O (pronuncia-se /idɾɔˈʒɛnju/ ou /idɾoˈʒenju/ de hidro + génio/gênio, ou do fr. hidrogène e admitindo-se a grafia dupla pelo acordo ortográfico) é um elemento químico com número atómicoPE ou atômico PB 1, representado pelo símbolo H. Com uma massa atómica de aproximadamente 1,0 u, o hidrogénio é o elemento menos denso. Ele geralmente apresenta-se em sua forma molecular, formando o gás diatômico (H2) nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP). Este gás é inflamável, incolor, inodoro e insolúvel em água. O hidrogénio, por possuir propriedades distintas, não se enquadra claramente em nenhum grupo da tabela periódica, sendo muitas vezes colocado no grupo 1 (anteriormente chamado de 1A) por possuir apenas 1 eletrão na camada de valência (ou última camada).
O hidrogénio é o mais abundante dos elementos químicos, constituindo aproximadamente 75% da massa elementar do Universo. Estrelas na sequência principal são compostas primariamente de hidrogénio em seu estado de plasma. O hidrogénio elementar é relativamente raro na Terra e é industrialmente produzido a partir de hidrocarbonetos presentes no gás natural, tais como metano, após o qual a maior parte do hidrogénio elementar é usada "em cativeiro" (o que significa localmente no lugar de produção). Os maiores mercados do mundo usufruem do uso do hidrogénio para o aprimoramento de combustíveis fósseis (no processo de hidrocraqueamento) e na produção de amoníaco (maior parte para o mercado de fertilizantes). O hidrogénio também pode ser obtido por meio da eletrólise da água, porém este processo é atualmente dispendioso, o que privilegia sua obtenção a partir do gás natural.
O isótopo do hidrogênio que possui maior ocorrência, conhecido como prótio, é formado por um único protão, não possuindo nenhum neutrão. Em compostos iônicos pode ter uma carga positiva (se tornando um catião) ou uma carga negativa (se tornando o anião conhecido como hidreto). Também pode formar outros isótopos, como o deutério, com apenas um neutrão, e o trítio, com dois neutrões. Em 2001, foi criado em laboratório o isótopo 4H e, a partir de 2003, foram sintetizados os isótopos 5H até 7H.Gurov YB, Aleshkin DV, Berh MN, Lapushkin SV, Morokhov PV, Pechkurov VA, Poroshin NO, Sandukovsky VG, Tel'kushev MV, Chernyshev BA, Tschurenkova TD. (2004). Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei. Physics of Atomic Nuclei 68(3):491-497.Korsheninnikov AA. et al. (2003). Experimental Evidence for the Existence of 7H and for a Specific Structure of 8He. Phys Rev Lett 90, 082501. O elemento hidrogénio forma compostos com a maioria dos elementos, está presente na água e na maior parte dos compostos orgânicos. Possui um papel particularmente importante na química ácido-base, na qual muitas reações envolvem a troca de prótons entre moléculas solúveis. Como o único átomo neutro pelo qual a Equação de Schrödinger pode ser resolvida analiticamente, o estudo energético e de ligações do átomo hidrogênio teve um papel principal no desenvolvimento da mecânica quântica.
A solubilidade e características do hidrogénio com vários metais são muito importantes na metalurgia (uma vez que muitos metais podem sofrer fragilidade em sua presença) e no desenvolvimento de maneiras seguras de estocá-lo para uso como combustível. É altamente solúvel em diversos compostos que possuem Terras-raras e metais de transição e pode ser dissolvido tanto em metais cristalinos e amorfos. A solubilidade do hidrogénio em metais é influenciada por distorções ou impurezas locais na estrutura cristalina do metal.
História Origem e evolução Segundo a teoria Alpher-Bethe-Gamov, o hidrogénio formou-se na época da nucleossíntese primordial, quando o Universo expandiu e arrefeceu o suficiente para permitir a ligação entre eletrões e protões. O deutério formou-se por captura de neutrões. A junção de mais neutrões e subsequente decaimento levou à formação de hélio e lítio. Uma parte de elementos mais pesados foi formada, mas a principal fonte destes elementos provém da nucleossíntese estelar.
Descoberta e uso
miniaturadaimagem|esquerda|Teste de aparência de hidrogênio
O gás hidrogénio, H2, foi o primeiro produzido artificialmente e formalmente descrito por T. Von Hohenheim (também conhecido como Paracelso, 1493–1541) por meio da reação química entre metais e ácidos fortes. Paracelso não tinha o conhecimento de que o gás inflamável produzido por esta reação química era constituído por um novo elemento químico. Em 1671, Robert Boyle redescobriu e descreveu a reação entre limalhas de ferro e ácidos diluídos, o que resulta na produção de gás hidrogênio. Em 1766, Henry Cavendish foi o primeiro a reconhecer o gás hidrogênio como uma discreta substância, ao identificar o gás de uma reação ácido-metal como "ar inflamável" e descobrindo mais profundamente, em 1781, que o gás produz água quando queimado. A ele geralmente é dado o crédito pela sua descoberta como um elemento químico. Em 1783, Antoine Lavoisier deu ao elemento o nome de hidrogênio (do grego υδρώ (hydro), água e γένος-ου (genes), gerar) quando ele e Laplace reproduziram a descoberta de Cavendish, onde água é produzida quando hidrogênio é queimado.
Lavoisier produziu hidrogénio pelas suas experiências sobre conservação de massa fazendo reagir um fluxo de vapor de metal por meio de um tubo de ferro aquecida ao fogo. A oxidação anaeróbica de ferro pelos protões da água a alta temperatura pode ser esquematicamente representada pelo conjunto das seguintes reações:
Fe + H2O → FeO + H2
2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2
3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2
Muitos metais, tais como o zircónio são submetidos a uma reacção semelhante com água o que conduz à produção de hidrogénio.
A primeira célula de combustível foi desenvolvida em fins da década de 1830 por William Robert Grove. Consultado em 2 de julho de 2023 Em 1932, Francis Thomas Bacon desenvolveu com sucesso uma célula de combustível estacionária de 5 kW. No início dos anos 1990, Roger Billings desenvolveu a primeira célula de combustível a hidrogênio para automóveis.
Hidrogênio foi liquefeito pela primeira vez por James Dewar em 1898 ao usar resfriamento regenerativo e sua invenção se aproxima muito daquilo que conhecemos como garrafa térmica nos dias de hoje. Ele produziu hidrogênio sólido no ano seguinte. O deutério foi descoberto em dezembro de 1931 por Harold Urey, e o trítio foi preparado em 1934 por Ernest Rutherford, Marcus Oliphant, e Paul Harteck. A água pesada, que possui deutério no lugar de hidrogênio regular na molécula de água, foi descoberta pela equipe de Urey em 1932.
François Isaac de Rivaz construiu o primeiro dispositivo de combustão interna movido por uma mistura de hidrogênio e oxigênio em 1806. Edward Daniel Clarke inventou o cano de sopro de gás hidrogênio em 1819. A lâmpada de Döbereiner e a Luminária Drummond foram inventadas em 1823.
O enchimento do primeiro balão com gás hidrogênio, foi documentado por Jacques Charles em 1783. O hidrogênio provia a subida para a primeira maneira confiável de viagem aérea seguindo a invenção do primeiro dirigível decolado com hidrogênio em 1852, por Henri Giffard. O conde alemão Ferdinand von Zeppelin promoveu a ideia de usar o hidrogênio em dirigíveis rígidos, que mais tarde foram chamados de Zeppelins; o primeiro dos quais teve seu voo inaugural em 1900. Voos programados regularmente começaram em 1910 e com o surgimento da Primeira Guerra Mundial em agosto de 1914, eles haviam transportado 35 000 passageiros sem qualquer incidente sério. Dirigíveis levantados por hidrogênio foram usados como plataformas de observação e bombardeadores durante a guerra.
O primeiro cruzamento transatlântico sem escalas foi realizado pelo dirigível britânico R34 em 1919. Com o lançamento do Graf Zeppelin nos anos 1920, o serviço regular de passageiros prosseguiu até meados dos anos 1930 sem nenhum acidente. Com a descoberta de reservas de um outro tipo de gás leve nos Estados Unidos, o hélio, esse projeto deveria sofrer modificações, já que o outro elemento prometia um aumento na segurança, mas o governo dos E.U.A. se recusou a vender o gás para este propósito. Sendo assim, H2 foi usado no dirigível Hindenburg, o qual foi destruído em um incidente em pleno voo sobre Nova Jérsia no dia 6 de maio de 1937. O incidente foi transmitido ao vivo no rádio e filmado. A ignição do vazamento de hidrogênio foi atribuída como a causa do incidente, porém, investigações posteriores apontaram à ignição do revestimento de tecido aluminizado pela eletricidade estática.
x200px|centrex170px|centrex170px|centreCélula de combustível de William Robert Grove (1839).Dirigível Hindenburg, 1936O desastre do Hindenburg.
Papel na teoria quântica direita|450px|thumb|Linhas do espectro de emissões do hidrogênio na região do visível. Estas são as quatro linhas visíveis da série de Balmer.
Devido a sua estrutura atômica relativamente simples, consistindo somente de um próton e um elétron, o átomo de hidrogênio, junto com o espectro de luz produzido por ele ou absorvido por ele, foi de suma importância ao desenvolvimento da teoria da estrutura atômica. Além disso, a simplicidade correspondente da molécula de hidrogênio e o cátion correspondente H2+ permitiu um total entendimento da natureza da ligação química, que seguiu pouco depois do tratamento mecânico quântico do átomo de hidrogênio ter sido desenvolvido na metade dos anos 1920.
Um dos primeiros efeitos quânticos a ser explicitamente notado (mas não entendido naquela época) foi a observação de Maxwell envolvendo hidrogênio, meio século antes da teoria da mecânica quântica completa aparecer. Maxwell observou que o calor específico de H2 inexplicavelmente se afasta daquele de um gás diatômico abaixo da temperatura ambiente e começa a parecer gradativamente com aquele de um gás monoatômico em temperaturas criogênicas. Segundo a teoria quântica, este comportamento surge do espaçamento dos níveis de energia rotativos (quantificados), os quais são particularmente bem espaçados em H2 por causa de sua reduzida massa. Estes níveis largamente espaçados inibem partições iguais da energia de calor em movimentos rotativos em hidrogênio sob baixas temperaturas. Gases diatômicos compostos de átomos mais pesados não possuem níveis tão largamente espaçados e não exibem o mesmo efeito.
Ocorrência natural thumb|NGC 604, uma gigante região de hidrogênio ionizado na Galáxia do Triângulo.
O hidrogênio é o elemento mais abundante no universo, compondo 75% da matéria normal por massa e mais de 90% por número de átomos. Este elemento é encontrado em grande abundância em estrelas e planetas gigantes de gás. Nuvens moleculares de H2 são associadas a formação de estrelas. O elemento tem um papel vital em dar energia às estrelas através de cadeias próton-próton e do ciclo CNO de fusão nuclear.
No meio interestelar, o hidrogênio é geralmente encontrado nos estados atômico neutro e plasma, cujas propriedades são bem diferentes das do hidrogênio molecular. Como plasma, o elétron e o próton de hidrogênio não estão ligados, resultando em uma condutividade elétrica elevada e alta emissividade (produzindo a luz do Sol). As partículas carregadas são altamente influenciadas por campos elétricos e magnéticos. Por exemplo, no vento solar elas interagem com a magnetosfera da Terra, fazendo surgir as correntes de Birkeland e a aurora. Acredita-se que a grande quantidade de hidrogênio neutro encontrado nos sistemas úmidos Lyman-alfa domina a densidade cosmológica bariônica do Universo até o desvio para o vermelho z=4.