Gás Hidrogênio

Gás Hidrogênio – O que é

Hidrogênio é um gás incolor inflamável que é o elemento mais leve e mais abundante no universo.

Ela ocorre principalmente em água e na maior parte dos compostos orgânicos e é usado na produção de amoníaco e de outros produtos químicos, na hidrogenação de gorduras e óleos, e na soldagem.

O Gás Hidrogênio (H2) é explorado para uso em motores a combustão e em células de combustível. É um gás nas condições normais de temperatura e pressão, O que apresenta dificuldades de transporte e armazenagem.

Sistemas de armazenamento inclui hidrogênio comprimido, hidrogênio líquido, e ligação química com algum material.

Embora não exista sistemas de distribuição e transporte de hidrogênio,a habilidade de criar o combustível de uma variedade de fontes e suas características limpas fazem do hidrogênio uma fonte desejável de energia alternativa.

Propriedades químicas: O combustível mais simples e mais leve é o Gás hidrogênio.

Ele é gasoso a temperatura ambiente e pressão atmosférica.

O combustível em si não é hidrogênio puro. Ele tem pequenas quantidades de oxigênio e de outros materiais.

Como é feito o Hidrogênio?

Dois métodos são geralmente usados para produzir hidrogênio:

1) eletrólise e
2) síntese ou ixidação parcial.

Eletrólise usa energia elétrica para dividir a molécula da água em hidrogênio e oxigênio. Provavelmente será a forma predominante de produzir hidrogênio.

O método predominante para produzir a síntese do gás e a reforma de vapor do gás natural, embora outros hidrocarbonetos possam ser usados. Pro exemplo, biomassa e carvão podem ser usados para criar hidrogênio.

O mercado do Hidrogênio

Um sistema de distribuição para o hidrogênio não existe. Embora transporte usando gasodutos seja a maneira mais econômica de transportar combustíveis gasosos, um sistema de tubulação não é usado atualmente para o hidrogênio. O Trasnporte de hidrogênio é tipicamente feito em tambores e caminhões tanque.

Usos do Hidrogênio

A NASA usas o Hidrogênio a anos no seu programa espacial. O Hidrogênio é o combustível principal dos foquetes que levam o ônibus espacial até a órbita.

Baterias de hidrgênio, também chamadas de células de combustível alimentam o sistema elétrico da espaçonave. O unico produto dessa bateria é agua pura, que é aproveitada pela tripulação como bebida.

Células de combustível a hidrogênio geram eletricidade. São muito eficientes mas caras de se vazer. Algum dia pequenas células alimentaram carros elétricos, enquanto células maiores gerarão eletricidade em locais isolados.

Devido ao custo, usinas elétricas de hidrogênio não são viáveis.

Mas o hidrogênio poderá em breve ser adicionado a outros combustíveis para reduzir a poluição de plantas existentes.Será também adicionado a gasolina para aumentar a performance e reduzir a poluição.

Adicionando em torno de 5% de Hidrogênio a gasolina, pode-se reduzir a emissão de gases em até 30 a 40%.

Um motor que queima só hidrogênio, não produz poluição. Mas a falta de tecnologias baratas atrasarão o dia em que você vai andar num carro desse por uns 20 anos.

Hidrogênio é o melhor combustível para jatos foquetes. Sua energia é alta, portanto precisa-se de menos Hidrogênio, ficando mais leve e podendo levar mais carga útil. Se o Preço do Hidrogênio continuar a cair, logo aviões de carreira estarão usando esse combustível

Vantagens do Hidrogênio

Fonte: O Hidrogênio é muito abundante, principalmente na forma de água, Pode ser separado com uma eficiência de 67%.
Combustão limpa: Quando da queima do hidrogênio ele se recombina com o oxigênio, gerando água e muita energia. Pequenas quantidade de óxido de nitrogênio é produzido, mas comparado com outros combustíveis, é muito pouco.
Grande poder energético: A densidade energática do hidrogênio é de 38 kWh/Kg. A gasolina que é considerada muito energética só gera 14 kWh/kg, é desejavel maior densidade por que facilita o armazenamento e transporte.
Armazenamento econômico: Quando não há demanda de energia costuma-se bombear o água para lugares mais altos de forma a utilizá-la quando necessário. Usando o Hidrogênio, podemos armazená-lo líquido(20 K). A densidade energética é muito maior na forma líquida, e é muito mais fácil de resfria e manter o Hidrogênio a essa temperatura do que bombear água.
Transporte: As linhas de gás natural podem ser usadas para o transporte de gás hidrogênio. Para a mesma necessidade de energia precisa-se de três vezes menos Hidrogênio, que pode ser bombeado até três vezes mais rápido. Os tubos podem ser mais eficientes e baratos do que enviar energia elétrica a grandes distâncias.
Energias renováveis: Grande parte das energias renováveis dependem do clima para funcioanar bem, o Hidrogênio poderia ser gerado nessas usinas elétricas quando houvesse boas condições de tempo então, e usado somente quando fosse fosse preciso.

Gás Hidrogênio – Propriedades

O gás hidrogênio já era conhecido por Paracelso, que o produzia fazendo ácido sulfúrico escorrer por sobre ferro. Ele escreveu “um ar aparece e se expande rápido como o vento”; Priestley o chamava de “ar inflamável”, mas é geralmente creditado a Mr. Henry Cavendish a descoberta da natureza elementar do gás, em 1766.

Mr. Cavendish era um cientista fantástico (pesquisava eletrecidade, astronomia, meteorologia, química e física, sendo muito versado em matemática, mineiração, metalurgia e geologia), mas tão tímido que os únicos contatos sociais que fazia eram as reuniões da Royal Society em Londres. Seus amigos mais íntimos afirmavam que a única forma de fazê-lo falar era fazer de conta que conversavam com uma sala vazia. Ele mesmo não se reconhecia o descobridor do hidrogênio, preferindo escrever “…foi notado por outros que…” Cavendish obtinha o hidrogênio passando ácido por metais, e coletando o gás sob mercúrio.

Mesmo extremamente tímido, Sir Humphrey Davy escreveu posteriormente que Cavendish “tratava sobre todos os interesses das ciências de uma forma luminosa e profunda, e em discussões era maravilhosamente astuto…ele permanecerá ilustre nos anais da ciência…e será uma honra imortal para essa Casa, para essa época, e para esse país”, referindo-se à importância de Cavendish para a Sociedade Real e à ciência da Inglaterra.

A mãe de Cavendish morreu quando ele tinha apenas dois anos, o que ajuda a explicar sua extrema timidez. Durante a vida de seu pai ele vivia de uma pobre mesada, mas com a morte de seu pai herdou uma fabulosa herança, pois era descendente dos ducados de Devonshire e de Kent. Logo após morreria também sua querida tia, legando-o com mais uma fortuna.

Cavendish morreu aos 77 anos tão só quanto viveu: prescentindo sua morte, pediu ao serviçal que o atendia que deixasse o quarto e só retornasse após algum tempo. Quando o serviçal retornou encontrou o seu grande mestre morto. Como Cavendish sempre vivera de forma extremamente simples, abnegadamente voltada para o avanço das ciências, na época de sua morte ele era o maior depositante do Banco da Inglaterra. Cavendish foi também considerado o co-descobridor do nitrogênio.

Lavoisier obteve o gás hidrogênio passando vapor d’água sobre ferro incandescente. Ele escreveu “o ferro torna-se um óxido negro absolutamente igual àquele obtido pela sua calcinação ao ar” (nesse experimento o ferro é oxidado pela água, que é reduzida a hidrogênio).

A mistura de hidrogênio com o oxigênio reage explosivamente quando inflamada, e mesmo uma mistura de 1 parte de hidrogênio com 5 partes de ar atmosférico é explosiva nessas condições. O resultado da combustão é um vapor que se liquefaz a um líquido que tem todas as propriedades da água, por exemplo, sendo incolor, congelando a zero e entrando em ebulição a 100 C.

Lavoisier deu o nome hidrogênio ao gás em 1783, porque nenhum outro lhe parecia adequado: o nome é derivado do grego idwr (hydor, água) e gennaw (gennao, eu gero; a palavra atual em alemão para hidrogênio é wasserstoff, algo como “coisa água”). Portanto, pela virada do século XIX já eram práticas comuns a combinação de oxigênio e hidrogênio para a formação da água, e a sua decomposição em hidrogênio e oxigênio por metais, onde o oxigênio permanecia combinado pela formação de óxidos.

Lavoisier sustentava suas próprias pesquisas com uma firma de arrecadação de impostos; ainda que não um arrecadador ele mesmo, seus inimigos o prenderam durante a revolução francesa, e aquele fantástico cientista foi guilhotinado em 8 de maio de 1779, apenas dois meses antes do fim da Revolução.

Seus estudos quantitativos sobre massas de reagentes e produtos em reações químicas pode ser sumarizado na afirmação conhecida como a Lei da Conservação da Matéria, que Lomonosov já havia sujerido: “Matéria nunca é perdida ou ganha em uma reação química”.

Um conterrâneo e contemporâneo de Lavoisier foi Joseph-Louis Proust. Proust foi um químico analítico soberbo: a cerca de 1780 foi co- descobridor do manganês; logo após encontrou o mesmo metal em plantas (hoje sabemos que o manganês é um “micronutriente” essencial em plantas e animais). Seguindo a trilha aberta por Lavoisier, Proust, assim como muitos outros químicos, estudavam os aspectos quantitativos da formação de compostos, e um desses estudos envolvia o carbonato de cobre. Proust descobriu de suas cuidadosas análises que, independentemente do método de preparo do composto em laboratório ou de como ele era isolado na natureza, sempre continha 5 partes de cobre, 4 de oxigênio 1 de carbono, em peso.

Outras cuidadosas análises levaram Proust a concluir a segunda lei fundamental da química, conhecida como Lei das Proporções Definidas, ou Lei da Composição Constante: “Em um composto, os elementos constituintes estão sempre presentes em uma proporção em peso definida.”

Contra essa idéia era o Conde Claude Louis Berthollet, que achava que a composição química dum composto dependia tão somente da quantidade das substâncias empregadas na sua confecção. Essa briga entre Proust e Berthollet tomou grandes proporções, tendo durado 7 anos. Entretanto, Proust mostrou, com experimentos cuidadosos, demonstrados perante a Real Academia de Paris, que Berthollet havia feito análises não acuradas e que não havia purificado os seus compostos o suficiente, dois erros indesculpáveis em química. Durante a Revolução Francesa Proust conseguiu salvar-se fugindo para a Espanha, onde trabalhou sob a tutela financeira do rei Charles IV.

Em 1785 Rudolf Erich Raspe mostrou que o mineral schelita continha um metal recentemente descoberto por químicos espanhóis, que estudaram no Seminário de Vergara, Espanha, onde Proust era um dos professores (mais tarde Proust lecionaria no importante Laboratório Real de História Natural, em Madri). Esse metal, o tungstênio (W, wolfrâmio, de wolframita, tungstato manganoso de composição Fe,MnWO4), teve sua condição de endurecedor de ligas de ferro reconhecida por Raspe já naquela época.

Hoje em dia objetos cortantes, que necessitam ser muito duros e abrasivos, contém quantidades variáveis de tungstênio: carbeto de tungstênio é tão duro que é conhecido como “diamante sintético” e empregado na manufatura de brocas de perfuração de petróleo. Outras ligas endurecidas com tungstênio são utilizadas na fabricação de ferramentas, dezde chaves de fenda até facas Guinzu. Interessantemente, Raspe, um ótimo químico analista, holandês nascido em Hanover, era brilhante, versátil, mas um tremendo mau caráter. Raspe foi preso após penhorar medalhas de ouro que ele mesmo havia roubado do museu de Cassel, na época capital de um importante condado industrial do que viria a se tornar a Prússia, hoje parte da Alemanha. Fugiu da cadeia na noite em que foi preso e escapou para a Inglaterra, onde passou a lecionar e trabalhar com traduções, até falecer na Irlanda em 1794. De suas aventuras e seu trabalho como tradutor, Raspe teve imaginação suficiente para escrever o livro “As Aventuras do Barão de Münchausen”, publicada em 1780.

Infelizmente, Charles IV foi deposto por Napoleão, época na qual os laboratórios de Proust em Madri foram destruídos. Desiludido, Proust parou de trabalhar, e finalmente conseguiu retornar para a França, aonde passou a viver como aposentado pelo resto de sua vida.

Gás Hidrogênio – Composição

O hidrogênio é o mais simples e mais comum elemento do Universo! Está presente em quase tudo, inclusive em você! Ele compõe 75% da massa do Universo e 90% de suas moléculas, como a água (H2O) e as proteínas nos seres vivos. No planeta Terra, compõe aproximadamente 70% da superfície terrestre.

No seu estado natural e sob condições ambientes de temperatura e pressão, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro, insípido e muito mais leve que o ar. Ele também pode estar no estado líquido, ocupando um espaço 700 vezes menor do que se estivesse em forma de gás! Mas ele tem que estar armazenado numa temperatura de –253 ?C, em sistemas de armazenamento conhecidos como “sistemas criogênicos”. Acima desta temperatura, o hidrogênio não pode ser liquefeito, mas pode ser armazenado em forma de gás comprimido em cilindros de alta pressão.

Um exemplo do potencial energético do Hidrogênio está na fonte de energia do Sol – compõe 30% da massa solar. É com a energia do hidrogênio que o Sol aquece a Terra, favorecendo a vida em nosso planeta.

Como é quimicamente muito ativo, está sempre procurando outro elemento para se combinar. Raramente permanece sozinho como um único elemento (H2), em suspensão ou à parte, estando associado ao petróleo, carvão, água, gás natural, proteínas, entre outros elementos.

As misturas dos gases hidrogênio e oxigênio são inflamáveis, até mesmo explosivos, dependendo da concentração. Quando queimado com oxigênio puro, os únicos sub-produtos são o calor e a água. Quando queimado com ar, constituído por cerca de 68% de nitrogênio e 21% de oxigênio, alguns óxidos de nitrogênio (NOX) são formados. Ainda assim, a queima de hidrogênio com ar produz menos poluentes atmosféricos que os combustíveis fósseis (petróleo, carvão).

A agência espacial dos EUA, a NASA, percebeu estas qualidades do hidrogênio e o utiliza nos seus projetos espaciais para a propulsão dos foguetes, pois estes requerem características não obtidas com outros combustíveis, tais como: o baixo peso, a compactação e a capacidade de grande armazenamento de energia.

Quando utilizado em células a combustível, a água que resulta do processo é consumida pelos astronautas!

Decolagem do avião espacial Shuttle da NASA. O hidrogênio é o combustível ideal por apresentar baixo peso e capacidade de grande armazenamento de energia. .

Atualmente, a maior parte do hidrogênio produzido no mundo é utilizado como matéria-prima na fabricação de produtos como os fertilizantes, na conversão de óleo líquido em margarina, no processo de fabricação de plásticos e no resfriamento de geradores e motores.

Agora, as pesquisas sobre hidrogênio estão concentradas na geração de energia elétrica, térmica e de água pura através das células a combustível! A Energia do Hidrogênio!

Segurança do Hidrogênio

A visão das pessoas em todo o mundo é a de que o hidrogênio é um gás perigoso, inflamável e explosivo. Isto é verdade. No entanto, ele chega a ser mais seguro em muitas situações, quando comparado a outros combustíveis.

A reação de uma pessoa ao entrar em contato com o hidrogênio pela primeira vez, seja em um laboratório ou em um posto de hidrogênio, é dizer: “Não vai explodir?” Na realidade, o hidrogênio é muito explosivo em espaços confinados, devido à velocidade de queima da sua chama. Por isso, a arquitetura do local onde o hidrogênio é armazenado ou manuseado é muito importante, devendo ser bem ventilado.

Uma das vantagens do hidrogênio, é o fato de ter um coeficiente de difusão bem alto, ou seja, pode se dispersar rapidamente pelo ar e raramente ocorre a sua explosão ao ar livre. Por esta razão, a queima do hidrogênio ocorre mais rapidamente que a da gasolina ou a do metano.

O hidrogênio não acumula no chão como ocorre com a gasolina ou GLP (gás de cozinha), e por isso não fica queimando por horas. Alguns estudos experimentais, comparando o querosene (combustível de aviação) com o hidrogênio, sugerem que o fogo em um avião movido a hidrogênio duraria 10 vezes menos, produziria muito menos calor e se espalharia por uma área muito menor, se comparado à bola de fogo causada pelo querosene. Com certeza salvaria vidas caso a explosão do avião ocorresse em terra.

Além disso, o hidrogênio não é tóxico e nem corrosivo, e o vazamento durante o seu transporte não causaria uma catástrofe ambiental, como podemos observar toda vez que há vazamento de óleo em navios petroleiros.

Quanto aos cilindros de armazenamento, eles são muito resistentes e projetados para suportarem até 3 vezes a pressão aconselhada, antes que sofram algum dano. Mesmo no caso de impactos, como no caso de acidente com um veículo, os cilindros utilizados são muito resistentes.

Produção de Hidrogênio

A produção de hidrogênio em grandes quantidades é um dos grandes desafios a serem vencidos, mas não será por falta de fontes de hidrogênio!

Atualmente, são produzidos cerca de 500 bilhões de metros cúbicos por ano, em pressão ambiente. Lembre-se que o hidrogênio é um gás em temperatura ambiente e ocupa volume, assim como o ar.

A sua principal utilização nos dias de hoje não é para a geração de energia, mas para a fabricação de produtos químicos como plásticos e amônia; no resfriamento de motores e geradores, e na indústria eletrônica.

Além disso, a maior parte do hidrogênio produzido hoje, é a partir de fontes de energia convencionais e poluentes, como:

Gás de carvão gaseificado (90 bilhões de m3)
Gás natural (240 bilhões de m3)
Reforma de petróleo (150 bilhões de m3)

Para que o hidrogênio se torne uma fonte de energia realmente sustentável, deve-se promover a sua produção a partir de fontes renováveis. Várias alternativas já existem para produção de hidrogênio em maiores volumes comerciais, como a gaseificação da biomassa ou a eletrólise. Entretanto, de acordo com o Departamento de Energia dos EUA, somente 5% (20 bilhões de m3) do hidrogênio é produzido atualmente a partir destas fontes renováveis.

O Brasil e o Canadá, países que tradicionalmente utilizam a energia das hidrelétricas, deverão ser grandes produtores de hidrogênio a partir da eletrólise da água.

A eletrólise também poderá ser realizada com a energia eólica e solar, além de outras fontes de energia renováveis.

Através de seu agro-negócio, o Brasil poderá produzir hidrogênio utilizando o álcool da cana-de-açúcar, o biodiesel a partir da soja, girassol, entre outras plantas. A gaseificação da biomassa e do lixo urbano (biogás) para obtenção do hidrogênio também é uma grande oportunidade para o país, especialmente em aterros sanitários e estações de esgoto.

Vamos ver quais são as principais formas de se produzir hidrogênio?

Pense a seguir na qual você acha mais interessante para a sua cidade, estado e para o Brasil.

Hidrogênio através da Eletrólise

A produção de hidrogênio através da eletrólise é bem interessante e relativamente simples. É realizada utilizando-se a energia elétrica para quebrar a molécula de água (H2O) em seus constituintes, o hidrogênio e o oxigênio.

O processo mais conhecido comercialmente é chamado de “eletrólise alcalina”. Este tipo de eletrólise é indicado para grandes produções de hidrogênio. Para ocorrer a quebra da molécula de água – ligação entre hidrogênio e oxigênio – a tensão aplicada deve ser maior que 1,23 volts (uma pilha comum tem 1,5 volts).

Hidrogênio A Partir dos Biocombustíveis

O biocombustível é uma forma bem interessante de se produzir hidrogênio e utilizá-lo nas células a combustível. É nesse aspecto que o Brasil pode obter bastante proveito com diversas oportunidades!

Podemos obter os biocombustíveis a partir dos aterros sanitários, da gaseificação da biomassa, do uso do álcool obtido da cana-de-açúcar (Brasil) ou milho (EUA), e até mesmo a partir do excremento dos animais nas fazendas e do lixo orgânico em casa!

Hidrogênio a Partir de Fontes Fósseis

A maior parte da produção de hidrogênio atualmente vem a partir de fontes fósseis como o petróleo, gás natural e carvão. Cerca de 40% da produção total de hidrogênio é proveniente de processos químicos em indústrias e refinarias em que o hidrogênio é obtido como sub-produto.

Gás Hidrogênio – História

O hidrogênio foi o primeiro composto a ser produzido por Theophratus Bombastus von Hohenheim (1493-1541), alquimista suíço, também conhecido como Paracelsus, misturando metais com ácidos. Paracelsus, no entanto, ignorava que o “ar explosivo” produzido através dessa reação química fosse o hidrogênio.

Só em 1766, Henry Cavendish reconheceu este gás como uma substância química individualizada. Identificou o gás libertado a partir da reação de metais com ácidos como sendo inflamável e descobriu que este gás produzia água quando é queimado na presença de ar.

Foi Antonie Lavoisier que, em 1783, deu nome de hidrogênio ao elemento químico e provou que a água é composta de hidrogênio e oxigénio.

A primeira utilização do hidrogênio foi em balões.

Embora este elemento seja o mais abundante no Universo, a sua produção na Terra é relativamente difícil, podendo ser obtido por:

Eletrólise
Reações de metais com ácidos
Reações de carvão ou hidrocarbonetos com vapor de água a alta temperatura.

O átomo de hidrogênio é o mais simples de entre todos os elementos. O isótopo mais abundante, o prótio, é constituído por um núcleo unicamente com um protão, em torno do qual orbita um eletrão. Devido à sua simplicidade foi crucial no desenvolvimento dos modelos atómicos.

Harold C. Urey, descobriu o deutério, um isótopo do hidrogênio em que o núcleo é constituído por um protão e um neutrão, através de destilações repetidas de amostras de água. Devido a esta descoberta, Harold ganhou o prêmio Nobel em 1934. Este isótopo do hidrogênio é relevante em inúmeras aplicações, nomeadamente na indústria nuclear. Apesar da diferença entre o deutério e o isótopo mais abundante ser só um neutrão, dado que o núcleo do hidrogênio é muito leve, um átomo de deutério tem aproximadamente o dobro da massa de um átomo de prótio.

Um outro isótopo de hidrogênio, o trítio, em que o núcleo é constituído por um protão e dois neutrões, assume uma importância particular nas reações de fusão nuclear.

Aplicação

O hidrogênio é um dos elementos com maior importância no nosso dia a dia. Existem dois átomos de hidrogênio em cada molécula de água e uma boa parte dos átomos que constitutem as moléculas que suportam a vida são de hidrogênio.

O hidrogênio é o elemento mais leve, sendo o núcleo do seu isótopo mais abundante constituído unicamente por um protão. O hidrogênio é o elemento com maior abundância no Universo conhecido e um dos mais abundantes na Terra.

Para além da sua importância no mundo natural, é também de enorme importância industrial e o seu fornecimento é frequentemente um fator limitante na indústria.

Elevadas quantidades de hidrogênio são necessárias em industrias químicas e petrolíferas, nomeadamente no processo “Harber” para produção de amonia o quinto composto com maior produção industrial.

Além da produção de amonia o hidrogênio é também utilizado na hidrogenação de gorduras e óleos, hidroalquilações, hidrossulfuração, hidrocraking, bem como na produção de metanol entre outras.

O hidrogênio está atualmente a ser testado como fonte de energia “limpa” para utilização em transportes. A reação do hidrogênio com o oxigênio, para produzir água, realizada em células de combustíveis é uma das formas mais promissoras para gerar energia para automóveis, evitando a libertação de gases com efeito de estufa, ao contrário do que acontece com os motores atuais que utilizam a combustão de hidrocarbonetos de origem fóssil.

Uma outra enorme promessa do hidrogênio ao nível da energia é a fusão nuclear. Este processo, que alimenta a maior parte das estrelas que brilham no firmamento, produz hélio a partir de núcleos de hidrogênio, libertando enormes quantidades de energia. Esta reação, que já foi utilizada, na sua forma “descontrolada” nas bombas de hidrogênio, se for levada a cabo de uma forma controlada poderá permitir ter uma fonte de energia quase inesgotável.

Outras aplicações relevantes do hidrogênio são:

Produção de ácido cloridríco (HCl)
Combustível para foguetões
Arrefecimento de rotores em geradores elétricos em postos de energia, visto que o hidrogênio possui uma elevada condutividade térmica
No estado líquido é utilizado em investigações criogênicas, incluindo estudos de supercondutividade
Como é 14,5 vezes mais leve que o ar e por isso é usado muitas vezes como agente de elevação em balões e zeppelins, embora esta utilização seja reduzida devido ao riscos de trabalhar com grandes quantidades de hidrogênio, que foi bem patente no acidente que destruiu o zeppelin “Hindenburg” em 1937.
O deutério, um isótopo do hidrogênio em que o núcleo é constituído por um protão e um neutrão, é utilizado, na forma da chamada “água pesada” em fissão nuclear como moderador de neutrões
Compostos de deutério possuem aplicações na química e na biologia em estudos de reações utilizando o efeito isotópico.

Gás Hidrogênio – Elemento Químico do Símbolo H

Nas estrelas, o hidrogênio é convertido em hélio pela fusão nuclear, processo que proporciona energia das estrelas, entre elas o Sol.

Na Terra, está presente em todas as substâncias animais e vegetais, na forma de compostos em que se combina com o carbono e outros elementos.

O hidrogênio é um elemento do símbolo H, é o mais simples de todos os elementos químicos, pois está constituído de um próton e um elétron que gira ao seu redor. Embora na terra ocupe o nono lugar entre os elementos em termos de ocorrência, correspondendo a 0,9% da massa do planeta, é o mais abundante no universo, pois apresenta cerca de 75% de toda a massa cósmica.

Propriedades físicas e químicas

O hidrogênio é uma substância simples, presente em abundância na superfície terrestre em combinação com os outros elementos e, em especial, na água. Em seu estado molecular, H2, como se encontra na natureza, constitui-se de dois átomos de hidrogênio, ligados por convalência, e faz parte das emanações vulcânicas em proporções reduzidas.

O hidrogênio molecular, o gás mais leve que se conhece, é incolor, inodoro, insípido e insolúvel em água. Sua densidade é 14 vezes menor que a do ar. Ao esfriá-lo com ar liquefeito e comprimi-lo fortemente, obtêm-se hidrogênio líquido, que entra em ebulição a -258,8º C à pressão atmosférica.

Distinguem-se dois tipos de hidrogênio molecular, em função do sentido de rotação de seu núcleo ou spin nuclear. Estas variedades são o para-hidrogênio, menos energético e com diferentes sentidos de rotação dos núcleos dos átomos, e o orto-hidrogênio, de maior energia e com giros análogos. Em temperatura ambiente, a proporção normal é de três partes do segundo para uma do primeiro.

O hidrogênio atômico não se encontra livre na natureza, mas sim combinado em grande número de compostos. É um elemento de grande instabilidade e, conseqüentemente, muito reativo, que tende a ajustar seu estado eletrônico de diversas formas. Quando perde um elétron, constitui um cátion H+, que é na realidade um próton. Em outros casos se produz por meio do ganho de um elétron para formar o ânion hídrico H¯, presente apenas em combinações com metais alcalinos e acalinos-terrosos.

Isótopos do hidrogênio

A estrutura atômica do hidrogênio, a mais simples de todos os elementos químicos, apresenta um próton, o carga positiva, no núcleo, e um elétron, ou carga negativa, na camada externa. Seu peso atômico na escala comparativa externa. Seu peso atômico na escala comparativa é de 1,00797. A diferença entre esse valor e o observado para o peso do hidrogênio em seus compostos fez com que alguns químicos pensassem que não se tratava de um erro de medida, mas sim do peso combinado de átomos de hidrogênio de pesos diferentes, ou seja, de isótopos do hidrogênio. O químico americano Halo Clauton Urey, prêmio Nobel de química em 1934, e dois colaboradores detectaram, no resíduo de destilação do hidrogênio líquido, um hidrogênio mais pesado. Esse hidrogênio mais pesado, o deutério, 2H ou D, tem um nêutron junto ao próton do núcleo. Seu número atômico é o mesmo do hidrogênio normal, mais o peso é 2,0147.

Existe outro tipo de hidrogênio, o trício, 3H ou T, com dois números atômicos no núcleo, além do próton, presente em quantidades mínimas na água natural. O trício é formado continuamente nas altas camadas da atmosfera por reações induzidas por raios cósmicos.

Obtenção e aplicação

Em pequenas quantidades, o hidrogênio é normalmente produzido pela ação do zinco sobre o ácido sulfúrico. Entre outros processos de produção industrial, cite-se a ação do vapor ou do oxigênio sobre hidrocarbonetos como o metano. Em 1783 e a segunda guerra mundial, o hidrogênio foi usado para encher balões, ainda que, no caso de dirigíveis para passageiros, o hélio tenha a vantagem de não ser inflamável. Atualmente sua principal aplicação é na síntese do amoníaco e do metanol na difusão do petróleo. Outra aplicação importante é na hidrogenização de substâncias orgânicas para produção de solventes, produtos químicos industriais e alimentos como a margarina e gordura vegetal. Em outros campos da indústria química e metalúrgica, emprega-se também o hidrogênio na fase de redução para metal.

Em outro contexto, a explosão de uma bomba de hidrogênio, também chamada termonuclear, é causada pela colisão e fusão de núcleos leves de hidrogênio, deutério e trício. A obtenção de um meio de controlar a reação de fusão pode levar a uma fonte de energia praticamente inesgotável, já que tem como combustível a água do mar, de altíssimo rendimento e grande pureza, por não gerar subprodutos.

O hidrogênio como fonte de energia

O hidrogênio é o elemento de menor densidade porque seu átomo tem a estrutura mais simples. O núcleo do átomo de hidrogênio é constituído por apenas um próton, partícula de carga elétrica positiva. Em torno do núcleo orbita um único elétron com uma carga negativa. Tem a propriedade de bom condutor de calor e eletricidade. Seu peso atômico é 1,0008 e seu símbolo é H. Seu ponto de fusão é 260ºC e seu ponto de ebulição é 252ºC. Quando esse elétron é removido, obtém-se o íon hidrogênio.

O hidrogênio é extremamente inflamável. Quando misturado com oxigênio, forma uma mistura explosiva que se inflama com muita facilidade, desprendendo grande quantidade de calor.

Muitas estrelas, cometas e planetas são feitos de hidrogênio ou contêm grandes porcentagens desse elemento. Acredita-se que o hidrogênio tenha sido o primeiro elemento na formação do Universo.

O hidrogênio pode ser empregado como combustível, com vantagem de não causar poluição, porque quando é queimado no ar produz somente água. Seria a melhor fonte energética do mundo, se não fossem dois problemas ligados as suas técnicas de produção e fabricação.

1º método: eletrólise da água. Água, sob a ação de corrente continua (eletricidade) se quebra, formando hidrogênio e oxigênio. O método gasta muita eletricidade e é caro, e além disso, é difícil guardar o gás hidrogênio para usá-lo, pois ele é gasoso e esta a pressão ambiente. É necessário comprimi-lo muito para colocá-lo em cilindros, para armazená-lo.
2º método: decomposição da água, em presença de ácido clorídrico ou de água na forma de vapor super aquecido, (não precisa do ácido) por ferro metálico (ferro mesmo, ferro velho). Aí o gás é recolhido e facilmente comprido e colocado em cilindros (é tipo um botijão de gás, só que industrial). O método e econômico, barato, mas os resíduos contendo ferro ou ácido clorídrico são poluentes, portanto, a grande vantagem do hidrogênio não ser poluente é diminuída.

O hidrogênio e o oxigênio são usados nos motores de propulsão das espaçonaves e também no seu interior, para produzir eletricidade e água potável.

As duas fusões que até agora são as mais desenvolvidas são os isótopos de hidrogênio contendo materiais como a água em quantidade suficiente para produzir toda a energia que a sociedade necessita por bilhões de anos.

O trítio apresenta três partículas em seu núcleo atômico: um próton e dois nêutrons. É um isótopo radiativo obtido artificialmente, embora também ocorra na natureza, porém em quantidades muito pequenas. A reação que ocorre com probabilidade e à menor temperatura envolve a fusão de um deutério com um trítio para formar um Hélio (He4) e um nêutron.

A segunda reação que promete, envolve a fusão de dois deutérios. Essa tem duas opções com probabilidades iguais. Enquanto a reação do deutério – deutério é a única que poderia durar além da vida esperada para o Sol, é de alguma forma mais fácil produzir a reação deutério – trítio, que sozinha seria o suficiente por milhares de anos, e que forneceria a maior parte de energia da próxima geração de aparelhos de pesquisa.

Uma grande parcela de hidrogênio é também consumida na produção de metanol. Diferentes tipos de combustíveis podem ser produzidos tratando-se o carvão, os óleos pesados, o alcatrão e o piche com hidrogênio. Este processo chama-se hidrogenação.

Se você tem um material radioativo (exemplo urânio, polônio, radio, plutônio) ele se decompõe emitido núcleos de hélio (particulares alfa), partículas beta, nêutrons ou radiação eletromagnética de altíssima freqüência (radiação gama). A partícula emitida depende do material. Este processo se chama fissão nuclear.

Quando a partícula emitida bate em outro núcleo de átomo de outro material, por exemplo, a partícula alfa do urânio bate nos átomos de plutônio, eles, urânio e plutônio reagem entre si, produzindo novos elementos químicos e mais partículas de todos os tipos e muita energia. É o que se chama recado em cadeia, pois partículas produzem mais e mais partículas, e a velocidade da reação aumenta. Se o hidrogênio for usado com alvo para essas partículas, esse hidrogênio é consumido e transformado em energia. E o que ocorre em um tipo de bomba de hidrogênio, aquela que os americanos jogaram sobre o Japão na Segunda Guerra Mundial.

Vamos supor que você queria aproveitar a energia. É necessário moderar a reação em cadeia, diminuindo sua velocidade.

O que se usa?

Barras de grafite (o tipo de cavalo usado nas lapiseiras), barras de cádmio (um metal do grupo do cálcio), água pesada ( água deuterrada) ou simplesmente, água comum, em grande volume. Como a reação em cadeia ficou lenta, o conjunto não explode, mas produz calor que gera vapor, que pode ser transformado em energia.

Na fusão nuclear dois átomos de hidrogênio, proveniente, por exemplo do gás hidrogênio, H2, ao serem submetidos a altíssima temperatura (na ausência de elementos que reajam com ele, como oxigênio se fundem formando um núcleo de gás hélio. é o que se chama fusão nuclear, que vai atuar sobre mais hidrogênio, portanto é também uma reação em cadeia. Ocorre por exemplo, no sol, e essa reação é responsável, pelo calor e luz do sol. Portanto o hidrogênio pode ser aproveitado para gerar energia química e também energia nuclear.

Em quase todos os tipos de fusão entre núcleos de luz, uma porção de sua massa é transformada em energia cinética da reação dos produtos, ou em partículas gamma. As partículas gamma e a energia cinética liberada no processo atingem o interior stellar, o mantendo a altas temperaturas (maior que 10 milhões K) necessários para continuar a fusão. Tais condições, onde a energia térmica é suficiente para uni-los apesar de sua repulsão eletrostática, são chamadas termonuclear.

Esse processo, que tem tornado as estrelas mais energéticas por bilhões de anos, tem claro potencial como fonte poderosa na Terra, e cientistas têm trabalhado décadas com o objetivo de usar a fusão termonuclear para produzir força útil.

Para um quase inesgotável suprimento de combustível, a fusão tem outros atrativos: é ambientalmente benigna, a cinza resultante é inofensiva hélio e hidrogênio.

Por não ser uma reação em cadeia, a fusão não pode sair do controle e qualquer problema faria com que o plasma se extinguisse.

Gás Hidrogênio – Tabela Periódica

Não é fácil decidir a posição a atribuir ao hidrogênio na Tabela Periódica, uma vez que não se encaixa em nenhum dos grupos. Por vezes é colocado no topo do grupo I (metais alcalinos) e, realmente, tendo em conta a sua natureza eletropositiva, insere-se melhor neste grupo do que em qualquer outro. Outras vezes, o seu comportamento assemelha-se ao dos halogêneos, aceitando um segundo elétron para formar um íon mononegativo.

De fato, a estrutura atômica do hidrogênio (um núcleo com carga unitária positiva e um elétron) é tão diferente de qualquer outro elemento, que se justifica colocá-lo num local especial da Tabela Periódica, não o associando a qualquer grupo em particular.

Propriedades do Elemento

Nome: Hidrogênio
Número Atómico: 1
Símbolo Químico: H

Propriedades Atômicas

Massa Atômica: 1.00794
Eletronegatividade:

Pauling: 2.2
Absoluta: 7.18 eV

Eletroafinidade: 72.8 kJ mol-1
Polarizabilidade: 0.7 Å3
Carga Nuclear Efetiva:

Slater: 1
Clementi: 1
Froese Fischer: 1

Raios:

H 1 -: 154 pm
Atômico: 78 pm
Covalente: 30 pm
Van der Waals: 120 pm
H 1 +: 1×10-05 pm

Propriedades Eletrônicas

Energias de Ionização Atômicas:

1s : 1312 kJ mol-1

Energias de Ionização Sucessivas:

H -› H + : 1312 kJ mol-1

Íons Comuns : H 1 -, H 1 +

Propriedades da Substância Elementar

Substância Elementar Mais Comum: Hd2
Classe de Substâncias Elementares: Não Metal
Origem: Natural
Estado Físico: Gás
Densidade [11K]: 76 kg m-3
Preço: 1920$
Rede Cristalina: hexagonal de empacotamento compactotetragonal

Propriedades Termodinâmicas

Ponto de Fusão: 14 K
Ponto de Ebulição: 20 K
Conductividade Térmica [300K]: 0.1815 W m-1K-1

Calor de:

Fusão: 0.12 kJ mol-1
Vaporização: 0.46 kJ mol-1
Atomização: 218 kJ mol-1

Hidrogênio: História

Sabe-se de há longa data que, quando o ferro se “dissolve” em ácido sulfúrico diluído se produz um gás. No século XVI, o alquimista Paracelsus descreveu este fenômeno de uma forma interessante. Escreveu que, quando o ácido atua sobre o ferro, “surge um ar que é expulso como uma rajada de vento”.

Van Helmot descreveu este gás como uma peculiar variedade de ar, que era combustível mas não suportava a combustão. Contudo, as suas ideias eram um pouco difusas, uma vez que confundiu o hidrogênio com outros gases como o metano, ou o dióxido de carbono que igualmente não sustentam a combustão.

Priestley, e genericamente todos os autores até 1783, usou o termo ar inflamável para descrever este gás, bem como os hidrocarbonetos, o sulfito de hidrogênio, o monóxido de carbono e outros gases combustíveis.

H. Cavendish (1766) mostrou que o ar inflamável produzido pela ação dos ácidos sulfúrico ou clorídrico diluídos sobre metais como o ferro, zinco e estanho era uma substância distinta e bem definida a que A. L. Lavoisier (1783) chamou “hidrogénio”.

Hidrogênio: Ocorrência

O hidrogênio gasoso surge na Natureza em quantidades comparativamente pequenas.

A atmosfera contém cerca de uma parte de hidrogênio para 15000 a 20000 de ar (em número de moléculas), embora a proporção deste gás aumente com a altitude.

Os gases emitidos por vulcões, minas de carvão e poços de petróleo muitas vezes contêm hidrogênio.

Apesar disto, o hidrogênio é o elemento mais abundante no Universo, constituindo a maior parte da composição das estrelas e da matéria inter-estelar. No início do século XX, observações espectroscópicas revelavam a sua presença em algumas nebulosas bem como na fotoesfera e na cromosfera do Sol.

O hidrogênio aparece frequentemente combinado com outros elementos. Com o oxigênio, forma a água, a substância mais abundante à superfície da Terra, e principal constituinte dos tecidos animal e vegetal. Os elementos oxigênio, hidrogénio e carbono são a base de todas as moléculas orgânicas.

Hidrogênio: Isótopos

São conhecidos três isótopos do hidrogênio. O mais abundante é o próton, seguido do deutério (um próton e um nêutron), sendo o trítio, o terceiro isótopo, radioativo e com uma abundância relativa extremamente pequena.

Hidrogênio: Isótopos: Deutério

Em 1927 Aston obteve, por espectrometria de massa, o valor de 1,00778 para a massa atômica do hidrogênio. Sentiu-se, na altura, que a concordância deste valor com o obtido pelos químicos era suficiente para que se não suspeitasse da existência de outros isótopos do hidrogênio.

No entanto, em 1929, mostrou-se que o oxigênio consistia em três isótopos diferentes com números de massa 16, 17 e 18.

Consequentes correções na massa atômica do oxigênio induziram a alterações na do hidrogênio obtida por processos químicos. Um ligeiro aumento deste valor levou os cientistas a adiantarem a hipótese da existência de um novo isótopo de número de massa 2 e massa atômica 2,0147, na proporção de 1 para 5000. Urey procurou então fazer a separação deste isótopo fraccionando hidrogênio líquido. Pela análise espectral do resíduo de fraccionamento de uma grande quantidade de hidrogênio líquido, foi possível provar a existência do deutério.

Posteriormente, G. N. Lewis conseguiu isolar 1ml de água pesada (D2O).

As propriedades físicas desta água diferiam das da água vulgar.

O deutério tem atualmente aplicações diversas que passam pela sua utilização em RMN (espectroscopia de ressonância magnética nuclear) ou na obtenção de energia através de fusão nuclear.

Hidrogênio: Isótopos: Trítio

O trítio é o mais pesado dos três isótopos do hidrogênio, possuindo um núcleo com dois nêutrons além do próton característico deste elemento. O trítio não ocorre naturalmente na Terra, uma vez que é radioativo com meia vida de 12,3 anos, mas forma-se em torno do Sol e provavelmente no espaço exterior, resultando do bombardeamento de matéria interestelar pelos raios cósmicos.

Este isótopo pode ser produzido pelo bombardeamento nuclear de deutério com outras espécies de hidrogênio, ou pela reação de nêutrons térmicos com lítio-6 em reatores nucleares. É fornecido comercialmente em soluções.

É principalmente usado como substituto do hidrogênio vulgar em reações, de modo a estudar os seus mecanismos, ou para identificar e analisar produtos. Esta substituição torna os compostos radioativos (e mais pesados) facilitando a monitorização da sua presença e concentração, por intermédio de detetores de radiação.

Hidrogênio: Hidrogênio Orto e Para

Dois átomos de hidrogênio combinam-se para formar a molécula de hidrogênio muito estável. Contudo, Heisenberg provou que, se se considerarem os spins nucleares, existem dois “isômeros” observáveis. Estes resultam do acopl amento paralelo dos spins nucleares, com três estados quânticos possíveis e acoplamento antiparalelo, só com um estado.

À temperatura ambiente, os diferentes estados quânticos têm aproximadamente igual probabilidade, mas as transições espontâneas entre eles têm uma probabilidade muito baixa e podem ser ignoradas.

Por consequência, o hidrogênio vulgar comporta-se como se fosse uma mistura de 3 volumes de hidrogênio orto (spins paralelos) e 1 volume de hidrogênio para (spins antiparalelos).

Por razões de simetria, os estados de rotação permitidos para a molécula considerada como um todo diferem nos dois casos, sendo o estado de menor energia mais baixo para a forma para do que para a forma orto.

Que são carros Hidrogênio-Powered?

Os carros Hidrogênio-powered estão ainda atualmente sob o estágio do desenvolvimento. Um carro do hidrogênio funciona principalmente no um ou outro uma fonte do combustível do hidrogênio como aquele de um motor de combustão interna, ou em uma célula combustível como aquele de um carro elétrico.

O hidrogênio vem na abundância em muitas das coisas que nós poderíamos ver hoje, o mais especialmente petróleo. É um gás muito claro que seja inflamável e poderia ser usado como uma fonte do combustível, ou poderia diretamente ser queimado em uma maneira similar àquela nos motores de combustão interna convencionais.

Como trabalha

O hidrogênio podia ser utilizado para power carros em dois métodos sabidos. Poderia ou ser usado porque uma célula combustível ou como um combustível direto.

Células combustíveis

Quando o hidrogênio é usado como uma célula combustível, trabalha na mesma maneira que as baterias trabalham. Uma reação química é utilizada gera a eletricidade. A eletricidade produzida na reação será usada então power os motores elétricos apenas como nos sistemas do motor elétrico de carros elétricos battery-operated. No exemplo de uma célula combustível do hidrogênio, o hidrogênio reage com o oxigênio, produzindo a eletricidade no processo e na água como um by-product.

Combustão direta

Uma outra maneira de usar o hidrogênio power carros é com a combustão direta usando os motores de combustão interna ligeiramente modificados.

O conceito da combustão do hidrogênio nos motores é virtualmente o mesmo que naqueles de carros convencionais da gasolina à exceção de algumas mudanças menores ao sistema.

O combustível do hidrogênio requer menos espaço de armazenamento e permite-o cargas aumentadas do veículo.

Vantagens e desvantagens

A vantagem de usar células combustíveis e hidrogênio do hidrogênio como o combustível nos carros é aquela de emissões diretas reduzidas do dióxido de carbono. As células combustíveis do hidrogênio não necessitam nenhuma combustão de combustíveis Carbono-baseados mover o carro, mas geram a eletricidade usando uma reação química.

Esta tecnologia tem muitos inconvenientes, demasiado.

O hidrogênio é naturalmente um elemento muito claro, e tem uma densidade muito baixa, assim que sua energia por o volume é completamente baixa comparada a outras fontes do combustível do petróleo.

Um outro inconveniente é que as células combustíveis do hidrogênio são muito caras produzir e armazenando tecnologias não estar ainda disponível para a produção maciça custo efetivo.

Nos termos de usar o hidrogênio como o combustível em um processo da combustão, o espaço de armazenamento e as edições grandes do peso fazem também esta tecnologia inadequada ser considerado como um sólido e uma alternativa segura ao consumo de combustível fossil.

Embora o hidrogênio poderia fàcilmente ser produzido usando fontes de energia renewable tais como a energia solar, sua produção ainda estaria aumentando a dependência do combustível fossil porque o petróleo é uma das fontes principais do hidrogênio.

Aplicação

A tecnologia do poder da célula combustível ou do hidrogênio nos veículos está ainda em seus estágios adiantados, e mais pesquisa e desenvolvimento são requeridos antes dela poderiam inteiramente ser executados e utilizado.

Até à data de hoje, as plantas para usar o hidrogênio como uma alternativa aos combustíveis fossil tais como a gasolina ou o diesel incluem aplicações no setor público do transporte. Esta planta é na linha dos esforços reduzir gáses da emissão e pollutants do ar.

Fonte: br.geocities.com/www.celulaacombustivel.com.br/www.tech-faq.com/www.tabelaperiodica.hpg.com.br