title: Hidrogénio

author:

- Diogo Ralha - 2021220818

- Raquel Bento - 2021222330

date: 2024-02-28

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- **Autor**:

- Diogo Ralha - 2021220818

- Raquel Bento - 2021222330

A descoberta do hidrogénio remonta ao século XVI, embora só no século

XVIII tenha sido identificado como um elemento distinto. Ao longo dos

séculos, vários alquimistas e cientistas observaram a formação de um gás

inflamável durante reações químicas, mas sem compreenderem a sua

verdadeira natureza.

No século XVI, o alquimista e médico suíço Paracelso notou que, ao

dissolver metais em ácidos, se libertava um gás. No entanto, sem o

conhecimento necessário para interpretar esse fenómeno, não percebeu que

se tratava de uma substância única. Mais tarde, no século XVII, o

químico britânico Robert Boyle também documentou a libertação de um gás

durante reações entre ácidos e metais, mas, tal como Paracelso, não o

identificou como um elemento distinto.

Foi apenas em 1766 que o cientista britânico Henry Cavendish realizou

experiências sistemáticas que permitiram uma melhor compreensão deste

gás. Ao reagir diferentes metais com ácidos, recolheu o gás libertado e

verificou que era significativamente mais leve do que o ar. Além disso,

ao queimá-lo, observou que produzia água. Com base nestas

características, designou-o como "ar inflamável", sendo o primeiro a

reconhecer que se tratava de uma substância pura e não de um composto.

No entanto, Cavendish não conseguiu determinar completamente a sua

composição química.

A identificação definitiva do hidrogénio como elemento foi feita pelo

químico francês Antoine Lavoisier, em 1783. Foi ele quem lhe deu o nome

"hidrogénio", derivado dos termos gregos "hydro" (água) e "genes"

(gerador), uma vez que demonstrou que a combustão do hidrogénio

resultava na formação de água. ^{\[1\]\ \[2\]\ \[3\]}

A descoberta do hidrogénio representou um marco na química, contribuindo

para o avanço da estequiometria, da teoria dos gases e da compreensão

das reações químicas. Para além do seu impacto na ciência fundamental, o

hidrogénio revelou-se essencial para diversas aplicações industriais e

energéticas ao longo dos séculos. ^\[4\]

Atualmente, com o aumento da preocupação ambiental e a necessidade de

transição energética, o hidrogénio tem ganho destaque como uma

alternativa promissora aos combustíveis fósseis. Quando obtido a partir

de fontes renováveis, o hidrogénio apresenta um elevado potencial para

reduzir as emissões de carbono. A sua viabilidade deve-se, em grande

parte, ao seu elevado rendimento energético, fornecendo cerca de 122

kJ/g, o que equivale a aproximadamente 2,75 vezes mais energia do que

qualquer combustível fóssil convencional. ^\[5\]

Com o avanço das tecnologias de produção, armazenamento e utilização, o

hidrogénio poderá desempenhar um papel crucial no futuro energético,

promovendo um sistema mais sustentável e eficiente.

O hidrogénio (H), primeiro elemento da tabela periódica, é o mais

simples e abundante no universo. Na sua forma mais comum, é composto por

apenas um protão e um eletrão. No entanto, não ocorre naturalmente na

sua forma molecular (H₂) em grandes quantidades, estando presente em

compostos como a água e hidrocarbonetos. ^{\[7\]\ \[8\]\ \[9\]}

Entre as suas principais características, destacam-se:

- Leveza e baixa densidade: Gás mais leve do que a ar (cerca de 14

vezes), dissipando-se rapidamente na atmosfera.

- Estado físico e reatividade: Em condições normais, é um gás incolor,

inodoro e insípido, altamente reativo e combustível. A sua molécula

(H₂) é constituída por dois átomos de hidrogénio ligados por uma

ligação covalente forte, conferindo-lhe uma certa estabilidade.

- Elevada energia específica: Possui um dos mais altos valores de

energia específica, sendo promissor para a transição energética.

- Solubilidade e armazenamento: Baixa solubilidade em água e

diferentes métodos de armazenamento, como compressão e liquefação.

Como é possível se visualizar na tabela 1, do ponto de vista

termodinâmico, a forma atómica do hidrogénio apresenta entalpia e

energia livre de Gibbs muito elevadas, enquanto a forma molecular (H₂) é

mais estável e viável para armazenamento energético. Através da tabela

2, verifica-se que as propriedades físicas incluem baixa temperatura de

fusão e ebulição, elevada condutividade térmica e viscosidade reduzida,

tornando-o adequado para aplicações energéticas.

**Tabela 1**- Propriedades termodinâmicas do hidrogénio ^\[6\]

<table>

<colgroup>

<col style="width: 19%" />

<col style="width: 20%" />

<col style="width: 20%" />

<col style="width: 20%" />

<col style="width: 20%" />

</colgroup>

<thead>

<tr class="header">

<th><strong>Estado</strong></th>

<th><p><strong>ΔH</strong></p>

<p><strong>(kJ/mol)</strong></p></th>

<th><p><strong>ΔG</strong></p>

<p><strong>(kJ/mol)</strong></p></th>

<th><p><strong>S</strong></p>

<p><strong>(J/Kmol)</strong></p></th>

<th><p><strong>Cp</strong></p>

<p><strong>(J/Kmol)</strong></p></th>

</tr>

</thead>

<tbody>

<tr class="odd">

<td>H gasoso</td>

<td>218,0</td>

<td>203,3</td>

<td>114,7</td>

<td>20,8</td>

</tr>

<tr class="even">

<td>H2</td>

<td>0</td>

<td>0</td>

<td>130,7</td>

<td>28,8</td>

</tr>

</tbody>

</table>

**Tabela 2**- Propriedades físicas do hidrogénio ^\[6\]

<table>

<colgroup>

<col style="width: 50%" />

<col style="width: 50%" />

</colgroup>

<thead>

<tr class="header">

<th><strong>Parâmetro</strong></th>

<th><strong>Valor</strong></th>

</tr>

</thead>

<tbody>

<tr class="odd">

<td>Massa molar</td>

<td>2, 016 g/mol</td>

</tr>

<tr class="even">

<td>Ponto de fusão</td>

<td>13,8 K</td>

</tr>

<tr class="odd">

<td>Ponto de ebulição</td>

<td>20,3 K</td>

</tr>

<tr class="even">

<td>Densidade do líquido a 24,2 K</td>

<td>0,071 g/cm3</td>

</tr>

<tr class="odd">

<td>Densidade do sólido a 24,2K</td>

<td>0,076 g/cm3</td>

</tr>

<tr class="even">

<td>Condutividade térmica a 25 ºC</td>

<td>0,1805 W/mK</td>

</tr>

<tr class="odd">

<td>Capacidade calorifica a 25 ºC</td>

<td>28,83 J/molK</td>

</tr>

<tr class="even">

<td>Calor de combustão a 25 ºC e 1 atm</td>

<td>-285,829 kJ/mol</td>

</tr>

<tr class="odd">

<td>Temperatura de autoignição</td>

<td>858 K</td>

</tr>

<tr class="even">

<td>Inflamabilidade no ar</td>

<td>4-74%</td>

</tr>

</tbody>

</table>

Como é possível observar-se na figura 1, o hidrogénio pode existir em

vários estados dependendo da pressão e da temperatura. Pode ser

armazenado como gás comprimido, líquido ou em compostos químicos. Os

tanques de alta pressão atingem 70 MPa, enquanto os criogénicos operam a

temperaturas muito baixas. Como combustível, tem uma relação

energia/massa três vezes superior à gasolina, com elevada temperatura de

ignição e chama mais quente.

<tr class="even">

<td>Hidrogénio Azul</td>

<td>A sua produção assenta na reforma do metano, um composto de origem

fóssil, mas diferencia-se pela utilização de tecnologias de captura e

armazenamento de carbono (CCS), que permitem uma redução significativa

das emissões poluentes. Embora não seja tão ecológico como o hidrogénio

verde e a captura de carbono ainda não seja totalmente eficiente

(podendo ocorrer fugas de CO₂), este desempenha um papel

importante no processo de descarbonização do setor energético.</td>

<tr class="odd">

<td>Hidrogénio Castanho</td>

<td>Resulta da transformação de combustíveis fósseis (gaseificação),

como o carvão, sem qualquer mecanismo de retenção de carbono. O seu nome

deriva precisamente da elevada carga poluente (CO₂ e gases

nocivos) associada ao seu processo de produção.</td>

<tr class="even">

<td>Hidrogénio Cinzento</td>

<td>É gerado através do método de reforma de metano a vapor (SMR), um

dos mais comuns na indústria do hidrogénio e, também, mais económico.

Embora a sua pegada ambiental seja inferior à do hidrogénio castanho,

continua a gerar emissões significativas de carbono.</td>

<tr class="odd">

<td>Hidrogénio Rosa</td>

<td>Tem origem na eletrólise alimentada por energia nuclear. Além disso,

o calor residual das centrais nucleares pode ser aproveitado para

otimizar a eficiência do processo. Como não envolve a emissão de gases

com efeito de estufa, é considerado uma alternativa sustentável.</td>

</tr>

<tr class="even">

<td>Hidrogénio Roxo</td>

<td>É gerado através de eletrólise quimiotérmica, que combina

eletricidade e calor proveniente da energia nuclear. Este processo

aumenta a eficiência de eletrólise, reduzindo o consumo elétrico

necessário para a separação das moléculas de água. No entanto, a

utilização de calor a temperaturas elevadas exige tecnologias avançadas,

além de levantar desafios na gestão dos resíduos nucleares.</td>

</tr>

<tr class="odd">

<td>Hidrogénio Vermelho</td>

<td>É produzido por meio de eletrólise de alta temperatura, utilizando o

calor de reatores nucleares de alta temperatura (HTGRs). Este método é

considerado o mais eficiente em comparação com o hidrogénio rosa e o

hidrogénio roxo, uma vez que reduz significativamente o consumo de

eletricidade, tornando o processo mais económico a longo prazo. No

entanto, a necessidade de reatores especializados e tecnologia avançada

resulta em custos elevados e desafios tecnológicos na sua

implementação.</td>

</tr>

<tr class="even">

<td>Hidrogénio Turquesa</td>

<td>É produzido por pirólise do gás natural e tem como subproduto o

negro de fumo, uma forma sólida do carbono. Deste modo, não há emissão

direta de <a href="https://www.ecycle.com.br/co2/">dióxido de

carbono</a> na <a href="https://www.ecycle.com.br/co2/">atmosfera</a>.

Porém, ainda é uma tecnologia emergente que requer um elevado consumo

energético.</td>

<td><img src="./IIP_Trabalho1/media/image8.png"

style="width:2.64124in;height:0.7979in" /></td>

</tr>

<tr class="odd">

<td>Hidrogénio Branco</td>

<td>É uma forma natural de hidrogénio encontrado de forma espontânea em

depósitos subterrâneos, podendo ser explorados através da perfuração de

poços. A sua formação resulta de processos naturais, como a

desgaseificação da crosta e do manto terrestre, reações químicas entre

rochas e a interação com água e minerais, tornando-o numa potencial

fonte sustentável de hidrogénio. No entanto, a sua disponibilidade é

muito limitada.</td>

<td><img src="./IIP_Trabalho1/media/image9.png"

style="width:3.17143in;height:1.76808in" /></td>

</tr>

<tr class="even">

<td>Hidrogénio Amarelo</td>

<td>É obtido através da fotoeletrólise com energia solar. É um processo

limpo, pois depende de uma fonte renovável de energia e não ocorrem

emissões de CO₂. Ainda assim, é um processo cujo preço é

bastante elevado.</td>

<td><img src="./IIP_Trabalho1/media/image10.png"

style="width:3.16585in;height:0.97537in" /></td>

</tr>

</tbody>

</table>

Os processos de produção de hidrogénio podem ser divididos entre duas

grandes categorias: fontes fósseis (métodos baseados em combustíveis

fósseis amplamente utilizados, mas com emissões significativas de

dióxidos de carbono) e fontes renováveis (métodos renováveis

sustentáveis, mas com desafios técnicos e económicos).

**Figura 3**- Processos de produção de hidrogénio ^\[6\]

No caso das fontes fósseis, existem duas formas de obtenção de

hidrogénio: a Reforma de Hidrocarbonetos que consiste na extração de

hidrogénio de combustíveis fósseis, como o gás natural e que se divide

em Reforma a Vapor de Metano (SMR), Oxidação Parcial (POX), Reforma

Autotérmica (ATR); e a Pirólise de Hidrocarbonetos. ^\[6\]

**Tabela 4**-Processos de obtenção de hidrogénio a partir de fontes

fósseis ^{\[6\]\ \[15\]}

<table>

<colgroup>

<col style="width: 12%" />

<col style="width: 30%" />

<col style="width: 57%" />

</colgroup>

<thead>

<tr class="header">

<th><strong>Processo</strong></th>

<th><strong>Descrição do Processo</strong></th>

<th><strong>Diagrama do Processo</strong></th>

</tr>

</thead>

<tbody>

<tr class="odd">

<td>Reforma a Vapor (SMR)</td>

<td><p>O metano reage com vapor de água a altas temperaturas para

produzir gás de síntese (mistura composta por hidrogénio e monóxido de

carbono).</p>

<p><u>Reações:</u></p>

<p>Reforma do metano:</p>

<p>CH₄ + H₂O<span class="math inline">↔︎</span>CO +

3H₂</p>

<p>Water-Gas Shift reaction (WGS):</p>

<p>CO + H₂O<span class="math inline">↔︎</span>CO₂ +

H₂</p>

<p>É um processo eficiente e amplamente utilizado na indústria. No

entanto, gera emissões de dióxido de carbono e requer altas

temperaturas.</p></td>

<td><img src="./IIP_Trabalho1/media/image12.png"

style="width:4.03075in;height:1.40015in"

<tr class="even">

<td>Oxidação Parcial (POX)</td>

<td><p>O hidrocarboneto é parcialmente oxidado para produzir gás de

síntese.</p>

<p><u>Reações:</u></p>

<p>CH₄ + 1/2O₂ <span class="math inline">↔︎</span>

CO + 2 H₂</p>

<p>CH₄ + 2O₂<span class="math inline">↔︎</span>

CO₂ + 2 H₂O</p>

<p>Este processo é rápido e adequado para hidrocarbonetos pesados. Ainda

assim produz menos hidrogénio que a reforma a vapor e gera dióxido de

carbono.</p></td>

<td><img src="./IIP_Trabalho1/media/image13.png"

style="width:4.18588in;height:1.1966in"

<tr class="odd">

<td>Reforma Autotérmica (ATR)</td>

<td><p>É a combinação da Reforma a Vapor e Oxidação Parcial, sendo

utilizado calor gerado internamente ao processo.</p>

<p><u>Reação:</u></p>

<p>4CH₄ + O₂ + 2H₂O<span

class="math inline">↔︎</span> 4CO + 10H₂</p>

<p>Apresenta maior eficiência energética do que a reforma a vapor

isolada, mas é um processo mais complexo e necessita de controlo preciso

das reações envolventes.</p></td>

<td><img src="./IIP_Trabalho1/media/image14.png"

style="width:4.15457in;height:1.27168in"

<tr class="even">

<td>Pirólise</td>

<td><p>Corresponde à decomposição térmica dos hidrocarbonetos em

hidrogénio e carbono sólido, sem emissões diretas de dióxido de

carbono.</p>

<p><u>Reação:</u></p>

<p>CH₄ <span class="math inline">→</span> C +

2H₂</p>

<p>Este processo promove a redução de emissões de gases de efeito de

estufa (GEE), mas necessita de tecnologias que se encontram em

desenvolvimento e ainda de altas temperaturas de operação.</p></td>

<td><img src="./IIP_Trabalho1/media/image15.png"

style="width:3.7562in;height:1.69198in"

</tbody>

</table>

Através de fontes renováveis, é possível optar-se por processos com

biomassa (métodos que utilizam matéria orgânica como fonte de

hidrogénio) ou pela separação da água (*Water Splitting*), ou seja,

métodos que envolvem a quebra de moléculas de água para extrair

hidrogénio.

Os Processos com Biomassa podem dividir-se em métodos biológicos, isto

é, processos naturais com baixo impacto ambiental, mas apresentam uma

baixa eficiência e tecnologias em desenvolvimento, e em métodos

termoquímicos, ou seja, processos que promovem a redução de resíduos

orgânicos e as baixas ou neutras emissões de carbono. No entanto, a sua

eficiência é variável consoante o processo e requer grandes quantidades

de biomassa.

Os Processos de Separação de Água podem dividir-se entre a eletrólise, a

termólise e a fotólise.

**Tabela 5**-Processos de obtenção de hidrogénio a partir de fontes

renováveis ^{\[6\]\ \[15\]}

<table>

<colgroup>

<col style="width: 33%" />

<col style="width: 33%" />

<col style="width: 33%" />

</colgroup>

<thead>

<tr class="header">

<th colspan="2"><strong>Processos com Biomassa</strong></th>

<th rowspan="2"><strong>Processos por separação de água (<em>Water

Splitting</em>)</strong></th>

</tr>

<tr class="odd">

<th><strong>Métodos Biológicos</strong></th>

<th><strong>Métodos Termoquímicos</strong></th>

</tr>

</thead>

<tbody>

<tr class="odd">

<td><p><u>Biofotólise</u>: Certas algas e bactérias utilizam a luz para

quebrar moléculas de água e formar a molécula de hidrogénio.</p>

<p><u><em>Dark-Fermentation</em>:</u> Os microrganismos fermentam

substratos orgânicos e produzem hidrogénio.</p>

<p><u>Foto-Fermentação:</u> As bactérias fotossintéticas convertem

biomassa em hidrogénio.</p></td>

<td><p><u>Pirólise:</u> Consiste na decomposição térmica da biomassa

para gerar hidrogénio.</p>

<p><u>Gaseificação:</u> Conversão da biomassa em gás de síntese a altas

temperaturas.</p>

<p><u>Combustão:</u> A biomassa é queimada para gerar energia com

formação de gases.</p>

<p><u>Liquefação:</u> Ocorre a transformação da biomassa em óleo

líquido, que pode ser processado para obtenção de hidrogénio.</p></td>

<td><p><u>Eletrólise:</u> Utiliza a eletricidade para decompor moléculas

de água em hidrogénio e oxigénio. É um processo com zero/baixas emissões

de dióxido de carbono, dependendo do tipo de energia utilizada. No

entanto é de alto consumo energético e custo elevado.</p>

<p><u>Termólise:</u> Ocorre a decomposição térmica as moléculas de água

em hidrogénio e oxigénio a temperaturas superiores a 2500ºC.</p>

<p>É um processo direto sem necessidade de reagentes, mas</p>

<p>requer temperaturas extremamente elevadas e materiais resistentes ao

calor.</p>

<p><u>Fotólise:</u> Utiliza a energia solar para decompor as moléculas

de água hidrogénio e oxigénio. Deste modo, é considerado um processo

sustentável e limpo. Contudo as tecnologias ainda se encontram em

estágio inicial e eficiência baixa.</p></td>

</tr>

</tbody>

</table>

O hidrogénio é um elemento versátil com diversas aplicações na

indústria, energia e transporte. Com o crescente interesse na

descarbonização, o hidrogénio tem sido explorado como uma alternativa

sustentável para reduzir emissões de dióxido de carbono e melhorar a

eficiência energética em vários setores.

O armazenamento do hidrogénio é um desafio fundamental para a sua

aplicação em diversos setores. Cada tipo de aplicação de hidrogénio

requer um método de armazenamento diferente, tendo como base certos

fatores como a segurança, a viabilidade económica e facilidade de

transporte.

**Tabela 6**-Métodos de Armazenamento de hidrogénio

^{\[6\]\ \[15\]}

<table>

<colgroup>

<col style="width: 16%" />

<col style="width: 51%" />

<col style="width: 32%" />

</colgroup>

<thead>

<tr class="header">

<th rowspan="2"><strong>Estado Gasoso</strong></th>

<p>O hidrogénio é comprimido a pressões elevadas (350-700 bar) e

<tr class="odd">

</thead>

<tbody>

<tr class="odd">

<p>O hidrogénio arrefecido a -253ºC e mantido em tanques

criogénicos.</p></td>

<td><u>Motivo:</u> Essencial para aplicações espaciais e transportes de

longo alcance (indústria aeroespacial - combustível para

foguetões).</td>

</tr>

<tr class="even">

<p>O hidrogénio reage com metais (por exemplo, magnésio) e forma

hidretos reversíveis.</p></td>

<td><u>Motivo:</u> Aplicações em sistemas estacionários e militares,

devido à sua segurança.</td>

</tr>

<tr class="odd">

<td><p><u>Materiais Adsorventes (MOFs e Carvão ativado):</u></p>

<p>O hidrogénio é armazenado em materiais porosos, o que promove o

aumento da massa volumétrica.</p></td>

<td><u>Motivo:</u> Potencial para armazenamento eficiente a baixas

pressões para a pesquisa e desenvolvimento de baterias de

hidrogénio.</td>

</tr>

<tr class="even">

<td><p><u><em>Liquid Organic Hydrogen Carries</em> – LOHC:</u></p>

<p>O hidrogénio é armazenado em moléculas líquidas orgânicas (por

exemplo, tolueno e dibenziltolueno - DBT) que podem ser hidrogenadas e

desidrogenadas reversivelmente.</p></td>

<td><u>Motivo:</u> Promove a segurança e facilidade de transporte de

hidrogénio.</td>

</tr>

</tbody>

</table>

\[1\]-<https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Chemistry_of_the_Main_Group_Elements_(Barron)/02%3A_Hydrogen/2.01%3A_Discovery_of_Hydrogen>

(acedido em fevereiro de 2025)

\[2\]- <https://www.metallurgyfordummies.com/history-of-hydrogen.html>

(acedido em fevereiro de 2025)

\[3\]-

<https://www.mwcog.org/file.aspx?&A=zkpv0NhzZDWLPqP7LLLYTPZMIgxuq1QGhT8%2BMkINPbo%3D>

(acedido em fevereiro de 2025)

\[4\]- Tian Q., Yao S., Shao M., Zhang W., Wang H.,

Origin, discovery, exploration and development status and prospect of global natural

hydrogen under the background of “carbon neutrality”, China Geology,

2022 (acedido em fevereiro de 2025)

\[5\]- Balat, M. (2008). Potential importance of hydrogen as a future

solution. International Journal of Hydrogen Energy, 4013-4029 (acedido

em fevereiro de 2025)

\[6\]- Merouani - Hydrogen Production, Storage and Utilization, de

Gruyter, 2025 (acedido em fevereiro de 2025)

\[7\]-.<https://energyeducation.ca/encyclopedia/Molecular_hydrogen>

(acedido em fevereiro de 2025)

\[8\]-<https://periodic-table.rsc.org/element/1/hydrogen> (acedido em

fevereiro de 2025)

\[9\]-<https://www.britannica.com/science/hydrogen> (acedido em

fevereiro de 2025)

\[10\]-<https://energyeducation.ca/encyclopedia/Types_of_hydrogen_fuel>

(acedido em fevereiro de 2025)

\[11\]-<https://stargatehydrogen.com/blog/types-of-hydrogen/> (acedido

em fevereiro de 2025)

\[12\]-<https://www.brunel.net/en/blog/renewable-energy/3-main-types-of-hydrogen>

(acedido em fevereiro de 2025)

\[13\]-<https://hydrogeneurope.eu/in-a-nutshell/> (acedido em fevereiro

de 2025)

\[14\]-<https://www.upscprep.com/types-of-hydrogen-green-purple-pink-yellow-bluw-turquoise-grey-brown-black-upsc-current-affairs/>

(acedido em fevereiro de 2025)

\[15\]- Farinha J. Reformação de metano com vapor de água em reformador

de escala laboratorial, Instituto Superior Técnico, 2008

<https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/395137864141/Mestrado_Jos%E9_Farinha.pdf>

(acedido em fevereiro de 2025)