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Química do Hidrogênio. Aula 3: Química de Elementos Configuração Eletrônica - 1s 1 - Forma ligação covalente, preferencialmente com não-metais Hidrogênio.

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1 Química do Hidrogênio

2 Aula 3: Química de Elementos Configuração Eletrônica - 1s 1 - 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). H2H2 H2OH2O CH 4 H2OH2O 2

3 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: H 3 O + ; H 9 O 4 + ou H(H 2 O) n +. Em média são 6 moléculas de água. H + livre não existe em condições normais, mas é encontrado em feixes gasosos a baixas pressões. Aula 3: Química de Elementos Estrutura de solvatação Zundel H 5 O 2 + 3

4 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. Aula 3: Química de Elementos Hidreto de Lítio (LiH) 4

5 Isótopos de Hidrogênio 99,98% (H 1 1 ) 0,0156% (H 1 2 ) 0,0044% (H 1 3 ) Aula 3: Química de Elementos 5 (H)(D)(T)

6 O trítio (H 3 ) é radioativo e sofre decaimento com emissão β 1 3 H 3 / 2 He + 1e - H 2 reage mais rápido do que o D 2 Ea do H 2 é menor H 2 O dissocia (Kd = 1,0x mol/L) três vezes mais do que a água pesada D 2 O (Kd = 3,0x mol/L); Propriedades dos Isótopos Aula 3: Química de Elementos 6

7 Ligações com o prótio são rompidas mais facilmente (18 vezes) do que com o deutério Ex: eletrólise da água libera H 2 mais facilmente que D 2 e a água remanescente após a eletrólise torna-se enriquecida com D 2 O. A hidrólise de L de H 2 O fornece 1L de D 2 O D 2 O sofre todas as reações da H 2 O Ex.: D 2 O possui menor constante dielétrica menor solubilidade de íons Propriedades dos Isótopos Aula 3: Química de Elementos 7

8 Posição na Tabela Periódica 1º elemento da TP (propriedades semelhantes ao G18) 1º período H e He (propriedades diferentes dos principais grupos da TP) 8

9 1. Reforma a vapor: principal método comercial Reação catalisada da água com hidrocarbonetos a altas temperaturas CH 4 (g) + H 2 O(g) 1000°C CO(g) + 3H 2 (g) Reação similar com coque como redutor: reação do gás de água C(g) + H 2 O(g) 1000°C CO(g) + H 2 (g) Ambas reações são seguidas por outra etapa CO(g) + H 2 O(g) Fe/Cr CO 2 (g) + H 2 (g) 2. Craqueamento de nafta e óleo combustível nas refinarias de petróleo : H 2 é subproduto da reação Obtenção de Hidrogênio Aula 3: Química de Elementos 9

10 3. Eletrólise de NaOH ou KOH: 99,9% pureza Método caro, viável economicamente quando integrado com as indústrias de cloro-alcali. Anodo (Ni) 2OH - H 2 O + ½ O 2 + 2e - Catodo (Fe) 2H 2 O + 2e - 2OH - + H 2 Reação global H 2 O H 2 + ½ O 2 4. Subproduto na indústria de cloro e álcalis Soluções aquosa de NaCl sofrem eletrólise para formar NaOH, Cl 2 e H Reações de ácidos diluídos com metais do grupo 1, 2, 3, 4 e lantanídeos ou de álcalis com alumínio Zn + H 2 SO 4 ZnSO 4 + H 2 2Al + 2NaOH + 6H 2 O 2Na[Al(OH) 4 ] + 3H Reações de hidretos iônicos com água LiH + H 2 O LiOH + H 2 Aula 3: Química de Elementos 10

11 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

12 Reforma a vapor Eletrólise da Água Obtenção de Hidrogênio

13 Metal + Acido Al + NaOH Obtenção de Hidrogênio

14 1 - Síntese de amônia 2H 2 + (O 2 + 4N 2 (ar)) 1100°C 2H 2 O + 4N 2 N 2 + 3H 2 Fe/400°C/200atm 2NH Hidrogenação catalítica de óleos - fabricação de margarina 3 - Manufatura de reagentes orgânicos – síntese do metanol pelo processo de hidroformilação CO + 2H 2 Co MeOH 4 - Produção de HCl, hidretos metálicos, combustível e na metalurgia (redução de óxidos a metais) Usos do Hidrogênio (H 2 ) Aula 3: Química de Elementos 14

15 Fritz Haber

16 H 2 - 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 Aula 3: Química de Elementos 16

17 H 2 - queima no ar ou oxigênio, liberando muita energia: 2H 2 + O 2 2H 2 O Δ H = -485kJmol -1 H 2 reage com os halogênios: H 2 + F 2 2HF ( violenta mesmo a baixa T) H 2 + Cl 2 2HCl (catalisada pela luz, explosiva à luz solar direta Propriedades Gerais e Químicas Aula 3: Química de Elementos 17

18 Formação de Hidretos: reações do H 2 com metais para formar Hidretos. As reações são violentas e requerem altas temperaturas. Produção industrial de NH 3 (Processo Haber) N 2 + 3H 2 2NH 3 Δ G 298K = -33,4kJmol -1 Favorecida por altas pressões, baixas T (380 a 450°C e 200atm) e catalisadores (Fe) Reações de hidrogenação - adição de H 2 a C=C Ex: saturação de ácidos graxos (Pd como catalisador) CH 3 (CH 2 ) n CH=CHCOOH + H 2 CH 3 (CH 2 ) n CH 2 CH 2 COOH Redução de nitrobenzeno a anilina em indústria de corantes Produção de metanol CO + 2H 2 CH 3 OH (necessita catalisador) Aula 3: Química de Elementos 18

19 H 2 é muito estável: condições normais apresenta baixa tendência em dissociar. H 2 2H Δ H = 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. H 2 como combustível: substituir carvão e petróleo; não libera poluentes como SO 2, NO x, CO 2. Hidrocarbonetos Aula 3: Química de Elementos 19

20 Reação do H com metais do grupo 1 e 2(Ca, Sr,Ba), a altas temperaturas Ex: NaH, CaH 2 Sólidos de ponto de fusão elevados Quando fundidos conduzem eletricidade Eletrólise da solução fundida libera H 2 Possuem estrutura cristalina conhecida Hidretos iônicos ou salinos Aula 3: Química de Elementos 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 20

21 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 + H 2 O LiOH + H 2 São poderosos agentes redutores 2CO + NaH H-COONa + C Aula 3: Química de Elementos 21

22 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: B 2 H 6 ; B 4 H 10, B 10 H 14 ; (AlH 3 ) n Nos outros grupos, exceto halogênios, forma hidretos polinucleares. Principalmente C, N e O Ex: CH 4 ; C 2 H 6 ; C 2 H 4 ; C 2 H 2 ; C 6 H 6 ; Si 10 H 22 ; Sn 2 H 6 ; N 2 H 4 ; NH 3 ; H 2 O 2 Aula 3: Química de Elementos 22

23 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: EuH 2 ; CeH 2,69 ; UH 3 ; NbH 0,7 ; PdH 0,6 Aula 3: Química de Elementos 23


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