O que é hidrogênio e quais suas características?

O hidrogênio é o elemento mais abundante do universo, com menor massa atômica (1 u) e menor número atômico (Z=1) entre todos os elementos conhecidos. Apesar de estar posicionado no primeiro período da família IA (metais alcalinos) da Tabela Periódica, o hidrogênio não faz parte dela, pois apresenta características físicas e químicas únicas que o diferenciam destes outros elementos.

Comumente, ele participa da composição de diversos tipos de substâncias orgânicas e inorgânicas, como o metano e a água. Quando não está combinado com outros elementos, ele é encontrado exclusivamente no estado gasoso, formado por uma molécula contendo dois átomos de hidrogênio, cuja fórmula é H2.

No seu estado natural e sob condições normais, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. É uma molécula com grande capacidade de armazenar energia, e por esse motivo sua utilização como fonte renovável de energia elétrica e térmica vem sendo amplamente pesquisada.

Descoberta do hidrogênio

Em meados do século XVI, Von Hohenheim resolveu colocar alguns metais em reação com ácidos, e acabou obtendo o hidrogênio. Embora testado anteriormente, Henry Cavendish conseguiu separá-lo dos gases inflamáveis e o considerou um elemento químico em 1766.

Não ser um metal e muito menos um ametal compõe a sua peculiaridade na Tabela Periódica. Em 1773, Antoine Lavoisier deu ao componente químico o nome de hidrogênio, que deriva do grego hydro e genes, e significa gerador de água.

Onde o hidrogênio é encontrado na natureza?

O hidrogênio faz parte da composição química de diversas substâncias orgânicas (proteínas, carboidratos, vitaminas e lipídios) e inorgânicas (ácidos, bases, sais e hidretos);
Na atmosfera, está presente no estado gasoso (H2), que se forma através da ligação covalente entre dois átomos de hidrogênio;
Também compõe as moléculas de água (H2O), importante recurso para a vida.

Onde o hidrogênio pode ser encontrado?

Na Terra, este elemento não é encontrado em sua forma mais pura, e sim na forma combinada (hidrocarbonetos e derivados). Por esse motivo, ele deve ser extraído de outras fontes. As principais são:

Características do hidrogênio atômico

Possui três isótopos (átomos de mesmo número atômico e diferentes números de massa), sendo eles o prótio (1H1), deutério (1H2) e o trítio (1H3);
Apresenta apenas um nível eletrônico;
Possui um único próton em seu núcleo;
Possui apenas um elétron em seu nível eletrônico;
O número de nêutrons depende do isótopo – prótio (0 nêutrons), deutério (1 nêutron) e trítio (2 nêutrons);
Possui um dos menores raios atômicos da Tabela Periódica;
Possui maior eletronegatividade que qualquer elemento metálico;
É um átomo capaz de se transformar em um cátion (H+) ou um ânion (H-).
Possui maior potencial de ionização que qualquer elemento metálico.

A estabilidade do átomo de hidrogênio é alcançada quando ele recebe um elétron na camada de valência (a camada mais externa de um átomo). Em ligações iônicas, o elemento interage exclusivamente com um metal, ganhando um elétron dele. Já em ligações covalentes, seu elétron é compartilhado com um ametal ou outro átomo semelhante, formando ligações simples.

Características do hidrogênio molecular (H2)

Em temperatura ambiente, é sempre encontrado no estado gasoso;
É um gás inflamável;
Seu ponto de fusão é de -259,2°C;
Seu ponto de ebulição é de -252,9°C;
Possui massa molar igual a 2 g/mol, sendo o gás mais leve;
Apresenta uma ligação covalente sigma, tipo s-s, entre os dois átomos de hidrogênio envolvidos;
Entre os átomos, existe compartilhamento de dois elétrons;
Possui geometria molecular do tipo linear;
Suas moléculas são apolares;
Suas moléculas interagem por meio de forças dipolo induzido.

O H2 possui grande afinidade química com diversos compostos. Essa propriedade diz respeito à capacidade que uma substância tem de reagir com a outra, pois mesmo se duas ou mais substâncias forem colocadas em contato, mas não houver afinidade entre elas, não ocorrerá a reação. Desse modo, ele participa de reações como hidrogenação, combustão e simples troca.

Como se produz o hidrogênio (H2)?

Método físico

O hidrogênio molecular pode ser obtido a partir do ar atmosférico, já que é um dos gases presentes nessa mistura. Para isso, é necessário submeter a mistura gasosa ao método de liquefação fracionada e, em seguida, à destilação fracionada.

Método químico

O gás hidrogênio também pode ser obtido por meio de reações químicas específicas, como:

Simples troca: reação na qual um metal não nobre (Me) desloca átomos de hidrogênio presentes em um ácido inorgânico (HX), formando um sal qualquer (MeX) e a molécula de hidrogênio (H2):
- Me + HX → MeX + H2
Hidratação do carvão coque (subproduto do carvão mineral): nessa reação o carbono (C) do carvão interage com o oxigênio da água (H2O), formando monóxido de carbono (CO) e H2:
- C + H2O → CO + H2
Eletrólise da água: quando a água é submetida ao processo da eletrólise, ocorre a formação dos gases oxigênio e hidrogênio de baixo carbono:
- H2O(l) → H2(g) + O2(g)

Quais são as aplicações do hidrogênio?

Combustível para foguetes ou carros;
Maçaricos de arco voltaico (utilizam energia elétrica) para cortar metais;
Soldas;
Sínteses orgânicas, mais precisamente em reações de hidrogenação de hidrocarbonetos;
Reações orgânicas que transformam gorduras em óleos vegetais;
Produção de haletos de hidrogênio ou ácidos hidrogenados;
Produção de hidretos metálicos, como o hidreto de sódio (NaH).

Bomba de hidrogênio

A bomba de hidrogênio, bomba H, ou bomba termonuclear é a bomba atômica que tem o maior potencial de destruição. Seu funcionamento decorre de um processo de fusão nuclear, motivo pelo qual também pode ser chamada de bomba de fusão.

A explosão deste tipo de bomba decorre do processo de fusão, o qual acontece sob temperaturas altíssimas, aproximadamente 10 milhões de graus Celsius. Seu processo de produção se inicia com a união dos isótopos do hidrogênio. A junção desses isótopos faz com que o núcleo do átomo gere ainda mais energia, isso porque são formados núcleos de hélio, cuja massa atômica é 4 vezes maior do que a do hidrogênio.

Assim, o núcleo que era leve passa a ser pesado. Por isso, o processo de fusão nuclear é milhares de vezes mais violento do que o de fissão. A força dessa bomba pode chegar à de 10 milhões de toneladas de dinamites, liberando material radioativo e radiação eletromagnética em um nível muito superior ao das bombas atômicas.

O primeiro teste de uma bomba de hidrogênio, em 1952, liberou uma quantidade de energia equivalente a cerca de 10 milhões de toneladas de TNT. Vale ressaltar que esse tipo de reação é a fonte de energia das estrelas como o Sol. Ele é composto de 73% de hidrogênio, 26% de hélio e 1% de outros elementos. Isso é explicado pelo fato de ocorrerem reações de fusão em seu núcleo, em que átomos de hidrogênio se fundem originando átomos de hélio.

Curiosidades sobre o hidrogênio

O H2 é mais leve que o ar e foi utilizado em dirigíveis rígidos pelo conde alemão Ferdinand von Zeppelin, daí o nome dos dirigíveis;
Pode ser sintetizado por algumas bactérias e algas;
É utilizado na produção de combustível de baixo carbono;
O gás metano (CH4) é uma das fontes cada vez mais relevantes, pois sua molécula contém 4 átomos de hidrogênio, o que aumentar a quantidade de produção;
Ele representa 75% da massa do Universo.

Combustível do futuro

O hidrogênio é conhecido como uma das principais fontes de energia do futuro. Ele pode ser usado como combustível em motores ou gerar eletricidade em células a combustível.

Motores a combustão de hidrogênio

Ao passar pelo processo de combustão, o hidrogênio libera apenas água e energia térmica. Por isso ele é considerado uma fonte de energia limpa. No entanto, os motores de combustão tradicionais precisarão de adaptações ao uso de hidrogênio, o que pode ser custoso. Vale destacar que o H2 é altamente inflamável, exigindo cuidados adicionais de segurança no seu manuseio e armazenamento.

Por outro lado, usar hidrogênio pode reduzir muito o impacto ambiental da queima de combustíveis fósseis. Outra vantagem dele está em sua alta taxa de combustão, o que gera mais energia com maior eficiência.

Células a combustível

Uma outra maneira ainda mais promissora para a utilização de H2 é por meio de células a combustível, ou células de hidrogênio.

Esses equipamentos produzem energia elétrica e vapor de água, combinando o oxigênio do ar com o hidrogênio armazenado. Assim, a geração de energia por meio desses dispositivos não resulta na emissão de carbono na atmosfera, tornando esse processo limpo.

A construção de células a combustível ainda é cara, mas está em constante aprimoramento. Conforme o hidrogênio for ficando mais barato e acessível, a aplicação desta tecnologia tende a crescer no mesmo ritmo.

A principal vantagem das células a combustível está na capacidade de armazenar o hidrogênio e facilitar seu transporte pelo consumidor final. Em outras palavras, elas funcionam como uma espécie de “bateria” recarregável, onde ocorre o reabastecimento de hidrogênio para manter a reação eletroquímica que produz eletricidade.

As energias renováveis são conhecidas como intermitentes, ou seja, nem sempre são encontradas em abundância. Por exemplo, em dias nublados, o potencial de produção de energia solar é baixo. São nesses cenários que o hidrogênio armazenado em células de combustível pode servir como solução para que os sistemas energéticos renováveis e sustentáveis continuem funcionando.