Lhidrogen és l'element químic de símbol H i nombre atòmic 1. La seva massa atòmica mitjana d'1,00784 uma en fa l'element més lleuger. És un element incolor, inodor, insípid i altament combustible que no presenta toxicitat. En condicions estàndard pren la forma de gas diatòmic de fórmula molecular H₂. Es tracta de la substància química més abundant de l'Univers i en constitueix un 75% de la massa bariònica. Els estels, incloent-hi el Sol, es componen majoritàriament d'hidrogen en estat de plasma, mentre que l'hidrogen de la Terra es dona principalment en l'aigua, en compostos orgànics, com a dihidrogen i en altres formes moleculars. El seu isòtop més abundant (¹H) consisteix simplement en un protó i un electró.
L'hidrogen atòmic d'ocurrència natural és molt rar a la Terra, ja que forma fàcilment compostos covalents amb la majoria d'elements i es troba present a la molècula d'aigua i en la majoria de compostos orgànics. L'hidrogen té un paper molt important en la química d'àcid-base: en moltes reaccions s'intercanvien protons entre molècules solubles.
En compostos iònics, l'hidrogen pot prendre una càrrega negativa (en forma d'un anió conegut com a hidrur 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 el proti (símbol ¹H), que té un sol protó i cap neutró. 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 la mecànica quàntica.
L'hidrogen gas fou produït artificialment per primer cop als inicis del 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 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 del grec que significa 'formador d'aigua'.
La producció industrial es fa principalment a partir de la reformació amb vapor de gas natural i, menys freqüentment, a partir de mètodes de producció d'hidrogen com l'electròlisi de l'aigua. La majoria de l'hidrogen es fa servir prop del seu lloc de producció; els dos usos majoritaris són el processament de combustible 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 la metal·lúrgia, ja que pot fragilitzar molts metalls, cosa que complica el disseny de productes com canonades i dipòsits d'emmagatzematge.
Propietats Combustió L'hidrogen gas (dihidrogen o hidrogen molecular) és altament inflamable i crema en aire en un ampli ventall de concentracions, d'entre el 4% i el 75% en volum. L'entalpia de combustió de l'hidrogen és de −286 kJ/mol: 2 (g) + O₂(g) → 2 O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)286 kJ/mol: energia per mol del material combustible (hidrogen).
miniatura|esquerra|El motor principal del transbordador espacial crema hidrogen amb oxigen, produint així una flama gairebé invisible quan funciona a màxima potència.
L'hidrogen gas forma una barreja explosiva amb l'aire si està concentrat al 4-75% i amb clor si està concentrat al 5-95% (percentatges en volum). Les barreges exploten espontàniament a partir de guspires, calor o llum del Sol. La temperatura d'autoignició de l'hidrogen –la temperatura d'ignició espontània en aire– és de 500 °C. Les flames d'hidrogen-oxigen pur emeten llum ultraviolada i són pràcticament invisibles a l'ull nu, tal com es pot comprovar comparant la flama del motor principal del transbordador espacial (rastre tènue) amb la del coet accelerador sòlid del transbordador espacial (rastre altament visible). Per detectar una fuga d'hidrogen pot ser necessari un detector de flames; aquest tipus de fugues poden ser molt perilloses. El desastre 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. Com que l'hidrogen flota en l'aire, les flames d'hidrogen tendeixen a ascendir ràpidament i causen menys desperfectes que els focs causats per hidrocarburs. 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.
El reacciona amb qualsevol element oxidant. Pot reaccionar espontàniament i violenta a temperatura ambient amb el clor i el fluor per formar els halurs d'hidrogen corresponents (el clorur d'hidrogen i el fluorur d'hidrogen) que també són àcids potencialment perillosos.
Nivells d'energia de l'electró
El nivell d'energia de l'estat fonamental de l'electró en un àtom d'hidrogen és de −13,6 eV, que equival a un fotó ultraviolat d'una longitud d'ona d'aproximadament 92 nm. Els nivells d'energia de l'hidrogen es poden calcular d'una manera força precisa fent servir el model 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, la força 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 la força de la gravetat. A causa de la discretització del moment angular postulat per Bohr durant les primeres passes de la mecànica 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.
miniatura|esquerra|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 del model de Bohr (la imatge no està a escala).
miniatura|Densitats de probabilitat dels primers orbitals de l'àtom d'hidrogen (vista de secció). El nivell d'energia d'un electró 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 la integral de camí de Feynman per calcular la densitat de probabilitat de l'electró al voltant del protó. Els estudis més complicats tenen en compte els efectes de la relativitat especial i de la polarització 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.
Formes moleculars elementals miniatura|upright|Primeres traces observades en una cambra de bombolles d'hidrogen líquid al Bevatron Existeixen dues formes de molècules d'hidrogen que difereixen per l'espín relatiu dels seus nuclis, donant lloc a isomeria d'espín de l'hidrogen. 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 de parahidrogen els espins són antiparal·lels i formen un singulet amb un nombre quàntic d'espín molecular de 0 (½–½). En condicions 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». La proporció d'equilibri de l'ortohidrogen respecte al parahidrogen depèn de la temperatura, però com que la forma orto és un estat 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 (vegeu isòmers d'espín de l'hidrogen). La distinció orto/para també té lloc en altres molècules o grups funcionals que contenen hidrogen (tals com l'aigua i el metilè) però no té gaire importància per a les seves propietats tèrmiques.
miniatura|Experiment d'espectre d'hidrogen
La interconversió sense catalitzador entre hidrogen para i orto creix quan la temperatura augmenta; és per això que el condensat ràpidament conté grans quantitats de forma orto d'alta energia que es converteix en forma para molt a poc a poc. La proporció orto/para en condensat és una consideració important en la preparació i emmagatzematge d'hidrogen líquid: la conversió d'orto a para és exotèrmica i produeix prou calor per evaporar part de l'hidrogen líquid, cosa que condueix a la pèrdua de material liquat. Els catalitzadors de la interconversió orto-para, tals com l'òxid de ferro (III), el carbó actiu, l'asbest platinat, les terres rares, els compostos d'urani, l'òxid de crom (III) o alguns compostos de níquel, es fan servir durant el refredament de l'hidrogen.
Fases Les fases possibles de l'hidrogen són les següents: Hidrogen comprimit Hidrogen líquid Hidrogen pastós Hidrogen sòlid Hidrogen metàl·lic
Compostos
Compostos covalents i orgànics
Tot i que el en condicions estàndard no és gaire reactiu, forma compostos amb la majoria d'elements. Pot formar compostos amb elements que són més electronegatius, com els halògens (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. Quan s'enllaça amb el fluor, l'oxigen o el nitrogen, l'hidrogen pot participar en una forma d'enllaç no covalent de força mitjana que s'anomena enllaç d'hidrogen, el qual és crític per l'estabilitat de moltes molècules biològiques.IUPAC Compendium of Chemical Terminology, versió electrònica, Hydrogen Bond L'hidrogen també forma compostos amb elements menys electronegatius com els metalls i els metal·loides, en els quals pren una càrrega negativa parcial: aquests compostos es coneixen com a hidrurs.
L'hidrogen es pot associar amb el carboni per formar un ampli ventall de compostos anomenats hidrocarburs, i un rang encara més ampli amb heteroàtoms que s'anomenen compostos orgànics (per la seva associació amb els éssers vius). L'àrea d'estudi de les seves propietats es coneix com a química orgànica i el seu estudi en el context d'organismes vius es coneix com a bioquímica. 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». Es coneixen milions d'hidrocarburs, els quals solen estar formats per complicades seqüències sintètiques que poques vegades impliquen l'hidrogen elemental.
Hidrurs