O Hidrogênio na Tabela Periódica

1. INTRODUÇÃO 

1. Hidrogênio

O hidrogênio é um gás insípido, inodoro, incolor e quase insolúvel em água. O termo hidrogênio vem do grego hydros e genes, significando, portanto, formador de água (lembre-se que a água pode ser sintetizada pela queima de hidrogênio em presença de oxigênio). É o elemento mais abundante do universo, cerca de 89% de todos os elementos, correspondendo a 0,9% da massa total do nosso planeta. Entretanto, existe pouco hidrogênio livre, isso se deve ao fato de que por ser tão leve o campo gravitacional da terra é pequeno demais para exercer atração sobre este elemento. É necessário átomos mais pesados para que o hidrogênio permaneça em nosso planeta, por isso a maior parte do hidrogênio da terra é encontrado em forma de água, nos oceanos ou presa no interior dos minerais (ATKINS et al., 2006; BRADY et al., 2000).

1.  O Hidrogênio na Tabela Periódica

A posição do hidrogênio na tabela periódica tem sido contestada. Sua configuração eletrônica, 1s1, é semelhante às configurações de elétrons de valência dos metais alcalinos (ns1); por isso, o hidrogênio é mais comumente listado na tabela periódica no topo do Grupo 1. No entanto, o hidrogênio tem pouca semelhança química com os metais alcalinos. O hidrogênio tem também um elétron a menos de uma configuração de gás nobre e poderia ser classificado com os halogênios. Contudo, o hidrogênio tem apenas semelhanças limitadas com os halogênios – por exemplo, na formação de uma molécula diatômica e um íon de carga 1–. Uma terceira possibilidade é colocar o hidrogênio no Grupo 14 acima de carbono: ambos os elementos possuem níveis de elétrons de valência semipreenchidos, são de eletronegatividade semelhante e geralmente formam ligações covalentes ao invés de ligações iônicas. Outra possibilidade ainda é não encaixar o hidrogênio em nenhum grupo em especial; o hidrogênio é suficientemente exclusivo e merece uma consideração separada. (MIESSLER et al., 2014)

1. Propriedades Químicas

O hidrogênio pode ganhar um elétron para alcançar uma configuração de gás nobre na formação de hidreto, H−.  Os metais alcalinos e alcalino-terrosos formam hidretos que são essencialmente iônicos e contém evidentes íons H−. O íon hidreto é um potente agente redutor; ele reage com a água e com outros solventes próticos para gerar H2:

H− + H2O → H2 + OH−

Os íons hidreto também atuam como ligantes na ligação com metais, com até nove hidrogênios sobre um único metal, como em ReH92−. Os hidretos do grupo representativo, como BH4− e AlH4−, são importantes agentes redutores para a síntese química. Embora tais complexos sejam nomeados “hidretos”, sua ligação é essencialmente covalente, sem íons H− definidos.

A referência ao “íon hidrogênio”, H+, é comum. No entanto, em solução, o tamanho extremamente pequeno do próton (raio de aproximadamente 1,5 × 10−3 pm) leva a uma densidade de carga extremamente elevada e exige que H+ seja associado com as moléculas de solventes ou solutos através de ligações de hidrogênio. Em solução aquosa, uma descrição mais correta é H3O+(aq), embora tenham sido identificadas espécies maiores tais como H9O4+.

A combustibilidade do hidrogênio, com a falta de subprodutos poluentes, torna o hidrogênio atraente como um combustível. Como combustível para automóveis e ônibus, o H2 fornece mais energia por unidade de massa do que a gasolina, sem produzir subprodutos prejudiciais como o monóxido de carbono, o dióxido de enxofre e os hidrocarbonetos residuais. (MIESSLER et al., 2014)

1. O Hidrogênio e seus isótopos

O Hidrogênio é encontrado de três formas diferentes na natureza (isótopos) – hidrogênio, deutério e trítio. O hidrogênio (hidrogênio comum, ou próton, 1H) possui um elétron e um próton. O deutério (2H ou D) possui um elétron e um nêutron e o trítio (3H ou T) possui um elétron, um próton e dois nêutrons (SHRIVER et. al, 2003; ATKINS et al., 2006). Tanto o 1H quanto o 2H tem núcleos estáveis; 3H sofre decaimento  (à direita) e tem uma meia-vida de 12,35 anos. O hidrogênio de ocorrência natural é 99,985% 1H e essencialmente todo o restante é de 2H; apenas traços de 3H radioativo são encontrados no planeta. Compostos de deutério são usados como solventes para espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) e em estudos cinéticos de reações envolvendo ligações de hidrogênio (efeitos do isótopo deutério). O trítio é produzido em reatores nucleares por bombardeamento de núcleos de 6Li com nêutrons (a direita). O trítio tem aplicações como um marcador – por exemplo, para estudar o movimento da água do solo – e para estudar absorção de hidrogênio por metais e a adsorção de hidrogênio em superfícies metálicas. O trítio também é utilizado como fonte de energia para “relógios de trítio” e outros dispositivos de cronometragem. Algumas das propriedades importantes dos isótopos de hidrogênio são listadas na tabela a seguir.[pic 1]

Tabela 1: Propriedades do hidrogênio, deutério e trítio.[pic 2]Fonte: MIESSLER et al., 2014.

1. Obtenção de Hidrogênio

O hidrogênio pode ser obtido através de alguns métodos comuns e laboratório, por exemplo, entre reações de ácidos diluídos com metais e bases com metais que formam hidróxidos anfóteros, entre outros.

• Reação de um metal com um ácido: os ácidos reagem com os metais rapidamente e não oxidam o hidrogênio formado. Entretanto, alguns ácidos são oxidantes fortes, como o ácido sulfúrico concentrado, e, quando reagem com os metais, ocorre a redução dos seus íons negativos, o metal é oxidado e, em vez de hidrogênio, forma-se água (MIESSLER et al., 2014; ATKINS et al., 2006).
• Reação de um metal com uma base: realizada com soluções concentradas de bases fortes. Essa reação se dá apenas com os metais zinco, alumínio e estanho que ao reagirem com as soluções de bases fortes produzem gás hidrogênio e sais não muito comuns (MIESSLER et al., 2014; ATKINS et al., 2006).

Ambos os métodos para a sua obtenção são eficientes, entretanto, a escolha do método vai depender da quantidade a ser produzida e do grau de pureza (SHRIVER et. al., 2003; ATKINS et al., 2006).

Um desafio é desenvolver processos práticos térmicos ou fotoquímicos para gerar hidrogênio a partir de sua fonte mais abundante: a água.