Desde o século XVII, químicos observavam que um gás inflamável era liberado durante a reação de um metal com um ácido. Em 1766, Henry Cavendish (1731-1810) isolou esse gás e o chamou de "ar inflamável", demonstrando que produzia água ao queimar. Em 1783, Antoine Lavoisier (1743-1794) interpretou corretamente os resultados de Cavendish e demonstrou que a água é um composto, não um elemento. Ele chamou esse gás de hidrogênio (do grego hydro = água e genes = criar).
O hidrogênio (símbolo H, número atômico 1) é o elemento químico mais simples, constituído por um único próton e elétron, o prótio (¹H). Outros isótopos existem: deutério \(\,^{2}\mathrm{H}\), trítio \(\,^{3}\mathrm{H}\), \(\,^{4}\mathrm{H}\)...
À temperatura ambiente, o hidrogênio se encontra na forma de gás diatômico (H₂), extremamente leve (densidade ≈ 0,08988 g/L), incolor, inodoro e altamente inflamável. A temperatura na qual os estados líquido e sólido do hidrogênio podem coexistir em equilíbrio (ponto de fusão): 13,99 K (−259,16 °C). A temperatura a partir da qual passa do estado líquido para o gasoso (ponto de ebulição): 20,271 K (−252,879 °C).
| Isótopo / Notação | Prótons (Z) | Nêutrons (N) | Massa atômica (u) | Abundância natural | Meia-vida / Estabilidade | Decaimento / Observações |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Prótio — \(\,^{1}\mathrm{H}\,\) | 1 | 0 | 1.007825 u | ≈ 99,985 % | Estável | Núcleo reduzido a um próton; base do hidrogênio atômico. |
| Deutério — \(\,^{2}\mathrm{H}\) (D) | 1 | 1 | 2.014102 u | ≈ 0,0156 % | Estável | Um próton + um nêutron; núcleo ligado, usado em RMN e fusão. |
| Trítio — \(\,^{3}\mathrm{H}\) (T) | 1 | 2 | 3.016049 u | Traço | 12,32 anos | Radioativo β\(^-\) dando \(\,^{3}\mathrm{He}\). Produzido em reatores e usado para fusão D–T. |
| Isótopos neutrônicos extremos — \(\,^{4}\mathrm{H},\,^{5}\mathrm{H},\,^{6}\mathrm{H},\,^{7}\mathrm{H}\) | 1 | 3 — 6 | — (ressonâncias) | Não naturais | \(10^{-22}\) — \(10^{-21}\) s | Estados muito instáveis observados em laboratório; decaimento imediato por emissão de nêutrons. |
N.B. :
Camadas eletrônicas: Como os elétrons se organizam ao redor do núcleo.
O hidrogênio possui apenas 1 elétron distribuído em uma única camada eletrônica. Sua configuração eletrônica completa é: 1s¹, na camada K. O hidrogênio é o elemento mais simples da tabela periódica.
Camada K (n=1): Contém apenas 1 elétron no subnível 1s. Essa única camada está incompleta, pois pode conter até 2 elétrons. Portanto, falta 1 elétron para saturar essa primeira camada e atingir a configuração estável do hélio.
O único elétron (1s¹) é o elétron de valência do hidrogênio. Essa configuração explica suas propriedades químicas particulares:
Ao perder seu elétron 1s, o hidrogênio forma o íon H⁺ (estado de oxidação +1), que na verdade é apenas um próton isolado. Esse estado é comum em ácidos e soluções aquosas.
Ao ganhar 1 elétron, o hidrogênio forma o íon hidreto H⁻ (estado de oxidação -1), presente em hidretos metálicos como NaH ou LiH, adotando assim a configuração estável do hélio [He].
O estado de oxidação 0 corresponde ao di-hidrogênio H₂, sua forma molecular natural, onde dois átomos de hidrogênio compartilham um par de elétrons formando uma ligação covalente simples.
A configuração eletrônica do hidrogênio, com seu único elétron 1s, lhe confere uma posição única e ambígua na tabela periódica. Essa estrutura lhe confere propriedades características excepcionais: o hidrogênio pode tanto perder seu elétron (como os metais alcalinos) quanto ganhar um (como os halogênios), o que lhe dá um comportamento químico dual. No entanto, ao contrário dos metais alcalinos, o hidrogênio é um não metal em condições normais e forma principalmente ligações covalentes em vez de iônicas. O íon H⁺ é extremamente pequeno (apenas um próton) e nunca existe isolado em solução; ele está sempre associado a moléculas de água formando o íon hidrônio H₃O⁺.
O di-hidrogênio H₂ é um gás incolor, inodoro, extremamente leve (a molécula mais leve que existe) e altamente inflamável. Sua combustão com oxigênio produz apenas água, tornando-o um combustível limpo ideal. O hidrogênio forma ligações covalentes com praticamente todos os não metais e pode formar ligações de hidrogênio, interações fracas, mas essenciais para muitos fenômenos biológicos e químicos.
A importância do hidrogênio é absolutamente fundamental e universal: o hidrogênio é o elemento mais abundante do universo (cerca de 75% da massa bariônica), constituinte principal das estrelas onde se funde para formar hélio e liberar energia solar; é essencial para toda a química orgânica e a vida, presente na água H₂O, em todos os compostos orgânicos, ácidos e bases; as ligações de hidrogênio estabilizam a estrutura do DNA, das proteínas e determinam as propriedades únicas da água; industrialmente, o hidrogênio é massivamente utilizado no processo Haber-Bosch para produzir amônia NH₃ (base dos fertilizantes), no refino de petróleo (hidrogenação), na produção de metanol, na síntese de muitos produtos químicos; o hidrogênio é considerado o vetor energético do futuro para uma economia descarbonizada: células a combustível convertem hidrogênio em eletricidade com água como único subproduto, veículos a hidrogênio estão se desenvolvendo, e o hidrogênio pode armazenar energia renovável excedente; em metalurgia, o hidrogênio serve como agente redutor; existem três isótopos naturais: prótio ¹H (99,98%), deutério ²H ou D (0,02%, usado como traçador e na fusão nuclear), e trítio ³H ou T (radioativo, usado em datação e pesquisa de fusão).
O hidrogênio é um redutor potente e forma ligações químicas com muitos elementos: halogênios, oxigênio, enxofre, metais, etc. Forma hidretos e pode agir como um ácido (dador de próton) ou uma base (aceptor de próton) dependendo do contexto. O hidrogênio está envolvido na redução de óxidos metálicos liberando um próton quando age como ácido, e na hidrogenação de compostos orgânicos capturando um próton quando age como base.
O hidrogênio representa cerca de 75% da massa bariônica do universo. Foi sintetizado em grandes quantidades durante o Big Bang. Nas estrelas, serve como combustível para reações de fusão termonuclear via ciclo próton-próton ou ciclo CNO. No meio interestelar, é encontrado em forma atômica (H I), molecular (H₂) ou ionizada (H⁺). Sua linha de 21 cm é uma ferramenta importante na radioastronomia para mapear a estrutura galáctica.
O átomo de hidrogênio é o sistema quântico mais simples e serve como modelo para testar as previsões da mecânica quântica e da eletrodinâmica quântica (QED). Seu espectro eletrônico, muito bem medido, permite restringir as constantes fundamentais e explorar hipóteses sobre a variação dessas constantes no tempo ou espaço.
N.B.:
A linha de 21 cm é um sinal de rádio emitido pelo hidrogênio neutro no espaço. Ocorre quando uma pequena mudança na orientação dos spins do próton e do elétron no átomo de hidrogênio libera um fóton. Embora essa transição seja rara e muito fraca, é muito útil para os astrônomos "verem" a distribuição do hidrogênio em nossa galáxia e em galáxias próximas, pois passa facilmente pelas nuvens de poeira que bloqueiam a luz visível.
Berílio (Z=4): um metal
raro com propriedades excepcionais 
