L'hidrogen atòmic d'ocurrència natural és molt rar a la Terra, ja que forma fàcilmentcompostos covalents amb la majoria d'elements i es troba present a lamolècula d'aigua i en la majoria decompostos orgànics. L'hidrogen té un paper molt important en laquímica d'àcid-base: en moltes reaccions s'intercanvienprotons entre molècules solubles.
Encompostos iònics, l'hidrogen pot prendre una càrrega negativa (en forma d'unanió conegut com ahidrur que s'escriu H−), o bé una càrrega positiva (catió H+). Aquest darrer s'escriu com si fos un simple protó però, en realitat, els cations d'hidrogen en compostos iònics ocorren en espècies més complexes. D'altra banda, l'isòtop més comú de l'hidrogen és elproti (símbol ¹H), que té un sol protó i capneutró. Com que es tracta de l'àtom conegut més simple, l'àtom d'hidrogen ha estat molt utilitzat per resoldre problemes teòrics: per exemple, com que és l'únic àtom neutre que té una solució analítica de l'equació de Schrödinger, l'estudi de l'energètica i dels enllaços de l'àtom d'hidrogen tingué un paper clau en el desenvolupament de lamecànica quàntica.
L'hidrogen gas fou produït artificialment per primer cop als inicis del segle xvi mitjançant la barreja de metalls i àcids forts. En els anys 1766–81,Henry Cavendish fou el primer a reconèixer que l'hidrogen era una substància distinta[4] i que produeix aigua quan es crema, propietat que més tard li donà a l'element el seu nom actual: el nom «hidrogen» és una derivació delgrec que significa 'formador d'aigua'.
La producció industrial es fa principalment a partir de lareformació amb vapor de gas natural i, menys freqüentment, a partir de mètodes deproducció d'hidrogen com l'electròlisi de l'aigua.[5] La majoria de l'hidrogen es fa servir prop del seu lloc de producció; els dos usos majoritaris són el processament decombustible fòssil (per exemple, l'hidrocraqueig) i la producció d'amoníac, bàsicament per al mercat de fertilitzants. Finalment, l'hidrogen és una preocupació important en l'àmbit de lametal·lúrgia, ja que potfragilitzar molts metalls,[6] cosa que complica el disseny de productes com canonades i dipòsits d'emmagatzematge.[7]
L'hidrogen gas (dihidrogen o hidrogen molecular)[8] és altament inflamable i crema en aire en un ampli ventall de concentracions, d'entre el 4% i el 75% en volum.[9] L'entalpia de combustió de l'hidrogen és de −286 kJ/mol:[10]
L'hidrogen gas forma una barreja explosiva amb l'aire si està concentrat al 4-75% i ambclor si està concentrat al 5-95% (percentatges en volum). Les barreges exploten espontàniament a partir deguspires, calor o llum del Sol. Latemperatura d'autoignició de l'hidrogen –la temperatura d'ignició espontània en aire– és de 500 °C.[11] Les flames d'hidrogen-oxigen pur emetenllum ultraviolada i són pràcticament invisibles a l'ull nu, tal com es pot comprovar comparant la flama delmotor principal del transbordador espacial (rastre tènue) amb la delcoet accelerador sòlid del transbordador espacial (rastre altament visible). Per detectar una fuga d'hidrogen pot ser necessari undetector de flames; aquest tipus de fugues poden ser molt perilloses. Eldesastre del Hindenburg és un exemple del que pot provocar la combustió de l'hidrogen: la causa que el provocà no està clara, però se sap que les flames visibles provenien dels materials combustibles del revestiment de la nau.[12] Com que l'hidrogenflota en l'aire, les flames d'hidrogen tendeixen a ascendir ràpidament i causen menys desperfectes que els focs causats perhidrocarburs. Dues terceres parts dels passatgers del Hindenburg van sobreviure a l'incendi; moltes morts van ser causades per la caiguda de combustible dièsel en combustió.[13]
Elnivell d'energia de l'estat fonamental de l'electró en un àtom d'hidrogen és de −13,6eV, que equival a unfotó ultraviolat d'unalongitud d'ona d'aproximadament 92nm.[15] Els nivells d'energia de l'hidrogen es poden calcular d'una manera força precisa fent servir elmodel de Bohr de l'àtom, que conceptualitza l'electró com si orbités al voltant del protó d'una manera anàloga a com la Terra orbita al voltant del Sol. Tanmateix, laforça electromagnètica atrau els electrons i els protons l'un a l'altre, mentre que els planetes i cossos celestes tan sols s'atrauen els uns als altres mitjançant laforça de la gravetat. A causa de la discretització delmoment angular postulat per Bohr durant les primeres passes de lamecànica quàntica, en el model de Bohr l'electró tan sols té permès ocupar unes certes distàncies respecte al protó i, per tant, només pot tenir certes energies.[16]
Esquema d'un àtom d'hidrogen en el qual es mostra la mida del protó central i el diàmetre atòmic com aproximadament el doble que el radi delmodel de Bohr (la imatge no està a escala).Densitats de probabilitat dels primers orbitals de l'àtom d'hidrogen (vista de secció). El nivell d'energia d'unelectró enllaçat determina l'orbital que ocupa, i el color reflecteix la probabilitat de trobar l'electró en una posició donada.
Una descripció més precisa de l'àtom d'hidrogen es pot fer mitjançant el tractament purament mecanicoquàntic que fa servir l'equació de Schrödinger o laintegral de camí de Feynman per calcular ladensitat de probabilitat de l'electró al voltant del protó.[17] Els estudis més complicats tenen en compte els efectes de larelativitat especial i de lapolarització del buit. En el tractament mecanicoquàntic, l'electró en un estat fonamental d'àtom d'hidrogen no té gens de moment angular, la qual cosa il·lustra com la concepció d'«òrbita planetària» del moviment de l'electró al voltant del protó difereix de la realitat.
Existeixen dues formes de molècules d'hidrogen que difereixen per l'espín relatiu dels seus nuclis, donant lloc aisomeria d'espín de l'hidrogen.[18] En la forma d'ortohidrogen, els espins dels dos protons són paral·lels i formen un triplet amb un nombre quàntic d'espín molecular d'1 (½+½); d'altra banda, en la forma deparahidrogen els espins són antiparal·lels i formen un singulet amb un nombre quàntic d'espín molecular de 0 (½–½). Encondicions estàndard de pressió i temperatura, l'hidrogen gas conté al voltant d'un 25% de la forma para i un 75% de la forma orto, també coneguda com la «forma normal».[19] La proporció d'equilibri de l'ortohidrogen respecte al parahidrogen depèn de la temperatura, però com que la forma orto és unestat excitat i té una energia més elevada que la forma para, és inestable i no es pot purificar. A temperatures molt baixes, l'estat d'equilibri està compost gairebé exclusivament per la forma para. Les propietats tèrmiques del parahidrogen en fase líquida i gasosa difereixen d'una manera significativa dels de la forma normal a causa de les diferències en les capacitats tèrmiques rotacionals (vegeuisòmers d'espín de l'hidrogen).[20] La distinció orto/para també té lloc en altres molècules o grups funcionals que contenen hidrogen (tals com l'aigua i elmetilè) però no té gaire importància per a les seves propietats tèrmiques.[21]
Experiment d'espectre d'hidrogen
La interconversió sense catalitzador entre hidrogen para i orto creix quan la temperatura augmenta; és per això que elH 2 condensat ràpidament conté grans quantitats de forma orto d'alta energia que es converteix en forma para molt a poc a poc.[22] La proporció orto/para enH 2 condensat és una consideració important en la preparació i emmagatzematge d'hidrogen líquid: la conversió d'orto a para ésexotèrmica i produeix prou calor per evaporar part de l'hidrogen líquid, cosa que condueix a la pèrdua de material liquat. Elscatalitzadors de la interconversió orto-para, tals com l'òxid de ferro (III), elcarbó actiu, l'asbest platinat, lesterres rares, els compostos d'urani, l'òxid de crom (III) o alguns compostos de níquel,[23] es fan servir durant el refredament de l'hidrogen.[24]
Tot i que elH 2 en condicions estàndard no és gaire reactiu, forma compostos amb la majoria d'elements. Pot formar compostos amb elements que són méselectronegatius, com elshalògens (com per exemple el F, el Cl, el Br o el I) o l'oxigen: en aquest tipus de compostos l'hidrogen pren una càrrega positiva parcial.[25] Quan s'enllaça amb elfluor, l'oxigen o elnitrogen, l'hidrogen pot participar en una forma d'enllaç no covalent de força mitjana que s'anomenaenllaç d'hidrogen, el qual és crític per l'estabilitat de moltes molècules biològiques.[26][27] L'hidrogen també forma compostos amb elements menys electronegatius com elsmetalls i elsmetal·loides, en els quals pren una càrrega negativa parcial: aquests compostos es coneixen com ahidrurs.[28]
L'hidrogen es pot associar amb elcarboni per formar un ampli ventall de compostos anomenatshidrocarburs, i un rang encara més ampli ambheteroàtoms que s'anomenencompostos orgànics (per la seva associació amb els éssers vius).[29][30] L'àrea d'estudi de les seves propietats es coneix com aquímica orgànica[31] i el seu estudi en el context d'organismes vius es coneix com abioquímica.[32][33] Segons algunes definicions, per anomenar els compostos «orgànics» com a tals tan sols és necessari que continguin carboni. Tanmateix, la majoria també contenen hidrogen i, com que l'enllaç carboni-hidrogen és el que els dona la majoria de les seves característiques químiques, de vegades es considera que els enllaços carboni-hidrogen són necessaris per a fer servir l'adjectiu «orgànic».[29] Es coneixen milions d'hidrocarburs, els quals solen estar formats per complicades seqüències sintètiques que poques vegades impliquen l'hidrogen elemental.
Els compostos d'hidrogen se solen anomenarhidrurs. El terme «hidrur» implica que l'àtom de H adquireix un caràcter negatiu o aniònic, denotat per H−, i es fa servir quan l'hidrogen forma un compost amb un element méselectropositiu. L'existència de l'anió hidrur, suggerida perGilbert Newton Lewis el 1916 pels hidrurs salins dels grups I i II, fou demostrada per Moers el 1920 mitjançant l'electròlisi de l'hidrur de liti fos (LiH) produint una quantitat d'hidrogenestequiomètrica a l'ànode.[34] Pels hidrurs d'altres grups que no són l'I o el II, el terme és una mica confús a causa de la baixa electronegativitat de l'hidrogen. Una excepció dels hidrurs del grup II és elBeH 2, que és polimèric. En l'hidrur de liti i alumini, l'anióAlH− 4 té els centres dels hidrurs fermament lligats al Al(III).
Tot i que els hidrurs es poden formar amb gairebé tots els elements del grup principal, el nombre i combinacions de possibles compostos és molt divers per cadascun: per exemple, es coneixen més de 100 hidrurs de bor binaris (borans), però només un d'alumini binari.[35] L'hidrur d'indi binari encara no ha estat identificat, tot i que existeixen complexos més grossos.[36]
L'oxidació de l'hidrogen fa que perdi el seu electró i esdevingui el catió H+, que no té cap electró i consta d'unnucli compost normalment d'un sol protó; és per això que alH+ se'l sol anomenar simplement «protó». Aquesta espècie química és molt important per l'estudi delsàcids. Segons lateoria de Brønsted i Lowry, els àcids cedeixen protons mentre que les bases n'accepten.
Un protó aïllat,H+ , no pot existir en solució o en cristalls iònics a causa de la seva atracció imparable cap a altres àtoms o molècules amb electrons. Excepte en altes temperatures associades amb plasmes, els protons no es poden extreure delsnúvols d'electrons d'àtoms i molècules, per la qual cosa hi romanen enllaçats. Tanmateix, el terme «protó» de vegades es fa servir sense gaire rigor per referir-se metafòricament a l'hidrogen carregat positivament (o hidrogencatiònic) enllaçat a altres espècies i, com a tal, es denota per «H+ » sense que això impliqui que hagi d'existir el protó lliure.
Per a no donar la impressió que hi ha «protons solvatats» lliures en solució, de vegades es considera que les solucions aquoses àcides contenen una espècie menys fictícia anomenada «ióoxoni» (H 3O+ ). Tot i això, fins i tot en aquest cas, aquests cations d'hidrogen solvatats estan organitzats físicament en clústers que formen espècies més properes alH 9O+ 4.[38] Es troben d'altresions oxoni quan l'aigua està en solució àcida amb altres solvents.[39]
Tot i que a la Terra és exòtic, un dels ions més comuns de l'Univers és elH+ 3, conegut com ahidrogen molecular protonat o, simplement, com catió trihidrogen.[40]
Tub de descàrrega de deuteri (espectre)El proti, l'isòtop més comú de l'hidrogen, té un protó i un electró. És únic entre tots els isòtops estables perquè no té neutrons.
L'hidrogen té tres isòtops d'ocurrència natural que es denoten per1 H,2 H i3 H. S'han sintetitzat al laboratori altres nuclis altament inestables (del4 H al7 H) però no s'han observat a la naturalesa.[41][42]
El1 H és l'isòtop més comú de l'hidrogen, amb una abundància de més del 99,98%. Com que elnucli d'aquest isòtop consisteix en un sol protó, se li dona el nom de «proti».[43]
El2 H, l'altre isòtop estable de l'hidrogen, es coneix com a «deuteri» i conté un protó i unneutró al seu nucli. Es creu que tot el deuteri de l'Univers es va produir a l'època delbig-bang i que ha perdurat des de llavors. El deuteri no és radioactiu i no representa un perill gaire important. L'aigua enriquida amb molècules que contenen deuteri en comptes d'hidrogen normal s'anomenaaigua pesant. El deuteri i els seus compostos es fan servir com a marca no radioactiva en experiments químics i en dissolvents per l'espectroscòpia RMN-1 H.[44] L'aigua pesant es fa servir com unmoderador nuclear i refrigerant per reactors nuclears. El deuteri també és un potencial combustible per lafusió nuclear comercial.[45]
El3 H es coneix com a «triti» i conté un protó i dos neutrons al seu nucli. Ésradioactiu i es desintegra enheli-3 mitjançant ladesintegració beta amb unperíode de semidesintegració de 12,32 anys.[37] És tan radioactiu que es pot fer servir com apintura lluminosa, la qual cosa el fa especialment útil per coses tals com rellotges de polsera, en els quals el vidre prevén que la petita quantitat de radiació surti.[46] Petites quantitats de triti ocorren naturalment a causa de la interacció de raigs còsmics amb gasos atmosfèrics; també s'ha alliberat triti durantproves d'armes nuclears.[47] Es fa servir en reaccions de fusió nuclear,[48] com a rastrejador engeoquímica d'isòtops[49] i en aparells d'il·luminació amb triti.[50] Finalment, el triti també s'ha fet servir en experiments de marcatge químics i biològics.[51]
L'hidrogen és l'únic element que té diferents noms d'ús comú pels seus isòtops. Durant els inicis de l'estudi de laradioactivitat, alguns isòtops molt radioactius van rebre noms propis que ja no s'usen en l'actualitat, excepte els del deuteri i el triti. De vegades, per aquests isòtops es fan servir els símbols D i T (en comptes de2 H i3 H), però el que seria el símbol corresponent pel proti (P) ja està assignat alfòsfor.[52] LaUnió Internacional de Química Pura i Aplicada (IUPAC) permet en les seves regles denomenclatura fer servir tant D i T com2 H i3 H, encara que diu que és preferible aquesta darrera forma.[53] El terme «hidró» s'utilitza per referir-se de manera general a la forma catiònica de l'hidrogen atòmic.
Z: nombre de protons. N: nombre de neutrons. Els valors marcats amb# són valors esperats que no han pogut ser comprovats experimentalment. Els valors entre parèntesis són incerts.
El 1671,Robert Boyle descobrí i descrigué la reacció entre llimadures deferro iàcid diluït, la qual resulta en la producció d'hidrogen gas.[54][55] El 1766,Henry Cavendish fou el primer a reconèixer hidrogen gas en una substància individual; anomenà el gas d'unareacció metall-àcid «aire inflamable». Especulà que aquest «aire inflamable» era, de fet, idèntic a la substància hipotètica anomenada «flogist»[56][57] i, més tard, el 1781 trobà que aquest gas produïa aigua quan cremava. Se'l sol acreditar amb la descoberta d'aquest element.[58][59] El 1783,Antoine Lavoisier va donar a l'element el nom d'«hidrogen» (del grecὕδρωhidro, 'aigua', iγενῆςgenes, 'creador')[60] quan ell iLaplace van reproduir la troballa de Cavendish produint aigua cremant hidrogen gas.[59]
Lavoisier produïa l'hidrogen pels seus famosos experiments sobre laconservació de la massa fent reaccionar un flux de vapor amb ferro metàl·lic a través d'un tub de ferro incandescent escalfat en un forn. L'oxidació anaeròbica a altes temperatures del ferro pels protons de l'aigua es pot representar esquemàticament pel conjunt d'equacions químiques següent:
Fe + H 2O → FeO +H 2
2 Fe + 3H 2O → Fe₂O₃ + 3H 2
3 Fe + 4H 2O → Fe₃O₄ + 4H 2
Molts metalls, tals com elzirconi, tenen una reacció similar amb l'aigua que resulta en la producció d'hidrogen.
El primerglobus omplert d'hidrogen fou inventat perJacques Charles el 1783;[59] l'hidrogen era el causant de l'ascensió del que fou el primer mitjà de transport aeri segur. El 1852,Henri Giffard va inventar el primerdirigible d'hidrogen.[59] L'alemanyFerdinand von Zeppelin va promoure la idea de dirigibles rígids que ascendissin amb hidrogen: es van anomenarzeppelins, i el primer vol el van fer l'any 1900.[59] Els vols regulars d'aquests vehicles aeris van començar el 1910 i, en el moment que començà la Primera Guerra Mundial (agost de 1914), ja havien transportat 35.000 passatgers sense haver tingut cap accident seriós. Durant la guerra, els dirigibles van servir com a plataformes d'observació i com a bombarders.
El primervol transatlàntic sense escales fou dut a terme pel dirigible britànicR34 l'any 1919. El servei regular de transport de passatgers es va reiniciar la dècada de 1920; la descoberta de reserves d'heli als Estats Units va fer creure en un augment de la seguretat d'aquest tipus de transport, però el govern d'aquest país rebutjà vendre gas per aquest propòsit. A causa d'això, es feu servir hidrogen pel dirigibleHindenburg, que fou destruït per un incendi mentre volava sobreNova Jersey el 6 de maig de 1937.[59] L'accident fou retransmès en directe per la ràdio i també fou filmat. Es creu que la causa fou la ignició d'hidrogen de fuites del dirigible, tot i que investigacions posteriors apuntaren que també podria ser la ignició del revestiment d'alumini perelectricitat estàtica. El que comptà, però, és que l'hidrogen havia perdut la seva reputació com agas ascendent.
El mateix any que aquests fets, va entrar en servei el primerturbogenerador refrigerat amb hidrogen aDayton (Ohio, EUA), de l'empresa Dayton Power & Light Co; l'hidrogen gas servia com arefrigerant del rotor i de l'estator.[61] Gràcies a la seva conductivitat tèrmica, l'hidrogen gas és el fluid refrigerant més utilitzat en l'actualitat.
L'acumulador de níquel-hidrogen es va fer servir per primer cop l'any 1977 a bord del satèl·lit estatunidenc NTS-2.[62] Per exemple, l'ISS,[63] el2001 Mars Odyssey[64] i laMars Global Surveyor[65] estan equipats amb bateries de níquel-hidrogen. ElTelescopi Espacial Hubble també està alimentat per bateries de níquel-hidrogen en la part fosca de la seva òrbita; les bateries van ser canviades el maig del 2009, més de 19 anys després del seu llançament i 13 anys tard respecte de quan s'hauria hagut de fer segons la seva vida prevista.
Com que l'àtom d'hidrogen és una estructura atòmica relativament simple (consisteix tan sols en un protó i un electró) ha estat important –juntament amb l'espectre de llum que produeix o absorbeix– pel desenvolupament de la teoria de l'estructura atòmica.[66] A més a més, la simplicitat de la molècula d'hidrogen i del seu catió corresponentH+ 2 van permetre una millor comprensió de la naturalesa de l'enllaç químic, que estigué precedida per l'estudi del tractament mecanicoquàntic de l'àtom d'hidrogen de mitjans de la dècada de 1920.
Un dels primers efectes quàntics que fou notat explícitament (però que, en aquella època, no fou comprès) va ser una observació de Maxwell que involucrava hidrogen, mig segle abans que es desenvolupés la teoria mecanicoquàntica completa. Maxwell va observar que lacapacitat tèrmica específica delH 2 diferia inexplicablement de la d'un gasdiatòmic per sota de la temperatura ambient i començava a assemblar-se cada cop més a la d'un gas monoatòmic a temperatures criogèniques. Segons la teoria quàntica, aquest comportament té lloc a causa de l'espaiament dels nivells d'energia rotacional, que són especialment amplis en elH 2 degut a la seva baixa massa. La gran separació entre nivells inhibeix la partició igual d'energia tèrmica en moviment de rotació a temperatures baixes. Els gasos diatòmics composts d'àtoms més pesants no tenen aquests nivells tan amplis i no presenten aquest efecte.[67]
L'hidrogen, com a H atòmic, és l'element químic mésabundant de l'Univers: constitueix el 75% de lamatèria normal segons la massa i més del 90% segons el nombre d'àtoms (la majoria de la massa de l'Univers; tanmateix, no es troba en forma de matèria de tipus element químic, sinó que es creu que pot tenir formes no detectades encara commatèria fosca ienergia fosca).[68] Aquest element es troba en gran abundància en estrelles i planetesgegants gasosos. Elsnúvols moleculars deH 2 s'associen amb laformació estel·lar. L'hidrogen té un paper vital en aquestes darreres, concretament mitjançant la fusió nuclearreacció protó-protó i elcicle CNO.[69]
Arreu de l'Univers, l'hidrogen es troba majoritàriament en els estatsatòmic iplasma, els quals tenen propietats bastant diferents que les que presenta l'hidrogen molecular. En forma de plasma, el protó i l'electró de l'hidrogen no estan enllaçats, cosa que resulta en una elevada conductivitat elèctrica i una elevada emissivitat (la qual és responsable de la producció, per exemple, de la llum del Sol i d'altres estrelles). Les partícules carregades són altament influenciades per camps elèctrics i magnètics; per exemple, en elvent solar interaccionen amb lamagnetosfera terrestre produint els fenòmens delscorrents de Birkeland i l'aurora. D'altra banda, l'hidrogen es troba en l'estat atòmic neutre en elmedi interestel·lar. Es creu que la gran quantitat d'hidrogen neutre trobada en els sistemes de Lyman-alfa esmorteïts domina la densitat bariònica cosmològica de l'Univers fins aldesplaçament cap al roigz=4.[70]
En condicions ordinàries, a la Terra l'hidrogen elemental existeix en forma de gas diatòmicH 2. L'hidrogen gas és molt rar en l'atmosfera terrestre (1ppm de volum) a causa de la seva lleugeresa, la qual li permetescapar de la gravetat terrestre més fàcilment que gasos més pesants. D'altra banda, és el tercer element més abundant de la superfície terrestre,[71] majoritàriament en forma decompostos químics tals com elshidrocarburs i l'aigua.[37] L'hidrogen gas és produït per algunsbacteris ialgues i és un component natural de lesflatulències (igual que elmetà).[72]
Una forma molecular anomenadahidrogen molecular protonat (H 3+) es troba almedi interestel·lar, on es genera per ionització de l'hidrogen molecular pelsraigs còsmics. Aquest ió també ha estat observat a l'atmosfera superior del planetaJúpiter. És relativament estable en l'ambient de l'espai exterior a causa de la baixa temperatura i densitat. ElH 3+ és un dels ions més abundants de l'Univers i té un paper important en la química del medi interestel·lar.[73] L'hidrogen triatòmic H₃ neutre tan sols pot existir en forma excitada i és inestable.[74] Per contra, elcatió dihidrogen (H 2+) és una rara molècula de l'Univers.
L'hidrogen es produeix en laboratoris de química i biologia (sovint en forma desubproducte d'altres reaccions), en la indústria per lahidrogenació de substratsinsaturats i a la natura com a resultat de l'expulsió d'equivalents dereducció en reaccions bioquímiques.
L'alumini també pot produirH 2 si es tracta amb bases químiques:
2 Al + 6H 2O + 2OH− → 2Al(OH)− 4 + 3H 2
L'electròlisi de l'aigua és un mètode simple de producció d'hidrogen. Es fa passar un corrent de baix voltatge per l'aigua, i es forma oxigen gasós a l'ànode i hidrogen gasós alcàtode. Normalment, quan es vol produir hidrogen per emmagatzemar, el càtode està fet de platí o d'algun altre material inert; d'altra banda, si es vol produir gas per ser cremat al mateix lloc, per assistir la combustió és desitjable l'oxigen, per la qual cosa ambdós elèctrodes han d'estar fets de metalls inerts (per exemple, el ferro s'oxidaria i la quantitat d'oxigen emesa seria menor). La màxima eficiència teòrica (electricitat utilitzada versus valor energètic de l'hidrogen produït) es troba en el rang del 80-94%.[75]
2H 2O(l) → 2H 2(g) +O 2(g)
El 2007 es descobrí que un aliatge d'alumini igal·li en forma de granulat afegit a l'aigua es podia fer servir per generar hidrogen. Aquest procés també creaalúmina, però el gal·li –un element molt car–, que prevé la formació d'una capa d'òxid als granulats, es pot reutilitzar. Això té implicacions potencials importants per l'economia de l'hidrogen, ja que amb aquest procés es pot produir al mateix lloc on s'ha d'utilitzar i no cal transportar-lo.[76]
L'hidrogen es pot preparar industrialment de moltes maneres diferents però, econòmicament, els processos més importants comprenen l'eliminació d'hidrogen dels hidrocarburs. L'hidrogen comercial a granel se sol produir mitjançant elreformat amb vapor delgas natural.[77] A altes temperatures (1000–1400 K, 700–1100 °C) el vapor d'aigua reacciona amb elmetà per formarmonòxid de carboni iH 2.
CH 4 +H 2O → CO + 3H 2
Aquesta reacció és afavorida a baixes pressions però, tanmateix, es duu a terme a pressions elevades (2,0 MPa o 20 atm) perquè elH 2 a pressió elevada és el producte més comercialitzable i els sistemes de purificació peradsorció per oscil·lació de pressió treballen millor a altes pressions. El producte de la barreja es coneix com a «gas de síntesi» perquè se sol fer servir directament per la producció demetanol i compostos relacionats. Elshidrocarburs diferents del metà es poden usar per produir gasos de síntesi amb diferents proporcions de productes. Una de les moltes complicacions que té aquesta tecnologia altament optimitzada és la formació decoc ocarboni:
CH 4 → C + 2H 2
Consegüentment, el reformat amb vapor normalment utilitza un excés deH 2O. L'hidrogen addicional es pot recuperar del vapor fent servir monòxid de carboni mitjançant lareacció de desplaçament del gas d'aigua (reacció de Dussan), especialment amb un catalitzador d'òxid de ferro. Aquesta reacció també és una font industrial dediòxid de carboni:[77]
CO +H 2O →CO 2 +H 2
D'altres mètodes importants per la producció deH 2 inclouen l'oxidació parcial d'hidrocarburs:[78]
2CH 4 +O 2 → 2 CO + 4H 2
I també la reacció decarbó, que pot servir com a fase prèvia de la reacció de desplaçament del gas d'aigua anterior:[77]
C +H 2O → CO +H 2
De vegades, l'hidrogen és produït i consumit en el mateix procés industrial sense ser separat. Per exemple, en elprocés Haber-Bosch per laproducció d'amoníac, l'hidrogen es genera a partir de gas natural.[79] Amb l'electròlisi de lasalmorra per produirclor s'obté hidrogen en forma de coproducte.[80]
En condicions anaeròbiques, elferro i elsacers aliats són lentament oxidats pels protons de l'aigua simultàniament reduïts a hidrogen molecular (H 2). Lacorrosió anaeròbica del ferro condueix primer de tot a la formació d'hidròxid de ferro (II) i es pot descriure amb la següent reacció:
Per la seva banda, en condicions anaeròbiques, l'hidròxid de ferro (II) (Fe(OH)₂) pot ser oxidat pels protons de l'aigua per formarmagnetita i hidrogen molecular. Aquest procés és descrit per lareacció de Schikorr:
3 Fe(OH)₂ → Fe₃O₄ + 2H 2O +H 2
hidròxid de ferro (II) → magnetita + aigua + hidrogen
La magnetita ben cristal·litzada (Fe₃O₄) és termodinàmicament més estable que l'hidròxid de ferro (II) (Fe(OH)₂).
En absència d'oxigen atmosfèric (O₂) en condicions geològiques de profunditat tal que l'atmosfera terrestre ja no hi té efecte, l'hidrogen (H 2) es produeix durant el procés deserpentinització per l'oxidació anaeròbica feta pels protons (H+) de l'aigua del silicat de ferro (Fe2+) present a la xarxa cristal·lina de lafaialita (Fe₂SiO₄). La reacció corresponent, que condueix a la formació demagnetita (Fe₃O₄),quars (SiO₂) i hidrogen (H 2), és la següent:
De tots els gasos de fallada formats entransformadors de potència, l'hidrogen n'és el més comú i és generat sota la majoria de condicions de fallada. És per això que la formació d'hidrogen és una indicació primerenca de problemes seriosos del cicle de vida d'un transformador.[83]
Els sectors químic i petrolier necessiten grans quantitats deH 2. L'aplicació més important delH 2 és en el processament dels combustibles fòssils i en la producció de l'amoníac. Els processos consumidors clau deH 2 a la planta petroquímica inclouen lahidrodesalquilació, lahidrodesulfurització i l'hidrocraqueig. A part, l'hidrogen té molts altres usos destacats: es fa servir com un agent hidrogenant, especialment per incrementar el nivell de saturació de greixos insaturats iolis (que es poden trobar en elements com lamargarina); també com unagent reductor demenes metàl·liques; i, finalment, en la producció demetanol i en la indústria de l'àcid clorhídric.[84]
L'hidrogen és altament soluble en moltesterres rares imetalls de transició,[85] i tant en metalls nanocristal·lins comamorfs.[86] Lasolubilitat de l'hidrogen en els metalls està influenciada per les distorsions locals i impureses de l'estructura cristal·lina.[87] Aquestes propietats poden ser útils quan l'hidrogen es purifica fent-lo passar a través de discs calents depal·ladi, però en general l'alta solubilitat del gas és un problema metal·lúrgic perquè contribueix a lafragilització de molts metalls,[6] la qual cosa complica el disseny de canonades i dipòsits d'emmagatzematge.[7]
Pel que fa a aplicacions més recents, l'hidrogen es fa servir pur o barrejat ambnitrogen (anomenatgas protector) com un gas indicador de detecció de fuites. Aquestes aplicacions es poden trobar en les indústries de l'automòbil, química, de generació d'energia, aeroespacial i de la telecomunicació.[92] L'hidrogen és un additiu de menjar autoritzat (E 949) que permet fer proves de fuites de l'empaquetament de menjar, i també té propietats antioxidants.[93]
L'hidrogen se sol fer servir en centrals elèctriques com a refrigerant pels generadors, ja que té un cert nombre de propietats favorables que són resultat directe de les seves lleugeres molècules diatòmiques. Algunes d'aquestes propietats que el fan tan interessant per aquest ús són la baixadensitat, la baixaviscositat i que té lacalor específica i laconductivitat tèrmica més elevades de tots els gasos.
L'hidrogen no és un recurs energètic,[98] excepte en un hipotètic context de centrals energètiques defusió nuclear comercials que fessin servirdeuteri otriti, tecnologia que actualment dista molt de ser desenvolupada.[99] L'energia del Sol prové de la fusió nuclear de l'hidrogen, però és difícil aconseguir aquest procés d'una manera controlada a la Terra.[100] Obtenir hidrogen elemental de fonts solars, biològiques o elèctriques pot necessitar més energia que no pas la que s'obté cremant-lo, per la qual cosa en aquests casos l'hidrogen funciona com un portador d'energia. També es pot obtenir de fonts fòssils (com el metà), però aquestes fonts no són sostenibles.[98]
Ladensitat energètica per unitat de volum tant de l'hidrogen líquid com de l'hidrogen gas comprimit a qualsevol pressió practicable és significativament menor que la de fonts de combustible tradicionals, tot i que la densitat energètica per unitat de massa de combustible és més elevada.[98] Tanmateix, l'hidrogen elemental ha estat molt estudiat en el context energètic com un possible futur portador d'energia.[101] Per exemple, lacaptura i emmagatzematge de carboni a partir delCO 2 es podria dur a terme al punt de la producció deH 2 a partir de combustibles fòssils.[102] L'hidrogen utilitzat pel transport cremaria d'una manera relativament neta –amb algunes emissions deNOx[103] però sense emissions de carboni.[102] Tanmateix, els costos d'infraestructura associats a una conversió completa a una economia basada en l'hidrogen seien considerables.[104]
L'Honda FCX Clarity, un prototip de vehicle d'hidrogen presentat el 2008
Un vehicle d'hidrogen és unvehicle que fa servir l'hidrogen com a combustible de bord per obtenir la potència motora. Aquests vehicles inclouenautomòbils ibicicletes, entre d'altres. El principi de funcionament consisteix a convertir l'energia química de l'hidrogen enenergia mecànica, ja sigui cremant l'hidrogen en unmotor de combustió interna o fent-lo reaccionar amb oxigen en unapila de combustible. La utilització de l'hidrogen com a combustible bàsic dels transports és l'element clau d'una hipotèticaeconomia de l'hidrogen.[110]
Moltscoets grans fan servirhidrogen líquid com a combustible ioxigen líquid com a oxidant. L'avantatge principal de l'hidrogen és la seva altavelocitat d'escapament eficaç en comparació amb elquerosè/LOX o l'UDMH/NTO. L'equació de coets de Tsiolkovski diu que els coets amb una velocitat d'escapament més alta necessiten menys massa de propel·lent per realitzar un canvi de velocitat determinat. Abans de la combustió, l'hidrogen passa per tubs de refrigeració situats al voltant de latovera d'escapament per evitar que resulti malmesa pels gasos d'escapament a alta temperatura.[111]
Els desavantatges de l'hidrogen líquid inclouen la seva poca densitat i baixa temperatura, que fan que calguin dipòsits de combustible més grossos, més ben aïllats i, per tant, més pesants. Això incrementa la massa estructural del coet i en redueix l'eficiència. Un altre desavantatge és la dificultat d'emmagatzemar l'hidrogen i l'oxigen en estat líquid. Com que l'hidrogen es va evaporant gradualment, el coet només es pot omplir de combustible poc abans del llançament. Això fa que els motors criogènics no serveixin per alsmíssils balístics intercontinentals i altres aplicacions en les quals la rapidesa de llançament sigui crucial.
Eltransbordador espacial també feia servir hidrogen i oxigen líquids a lespiles de combustible que n'alimentaven els sistemes elèctrics.[112] Durant el procés, les piles també generaven aigua que es podia fer servir per beure, entre altres coses. També és unaprimera matèria per la fabricació d'electrocarburants o hidrocarburs sintètics.[113]
El H₂ és un producte d'alguns tipus demetabolismes anaeròbics i és produït per moltsmicroorganismes, normalment mitjançant reaccionscatalitzades perenzims anomenatshidrogenases que contenenferro oníquel. Aquests enzims catalitzen la reaccióredox reversible entre el H₂ i els dos protons i dos electrons que el componen. La creació d'hidrogen gas ocorre en la transferència d'equivalents de reducció produïts durant la fermentació delpiruvat a aigua.[114]
L'hidrogen presenta una sèrie de perills cap a la seguretat humana, des de possiblesdetonacions iincendis quan es barreja amb aire fins a causarasfíxia quan es troba en la seva forma pura (sense oxigen).[118] A més a més, l'hidrogen líquid és uncriogènic i presenta perills associats amb líquids frígids com lacongelació.[119] L'hidrogen es dissol en molts metalls i, a part de fer que es puguin produir fuites, pot tenir efectes adversos sobre aquests com ara lafragilització per hidrogen[120] que pot causar esquerdes i explosions.[121] Si en una fuita s'escapa hidrogen gas a l'aire exterior, pot ser que s'inflami espontàniament. A més, el foc causat per hidrogen, a part de ser molt calent, és gairebé invisible, per la qual cosa pot causar cremades accidentals.[122]
La interpretació correcta de dades de l'hidrogen (incloent-hi les dades de seguretat) pot ser força confusa a causa de molts fenòmens. Moltes de les seves propietats químiques i físiques depenen de la proporció parahidrogen-ortohidrogen (se sol tardar dies o setmanes a una temperatura donada per arribar a la proporció d'equilibri, per la qual se solen proporcionar les dades). Els paràmetres de detonació de l'hidrogen, com la pressió i temperatura de detonació, depenen molt de la geometria del contenidor.[118]
↑«Dihydrogen» (en anglès). O=CHem Directory. Universitat de Southern Maine. Arxivat de l'original el 2012-12-24. [Consulta: 15 novembre 2012].
↑Carcassi, M.N.; Fineschi, F. «Deflagrations of H₂–air and CH₄–air lean mixtures in a vented multi-compartment environment» (en anglès). Energy, 30, 8, 2005, pàg. 1439–1451.DOI:10.1016/j.energy.2004.02.012.
↑Millar, Tom. «Lecture 7, Emission Lines — Examples» (en anglès). PH-3009 (P507/P706/M324) Interstellar Physics. Universitat de Manchester, 10-12-2003. Arxivat de l'original el 16 de novembre 2011. [Consulta: 15 novembre 2012].
↑Stern, David P. «Wave Mechanics» (en anglès). Centre de Vol Espacial Goddard de la NASA, 13-02-2005. Arxivat de l'original el 21 de febrer 2013. [Consulta: 15 novembre 2012].
↑Tikhonov, Vladimir I.; Volkov, Alexander A. «Separation of Water into Its Ortho and Para Isomers» (en anglès). Science, 296, 5577, 2002, pàg. 2363.DOI:10.1126/science.1069513.PMID:12089435.
↑Hritz, James. «CH. 6 – Hydrogen» (PDF) (en anglès). NASA Glenn Research Center Glenn Safety Manual, Document GRC-MQSA.001. NASA, 01-03-2006. Arxivat de l'original el 2004-10-20. [Consulta: 15 novembre 2012].
↑Shinitzky, Meir; Elitzur, Avshalom C. «Ortho-para spin isomers of the protons in the methylene group» (en anglès). Chirality, 18, 9, 2006, pàg. 754–756.DOI:10.1002/chir.20319.PMID:16856167.
↑Milenko, Yu. Ya.; Sibileva, R. M.; Strzhemechny, M. A «Natural ortho-para conversion rate in liquid and gaseous hydrogen» (en anglès). Journal of Low Temperature Physics, 107, 1–2, 1997, pàg. 77–92.Bibcode:1997JLTP..107...77M.DOI:10.1007/BF02396837.
↑Svadlenak, R. Eldo; Scott, Allen B «The Conversion of Ortho- to Parahydrogen on Iron Oxide-Zinc Oxide Catalysts» (en anglès). Journal of the American Chemical Society, 79, 20, 1957, pàg. 5385-5388.DOI:10.1021/ja01577a013.
↑Kimball, John W. «Hydrogen» (en anglès). Kimball's Biology Pages, 07-08-2003. Arxivat de l'original el 29 de desembre 2012. [Consulta: 16 novembre 2012].
↑IUPAC Compendium of Chemical Terminology, versió electrònica,Hydrogen Bond
↑Sandrock, Gary. «Metal-Hydrogen Systems» (en anglès). Sandia National Laboratories, 02-05-2002. Arxivat de l'original el 24 de desembre 2012. [Consulta: 16 novembre 2012].
↑Moers, Kurt «Investigations on the Salt Character of Lithium Hydride» (en anglès). Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie, 113, 191, 1920, pàg. 179–228.DOI:10.1002/zaac.19201130116.
↑Downs, Anthony J.; Pulham, Colin R. «The hydrides of aluminium, gallium, indium, and thallium: a re-evaluation» (en anglès). Chemical Society Reviews, 23, 3, 1994, pàg. 175-184.DOI:10.1039/CS9942300175.
↑Hibbs, David E.; Jones, Cameron; Smithies, Neil A. «A remarkably stable indium trihydride complex: synthesis and characterisation of [InH₃P(C₆H11)₃]» (en anglès). Chemical Communications, 2, 1999, pàg. 185-186.DOI:10.1039/a809279f.
↑37,037,137,2Miessler, Gary L.; Tarr, Donald A.. Prentice Hall.Inorganic Chemistry (en anglès). 3a edició, 2003.ISBN 0-13-035471-6.
↑Okumura, Anthony M.; Yeh, L. I.; Myers, J. D.; Lee, Y. T «Infrared spectra of the solvated hydronium ion: vibrational predissociation spectroscopy of mass-selected H₃O+·(H 2O)n·(H 2)m» (en anglès). Journal of Physical Chemistry, 94, 9, 1990, pàg. 3416–3427.DOI:10.1021/j100372a014.
↑Perdoncin, Giulio; Scorrano, Gianfranco «Protonation Equilibria in Water at Several Temperatures of Alcohols, Ethers, Acetone, Dimethyl Sulfide, and Dimethyl Sulfoxide» (en anglès). Journal of the American Chemical Society, 99, 21, 1977, pàg. 6983–6986.DOI:10.1021/ja00463a035.
↑Carrington, Alan; R. McNab, Iain «The infrared predissociation spectrum of triatomic hydrogen cation (H₃+)» (en anglès). Accounts of Chemical Research, 22, 6, 1989, pàg. 218–222.DOI:10.1021/ar00162a004.
↑Gurov, Yu. B.; Aleshkin, D. V.; Behr, M. N.; Lapushkin, S. V.; Morokhov, P. V.; Pechkurov, V. A.; Poroshin, N. O.; Sandukovsky, V. G.; Tel'kushev, M. V.; Chernyshev, B. A.; Tschurenkova, T. D «Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei» (en anglès). Physics of Atomic Nuclei, 68, 3, 2004, pàg. 491–97.Bibcode:2005PAN....68..491G.DOI:10.1134/1.1891200.
↑Korsheninnikov, A.; Nikolskii, E.; Kuzmin, E.; Ozawa, A.; Morimoto, K.; Tokanai, F.; Kanungo, R.; Tanihata, I.; Timofeyuk, N. «Experimental Evidence for the Existence of7H and for a Specific Structure of8He» (en anglès). Physical Review Letters, 90, 8, 2003, pàg. 082501.Bibcode:2003PhRvL..90h2501K.DOI:10.1103/PhysRevLett.90.082501.
↑«The Tritium Laboratory» (en anglès). Universitat de Miami, 2008. Arxivat de l'original el 2008-02-28. [Consulta: 16 novembre 2012].
↑51,051,1Holte, Aurali E.; Houck, Marilyn A.; Collie, Nathan L. «Potential Role of Parasitism in the Evolution of Mutualism in Astigmatid Mites» (en anglès). Experimental and Applied Acarology. Universitat de Texas Tech [Lubbock], 25, 2, 2004, pàg. 97–107.DOI:10.1023/A:1010655610575.
↑Van der Krogt, Peter. «Hydrogen» (en anglès). Elementymology & Elements Multidict, 05-05-2005.
↑§ IR-3.3.2,Provisional Recommendations, Nomenclature of Inorganic Chemistry, Chemical Nomenclature and Structure Representation Division, IUPAC.
↑Boyle, Robert.Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air... (en anglès), 1672.
↑Anderson, P.M.; Coyne, J.W. «A lightweight high reliability single battery power system for interplanetary spacecraft» (en anglès). A lightweight, high reliability, single battery power system for interplanetary spacecraft, 5, 2002, pàg. 5–2433.DOI:10.1109/AERO.2002.1035418.
↑Storrie-Lombardi, Lisa J.; Wolfe, Arthur M. «Surveys for z > 3 Damped Lyman-alpha Absorption Systems: the Evolution of Neutral Gas» (en anglès). Astrophysical Journal, 543, 2, 2000, pàg. 552–576.arXiv:astro-ph/0006044.Bibcode:2000ApJ...543..552S.DOI:10.1086/317138.
↑Dresselhaus, Mildred et al. «Basic Research Needs for the Hydrogen Economy» (PDF) (en anglès). Argonne National Laboratory, U.S. Department of Energy, Office of Science Laboratory, 15-05-2003. Arxivat de l'original el 13 de febrer 2008. [Consulta: 16 maig 2009].
↑Berger, Wolfgang H. «The Future of Methane» (en anglès). Universitat de Califòrnia, San Diego, 15-11-2007.
↑McCall Group, Oka Group. «H3+ Resource Center» (en anglès). Universitats d'Illinois i de Chicago, 22-04-2005. Arxivat de l'original el 11 d'octubre 2007. [Consulta: 19 novembre 2012].
↑Kruse, B.; Grinna, S.; Buch, C. «Hydrogen Status og Muligheter» (PDF) (en anglès). Bellona, 2002. Arxivat de l'original el 2008-02-16. [Consulta: 21 novembre 2012].
↑Funderburg, Eddie. «Why Are Nitrogen Prices So High?» (en anglès). The Samuel Roberts Noble Foundation, 2008. Arxivat de l'original el 2013-05-21. [Consulta: 21 novembre 2012].
↑Chemistry Operations. «Hydrogen» (en anglès). Los Alamos National Laboratory, 15-12-2003.
↑Takeshita, T.; Wallace, W.E.; Craig, R.S. «Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt» (en anglès). Inorganic Chemistry, 13, 9, 1974, pàg. 2282–2283.DOI:10.1021/ic50139a050.
↑Kirchheim, R.; Mutschele, T.; Kieninger, W.; Gleiter, H; Birringer, R; Koble, T «Hydrogen in amorphous and nanocrystalline metals» (en anglès). Materials Science and Engineering, 99, 1988, pàg. 457–462.DOI:10.1016/0025-5416(88)90377-1.
↑Durgutlu, Ahmet «Experimental investigation of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas on TIG welding of austenitic stainless steel» (en anglès). Materials & Design, 25, 1, 2003, pàg. 19–23.DOI:10.1016/j.matdes.2003.07.004.
↑«Atomic Hydrogen Welding» (en anglès). Specialty Welds, 2007. Arxivat de l'original el 2011-07-16. [Consulta: 22 novembre 2012].
↑Reinsch, J; A Katz, J Wean, G Aprahamian, JT MacFarland «The deuterium isotope effect upon the reaction of fatty acyl-CoA dehydrogenase and butyryl-CoA» (en anglès). J. Biol. Chem., 255, 19, 1980, pàg. 9093–97.PMID:7410413.
↑Bergeron, Kenneth D. «The Death of no-dual-use» (en anglès). Bulletin of the Atomic Scientists. Educational Foundation for Nuclear Science, Inc., 60, 1, 2004, pàg. 15.DOI:10.2968/060001004.
↑Quigg, Catherine T. «Tritium Warning» (en anglès). Bulletin of the Atomic Scientists, 40, 3, març 1984, pàg. 56–57.
↑Heffel, James W. «NOx emission and performance data for ahydrogen fueled internal combustion engine at 1500 rpm using exhaust gas recirculation» (en anglès). International Journal of Hydrogen Energy, 28, 8, 2002, pàg. 901–908.DOI:10.1016/S0360-3199(02)00157-X.
↑Romm, Joseph J. Island Press.The Hype About Hydrogen: Fact And Fiction In The Race To Save The Climate (en anglès), 2004.ISBN 1-55963-703-X.
↑Le Comber, P. G.; Jones, D. I.; Spear, W. E. «Hall effect and impurity conduction in substitutionally doped amorphous silicon» (en anglès). Philosophical Magazine, 35, 5, 1977, pàg. 1173–1187.Bibcode:1977PMag...35.1173C.DOI:10.1080/14786437708232943.
↑Peacock, P. W.; Robertson, J. «Behavior of hydrogen in high dielectric constant oxide gate insulators» (en anglès). Applied Physics Letters, 83, 10, 2003, pàg. 2025–2027.Bibcode:2003ApPhL..83.2025P.DOI:10.1063/1.1609245.
↑Kruse, O.; Rupprecht, J.; Bader, K.-P.; Thomas-Hall, S.; Schenk, P. M.; Finazzi, G.; Hankamer, B «Improved photobiological H₂ production in engineered green algal cells» (en anglès). The Journal of Biological Chemistry, 280, 40, 2005, pàg. 34170–7.DOI:10.1074/jbc.M503840200.PMID:16100118.
Ferreira-Aparicio, P; M. J. Benito, J. L. Sanz «New Trends in Reforming Technologies: from Hydrogen Industrial Plants to Multifuel Microreformers» (en anglès). Catalysis Reviews, 47, 4, 2005, pàg. 491–588.DOI:10.1080/01614940500364958.
Newton, David E. Franklin Watts.The Chemical Elements (en anglès), 1994.ISBN 0-531-12501-7.
Rigden, John S. Universitat Harvard Press.Hydrogen: The Essential Element (en anglès), 2002.ISBN 0-531-12501-7.
RENEW.jpg)
