i hidrogen | enciclopèdia.cat

OBRES

OBRES

Divulgació científica
Estadístiques
Gran enciclopèdia catalana

hidrogen

Símbol d’H, hidrógeno (es), hydrogen (en)
substantiu masculím
Química
Símbol d’H, hidrógeno (es), hydrogen (en)
química quím
El més simple i el primer dels elements de la taula periòdica, amb un sol protó al nucli i un electró al nivell d’energia 1s (que no pot contenir-ne més de dos).

Això explica que els àtoms d’hidrogen pervinguin a un estat d’energia menys elevat i que s’aparellin per formar molècules d’hidrogen. L’element natural és una mescla de tres núclids: 1 o proti (99,98%), 2 o deuteri (0,02%) i 3 o triti (< 10-7%). Al segle XV fou anomenat aire inflamable per Paracels, que l’obtingué atacant el ferro amb àcids; fou aïllat i estudiat per Cavendish el 1766, el qual demostrà més tard, juntament amb Watt (1781), que la seva combustió produïa aigua.

L’hidrogen sembla ésser l’element més abundant de l’Univers; l’anàlisi de la llum que emeten els estels indica que la majoria d’aquests són constituïts principalment d’hidrogen. Gairebé inexistent en estat lliure o no combinat, és present ocasionalment en els gasos d’origen volcànic; l’atmosfera en conté el 0,01%, sobretot a les parts altes, com ho demostra l’estudi de les aurores boreals. Més difós en estat combinat, constitueix l’11,2% de la massa de l’aigua i un 10%, aproximadament, de la del cos humà. Totes les plantes i els teixits animals es componen d’hidrogen, unit amb l’oxigen, el carboni, el nitrogen, el sofre i d’altres elements.

És el més lleuger de tots els gasos, i produeix els fenòmens de difusió, a través d’una paret porosa (llei de Graham), i d’efusió, a través d’un orifici reduït. A causa de la petitesa de la seva molècula, que transmet ràpidament l’agitació tèrmica produïda per una elevació de temperatura, és també el gas més bon conductor de la calor. Les molècules d’hidrogen són diatòmiques i molt estables fins a la temperatura de 1 200°C a 1 300°C; a 1 727°C comença a dissociar-se (H2 →2H — 100 kcal), i a 5 727°C la dissociació és total, però el temps de vida dels àtoms és molt curt i la reconstitució de les molècules es produeix ràpidament, amb un gran despreniment de calor (100 kcal/mol); sobre aquesta propietat es basa el principi del bufador d’hidrogen atòmic de Langmuir, que permet d’obtenir altes temperatures (3 700°C a 4 000°C) i medis extraordinàriament reductors.

L’hidrogen molecular presenta el fenomen de l’al·lotropia dita dinàmica, és a dir, existeix sota dues formes de la mateixa densitat, però que tenen propietats físiques distintes; l’equilibri entre ambdues formes, anomenades ortohidrogen i parahidrogen, depèn de la temperatura (oH2pH2 + Q); la proporció de la varietat para és del 100% a 0°C, disminueix quan la temperatura augmenta i arriba a atènyer un valor mínim del 25% als voltants de 0°C. L’existència de dos tipus de molècules d’hidrogen resulta de la rotació dels dos àtoms de la molècula, rotació que els confereix un moment magnètic i, per consegüent, un spin. La preparació industrial de l’hidrogen té lloc per oxidació del monòxid de carboni del gas d’aigua a 450-500°C en presència de catalitzadors (òxid de ferro activat amb Cr2O3 o NiO), segons la reacció H2 + CO + H2O →CO2 + 2H2 + 10 kcal; un altre mètode consisteix a eliminar el CO per acció directa del gas d’aigua sobre l’hidròxid de calci a 400-450°C: H2 + CO + Ca(HO)2 →CaCO3 + 2H2; l’hidrogen també és obtingut recuperant-lo dels gasos que es desprenen en l’obtenció del coc, liquidant-ne o solidificant-ne els gasos menys volàtils. Als EUA, país ric en gasos naturals, hom prepara l’hidrogen per craqueig simple o bé oxidant el metà: CH4 →C + 2H2 — 19 kcal; 2CH4 + O2 →2CO + 4H2 + 14 kcal; CH4 + H2O →CO + 3H2 — 51 kcal; CH4 + CO2 →2CO + 2H2 — 61 kcal. Un altre procediment industrial, avui dia gairebé abandonat, consisteix a reduir l’aigua pel ferro a 570°C: 3Fe + 4H2O →Fe3O4 + 4H2 + 35 kcal; a una temperatura superior la reacció té lloc en dues etapes: Fe + H2O →FeO + H2 + 6 kcal, i 3FeO + H2O →Fe3O4 + H2 + 17 kcal.

Al laboratori, quan no és emprat l’hidrogen que es troba en el comerç en tubs d’acer sota una pressió de 150-220 atm, hom en pot obtenir petites quantitats atacant el zinc per l’àcid sulfúric en l’aparell de Kipp; la reacció és Zn + H2SO4 →ZnSO4 + H2. Atesa la seva estructura electrònica, teòricament l’hidrogen pot ésser electropositiu (H+) o electronegatiu (H-), però de fet és gairebé sempre electropositiu. La seva energia d’ionització (H →H+ + e — 310 kcal) explica que doni solament enllaços covalents i, malgrat la feble afinitat electrònica que posseeix (H + e →H- + 16 kcal), l’ió H- només existeix en els hidrurs alcalins o alcalinoterris, l’electròlisi dels quals, una vegada fosos, produeix un despreniment d’hidrogen a l’ànode. L’ió H+ o protó, anomenat ió hidrogen, és present a les solucions aquoses en forma hidratada H3O+ i té un paper fonamental en el concepte d'àcid.

L’hidrogen es combina amb un nombre considerable d’elements, i els composts binaris corresponents es classifiquen en tres grups d’estructures moleculars diferents. En primer lloc hi ha els composts volàtils covalents, que són obtinguts sovint amb un gran despreniment de calor (oxigen, fluor, clor). La combustió de l’hidrogen és fortament exotèrmica (H2 + 1/2 O2 →H2O + 58 kcal) i és utilitzada en el bufador oxhídric. En segon lloc hi ha els hidrurs de caràcter salí, obtinguts per acció directa de l’hidrogen sobre el metall corresponent; són veritables sals, ben cristal·litzades, en les quals l’hidrogen es presenta sota la forma d’ió negatiu. I en tercer lloc hi ha els hidrurs metàl·lics corresponents als metalls de transició. Amb una gran afinitat pel clor i l’oxigen, l’hidrogen redueix molts de llurs composts; redueix els òxids de sofre, de nitrogen i d’arsènic, i també els òxids dels metalls preciosos, del plom i del coure. Amb els òxids del ferro i dels metalls veïns les reaccions són reversibles. En presència d’un catalitzador pot produir-se una reducció seguida d’una hidrogenació; així, per exemple, el platí permet de passar dels òxids de nitrogen a amoníac, i la mescla d’òxid de carboni i d’hidrogen permet d’obtenir metà emprant com a catalitzador níquel reduït. La hidrogenació catalítica és emprada també en el procés de Bergius i per a endurir els olis (hidrogenació de composts orgànics no saturats). Quan la reacció és portada a terme en el medi mateix en què es produeix l’hidrogen, aquest intervé sota una forma particularment activa, anomenada hidrogen naixent, que hom suposa composta d’hidrogen atòmic.

L’hidrogen és actualment un gas industrial de primera importància. Ha estat emprat durant molt de temps per a inflar els dirigibles, però els nombrosos accidents que ha provocat la seva inflamabilitat han fet que hom el substituís per l’heli, gas menys lleuger però ininflamable. L’hidrogen és utilitzat en un gran nombre d’operacions industrials; entre les més importants hi ha la síntesi de l’amoníac, la hidrogenació dels olis de peixos i dels olis d’hulla i la fabricació del metanol i dels carburants sintètics.La combinació de l’hidrogen amb l’oxigen és una combustió que allibera energia de manera similar a la del carbó o el petroli, amb l’avantatge que en un procés de combustió, l’únic producte residual és l’aigua. L’altre avantatge és que es troba a la natura en molta abundància perquè forma part de l’aigua. L’hidrogen està considerat com un vector energètic de gran versatilitat que exercirà en un futur un paper preponderant en el transport, emmagatzematge i conversió instantània en una energia útil, de formes d’energia diverses que, pel fet de tenir una producció irregular amb períodes excedentaris, especialment en forma d’electricitat, no es poden emmagatzemar. La importància de l’hidrogen com a vector energètic s’ha anat consolidant gràcies al desenvolupament tecnològic lligat a les piles de combustible (per a convertir el gas hidrogen en electricitat i calor) i en formes d’emmagatzematge del gas competitives. Tanmateix, pel que fa a la mateixa generació de l’hidrogen, el repte es troba en la utilització d’electricitat de fonts renovables d’energia, per tal d’electrolitzar aigua. Amb aquest origen, l’hidrogen es podria considerar una forma d’energia neta, no emissora de gasos d’efecte hivernacle, capaç de generar electricitat de forma distribuïda, amb una gran eficiència i versatilitat. Les principals iniciatives amb relació a aquesta possible alternativa energètica es duen a terme al Japó, a través del seu ministeri d’indústria i comerç, amb el programa denominat New Hydrogen Energy System. Es tracta d’un pla d’investigació i recerca que començà a desenvolupar-se el 1994.

Propietats físiques de l’hidrogen

H  
nombre atòmic 1
pes atòmic 1,0079
estructura electrònica 1s1
estats d’oxidació +1, −1
densitat 0,071 g/ml
punt de fusió −259,14ºC
punt d’ebullició −252,87ºC
 temperatura crítica 33 K 
pressió crítica  1,29MPa 
radi iònic  (H−1): 1,54 Å 
 potencial d’ionització 13,598 eV 

Col·laboració: 
JCoR / JMSaT
Llegir més...