Por que há tão pouco hidrogénio livre na Terra?
O hidrogénio representa cerca de 75 % da massa bariónica do universo. Na crosta terrestre não chega a 0,15 % em massa, e praticamente nada dessa quantidade está na forma de H₂ livre. A diferença não é um acidente da formação planetária: é uma consequência direta da teoria cinética.
A velocidade média de uma molécula depende da sua massa e da temperatura. Na exosfera, a uns 1 000 K, uma molécula de H₂ atinge velocidades da ordem de vários quilómetros por segundo. A velocidade de escape terrestre é de 11,2 km/s. A distribuição de Maxwell-Boltzmann tem uma cauda: há sempre moléculas muito mais rápidas do que a média. No caso do hidrogénio, essa cauda atravessa o limiar de escape com frequência suficiente para esvaziar o reservatório em escalas de tempo geológicas.
Uma molécula de azoto, dezasseis vezes mais pesada, move-se quatro vezes mais devagar à mesma temperatura e praticamente nunca escapa. Daí que a atmosfera terrestre seja de azoto e oxigénio, e que Júpiter — com uma velocidade de escape de 60 km/s — conserve o hidrogénio com que se formou.
O hidrogénio terrestre não desapareceu: está aprisionado. Cada molécula de água contém dois átomos, e os oceanos guardam uma reserva enorme. Mas retirá-lo de lá custa energia, e esse custo define toda a indústria.
O que significa a configuração 1s¹?
Um único eletrão na orbital 1s. É a configuração mais simples possível, e por isso o hidrogénio é o único átomo cuja equação de Schrödinger tem solução analítica exata.
Essa solução é a base de toda a química quântica. As orbitais que se desenham para qualquer outro átomo — s esféricas, p com dois lóbulos, d com quatro — são formas derivadas do hidrogénio e adaptadas por aproximações. Com dois eletrões, o termo de repulsão entre ambos já impede uma solução fechada.
Esse eletrão solitário explica também a ambiguidade da posição do hidrogénio na tabela. Partilha com os alcalinos um eletrão s exterior e a capacidade de o ceder. Mas falta-lhe um eletrão para completar a camada, tal como aos halogéneos, e forma H⁻ com metais ativos. Diferentes tabelas colocam-no acima do lítio, acima do flúor, em ambos os sítios ou isolado. Nenhuma escolha é inteiramente satisfatória.
Em que diferem o prótio, o deutério e o trítio?
No número de neutrões, e as consequências são maiores do que o habitual.
O prótio, com um protão e nenhum neutrão, constitui 99,98 % do hidrogénio natural. O deutério acrescenta um neutrão e duplica a massa do átomo. O trítio acrescenta dois, é radioativo e decai por emissão beta com um período de 12,32 anos.
Duplicar a massa é uma anomalia. Entre o carbono 12 e o carbono 13 a diferença relativa é de 8 %; entre o prótio e o deutério, de 100 %. Essa proporção faz do hidrogénio o único elemento cujos isótopos têm propriedades químicas apreciavelmente distintas e nomes próprios.
A água pesada, D₂O, ferve a 101,4 °C em vez de 100 °C, congela a 3,8 °C e é 11 % mais densa. As reações em que se quebra uma ligação com hidrogénio decorrem mais devagar com deutério, por vezes seis ou sete vezes mais devagar. Os químicos aproveitam esse efeito isotópico cinético para descobrir que ligação se quebra na etapa lenta de um mecanismo.
O que distingue o hidrogénio verde do azul e do cinzento?
Não o gás, que é idêntico nos três casos, mas de onde vem e o que acontece ao carbono.
O hidrogénio cinzento obtém-se por reformação de metano com vapor. O metano e a água reagem sobre níquel a uns 800 °C:
CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂
CO + H₂O → CO₂ + H₂O dióxido de carbono é libertado para a atmosfera. Por cada tonelada de hidrogénio emitem-se entre nove e doze toneladas de CO₂.
O hidrogénio azul usa o mesmo processo, mas captura esse dióxido de carbono e armazena-o no subsolo. A captura nunca é completa, e a discussão sobre a sua eficácia real gira em torno da fração retida e do tempo durante o qual se mantém.
O hidrogénio verde provém da eletrólise da água com eletricidade renovável. Não emite carbono, mas exige mais energia: separar a água custa no mínimo 39,4 kWh por quilograma de hidrogénio no limite termodinâmico, e os eletrolisadores reais consomem cerca de 50.
Esse número explica por que 95 % do hidrogénio mundial continua a ser cinzento. Não é um problema de vontade, mas do preço da eletricidade face ao do gás natural.
Para que serve realmente o hidrogénio?
Menos para energia do que o debate público sugere. O grosso do consumo mundial reparte-se por duas aplicações industriais.
A primeira é a síntese de amoníaco pelo processo Haber-Bosch, que combina hidrogénio e azoto sob pressão sobre um catalisador de ferro. Daí sai a maior parte dos fertilizantes azotados do planeta. Estima-se que cerca de metade do azoto presente no corpo humano passou por uma fábrica de amoníaco.
A segunda é a refinação do petróleo, onde o hidrogénio remove o enxofre dos combustíveis. Sem esse tratamento, a gasolina e o gasóleo libertariam dióxido de enxofre ao arder.
As pilhas de combustível e os veículos a hidrogénio consomem ainda uma fração menor. O obstáculo não é a química, que funciona bem, mas o armazenamento: o hidrogénio tem uma densidade energética por unidade de massa excelente e uma densidade por unidade de volume péssima. Comprimi-lo a 700 bar ou liquefazê-lo a 20 K resolve o volume à custa de energia e de infraestrutura.