hidrogênio
hidrogênio (H) , uma substância gasosa incolor, inodora, insípida e inflamável que é o membro mais simples da família dos elementos químicos. O hidrogênio átomo tem um núcleo que consiste em um próton carregando uma unidade de carga elétrica positiva; um elétron, portando uma unidade de carga elétrica negativa, também está associado a esse núcleo. Em condições normais, o gás hidrogênio é uma agregação frouxa de moléculas de hidrogênio, cada uma consistindo em um par de átomos, uma molécula diatômica, Hdois. A primeira propriedade química importante conhecida do hidrogênio é que ele queima com oxigênio para formar água, HdoisO; na verdade, o nome hidrogênio é derivado de palavras gregas que significam fabricante de água.
propriedades químicas do hidrogênio Encyclopædia Britannica, Inc.
Embora o hidrogênio seja o elemento mais abundante no universo (três vezes mais abundante que hélio , o próximo elemento de maior ocorrência), constitui apenas cerca de 0,14 por cento da crosta terrestre em peso. No entanto, ocorre em grandes quantidades como parte da água nos oceanos, blocos de gelo, rios, lagos e na atmosfera. Como parte de inúmeras carbono compostos , o hidrogênio está presente em todos os tecidos animais e vegetais e no petróleo. Embora se diga frequentemente que existem mais compostos de carbono conhecidos do que de qualquer outro elemento, o fato é que, uma vez que o hidrogênio está contido em quase todos os compostos de carbono e também forma uma infinidade de compostos com todos os outros elementos (exceto alguns dos gases nobres), é possível que os compostos de hidrogênio sejam mais numerosos.
O hidrogênio elementar encontra sua principal aplicação industrial na fabricação de amônia (para composto de hidrogênio e nitrogênio, NH3) E nohidrogenaçãode monóxido de carbono e compostos orgânicos.
O hidrogênio tem três isótopos conhecidos. Os números de massa dos isótopos de hidrogênio são 1, 2 e 3, sendo o mais abundante a massa 1 isótopo geralmente chamado de hidrogênio (símbolo H, ou1H), mas também conhecido como protium. O isótopo de massa 2, que tem um núcleo de um próton e um nêutron e foi denominado deutério, ou hidrogênio pesado (símbolo D, oudoisH), constitui 0,0156 por cento da mistura comum de hidrogênio. Trítio (símbolo T, ou3H), com um próton e dois nêutrons em cada núcleo, é o isótopo de massa 3 e constitui cerca de 10-15a 10-16por cento de hidrogênio. A prática de dar nomes distintos aos isótopos de hidrogênio é justificada pelo fato de haver diferenças significativas em suas propriedades.
Paracelso, médico e alquimista, no século 16, sem saber, experimentou com hidrogênio quando descobriu que um gás inflamável foi desenvolvido quando um metal foi dissolvido em ácido . O gás, porém, foi confundido com outros gases inflamáveis, como hidrocarbonetos e monóxido de carbono. Em 1766, Henry Cavendish, químico e físico inglês, mostrou que o hidrogênio, então chamado de inflamável ar , flogístico, ou o princípio inflamável, era distinto de outros gases combustíveis por causa de seu densidade e a quantidade que evoluiu de uma determinada quantidade de ácido e metal. Em 1781 Cavendish confirmou observações anteriores de que a água se formou quando o hidrogênio foi queimado, e Antoine-Laurent Lavoisier, o pai da química moderna, cunhou a palavra francesa hidrogênio da qual a forma inglesa é derivada. Em 1929, Karl Friedrich Bonhoeffer, um físico-químico alemão, e Paul Harteck, um químico austríaco, com base em trabalhos teóricos anteriores, mostraram que o hidrogênio comum é uma mistura de dois tipos de moléculas, orto -hidrogênio e a fim de -hidrogênio. Devido à estrutura simples do hidrogênio, suas propriedades podem ser calculadas teoricamente com relativa facilidade. Portanto, o hidrogênio é frequentemente usado como um modelo teórico para átomos mais complexos, e os resultados são aplicados qualitativamente a outros átomos.
Propriedades físicas e químicas
A Tabela lista as propriedades importantes do hidrogênio molecular, Hdois. Os pontos de fusão e ebulição extremamente baixos resultam de forças fracas de atração entre as moléculas. A existência dessas forças intermoleculares fracas também é revelada pelo fato de que, quando o gás hidrogênio se expande de alta para baixa pressão em temperatura ambiente, sua temperatura aumenta, enquanto a temperatura da maioria dos outros gases cai. De acordo com os princípios da termodinâmica, isso implica que as forças repulsivas excedem as forças atrativas entre as moléculas de hidrogênio à temperatura ambiente - caso contrário, a expansão esfriaria o hidrogênio. Na verdade, a -68,6 ° C, as forças de atração predominam, e o hidrogênio, portanto, esfria ao ser permitido se expandir abaixo dessa temperatura. O efeito de resfriamento torna-se tão pronunciado em temperaturas abaixo do nitrogênio líquido (−196 ° C) que o efeito é utilizado para atingir a temperatura de liquefação do próprio gás hidrogênio.
| hidrogênio normal | deutério | |
|---|---|---|
| Hidrogênio atômico | ||
| número atômico | 1 | 1 |
| peso atômico | 1,0080 | 2.0141 |
| potencial de ionização | 13,595 elétron volts | 13.600 elétron volts |
| afinidade de elétron | 0,7542 elétron volts | 0,754 elétron volts |
| spin nuclear | 1/2 | 1 |
| momento magnético nuclear (magnetos nucleares) | 2,7927 | 0,8574 |
| momento quadrupolo nuclear | 0 | 2,77 (10-27) centímetros quadrados |
| eletronegatividade (Pauling) | 2,1 | ~ 2.1 |
| Hidrogênio molecular | ||
| distância da ligação | 0,7416 angstrom | 0,7416 angstrom |
| energia de dissociação (25 graus C) | 104,19 quilocalorias por mol | 105,97 quilocalorias por mol |
| potencial de ionização | 15,427 elétron volts | 15,457 elétron-volts |
| densidade do sólido | 0,08671 grama por centímetro cúbico | 0,1967 gramas por centímetro cúbico |
| ponto de fusão | -259,20 graus Celsius | -254,43 graus Celsius |
| calor de fusão | 28 calorias por mol | 47 calorias por mol |
| densidade do líquido | 0,07099 (-252,78 graus) | 0,1630 (-249,75 graus) |
| ponto de ebulição | -252,77 graus Celsius | -249,49 graus Celsius |
| calor da vaporização | 216 calorias por mol | 293 calorias por mol |
| temperatura critica | -240,0 graus Celsius | -243,8 graus Celsius |
| pressão crítica | 13,0 atmosferas | 16,4 atmosferas |
| densidade crítica | 0,0310 gramas por centímetro cúbico | 0,0668 gramas por centímetro cúbico |
| calor de combustão para água (g) | -57,796 quilocalorias por mol | -59,564 quilocalorias por mol |
O hidrogênio é transparente para a luz visível, para a luz infravermelha e para luz ultravioleta para comprimentos de onda abaixo de 1800 Å. Porque é peso molecular é menor do que a de qualquer outro gás, suas moléculas têm uma velocidade maior do que as de qualquer outro gás em uma determinada temperatura e se difunde mais rápido do que qualquer outro gás. Consequentemente, energia cinética é distribuído mais rapidamente pelo hidrogênio do que por qualquer outro gás; tem, por exemplo, a maior condutividade de calor.
PARA molécula de hidrogênio é a molécula mais simples possível. Ele consiste em dois prótons e dois elétrons mantidos juntos por forças eletrostáticas. Como o hidrogênio atômico, o conjunto pode existir em vários níveis de energia.
Ortho-hidrogênio e para-hidrogênio
Dois tipos de hidrogênio molecular ( orto e a fim de ) são conhecidos. Estes diferem nas interações magnéticas do prótons devido aos movimentos giratórios dos prótons. Dentro orto -hidrogênio, os spins de ambos os prótons estão alinhados na mesma direção - ou seja, eles são paralelos. Dentro a fim de -hidrogênio, os spins estão alinhados em direções opostas e, portanto, são antiparalelos. A relação dos alinhamentos de spin determina as propriedades magnéticas doátomos. Normalmente, as transformações de um tipo em outro ( ou seja, conversões entre orto e a fim de moléculas) não ocorrem e orto -hidrogênio e a fim de -hidrogênio pode ser considerado como duas modificações distintas de hidrogênio. As duas formas podem, no entanto, se interconverter sob certas condições. O equilíbrio entre as duas formas pode ser estabelecido de várias maneiras. Um deles é pela introdução de catalisadores (como carvão ativado ou várias substâncias paramagnéticas); outro método é aplicar uma descarga elétrica ao gás ou aquecê-lo a uma temperatura elevada.
A concentração de a fim de -hidrogênio em uma mistura que alcançou equilíbrio entre as duas formas depende da temperatura, conforme mostrado pelas seguintes figuras:
Essencialmente puro a fim de - o hidrogênio pode ser produzido colocando a mistura em contato com o carvão vegetal à temperatura do hidrogênio líquido; isso converte todos os orto -hidrogênio em a fim de -hidrogênio. O orto -hidrogênio, por outro lado, não pode ser preparado diretamente da mistura porque a concentração de a fim de -hidrogênio nunca é inferior a 25 por cento.
As duas formas de hidrogênio têm propriedades físicas ligeiramente diferentes. O ponto de fusão de a fim de -hidrogênio é 0,10 ° menor do que uma mistura 3: 1 de orto -hidrogênio e a fim de -hidrogênio. A -252,77 ° C, a pressão exercida pelo vapor sobre o líquido a fim de -hidrogênio é 1,035 atmosferas (uma atmosfera é a pressão da atmosfera ao nível do mar sob condições padrão, igual a cerca de 14,69 libras por polegada quadrada), em comparação com 1,000 atmosfera para a pressão de vapor de 3: 1 orto - para mistura. Como resultado das diferentes pressões de vapor de a fim de -hidrogênio e orto -hidrogênio, essas formas de hidrogênio podem ser separadas por cromatografia gasosa de baixa temperatura, uma analítico processo que separa diferentes espécies atômicas e moleculares com base em suas diferentes volatilidades.
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