O átomo de hidrogênio é de suma importância no estudo científico devido ao seu papel fundamental na compreensão da física e da química.
Devido à simplicidade de sua estrutura atômica, tem sido um componente chave no desenvolvimento de modelos atômicos e ajudou a estabelecer as bases da teoria quântica.
Papel do hidrogênio em modelos atômicos
No modelo atômico de Bohr, proposto por Niels Bohr em 1913, o hidrogênio desempenhou um papel central. Este modelo postulou que os elétrons orbitam o núcleo em órbitas circulares e que apenas certos níveis de energia são permitidos.
Bohr aplicou seu modelo ao átomo de hidrogênio e conseguiu derivar uma expressão matemática que explicava os comprimentos de onda das linhas espectrais observadas no espectro do hidrogênio. Essas descobertas lançaram as bases para a teoria quântica e a ideia de que a energia é quantizada em átomos.
Posteriormente, o modelo de Schrödinger do átomo, desenvolvido na década de 1920, usou as equações de onda para descrever a distribuição de probabilidade do elétron ao redor do núcleo.
Embora esse modelo seja mais complexo e baseado na teoria quântica, ele também foi e é aplicado ao átomo de hidrogênio como um referencial fundamental.
Propriedades do hidrogênio
Abaixo, mostramos algumas das propriedades mais destacadas dos átomos de hidrogênio.
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Elemento mais leve: O átomo de hidrogênio é o elemento mais leve da tabela periódica com um número atômico de 1.
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Abundância: É o elemento mais abundante do universo. Na Terra, é encontrado principalmente em compostos como água e hidrocarbonetos.
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Reatividade química: É altamente reativo e pode formar ligações covalentes e iônicas com outros elementos. É essencial em muitas reações químicas e é um componente chave na formação de compostos orgânicos.
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Isótopos: Possui três isótopos principais: prótio (H-1), deutério (H-2) e trítio (H-3). Esses isótopos têm números diferentes de nêutrons no núcleo e, portanto, propriedades ligeiramente diferentes.
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Estado de agregação: À temperatura e pressão ambiente, é um gás incolor, inodoro e altamente inflamável. No entanto, em temperaturas extremamente baixas, pode existir na forma líquida ou sólida.
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Condutividade elétrica: O hidrogênio é um condutor elétrico quando está na forma de íons positivos (prótons) ou negativos (hidretos).
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Energia: O hidrogênio é uma fonte de energia promissora, especialmente no campo da energia nuclear. A pesquisa sobre fusão nuclear é realizada usando isótopos de hidrogênio como combustível. Além disso, pode ser usado como combustível em células de combustível para produzir eletricidade.
Hidrogênio na tabela periódica
Na tabela periódica, o hidrogênio encontra-se na posição número 1 e no grupo 1, devido à sua configuração eletrônica com um único elétron na camada K.
No entanto, sua localização tem sido objeto de debate devido às suas propriedades químicas únicas e sua capacidade de perder ou ganhar elétrons em diferentes condições. Às vezes é colocado no topo dos grupos 1 e 17, ou mesmo considerado um item separado.
A tabela a seguir mostra as propriedades desse elemento químico na tabela periódica:
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Propriedade |
Valor |
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Símbolo |
h |
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Número atômico |
1 |
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Massa atômica |
1.008u |
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Configuração eletronica |
1s 1 |
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Conjunto |
1 (IA) |
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Período |
1 |
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Bloquear |
sim |
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Estado de agregação |
Gás |
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Ponto de fusão |
-259,16°C |
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Ponto de ebulição |
-252,87°C |
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Densidade |
0,0899 g/ cm3 |
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eletro-negatividade |
2.20 (escala de Pauling) |
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rádio atômico |
17h |
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raio iônico |
137h (H + ) |
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configuração eletrônica abreviada |
[Ele] 2s 1 |
Isótopos de hidrogênio
O hidrogênio possui três isótopos principais, que são variantes do mesmo átomo com diferentes números de nêutrons no núcleo. Esses isótopos são:
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Prótio (H-1): Também conhecido como hidrogênio comum, é o isótopo mais abundante e básico do hidrogênio. Consiste em um próton no núcleo e um elétron na órbita, tornando-o um átomo eletricamente neutro.
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Deutério (H-2): É um isótopo do hidrogênio que contém um próton e um nêutron no núcleo, o que lhe confere uma massa ligeiramente maior que o prótio. O deutério é estável e é encontrado em pequenas quantidades na água natural, onde substitui uma pequena porcentagem dos átomos de hidrogênio.
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Trítio (H-3): É um isótopo radioativo do hidrogênio que contém um próton e dois nêutrons no núcleo. O trítio é instável e decai com uma meia-vida de aproximadamente 12,3 anos. É produzido na atmosfera pela ação dos raios cósmicos e também pode ser gerado artificialmente. O trítio é usado em aplicações da indústria científica, militar e nuclear.
Combustível para fusão nuclear e geração de eletricidade
O átomo de hidrogênio desempenha um papel fundamental na fusão nuclear, que é uma fonte de energia potencialmente poderosa e limpa.
A fusão nuclear é o processo no qual os núcleos atômicos se combinam para formar um núcleo mais pesado, liberando uma grande quantidade de energia no processo de acordo com a equação de Einstein (E=mc 2 ) .
reações de fusão
Sob as condições certas de temperatura e pressão extremamente altas, os núcleos de hidrogênio podem se fundir para formar hélio. Esta fusão pode ser feita através de dois processos diferentes:
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Fusão próton-próton: Neste processo, dois núcleos de hidrogênio, cada um com um próton, combinam-se para formar um núcleo de deutério (um isótopo de hidrogênio com um próton e um nêutron) liberando pósitrons, neutrinos e uma grande quantidade de energia. forma de radiação gama.
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Fusão deutério-trítio: Neste processo, um núcleo de deutério (com um próton e um nêutron) e um núcleo de trítio (com um próton e dois nêutrons) se fundem para formar um núcleo de hélio-4, liberando um nêutron, energia e radiação gama.
Fusão nuclear no Sol
A fusão nuclear é a fonte de energia que alimenta o sol e outras estrelas, onde a enorme gravidade e temperatura permitem que esse processo ocorra. No entanto, replicar a fusão nuclear na Terra para gerar eletricidade tem sido um desafio.
A dificuldade é manter as altas temperaturas e pressões necessárias para manter o plasma de hidrogênio (um estado altamente energético da matéria) estável por tempo suficiente para que a fusão ocorra consumindo menos energia do que a obtida.
Investigação e desenvolvimento
Os cientistas têm pesquisado e desenvolvido tecnologias para alcançar a fusão controlada em reatores de fusão, como o Tokamak e o Stellarator. Esses dispositivos usam campos magnéticos e altas temperaturas para confinar e aquecer o plasma de hidrogênio, criando as condições necessárias para a fusão nuclear.
Vantagens da Fusão Nuclear
A fusão nuclear tem várias vantagens potenciais sobre a fissão nuclear (divisão do átomo pesado).
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Ao usar átomos de hidrogênio como combustível, pode ser considerada uma fonte de energia renovável.
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A fusão não produz resíduos nucleares de vida longa, usa combustíveis abundantes e não emite gases de efeito estufa.
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A quantidade de energia liberada na fusão nuclear é significativamente maior do que na fissão nuclear.
