogénio para o oxigénio combinado com compostos de carbono a partir da pele do dirigível.

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

níveis de energia de elétrons

Desenho de uma grande esfera de luz-cinza com um quarto cortado e uma pequena esfera negra e números 1.7x10-5 ilustrando os seus diâmetros relativos.
Descrição de um átomo de hidrogénio, com tamanho de protões central representada, e o diâmetro atómico mostrado como cerca de duas vezes o modelo de Bohr raio (imagem não está à escala)

O estado fundamental nível de energia do electrão em um átomo de hidrogénio é -13,6  eV , que é equivalente a uma ultravioleta do fotão de aproximadamente 91  nm de comprimento de onda.

Os níveis de energia de hidrogénio pode ser calculado com bastante precisão utilizando o modelo de Bohr do átomo, que conceptualizes o electrão como "órbita" o protão em analogia a órbita do dom da Terra No entanto, o elétron atômico e prótons são mantidos juntos por força eletromagnética , enquanto planetas e corpos celestes são mantidos por gravidade . Por causa da discretização do momento angular postulado no início de mecânica quântica de Bohr, o electrão no modelo de Bohr pode ocupar apenas certas distâncias permitida a partir de protões, e, portanto, apenas certas energias permitidas.

Uma descrição mais precisa do átomo de hidrogénio vem de um tratamento puramente mecânica quântica que utiliza a equação de Schrödinger , equação de Dirac , ou mesmo a Feynman caminho formulação integrante para calcular a densidade de probabilidade do electrão em torno do protão. Os tratamentos mais complicados permitir que os pequenos efeitos de relatividade especial e polarização vácuo . No tratamento de mecânica quântica, o electrão em um átomo de hidrogénio estado fundamental não tem qualquer momento angular de todo-ilustrando como o "órbita planetária" difere do movimento de electrões.

formas moleculares elementares

Dois círculos brilhantes no fundo escuro, ambos contêm numerosas linhas pretas finas dentro.
Primeiras faixas observadas em hidrogénio líquido câmara de bolhas no Bevatron

Existem dois diferentes isómeros de spin de hidrogénio moléculas diatómico que diferem pela relativa rotação dos seus núcleos. No ortohidrogio forma, os spins dos dois protões são paralelos e formar um estado de tripleto com um número quântico de spin molecular de um ( 1 / 2 + 1 / 2 ); no parahidrogio formar as rotações são antiparalelas e formar um singleto com um número quântico de spin molecular de 0 ( 1 / 2 - 1 / 2 ). À temperatura e pressão normal, o gás de hidrogénio contém cerca de 25% da forma para e 75% de forma orto, também conhecida como a "forma normal". A proporção de equilíbrio de ortohidrogio para parahidrogio depende da temperatura, mas, porque a forma orto é um estado animado 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 de forma par. As propriedades térmicas de fase líquida e gasosa de parahidrogio puro diferem significativamente dos da forma normal devido a diferenças na capacidade de calor de rotação, tal como discutido mais completamente em isómeros de spin de hidrogénio . O orto / para distinção também ocorre em outras moléculas que contêm hidrogénio ou grupos funcionais, tais como água e metileno , mas é de pouco significado para as suas propriedades térmicas.

A interconversão não catalisada entre para e orto H 2 aumenta com o aumento da temperatura; assim rapidamente condensado H 2 contém grandes quantidades da forma orto de alta energia que converte para a forma para muito lentamente. O rácio de orto / para em H condensado 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 uma perda de material liquefeito. Catalisadores para o orto-para interconversão, tais como óxido de ferro , carbono activado , amianto platinizado, metais de terras raras, os compostos de urânio, óxido crómico , ou alguns compostos de níquel, são utilizados durante o arrefecimento de hidrogénio.

fases

compostos

Covalente e compostos orgânicos

Enquanto H 2 não é muito reactiva sob condições padrão, ele faz formam compostos com a maioria dos elementos. Hidrogénio podem 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 em uma forma de meio-resistência de ligação não covalente com o hidrogénio de outras moléculas semelhantes, um fenómeno chamado de ligação de hidrogénio que é crítica para a estabilidade de muitas moléculas biológicas. Hidrogénio também forma compostos com menos elementos electronegativos, tais como metais e metalóides , em que a assumir uma carga negativa parcial. Estes compostos são conhecidos como hidretos .

Formas de hidrogénio de uma vasta gama de compostos com carbono chamado os hidrocarbonetos , e uma matriz ainda mais vasta com heteroátomos que, devido à sua associação com geral seres vivos, são chamados 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" são apenas necessários para conter carbono. No entanto, a maior parte deles contêm também hidrogénio, e porque é a ligação carbono-hidrogénio que dá a esta classe de compostos a maioria das suas características químicas particulares, ligações carbono-hidrogénio são necessárias em algumas definições da palavra "orgânica" 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 hidrogénio são muitas vezes chamados hidretos , um termo que é usado relativamente frouxamente. O termo "hidreto" sugere que o átomo de H adquiriu um carácter aniónico ou negativo, denotado H - , e é utilizado quando hidrogio forma um composto com um mais electropositivo elemento. A existência do anião hidreto , sugerido por Gilbert N. Lewis , em 1916, para o Grupo 1 e 2 hidretos de tipo sal, foi demonstrada por Moers em 1920 pela electrólise de fundido hidreto de lítio (LiH), produzindo uma estequiometria quantidade de hidrogénio na posição ânodo. Por outras do que o grupo 1 e 2 hidretos de metais, o termo é bastante enganosa, considerando a baixa electronegatividade de hidrogénio. Uma excepção do grupo 2 é hidretos BeH
2
, que é polimérica. Emhidreto de alumínio e lítio, oAlH -
4
anião transporta centros hidretos firmemente ligados ao Al (III).

Apesar de hidretos podem ser formados com quase todos os elementos do grupo principal, o número e combinação de possíveis compostos varia amplamente; por exemplo, mais do que 100 hidretos de borano binários são 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 de ponte ligantes que ligam dois centros metálicos em um complexo de coordenação . Esta função é particularmente comum no grupo de 13 elementos , especialmente em boranos ( boro hidretos) e de alumínio complexos, bem como em cluster carboranos .

Protões e ácidos

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

Um protão nua, H +
, Não podem existir em solução ou em 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 das nuvens de electrões de átomos e moléculas, e a permanecerem ligadas a eles. No entanto, o termo 'protão' é por vezes usado livremente e metaforicamente para se referir a carregado positivamente ou catiónico de hidrogénio ligado a outras espécies esta forma, e como tal é indicado " H +
"Sem qualquer sugestão de que quaisquer protões individuais existem livremente como uma 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 " hidrónio ião" ( H
3
O +
). No entanto, mesmo neste caso, tais catiões hidrogénio solvatadas são mais realisticamente concebido como sendo organizados em aglomerados que se formam espécies mais perto H
9
O +
4
. Outros iões oxónio são encontrados quando a água está em solução ácida 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.

hidrogênio atômico

NASA investigou o uso de hidrogénio atómico como um propulsor do foguete . Pode ser armazenado em hélio líquido para evitar a sua recombinação em hidrogénio molecular. Quando o hélio é vaporizado, o hidrogénio atómico que ser libertado e volta para combinar hidrogénio molecular. O resultado seria um fluxo extremamente quente de hidrogénio e gás de hélio. O peso de decolagem foguetes poderia ser reduzida em 50% por este método.

Mais interestelar hidrogénio está na forma de hidrogénio atómico porque os átomos podem colidir e raramente combinam. Eles são a fonte do importante 21 centímetros linha de hidrogénio em astronomia a 1420 MHz.

isótopos

descarga de hidrogénio (espectro) tubo
descarga de deutério (espectro) tubo
Desenho esquemático de um átomo positivo no centro orbitados por uma partícula negativo.
Protium, o mais comum de isótopos de hidrogénio, tem um protão e um electrão. Único entre todos os isótopos estáveis, não tem nêutrons (ver diproton para uma discussão sobre por que não existem outros).

Hidrogénio tem três isótopos naturais, denotado 1
H
, 2
H
e 3
H
. Outros, núcleos altamente instáveis ( 4
H
para 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 deste isótopo consiste em apenas um único próton, é dado o nome descritivo, mas raramente usado formais protium .
  • 2
    H
    , o outro isótopo estável de hidrogénio, é conhecido como deutério e contém um protão e um neutrão no núcleo. Todos deutério no universo é pensado para ter sido produzido no momento do Big Bang , e tem sofrido desde aquela época. Deutério não é radioactivo e não representa um perigo de toxicidade significativa. A água enriquecida em moléculas que incluem deutério em vez de hidrogénio normal é chamado de água pesada . Deutério e os seus compostos são utilizados como um marcador não radioactivo em experiências químicas e em solventes para uma
    H
    - espectroscopia de RMN . A água pesada é utilizada como um moderador de neutrões e refrigerante para reatores nucleares. O deutério é também um combustível potencial para uso comercial fusão nuclear .
  • 3
    H
    é conhecida como trítio e contém um protão e dois neutrões no seu núcleo. É radioactivos, decaindo em hélio-3 através de decaimento beta com uma meia-vida de 12,32 anos. É tão radioativo que pode ser usado na pintura luminosa , tornando-o útil para coisas como relógios. O vidro impede a pequena quantidade de radiação de sair. Pequenas quantidades de trítio são produzidos naturalmente pela 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 um traçador no Geochemistry isótopo , e em especializada de iluminação de auto-alimentado dispositivos. Trítio também tem sido utilizado em experiências de marcação químicos e biológicos como um marcador radioactivo .

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 dadas 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 utilizados para deutério e trítio, mas o símbolo correspondente para protium, P, já está em uso para fósforo e, portanto, não está disponível para protium. Nas suas nomenclatura orientações, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) permite que qualquer de D, T, 2
H
, e três
H
para ser usado, embora dois
H
e 3
H
são os preferidos.

O átomo exótico muónio (símbolo Mu), composto por um antimuão e um electrão , é também por vezes considerado como um radioisótopo luz de hidrogénio, devido à diferença de massa entre a antimuão e o electrão. Muónio foi descoberto em 1960. Durante o do múon 2,2  mS vida, muónio pode entrar em compostos, tais como cloreto de muónio (MUCL) ou muonide de sódio (namu), análogo ao cloreto de hidrogénio e o hidreto de sódio , respectivamente.

História

Descoberta e uso

Em 1671, Robert Boyle descoberto e descrito a reacção entre o ferro limalha e diluir ácidos , o que resulta na produção de gás de hidrogénio. Em 1766, Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer gás hidrogénio como uma matéria discreta, por nomear o gás a partir de uma reacção de metal-ido "ar inflamável". Ele especulou que "ar inflamável" era, na verdade idêntica à substância hipotética chamada " flogisto " e mais descoberta em 1781 que o gás produz água quando queimado. Ele geralmente é dado o crédito pela descoberta do hidrogênio como um elemento. Em 1783, Antoine Lavoisier deu o elemento hidrogênio nome (do grego ὑδρο- hidro significa "água" e -γενής genes que significa "criador") quando ele e Laplace reproduzida descoberta de Cavendish que a água é produzida quando o hidrogênio é queimado.

Antoine-Laurent de Lavoisier

Lavoisier produzido hidrogénio pelas suas experiências sobre a conservação de massa por reaco de um fluxo de vapor metálico com ferro através de um tubo de ferro incandescente aquecida num incêndio. Oxidação anaeróbica de ferro por os protões de água a alta temperatura pode ser esquematicamente representada pelo conjunto de reacções seguintes:

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

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

Hidrogénio foi liquefeito pela primeira vez por James Dewar em 1898, utilizando arrefecimento regenerativa e a sua invenção, a garrafa 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 hidrogénio normal, foi descoberto pelo grupo de Urey em 1932. François Isaac de Rivaz construído o primeiro motor de Rivaz , um motor de combustão interna alimentado por uma mistura de hidrogénio e oxigénio em 1806. Edward Daniel Clarke inventado o maçarico de gás hidrogénio em 1819. a lâmpada de döbereiner e centro das atenções foram inventadas em 1823.

O primeiro cheio de hidrogénio balão foi inventado por Jacques Charles em 1783. O hidrogénio desde que o elevador para a primeira forma fiável de ar-curso seguinte da invenção 1852 do primeiro dirigível levantou-hidrogénio por Henri Giffard . Conde alemão Ferdinand von Zeppelin promoveu a ideia 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 35.000 passageiros sem um incidente grave. Dirigíveis levantou-hidrogênio foram usados como plataformas de observação e bombardeiros durante a guerra.

O primeiro non-stop travessia transatlântica foi feita pelo dirigível britânico R34 em 1919. serviço regular de passageiros retomado em 1920 e a descoberta de hélio reservas nos Estados Unidos prometeram aumentar a segurança, mas o governo dos EUA se recusou a vender o gás para esta finalidade . Portanto, H 2 foi usado no Hindenburg dirigível, que foi destruída em um incêndio ar sobre 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 assumida 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 levantamento já foi feito e as viagens dirigível hidrogênio comercial cessou . Hidrogénio ainda é usado, de preferência a hélio não inflamável, mas mais caros, como um gás de elevação para balões de tempo .

No mesmo ano, o primeiro turbogerador resfriado a hidrogênio entrou em serviço com hidrogênio gasoso como um refrigerante no rotor eo estator em 1937 em Dayton , Ohio, pela Dayton Power & Light Co .; por causa da condutividade térmica do gás de hidrogénio, este é o tipo mais comum em seu campo de hoje.

A bateria de níquel hidrogênio foi usado pela primeira vez em 1977 a bordo de tecnologia de Navegação da Marinha os EUA por satélite-2 (NTS-2). Por exemplo, o ISS , Mars Odyssey e o MGS 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 substituídos em maio de 2009, mais de 19 anos após o lançamento e 13 anos além de sua vida útil.

Papel na teoria quântica

Um espectro de linhas que mostra o fundo preto com linhas estreitas sobrepostas em que: uma violeta, um azul, um ciano, e um vermelho.
Linhas de espectro de emissão de hidrogénio na gama visível. Estas são as quatro linhas visíveis da série Balmer

Devido à sua estrutura atómica simples, consistindo apenas de um protão e um electrão, 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, o estudo da simplicidade correspondente da molécula de hidrogénio e o cati correspondente H +
2
apresentado a compreensão da natureza da ligação química , o qual seguido pouco depois do tratamento mecânico quântico do átomo de hidrogénio ter sido desenvolvido em meados da década de 1920.

Um dos primeiros efeitos quânticos para ser notado explicitamente (mas não compreendido na época) foi uma observação Maxwell envolvendo hidrogênio, meio século antes completo a teoria da mecânica quântica chegou. Maxwell observado que a capacidade de calor específica de H 2 inexplicavelmente sai da de um diatómico gás abaixo da temperatura ambiente e começa a assemelhar-se cada vez mais que de um gás monatomic a temperaturas criogénicas. De acordo com a teoria quântica, este comportamento surge a partir do espaçamento dos níveis de energia de rotação (quantificados), que 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 compostas de átomos mais pesados não têm tais níveis amplamente espaçados e não exibem o mesmo efeito.

anti-hidrogênio (
H
) É o anti-matéria homólogo de hidrogénio. É constituída por uma antiproton com um positrões . Antihydrogen é o único tipo de átomo de antimatéria ter sido produzido a partir de 2015.

ocorrência natural

Hidrogio, como H atómica, é o mais abundante elemento químico no universo, tornando-se 75% de matéria normal por massa e mais do que 90% em número de átomos. (A maioria da massa do universo, no entanto, não está na forma de produto químico-elemento tipo da matéria, mas sim é postulada para ocorrer formas como ainda por não detectados de massa, tais como a 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 a formação de estrela . Hidrogénio desempenha um papel vital na alimentação de estrelas através da reacção do protão-protão e o ciclo CNO de fusão nuclear .

Durante todo o universo, hidrogénio é encontrada principalmente nos atómicas e plasma estados, com propriedades completamente diferentes dos de hidrogénio molecular. Como um plasma, electrões e protões de hidrogénio não estão ligadas entre si, o que resulta em muito alta condutividade eléctrica e alta emissividade (produzindo a luz do sol e de outras estrelas). As partículas carregadas são altamente influenciadas pelos campos magnéticos e eléctricos. Por exemplo, no vento solar interagem com o da Terra magnetosfera dando origem a correntes de Birkeland ea aurora . O hidrogênio é encontrado no estado atômico neutro no meio interestelar . A grande quantidade de hidrogénio neutro encontrados nos sistemas de Lyman-alfa amortecidas é pensado para dominar a densidade bariónica cosmológico do universo até redshift z = 4.

Sob condições ordinárias na Terra, hidrogénio elementar existe como o gás diatómico, H 2 . No entanto, o gás hidrogénio é muito raro na atmosfera da Terra (1 ppm por volume), por causa do seu baixo peso, o que lhe permite fugir a gravidade da Terra mais facilmente 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 de importância crescente.

Uma forma molecular chamado hidrogénio molecular protonado ( H +
3
) encontra-se no meio interestelar, onde é gerado pela ionização de hidrogénio molecular de 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 triatômica hidrogénio H 3 só pode existir numa forma animado e é instável. Por outro lado, o positivo ião molecular de hidrogénio ( H +
2
) é uma molécula rara no universo.

Produção

H
2
é produzido em laboratório de química e biologia, muitas vezes como um subproduto de outras reacções; na indústria para ahidrogenaçãodeinsaturadossubstratos; e na natureza como um meio de expulsão, reduzindoequivalentes em reacções bioquímicas.

Electrólise de água

A electrólise da água é um método simples de produção de hidrogénio. Uma corrente de baixa tensão é administrado através da água, e as formas de oxigénio gasoso no 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 é para ser queimado no local, o oxigénio é desejável para ajudar a combustão, e por isso os dois eléctrodos poderia ser feita a partir de metais inertes. (O ferro, por exemplo, se 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 88-94%.

2 H
2
O
(l) → 2H
2
(g) +O
2
(g)

Quando se determina a eficiência eléctrica da PEM (membrana de troca de protões) de electrólise, é utilizado o valor térmico mais elevado (HHV). Isto é porque a camada de catalisador interage com a água como vapor. À medida que o processo opera a 80 ° C durante PEM electrolisadores o calor residual pode ser reencaminhado através do sistema para criar o vapor, o que resulta em uma maior eficiência eléctrica global. O valor de calor inferior (PCI) deve ser utilizado para electrolisadores alcalinos como o processo dentro destes electrolisadores exige água em forma líquida e utiliza alcalinidade para facilitar a quebra da ligação segurando os átomos de hidrogénio e de oxigénio em conjunto. O valor menor de calor também tem de ser utilizado para as células de combustível, na forma de vapor, é a produção, em vez de entrada.

Reforma a vapor

O hidrogénio é muitas vezes produzido usando gás natural, o que envolve a remoção de hidrogénio de hidrocarbonetos a temperaturas muito elevadas, com cerca de 95% da produção de hidrogénio proveniente de vapor de reformação por volta do ano 2000. hidrogénio em volume comercial é normalmente produzido pela reformação por vapor de gás natural . A temperaturas elevadas (1000-1400 K, 700-1.100 ° C ou 1300-2000 ° F), o vapor (vapor de água) reage com o metano para originar monóxido de carbono e H
2
.

CH
4
+H
2
O
→ CO + 3H
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 por causa de alta pressão H
2
é o mais negociáveis produto eadsorção de pressão oscilantesistemas de purificação (PSA) funcionam melhor a pressões mais elevadas. A mistura de produto é conhecido como "gás de síntese", porque é muitas vezes usado directamente para a produção demetanole compostos relacionados. Hidrocarbonetosoutros do que o metano podem ser usadas para produzir gás de síntese com rácios de produtos variados. Uma das muitas complicações para esta tecnologia altamente otimizado é a formação de coque ou carvão:

CH
4
→ C + 2H
2

Consequentemente, reformação de vapor tipicamente emprega um excesso de H
2
S
. De hidrogénio adicional pode ser recuperado a partir do vapor pela utilização de monóxido de carbono por meio dareacção de deslocamento de gás de água, especialmente com umóxido de ferrocatalisador. Esta reacção é também uma fonte industrial comum dedióxido de carbono:

CO + H
2
O
CO
2
+H
2

Outros métodos importantes para H
2
de produção inclui a oxidação parcial de hidrocarbonetos:

2 CH
4
+ó
2
→ 2 CO + 4H
2

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

C + H
2
O
→ CO +H
2

O hidrogénio é, por vezes, produzida e consumida no mesmo processo industrial, sem serem separados. No processo de Haber para a produção de amoníaco , o hidrogénio é gerado a partir de gás natural. Electrólise de salmoura para se obter cloro também produz hidrogénio como um co-produto.

Metal-ácido

No laboratório , H
2
é geralmente preparado pela reacção de diluídasácidos não oxidantesem alguns metais reactivos, tais comozinco, comaparelhos de Kipp.

Zn + 2 H +
Zn 2+
+ H
2

Alumínio também pode produzir H
2
, após tratamento com bases:

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

Uma liga de alumínio e gálio em forma de pastilha adicionada a água pode ser usada para gerar hidrogénio. O processo também produz alumina , mas o gálio caro, o que impede a formação de uma película de óxido sobre as pelotas, pode ser re-utilizado. Isto tem importantes implicações potenciais para a economia do hidrogênio, como o hidrogênio pode ser produzido no local e não precisa ser transportado.

termoquímica

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

corrosão anaeróbio

Sob condições anaeróbicas, de ferro e ligas de aço são lentamente oxidados pelos protões da água concomitantemente reduzidas em hidrogénio molecular ( H
2
). Acorrosão anaeróbiode ferro conduz em primeiro lugar à formação dehidróxido ferroso(ferrugem verde) e pode ser descrita pela reacção seguinte:

Fe + 2 H
2
O →Fe (OH)
2
+H
2

Por sua vez, sob condições anaeróbicas, o hidrido ferroso ( Fe (OH)
2
) pode ser oxidado por os protões de água para formarde magnetitee de hidrogénio molecular. Este processo é descrito pelareacção Schikorr:

3 Fe (OH)
2
Fe
3
ó
4
+ 2H
2
O +H
2
hidróxido ferroso → magnetite + água + hidrogio

A magnetite bem cristalizado ( Fe
3
ó
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 oxigénio das águas subterrâneas e na redução solos abaixo do lençol freático .

ocorrência geológica: a reacção serpentinização

Na ausência de oxigénio atmosférico ( ó
2
), em condições geológicas profundas prevalecentes longe da atmosfera da Terra, o hidrogénio (H
2
) é produzido durante o processo deserpentinizaçãopela oxidação anaeróbica por protões da água (H+) do ferrosos (Fe2+) silicato presente na rede cristalina defaialite(Fe
2
SiO
4
, aolivinaferro-endmember). A reacção correspondente, conduzindo à formação demagnetite(Fe
3
ó
4
),quartzo(Sió
2
) e de hidrogénio (H
2
) é a seguinte:

3 Fe
2
SiO
4
+ 2H
2
O → 2Fe
3
ó
4
+ 3 Sió
2
+ 3H
2
faialite + água → magnetite + quartzo + hidrogio

Esta reacção se assemelha de perto a reacção Schikorr observado na oxidação anaeróbica de hidróxido ferroso em contacto com a água. a

Formação em transformadores

A partir de todos os gases de falha formadas no poder transformadores , o hidrogénio é o mais comum e é gerada sob a maioria das condições de falha; Assim, a formação de hidrogénio é uma indicação precoce de problemas graves 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 deH
2
é para o processamento ( "upgrade") de combustíveis fósseis, e na produção deamônia. Os consumidores chave deH
2
na instalação petroquímica incluemhidrodesalquila�o,hidrodessulfurizaçãoehidrocraqueamento. H
2
tem vários outros usos importantes. H
2
é utilizado como um agente de hidrogenação, particularmente no aumento do nível de saturação de gorduras insaturadas eóleos(encontrados em artigos tais como margarina), e na produção demetanol. É semelhante a fonte de hidrogénio na produção deácido clorídrico. H
2
também é usado como umagente redutorde metalminérios.

O hidrogénio é altamente solúvel em muitas das terras raras e metais de transição e é solúvel tanto em nanocristalino e metais amorfos . Hidrogénio solubilidade em metais é influenciada por distorções locais ou impurezas na estrutura de cristal . Estas propriedades podem ser úteis quando o hidrogénio é purificado por passagem através de quentes paládio discos, mas alta solubilidade do gás é um problema metalúrgico, contribuindo para a fragilização de muitos metais, o que complica a concepção de condutas e tanques de armazenamento.

Para além da sua utilização como um reagente, H
2
tem amplas aplicações em física e engenharia. Ele é utilizado como umgás de protecçãonasoldaduramétodos, tais comoa soldadura de hidrogénio atómico. H2é utilizada como o líquido de arrefecimento do rotor emgeradores eléctricosemcentrais eléctricas, uma vez que tem a maiorcondutividade térmicade qualquer gás. Líquido H2é utilizado emcriogénicoinvestigação, incluindo asupercondutividadeestudos. porqueH
2
é mais leve do que o ar, que tem um pouco mais do que 1 / 14 da densidade do ar, uma vez que foi amplamente utilizado como umgás de elevaçãoem balões edirigíveis.

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

Isótopos mais raros do hidrogênio também cada um tem aplicações específicas. Deutério (hidrogénio-2) é usado em aplicações de fissão nuclear como um moderador para retardar neutrões , e em fusão nuclear reacções. Compostos de deutério, ter aplicações em química e biologia em estudos de reacção efeitos de isótopos . Trítio (hidrogénio-3), produzido em reactores nucleares , é usado na produção de bombas de hidrogénio , como um rótulo isotópico nas Biosciences, e como uma radiação de fonte em tintas luminosas.

O ponto triplo temperatura de equilíbrio de hidrogénio é um ponto fixo que define no ITS-90 escala de temperatura em 13,8033  Kelvin .

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 o mais elevado 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 de fusão nuclear usinas usando deutério ou trítio , uma tecnologia atualmente longe de desenvolvimento. A energia do sol vem de fusão nuclear do hidrogênio, mas este processo é difícil de alcançar controlavelmente na Terra. Hidrogênio elementar a partir de fontes solares, biológicas ou elétricos requer mais energia para fazer do que é obtido pela queima-lo, então nessas funções casos hidrogénio como vector de energia, como uma bateria. Hidrogénio pode ser obtido a partir de fontes fósseis (tais como metano), mas estas fontes são insustentável.

A densidade de energia por unidade de volume de ambos hidrogénio líquido e hidrogénio comprimido de gás, 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, hidrogénio elementar tem sido amplamente discutido no contexto de energia, como um possível futuro transportador da energia, numa escala de toda a economia. Por exemplo, CO
2
sequestroseguido porcaptura e armazenamento de carbonopoderia ser realizada no ponto deH
2
de produção de combustíveis fósseis. Hidrogênio usado no transporte iria queimar relativamente limpa, com algumasNO x emissões, mas sem emissões de carbono. No entanto, os custos de infraestrutura associados com a conversão total a uma economia de hidrogênio seria substancial. As células de combustívelque podem ser transformadas de hidrogénio e de oxigénio directamente em electricidade de forma mais eficiente do que os motores de combustão interna.

Indústria de semicondutores

O hidrogénio é empregue para saturar ( "pendente") ligações quebradas de silício amorfo e carbono amorfo que ajuda a estabilização das propriedades materiais. É também um potencial dador de electrões em vários materiais de óxidos, incluindo ZnO , SnO 2 , CdO , MgO , ZrO 2 , HfO 2 , La 2 O 3 , Y 2 O 3 , TiO 2 , SrTiO 3 , LaAlO 3 , SiO 2 , al 2 O 3 , ZrSiO 4 , HfSiO 4 , e SrZrO 3 .

reações biológicas

H 2 é um produto de alguns tipos de metabolismo anaeróbico e é produzida por vários microrganismos , geralmente através de reacções catalisadas por ferro - ou níquel contendo enzimas denominadas hidrogenases . Estas enzimas catalisam a reversível redox reacção entre H 2 e o seu componente de dois protões e dois electrões. Criação de hidrogénio gasoso ocorre na transferência de equivalentes redutores produzidos durante piruvato de fermentação para a água. O ciclo natural de produção e consumo de hidrogénio por organismos é chamado o ciclo de hidrogénio .

Separação da água , em que a água é decomposto em seu componente protões, electrões, e oxigénio, ocorre nas reacções 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 empreendidas para modificar geneticamente hidrogenases cianobactérias para sintetizar eficientemente H 2 gás, mesmo na presença de oxigénio. Os esforços têm também sido realizadas com geneticamente modificado alga num biorreactor .

Segurança e precauções

hidrogênio
Riscos
pictogramas GHS O pictograma chama no sistema harmonizado de Classificação e Rotulagem de Produtos Químicos (GHS)
palavra sinal de GHS perigo
H220
P202 , P210 , P271 , P403 , P377 , P381
NFPA 704
Flammability code 4: Will rapidly or completely vaporize at normal atmospheric pressure and temperature, or is readily dispersed in air and will burn readily. Flash point below 23 °C (73 °F). E.g., propane Health code 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g., sodium chloride Reactivity code 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g., liquid nitrogen Special hazards (white): no codeNFPA 704 diamante de quatro cores
4
0
0

Hidrogénio coloca um certo número de riscos para a segurança humana, a partir de potenciais explosões e incêndios, quando misturados com o ar a ser um asphyxiant na sua puro, oxigénio forma -livre. Além disso, o hidrogénio líquido é um fluido criogénico 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 a friabilidade de hidrogénio , conduzindo a rachaduras e explosões. Fuga de gás hidrogénio em ar externo pode inflamar espontaneamente. Além disso, o fogo de hidrogénio, sendo extremamente quente, é quase invisível e, assim, podem conduzir a queimaduras acidentais.

Mesmo interpretar os dados de hidrogénio (incluindo dados de segurança) é confundida por uma série de fenómenos. Muitas propriedades físicas e químicas de hidrogénio dependem do parahidrogio / ortohidrogio proporção (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.

Notas

  1. ^ No entanto, a maior parte da massa do universo não está na forma de bariones ou elementos químicos. Veja a matéria escura e energia escura .
  2. ^ 286 kJ / mol: a energia por mole do material combustível (hidrogénio molecular)

Referências

Outras leituras

links externos

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