Hidrogen

Cel mai simplu atom

Un atom de hidrogen este un singur proton cu un singur electron în jurul lui. Nimic mai ușor nu există: masa lui atomică este 1,008, iar configurația electronică, 1s¹, este cea mai scurtă care se poate scrie. Pentru că atomul e atât de simplu, hidrogenul e singurul element al cărui spectru a putut fi calculat exact, iar liniile pe care le emite — seria Balmer, pentru care Johann Balmer a găsit o formulă în 1885 — sunt cele pe care Niels Bohr le-a explicat cu modelul său atomic în 1913. Mecanica cuantică și-a făcut primii pași pe hidrogen.

Lăsat singur, hidrogenul se împerechează: gazul e format din molecule H₂, incolore, inodore și fără gust, ținute laolaltă de una dintre cele mai puternice legături simple din chimie, de circa 436 kJ pe mol. Stă singur în colțul din stânga sus al tabelului periodic, în grupa 1, deasupra metalelor alcaline, dar este un nemetal — are în comun cu ele electronul unic de pe stratul exterior, nu și comportamentul. Sub presiunea uriașă din interiorul lui Jupiter și Saturn se crede că devine un lichid metalic.

Hidrogenul are trei izotopi naturali. Aproape tot este protiu, un proton și niciun neutron; cam un atom din 6.400 este deuteriu, cu un neutron în plus; tritiul, cu doi neutroni, este radioactiv și există doar în urme, produs de razele cosmice în straturile înalte ale atmosferei.

Unde se găsește și cum se comportă

Hidrogenul este substanța universului. Cam 74 % din masa materiei obișnuite și aproximativ nouă atomi din zece sunt hidrogen; aproape tot s-a format în primele minute de după Big Bang și arde de atunci în stele. Norii interstelari sunt în cea mai mare parte hidrogen, iar din prăbușirea lor se nasc stele noi.

Pe Pământ, imaginea e inversată. Gravitația planetei e prea slabă ca să rețină un gaz atât de ușor, așa că hidrogenul liber aproape lipsește din aer — mai puțin de o parte la un milion. Hidrogenul pe care îl are Pământul este legat: în oceane, în mineralele scoarței, în petrol, cărbune și gaze, în orice proteină, zahăr sau fir de ADN. Ca număr de atomi, este cel mai răspândit element din corpul omenesc.

Gazul e liniștit la temperatura camerei, pentru că legătura H–H se rupe greu, și violent odată aprins. Amestecat cu aer, arde sau explodează la orice concentrație între circa 4 % și 75 % în volum, iar flacăra e aproape invizibilă. Dă apă cu oxigenul, hidruri cu metalele reactive și halogenuri de hidrogen cu halogenii; legat de oxigen sau de azot formează legăturile de hidrogen datorită cărora apa e lichidă, gheața plutește și dublul helix al ADN-ului se ține laolaltă.

Descoperire și nume

Un aer inflamabil și omul care l-a cântărit

Alchimiștii observaseră de mult că fierul aruncat în acid degajă un gaz care arde; Paracelsus l-a remarcat în secolul al XVI-lea, iar Robert Boyle l-a colectat în 1671. Nimeni nu arătase însă că e o substanță de sine stătătoare. Aceasta a fost opera lui Henry Cavendish, un londonez bogat și chinuitor de timid, care în 1766 a trimis Societății Regale „Trei lucrări cuprinzând experimente asupra aerurilor artificiale”. Cavendish a obținut gazul din zinc, fier și staniu cu acizi diluați, a arătat că e același gaz indiferent de metal, l-a cântărit și l-a găsit mult mai ușor decât aerul obișnuit. L-a numit „aer inflamabil” și a crezut că ar putea fi chiar flogistonul, presupusa substanță a focului.

În 1781, Cavendish și-a ars aerul inflamabil cu aer obișnuit într-un vas închis și a constatat că produsul era apă pură — o descoperire care a spulberat vechea idee că apa ar fi un element. Antoine Lavoisier a repetat experimentul la Paris, a tras concluzia modernă că apa e un compus format din două gaze și, în 1787, în Méthode de nomenclature chimique, i-a dat celui mai ușor dintre ele numele: hydrogène, din grecescul hydro, apă, și genes, care naște. Numele a intrat în Traité élémentaire de chimie al său în 1789 și i-a rămas elementului de atunci.

De ce contează

Apă, stele, combustibil

Fiecare moleculă de apă poartă doi atomi de hidrogen, iar apa e locul unde se petrece viața. Aceiași atomi, în hidrocarburi, poartă cea mai mare parte a energiei pe care o arde lumea; în Soare, ei sunt energia însăși. În miezul lui, Soarele fuzionează în heliu cam 600 de milioane de tone de hidrogen pe secundă, iar cele patru milioane de tone care dispar ca masă ies sub forma luminii care ajunge la noi opt minute mai târziu. Orice stea care strălucește o face arzând hidrogen, iar când o stea rămâne fără el, începe să moară.

Industria produce zeci de milioane de tone de hidrogen pe an, cea mai mare parte din gaz natural, și le folosește mai ales pentru două lucruri: transformarea azotului din aer în amoniac pentru îngrășăminte, prin procedeul Haber–Bosch, care hrănește o bună parte a lumii, și rafinarea petrolului. Ars cu oxigen lichid, este cel mai energetic combustibil de rachetă în uz curent: a propulsat treptele superioare ale rachetei Saturn V și motoarele principale ale navetei spațiale. Este și motivul pentru care dirijabilele nu mai zboară: Hindenburg, umplut cu hidrogen, a ars la Lakehurst în 1937.

Pentru că singura lui emisie este apa, hidrogenul e propus din nou drept combustibil al secolului XXI — în pile de combustie, în siderurgie, ca mijloc de stocare a energiei eoliene și solare. Dacă acel viitor va veni depinde de producerea gazului fără carbonul care îl însoțește astăzi.