O hidrogénio é o elemento mais simples conhecido pelo Homem. Um átomo de hidrogénio é composto por um protão e um electrão. Este é o elemento mais abundante no universo, e a fonte de toda energia que nos recebemos do sol, sendo a massa do sol constituída por mais de 30 % de hidrogénio atómico. O sol é basicamente bola gigante de hidrogénio e hélio. Num processo que é designado por fusão, quatro átomos de hidrogénio combina-se para formar um átomo de hélio, libertando energia na forma de radiação. Esta energia radiante é para nós a mais abundante fonte de energia, dando-nos luz, calor, vento e permite o crescimento das plantas, sendo armazenada na forma de combustíveis fosseis, tais como o carvão, petróleo, metano (CH4), hidratos de metano e também encontra-se em todo o tipo de vegetação - biomassa.
O hidrogénio não aparece naturalmente na terra, ou seja, só existe na atmosfera com uma concentração muito reduzida de 1 ppm (partes por milhão), encontrando-se combinado com o oxigénio na forma de água (H2O), sendo assim, não pode ser considerado como um recurso de energia primária, tal como o petróleo ou o gás natural, mas sim como um transportador de energia.
O Hidrogénio no seu estado livre e em condições de temperatura e pressão normais, é inodoro e não tem cor. Tem a maior quantidade de energia por unidade de peso - 141,9 mJ/kg - em relação a qualquer combustível conhecido, por exemplo 1kg de hidrogénio a mesma quantidade de energia do que 2.8 kg de gasolina. A sua densidade é de 0.0899 g/l, ou seja, o ar é 14.4 vezes mais denso, e a temperatura de mudança de fase de líquido para gás é de -252,77 ºC, tendo na fase líquida uma densidade de 70.99 g/l, ao passo que a gasolina tem uma densidade de 750 g/l, que o torna ideal para a propulsão de naves espaciais, que requer um combustível com um baixo peso com uma elevada energia.
O coeficiente de difusão do hidrogénio é de 0,61 cm3/s que é quatro vezes superior ao do metano. Consequentemente a mistura do Hidrogénio no ar é mais rápida do que o metano ou vapores de petróleo, o que se torna vantajoso num ambiente aberto, mas representa uma desvantagem em espaços fechados pouco ventilados, uma vez que o hidrogénio tem uma gama de concentrações para o qual se inflama ([4 - 75%] do volume) maior do que os outros combustíveis (metano queima a [5,3 - 15%] e o propano [2,1 - 9,5%] de concentrações por volume).
A chama do hidrogénio não é visível à luz do dia porque tem uma emissividade muito baixa (de 17 a 25 %), sendo assim a radiação emitida é mais baixa do que os outros combustíveis fosseis, como por exemplo o butano ou o propano, ou até mesmo a gasolina (de 34 a 43 %), sendo assim o hidrogénio torna-se menos perigoso em caso de acidente porque o calor transmitido pela radiação é menor.
Quando a combustão do hidrogénio se dá com oxigénio puro, o único produto da reacção é a água, libertando-se calor. Mas quando combustão é feita com ar, que possui cerca de 68% de azoto, dá-se a emissão de óxidos de azoto (NOx), que aumentam exponencialmente com a temperatura da chama. Quando a queima do hidrogénio se dá sob condições apropriadas nos motores de combustão ou em turbinas de gás, as emissões são muito pequenas ou negligenciáveis. Pode haver vestígios de hidrocarbonetos e emissões de monóxido de carbono, resultantes apenas da combustão do óleo do motor na câmara de combustão do motor de combustão interna.
O Hidrogénio, quando produzido por fontes de energia renováveis, a sua utilização através de células de combustível, é totalmente limpa, formando apenas como produtos da reacção água e calor, não havendo quaisquer emissões de partículas, monóxido de carbono, dióxido de carbono (CO2), óxidos de azoto (NOx) e óxidos de enxofre (SOx) que são responsáveis por problemas ambientais tais como chuvas ácidas, problemas respiratórios e pelo aquecimento global do planeta.
Ciclo de Vida do Hidrogênio
Sendo assim o hidrogénio tem um grande potencial ambiental, fazendo parte de um ciclo de vida limpo, tornando-se um sério candidato a substituir a actual economia baseada nos combustíveis fosseis.
Automóveis movidos a ar comprimido irão ser brevemente lançados no mercado.
Uma companhia francesa MDI (Motor Development International) está prestes a abrir a sua primeira fábrica, que irá produzir automóveis a uma taxa de dois por dia. Esta companhia já assinou contractos para construir mais 35 fábricas pela Europa, incluindo três no Reino Unido, dez na Itália e seis em Espanha.
Os automóveis e táxis são fabricados com a capacidade de comprimir o ar, ligando - se à corrente eléctrica (220 V) durante a noite para recarregar o depósito num período de 3-4 horas, necessitado uma potência de cerca de 22 kW. Durante o dia o carro tem uma autonomia média de 200 km. O carro deve a sua autonomia aos depósitos de fibra que armazenam 90 metros cúbicos de ar comprimido a 300 bares de pressão. O motor funciona com ar retirado da atmosfera previamente filtrado. A expansão do ar comprimido introduzido no cilindro impulsiona os pistões conseguindo assim desenvolver movimento. O carro tem incorporado um sistema de recuperação da energia de travagem, comprimindo o ar do ambiente, injectando - o no sistema de depósitos.
O ar que sai do tubo de escape é inclusivamente mais limpo do que o ar que entrou, visto que o mesmo ar é filtrado antes de ser injectado no motor. Por outro lado, o sistema de climatização do carro aproveita o ar frio expulsado. Finalmente, devido à ausência de combustão, a mudança de óleo só terá de se realizar no fim de cada 50.000 km.
As vantagens ecológicas fundamentais são: a não existência de combustão e o facto do ar que é expulso para a atmosfera através do tubo de escape ter uma temperatura de 0ºC. No entanto, para que todo o processo tenha zero por cento de emissões, os carros necessitam de ser carregados com electricidade produzida através de energias renováveis.
Uma vez lançados no mercado, os pequenos carros da MDI chamados CITYCATs, não deverão custar mais do que um carro da gama média - entre € 8.000 e € 10.000.
No caso dos Açores, com o grande potencial disponível em termos de geotermia e energia eólica, esta tecnologia revela -se bastante promissora.
ARENA - Agência Regional da Energia da Região Autónoma dos Açores
O Motor Stirling foi inventado por Robert Stirling em 1816, sendo um motor de baixa poluição, porque o calor é aplicado externamente a partir de qualquer fonte de calor. Pode ser alcançada uma combustão mais completa do combustível num motor de combustão externo resultando assim numa emissão mais limpa e ecológica. Este tipo de motor pode operar bem numa variedade de combustíveis, por exemplo gás natural, propano, álcool, hidrogénio, gasolina, combustíveis sólidos, ou mesmo calor solar.
O motor stirling tem um funcionamento silencioso em contraste com os habituais motores de combustão interna que utilizam combustíveis fosseis. Este motor não utiliza CFCs e não produz resíduos que destroem o ambiente. São alcançadas eficiências termodinâmicas mais elevadas nos motores de ciclo de stirling em comparação com outros motores térmicos.
O motor Stirling não tem um funcionamento complicado. Não há carburadores, sistemas de ignição, válvulas, ou outros mecanismos complicados. Este tipo de motores opera através da expansão do ar quando este é aquecido, e a contracção deste mesmo ar quando arrefece.
A fonte de calor pode ser madeira, fuelóleo, luz do sol, ou fonte geotérmica. O arrefecimento é feito pela água, ar, ou até por cubos de gelo.
A razão pela qual este tipo de motor não é muito comum na maior parte das aplicações, nomeadamente em automóveis é porque a fonte de calor é externa e o motor necessita de algum tempo para aquecimento antes que este produza trabalho útil e também não é possível fazer uma variação rápida da sua potência, esto porque leva algum tempo para que o calor seja conduzido através das paredes dos cilindros para o ar no seu interior.
Fonte: www.arena.com.pt
O hidrogénio é o elemento químico que na tabela periódica ocupa a primeira casa e é representado pela letra H.
Ocupando a primeira casa da tabela tem um número átomico de 1 e uma massa atómica também muito próxima de 1, dado que o seu isótopo mais abundante tem um núcleo unicamente constituído por um protão.
A temperatura e pressão normais, isto é, 0 ºC e 1 atm apresenta-se como um gás e é extremamente inflamável, não tem cor nem odor.
As suas moléculas são constituídas por dois átomos (molécula diatómica) que partilham entre si os seus dois únicos electrões.
É o elemento mais abundante no Universo e um dos mais abundantes na Terra.
Está presente na água e em todos os compostos orgânicos e organismos vivos, podendo reagir quimicamente com muitos outros compostos.
As suas aplicações são diversas, incluindo a produção de amónia, como combustível alternativo e como fonte de energia em células combustíveis.
Apesar da sua abundância no universo, o hidrogénio é difícil de produzir em grandes quantidades. Hoje em dia o processo mais utilizado é o steam reforming do gás natural (operação a alta temperatura em que o gás natural é contactado com vapor de água). Outro meio de produzir hidrogénio é por electrólise da água mas economicamente ineficiente para uma produção em massa. Em laboratório pode ser preparado por reacção de ácidos com metais, por exemplo, ácido nítrico sobre uma placa de zinco.
O hidrogénio 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 reacção química fosse o hidrogénio.
Só em 1766, Henry Cavendish reconheceu este gás como uma substância química individualizada. Identificou o gás libertado a partir da reacção 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 hidrogénio ao elemento químico e provou que a água é composta de hidrogénio e oxigénio.
A primeira utilização do hidrogénio foi em balões.
O átomo de hidrogénio 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 electrão. Devido à sua simplicidade foi crucial no desenvolvimento dos modelos atómicos.
Harold C. Urey, descobriu o deutério, um isótopo do hidrogénio 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 prémio Nobel em 1934. Este isótopo do hidrogénio 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 hidrogénio é muito leve, um átomo de deutério tem aproximadamente o dobro da massa de um átomo de prótio.
Um outro isótopo de hidrogénio, o trítio, em que o núcleo é constituído por um protão e dois neutrões, assume uma importância particular nas reacções de fusão nuclear.
O hidrogénio é um dos elementos com maior importância no nosso dia a dia. Existem dois átomos de hidrogénio em cada molécula de água e uma boa parte dos átomos que constitutem as moléculas que suportam a vida são de hidrogénio.
O hidrogénio é o elemento mais leve, sendo o núcleo do seu isótopo mais abundante constituído unicamente por um protão. O hidrogénio 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 factor limitante na indústria.
Elevadas quantidades de hidrogénio são necessárias em industrias químicas e petrolíferas, nomeadamente no processo "Harber" para produção de amónia o quinto composto com maior produção industrial.
Além da produção de amónia o hidrogénio é também utilizado na hidrogenação de gorduras e óleos, hidroalquilações, hidrossulfuração, hidrocraking, bem como na produção de metanol entre outras.
O hidrogénio está actualmente a ser testado como fonte de energia "limpa" para utilização em transportes. A reacção do hidrogénio com o oxigénio, 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 actuais que utilizam a combustão de hidrocarbonetos de origem fóssil.
Uma outra enorme promessa do hidrogénio 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 hidrogénio, libertando enormes quantidades de energia. Esta reacção, que já foi utilizada, na sua forma "descontrolada" nas bombas de hidrogénio, se for levada a cabo de uma forma controlada poderá permitir ter uma fonte de energia quase inesgotável.
Fonte: www.e-escola.pt
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 electropositiva, 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.
Nome: Hidrogênio
Número Atómico: 1
Símbolo Químico: H
Massa Atômica: 1.00794
Electronegatividade:
Pauling: 2.2
Absoluta: 7.18 eV
Electroafinidade: 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 +: 1x10-05 pm
1s : 1312 kJ mol-1
H -? H + : 1312 kJ mol-1
Substância Elementar Mais Comum: H\d2
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
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
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".
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.
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.
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 actualmente aplicações diversas que passam pela sua utilização em RMN (espectroscopia de ressonância magnética nuclear) ou na obtenção de energia através de fusão nuclear.
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.
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.
Fonte: www.if.ufrj.br
