hidrogênio prof.: paulo c. ribeiro química inorgânica
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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