Hidrogênio Prof.: Paulo C. Ribeiro Química Inorgânica

Hidrogênio

Prof.: Paulo C. RibeiroQuímica Inorgânica

Estrutura atômica mais simples que

qualquer outro elemento;

1 próton e 1 elétron;

Configuração 1s1

Estrutura eletrônica

Estrutura atômica

Formas de estabilidades dos átomos de H

Perdendo 1 elétron para formar H+

O próton é extremamente pequeno;

Alto poder polarizante, o que deforma a nuvem eletrônica de outros

átomos;

Prótons livres não são encontrados em condições normais (H3O+).

Ligação covalente com outro átomo

Preferencialmente com não metais (H2, H2O , HCl , CH4);

Muitos metais formam este tipo de ligação.

Adquirindo 1 elétron e formando H-

Sólidos cristalinos como o LiH contém o íon H-

sendo formado por metais altamente

eletropositivos;

Ligação covalente é a mais comum.

Posição na tabela periódica

Primeiro elemento da tabela periódica;

Apresenta características únicas;

Estrutura eletrônica semelhante a dos metais alcalinos,

quando estes possuem 1 elétron no nível mais externo;

Quando reagem os MA tendem a perder este elétron se

tornando íons, enquanto o hidrogênio tende a compartilhar

o seu elétron.

Semelhança com aos halogênios, os dois precisam de 1

elétron para se estabilizar;

Os halogênios quando ganham 1 elétron formam íons

negativos, não é comum ao hidrogênio formar íon negativo;

Estrutura eletrônica do hidrogênio se assemelha aos

elementos do grupo 14 (nível mais externo semi

preenchido);

Observa-se diversas semelhanças entre hidretos e

compostos organometálicos H- e CH3 - .

Abundância do Hidrogênio

Universo é constituído por 92% de hidrogênio , 7% de hélio

e 1% dos demais elementos;

Na atmosfera terrestre a quantidade de hidrogênio é muito

baixa devido a pequena força gravitacional que não

consegue retê-lo em nossa atmosfera;

É o 10º elemento mais abundante na crosta terrestre;

Forma mais compostos que qualquer outro

elemento;

Ácidos, amônia, combustíveis fósseis, organismos

vivos, compostos orgânicos.

Obtenção do Hidrogênio

Processo Bosch

Homenagem ao químico alemão Carl Bosch (1874 – 1940)

Fonte: Google images, 2015.

Obtido em grande escala e baixo custo

Passagem do vapor de água sobre o coque

incandescente ao rubro a temperatura de

1000 oC

C + H2O CO + H2 (gás d’água)

Gás d’água, combustível importante;

Libera grande quantidade de calor;

Carbono quente remove o oxigênio do vapor de

água;

Reação endotérmica;

Com o calor absorvido a temperatura da reação

com o tempo cai reação lenta podendo até

cessar.

Coque deve ser reaquecido;

Para isso, insufla-se ar pré-aquecido provocando

uma combustão parcial, a qual libera calor para a

primeira reação;

C + O2 CO2 (Reação exotérmica)

Gás carbônico produzido é eliminado com o

excesso de ar.

Fases endotérmica e exotérmica são alternadas;

Se o objetivo é produzir o hidrogênio puro à partir do

gás d’água, deve-se fazer passar o vapor de água a

450oC na presença de um catalisador de óxido de

ferro III (Fe2O3);

CO + H2 + H2O H2 + CO2 + H2

Função da reação: Eliminar o CO e produzir mais

hidrogênio.

Obtenção de uma mistura de dióxido de carbono e

hidrogênio;

Para obter-se hidrogênio puro:

Usa-se o princípio que o dióxido de carbono é 100

vezes mais solúvel em água que o hidrogênio. A

solubilidade é aumentada com o abaixamento de

temperatura e aumento de pressão.

A mistura CO2 / H2O também pode ser separada

reagindo com K2CO3.

K2CO3 + CO2 + H2O 2 KHCO3

Etanolamina

2HOCH2CH2NH2 + CO2 + H2O (HOCH2CH2NH3)2 CO3

Processo de Reformação à Vapor

Hidrogênio obtido por este processo é utilizado na síntese da

amônia (processo Haber) e na hidrogenação de óleos;

Hidrocarbonetos leves são misturados com vapor de água e

passados sobre um catalisador de níquel a temperatura de

800 à 900oC;

Encontra-se hidrocarbonetos leves no gás natural ou em

processos de craqueamento de náfta e óleos combustíveis.

CH4 + H2O CO + 3H2

CH4 + 2H2O CO2 + 4H2

O produto da reação é uma mistura de CO, CO2, H2 e excesso

de vapor de água;

Essa mistura é enriquecida com mais vapor, resfriada a 400oC,

passada por um conversor que contém catalisador

ferro/cobre, onde o CO é transformado em CO2 Finalizando, o CO2 é separado do hidrogênio pelo K2CO3 ou a etanolamina.

Pelo craqueamento de naftas e óleos combustíveis

O hidrogênio é um subproduto

4) eletrólise da água

5) subproduto da indústria do cloro e alcalis

Refinarias de Petróleo

Ácidos mais utilizados:

Ácido sulfúrico diluído

Ácido clorídrico diluído ou concentrado .

Metal mais utilizado: Zinco .

Zn + H2SO4 (d) H2 + ZnSO4

Aparelhagem utilizada

Um frasco kitassato

Um funil de separação adaptado ao kitassato por rolha Um tubo de

vidro com substância desidratante em seu interior.

Preparação do Hidrogênio pelo seu deslocamento de ácidos (Lab.)

O vapor de água é eliminado por cloreto de cálcio,

hidróxido de potássio ou óxido de fósforo ;

O hidrogênio também pode conter hidreto de

arsênico (AsH3) e antimônio (SbH3) proveniente do

zinco;

O hidrogênio puro está associado a utilização de

ácido e metais puros .

Magnésio reage tanto com o ácido sulfúrico quanto

com o ácido clorídrico, mas a reação é mais violenta

do que com o zinco;

A reação é lenta a frio, mas com boa velocidade

quando o ácido está aquecido;

Chumbo não é utilizado pela reação ser muito lenta;

Sódio e potássio não são utilizados porque podem

reagir explosivamente .

Ácido nítrico não é utilizado, pois reagindo

com o zinco forma o nitrato de amônio,

nitrato de zinco e água;

A reatividade dos metais está associada a

tabela de eletropositividade dos metais.

Bases fortes em soluções concentradas como

hidróxido de sódio e de potássio reagem com metais

como zinco, alumínio e estanho, produzindo

hidrogênio gasoso e hidroxo- complexos do metal .

Preparação do Hidrogênio pelo seu deslocamento de soluções aquosas de bases

fortes

Zn + 2 NaOH + 2 H2O H2 + Na2{Zn(OH)4}

2Al + 2NaOH +6H2O 3H2 +2Na{Al(OH)4}

Sn +2NaOH +2H2O H2 +Na2{Sn(OH)4}

Tetraidroxozincato II de sódio;

Tetraidroxoaluminato III de sódio;

Teraidroxoestanato II de sódio;

Alguns não metais também reagem com NaOH

Si + 2NaOH + H2O 2H2 + Na2SiO3 .

Silicato de sódio

PROPRIEDADES DO HIDROGÊNIO MOLECULAR

Gás mais leve conhecido

Devido a sua baixa densidade, utilizado em balões

meteorológicos;

Incolor, inodoro e quase insolúvel em água;

Forma moléculas diatômicas onde os átomos estão

unidos por uma ligação muito forte (energia de ligação

435,9 Kj/mol);

Em condições normais, não é muito reativo .

Etapa fundamental em uma reação:

Quebra da ligação H-H .

Muitas reações são lentas;

Requerem elevadas temperaturas e ou o uso de

catalisadores (catálise heterogênea, MT);

Catalisador enfraquece ou quebra a ligação H-

H, diminuindo a energia de ativação.

Processo Haber de obtenção da amônia:

Utiliza catalisador de ferro ativado

Temperatura de 380-4500C

Pressão de 200 atm;

Hidrogenação de diversos compostos orgânicos

insaturados;

Catalisadores de Ni, Pd, ou Pt .

REAÇÕES COM USO DE CATALISADORES

Obtenção do metanol pela redução do CO em H2

CO + 2H2 CH3OH

Ocorre a 3000C;

300 atmosferas;

Catalisador de Cr2O3/ZnO

Hidrogênio queima ao ar formando água e uma grande

quantidade de energia.

2H2 + O2 2H2O H = - 485KJ/Mol

Com flúor a reação é violenta, mesmo a baixas temperaturas;

Com cloro é lenta no escuro, mas a reação sendo catalisada

por luz (fotocatálise) é rápida;

Torna-se mais rápida à luz do dia e explosiva quando

exposta a luz solar direta.

H2 + F2 2HF

H2 + Cl2 2 HCl

REAÇÃO COM HALOGÊNIOS

HIDROGENAÇÃO DE ÓLEOS

Usado em grande escala na hidrogenação de óleos

vegetais com a obtenção da gordura;

Os ácidos graxos insaturados são hidrogenados na

presença de catalisador de paládio, formando

ácidos graxos saturados.

Hidrogênio é muito usado na síntese da

anilina à partir do nitrobenzeno;

Na presença do catalisador de níquel, o

nitrobenzeno é hidrogenado a 6000 C

- NO2 + 3H2 - NH2

OBTENÇÃO DE ANILINA

ASPECTOS ECONÔMICOS DO HIDROGÊNIO

Hidrogênio poderia substituir o carvão e petróleo como fonte

de energia;

Combustão do hidrogênio libera água e grande quantidade de

energia;

Combustão de hidrocarbonetos libera dióxido de enxofre,

óxidos de nitrogênio, dióxido de carbono e outros poluentes;

Hidrogênio pode ser armazenado no estado gasoso em

cilindros confeccionados em aço próprio.

No estado líquido em recipientes criogênicos;

A vácuo ou dissolvido em vários metais;

Ex: liga de La Ni5 pode absorver sete mols de

hidrogênio por mol de liga à pressão de

2,5atm à temperatura ambiente.

ISÓTOPOS

O hidrogênio na natureza é constituído por três

isótopos: Prótio 1H1 ou H;

Deutério 2H1 ou D

Trítio 3H1 ou T

Apresentam a mesma configuração eletrônica e

essencialmente as mesmas propriedades químicas

Diferenças são encontradas na velocidade de reação

e nas constantes de equilíbrio;

São os chamados Efeitos Isotópicos associados aos

diferentes números de massa;

A diferença porcentual de massa entre os isótopos é

maior que qualquer outro elemento, o que acarreta

diferenças maiores de propriedades físicas.

06 de maio 1937, o dirigível Hindenburg

pegou fogo quando realizava manobras

para pouso em Lakehurst, New Jersey.

Dos 97 passageiros tripulantes a bordo,

62 foram resgatados, mas 35 morreram

no acidente juntamente com um membro

da tripulação do solo.

Orgulho da Alemanha nazista, o Hindenburg era um meio luxuoso de viajar;Seus passageiros degustavam as melhores comidas e bebidas enquanto a nave cruzava os céus a 120 km/h.

http://pessoas.hsw.uol.com.br/o-inflamavel-hindenburg.htm

“Começamos a correr o mais rápido que podíamos, rezando na mesma velocidade. O calor, a luz e a fumaça da explosão do hidrogênio, e a percepção de que estávamos sob um enorme monstro em chamas que afundava nos deixou com a sensação de estarmos presos... O monstro inflamável caiu logo atrás de nós, a parte traseira batendo no chão primeiro. (...) Correndo com a cabeça virada para trás, ouvi uma mensagem do alto-falante: “Vocês estão em segurança, voltem e nos ajudem”. Depoimento de um dos membros de apoio de equipe de solo.

http://pessoas.hsw.uol.com.br/o-inflamavel-hindenburg.htm