Química do Hidrogênio
Aula 3: Química de Elementos
Configuração Eletrônica - 1s1
- Forma ligação covalente, preferencialmente com não-metais
Hidrogênio e Hidretos
Abundância• Mais abundante no universo (92%)• 10º elemento na crosta terrestre (minerais; oceanos, vulcões e toda forma de vida).
H2 H2O
CH4
H2O
2
Perde um elétron para formar íon H+
• H+ é muito pequeno, apresenta alto poder polarizante e deforma a nuvem eletrônica de outros átomos.
• H+ está sempre associado a outras moléculas: H3O+; H9O4
+ ou H(H2O)n+. Em média são 6 moléculas de água.
• H+ livre não existe em condições normais, mas é encontrado em feixes gasosos a baixas pressões.
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Estrutura de solvatação Zundel
H5O2+
3
Adquire um elétron para formar Hidretos (H-)
• Sólidos cristalinos: formados por metais altamente eletropositivos (grupo 1 e 2).
• O Hidrogênio apresenta eletronegatividade igual a 2,1, podendo doar ou receber elétrons.
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Hidreto de Lítio (LiH)
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Isótopos de Hidrogênio
99,98% (H11) 0,0156% (H1
2) 0,0044% (H13)
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(H) (D) (T)
• O trítio (H3) é radioativo e sofre decaimento com emissão β
13H 3/2 He + 1e-
• H2 reage mais rápido do que o D2 Ea do H2 é menor
•H2O dissocia (Kd = 1,0x10-14 mol/L) três vezes mais do que a água pesada D2O (Kd = 3,0x10-15 mol/L);
Propriedades dos Isótopos
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• Ligações com o prótio são rompidas mais facilmente (18 vezes) do que com o deutérioEx: eletrólise da água libera H2 mais facilmente que D2 e a água remanescente após a eletrólise torna-se enriquecida com D2O. A hidrólise de 29.000L de H2O fornece 1L de D2O
• D2O sofre todas as reações da H2OEx.: D2O possui menor constante dielétrica menor solubilidade de íons
Propriedades dos Isótopos
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Posição na Tabela Periódica
• 1º elemento da TP (propriedades semelhantes ao G18)• 1º período H e He (propriedades diferentes dos principais grupos da TP)
GRUPO 1 GRUPO 14 GRUPO 17
Semelhanças 1 e- no nível mais externo
Nível eletrônico externo semi-
preenchido
Falta 1 e- para configuração de gás nobre
Diferenças Tende a formar
ligações covalentes
Formação de íons negativos
não é típico para o H
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1. Reforma a vapor: principal método comercial• Reação catalisada da água com hidrocarbonetos a altas temperaturas
CH4(g) + H2O(g) 1000°C CO(g) + 3H2(g)
•Reação similar com coque como redutor: reação do gás de água
C(g) + H2O(g) 1000°C CO(g) + H2(g)
• Ambas reações são seguidas por outra etapa CO(g) + H2O(g) Fe/Cr CO2(g) + H2(g)
2. Craqueamento de nafta e óleo combustível nas refinarias de petróleo : H2 é subproduto da reação
Obtenção de Hidrogênio
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3. Eletrólise de NaOH ou KOH: 99,9% purezaMétodo caro, viável economicamente quando integrado com as indústrias de cloro-alcali.Anodo (Ni) 2OH- H2O + ½ O2 + 2e-
Catodo (Fe) 2H2O + 2e- 2OH- + H2
Reação global H2O H2 + ½ O2
4. Subproduto na indústria de cloro e álcalisSoluções aquosa de NaCl sofrem eletrólise para formar NaOH, Cl2 e H2
5 - Reações de ácidos diluídos com metais do grupo 1, 2, 3, 4 e lantanídeos ou de álcalis com alumínio
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
2Al + 2NaOH + 6H2O 2Na[Al(OH)4] + 3H2
6 - Reações de hidretos iônicos com águaLiH + H2O LiOH + H2Aula 3: Química de Elementos 10
Fotossíntese
Algas Verdes e Cianobactérias
Biofotólise
Bactérias Fotossintetizantes
Fotodecomposição de Compostos Orgânicos
Fermentação Bactérias Fermentativas
Fermentação de Compostos Orgânicos
Sistemas Híbridos Bactérias Fermentativas + Fotossintetizantes
7. Métodos Biológicos
Reforma a vapor
Eletrólise da Água
Obtenção de Hidrogênio
Metal + Acido Al + NaOH
Obtenção de Hidrogênio
1 - Síntese de amônia2H2 + (O2 + 4N2 (ar)) 1100°C 2H2O + 4N2
N2 + 3H2 Fe/400°C/200atm 2NH3
2 - Hidrogenação catalítica de óleos - fabricação de margarina
3 - Manufatura de reagentes orgânicos – síntese do metanol pelo processo de hidroformilação
CO + 2H2 Co MeOH
4 - Produção de HCl, hidretos metálicos, combustível e na metalurgia (redução de óxidos a metais)
Usos do Hidrogênio (H2)
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Fritz HaberFritz Haber1868-19341868-1934
H2 - gás natural, inodoro, baixa solubilidade em solventes de baixa densidade. Substitui o He em balões metereológicos Possui ligação covalente muito forte (435,9 kJmol-1)
Pouco reativo em condições naturais (predomina aspectos cinéticos em relação aos termodinâmicos). Deve haver quebra da ligação H-H --> Ea alta ==> reações lentas ou requerem altas temperaturas ou catalisadores.
Propriedades Gerais e Químicas
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H2 - queima no ar ou oxigênio, liberando muita energia:
2H2 + O2 2H2O ΔH = -485kJmol-1
H2 reage com os halogênios:
H2 + F2 2HF ( violenta mesmo a baixa T)
H2 + Cl2 2HCl (catalisada pela luz, explosiva à luz solar direta
Propriedades Gerais e Químicas
Aula 3: Química de Elementos 17
Formação de Hidretos: reações do H2 com metais para formar Hidretos. As reações são violentas e requerem altas temperaturas.
Produção industrial de NH3 (Processo Haber)N2 + 3H2 2NH3 ΔG298K= -33,4kJmol-1
Favorecida por altas pressões, baixas T (380 a 450°C e 200atm) e catalisadores (Fe)
Reações de hidrogenação - adição de H2 a C=CEx: saturação de ácidos graxos (Pd como catalisador)
CH3(CH2)nCH=CHCOOH + H2 CH3(CH2)nCH2CH2COOH
Redução de nitrobenzeno a anilina em indústria de corantes Produção de metanol
CO + 2H2 CH3OH (necessita catalisador)Aula 3: Química de Elementos 18
H2 é muito estável: condições normais apresenta baixa tendência em dissociar.
H2 2H ΔH = 435,9kJmol-1 (muito endotérmica)Possível a altas T, campo elétrico ou radiação UV mas o átomo de H tem vida de menos de 1/2 segundo.
H2 como combustível: substituir carvão e petróleo; não libera poluentes como SO2, NOx, CO2. Hidrocarbonetos
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Reação do H com metais do grupo 1 e 2(Ca, Sr,Ba), a altas temperaturasEx: NaH, CaH2
Sólidos de ponto de fusão elevados Quando fundidos conduzem eletricidade Eletrólise da solução fundida libera H2
Possuem estrutura cristalina conhecida
Hidretos iônicos ou salinos
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Os hidretos são compostos inorgânicos hidrogenados, que apresentam o hidrogênio como o elemento mais eletronegativo, ou seja, como ânion de estado de oxidação -1 ( H-1 ).
Hidretos
Hidretos Iônicos
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Hidretos Iônicos
Só é possível com elementos de eletronegatividade menor que 2,1
Hidretos com elementos do grupo 1 são mais reativos do que os do grupo 2. (Reatividade aumenta de cima para baixo no grupo – por quê?)
H- é instável em água
Todos hidretos iônicos reagem com água LiH + H2O LiOH + H2
São poderosos agentes redutores
2CO + NaH H-COONa + CAula 3: Química de Elementos 21
Hidretos Covalentes Hidretos dos elementos do grupo p: pequena diferença de eletronegatividade entre estes átomos e o hidrogênio
São voláteis, baixo p.f e p.e
Constituídos por moléculas covalentes, mantidas por forças de Van der Walls
Hidretos do grupo 13 são polímeros mononucleares
Ex: B2H6; B4H10, B10H14; (AlH3)n
Nos outros grupos, exceto halogênios, forma hidretos polinucleares. Principalmente C, N e O
Ex: CH4; C2H6; C2H4; C2H2; C6H6; Si10H22; Sn2H6; N2H4; NH3; H2O2
Aula 3: Química de Elementos 22
Hidretos metálicos ou intersticiais
Elementos do grupo d ou f reagem com hidrogênio; Elementos situados no centro do bloco d não formam hidretos; Propriedades semelhantes aos dos metais correspondentes: Duros, brilho metálico, condutores de eletricidade, propriedades Magnéticas; Formam hidretos com diferentes estequiometrias:
Ex: EuH2; CeH2,69; UH3; NbH0,7; PdH0,6
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