O ELEMENTO HIDROGÊNIO Universidade Federal da Paraíba Centro de Ciências Exatas e da Natureza Departamento de Química Prof. Dr. Ary da Silva Maia O ELEMENTO HIDROGÊNIO

INTRODUÇÃO Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Embora na terra ocupe o nono lugar entre os elementos em termos de ocorrência, correspondendo a 0,9% da massa do planeta, é o mais abundante no universo, pois apresenta cerca de 75% de toda a massa cósmica. Na crosta terrestre: presente nos minerais, nos oceanos e em todas as coisas vivas. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

O ÁTOMO DE HIDROGÊNIO Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

A estrutura atômica do hidrogênio, a mais simples de todos os elementos químicos, apresenta um próton no núcleo, e um elétron, na camada externa. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Em algumas Tabelas Periódicas se encontra na Família 1 (metais alcalinos), mas existe uma controvérsia quanto a sua real posição. Semelhanças Não semelhanças Grupo 1 Metais Alcalinos Forma cátion monopositivo H+ Tem um único elétron s É um ametal Não reage com água Grupo 17 Halogênios Forma moléculas diatômicas H2 Forma ânions mononegativos H- H- é instável e reativo H2 é relativamente não reativo com ligação forte Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

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PROPRIEDADES NUCLEARES Há 3 isótopos de hidrogênio: Próprio hidrogênio (1H) ou (H) Deutério (2H) ou (D) Trítio (3H) ou (T) OBS!! Somente o Trítio é radioativo Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

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ÁTOMOS DE HIDROGÊNIO E ÍONS Energia de Ionização do H = 1310 KJ/mol Afinidade Eletrônica do H = 77 KJ/mol Eletronegatividade do H = 2,2 (próximo ao C) Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

O hidrogênio atômico não se encontra livre na natureza, mas sim combinado em grande número de compostos. Quando perde um elétron, constitui um cátion H+, que é na realidade um próton. Em outros casos ao ganhar um elétron forma o ânion hidreto H─, presente apenas em combinações com metais alcalinos e acalinos-terrosos. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Na maioria dos compostos o H apresenta carga + 1 Ex: HCl, H2O H = +1 ou (H+). O átomo de H forma compostos com os metais (preferencialmente Grupos 1 e 2) que são chamados de “hidretos metálicos” Ex: NaH, AlH3 H = -1 ou (H-) Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

HIDROGÊNIO MOLECULAR (H2) Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Em seu estado molecular, H2, constitui-se de dois átomos de hidrogênio, ligados por uma ligação covalente simples Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

PROPRIEDADES DO HIDROGÊNIO MOLECULAR (H2) O comprimento da ligação H─H é curta: 0,74 Å Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Forças de atração entre as moléculas vizinhas são pequenas. O hidrogênio molecular, é o gás mais leve que se conhece, é incolor, inodoro, insípido e insolúvel em água. Sua densidade é 14 vezes menor que a do ar. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

PRODUÇÃO DO H2 Grande parte do hidrogênio (H2) para indústria é produzido pela reação, a alta temperatura, do H2O com o CH4. CH4 (g) + H2O (g) → CO (g) + 3 H2 (g) à 1000ºC Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Entre outros métodos para obtenção do hidrogênio, o mais conhecido e também mais pesquisado é a eletrólise da água. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

UTILIZAÇÃO DO H2 As aplicações do hidrogênio estão desde o processamento de hidrocarbonetos combustíveis, até a síntese da amônia Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

HIDROGÊNIO: O COMBUSTÍVEL DO FUTURO Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Desde o início do século XIX, os cientistas identificaram o hidrogênio como uma fonte potencial de combustível. Os usos atuais do hidrogênio incluem processos industriais, combustível para foguetes e propulsão para cápsulas espaciais. Quando produzido de fontes e tecnologias renováveis, como hidráulica, solar ou eólica, o hidrogênio torna-se um combustível renovável.  Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

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CÉLULAS A COMBUSTÍVEL Dispositivo eletroquímico que converte energia química em eletricidade e calor Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Dentro da célula a combustível, o gás hidrogênio pressurizado é bombeado para o terminal negativo, o ânodo. O gás é forçado a atravessar o catalisador. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Quando a molécula de hidrogênio entra em contato com o catalisador, ela se separa em dois íons de hidrogênio (H+) e dois elétrons (e-). Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

O oxigênio (O2), retirado do ar, entra na célula a combustível pelo terminal positivo, o cátodo. O gás é forçado a se dispersar no catalisador. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

O catalisador separa a molécula de oxigênio em dois átomos de oxigênio O catalisador separa a molécula de oxigênio em dois átomos de oxigênio.Cada átomo de oxigênio atrai dois íons H+ através do eletrólito. Estes dois íons H+ combinam com o átomo de oxigênio para formar a molécula de água (H2O). Nesta reação, uma certa quantidade de calor é liberada. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

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BENEFÍCIOS AMBIENTAIS Emissão nula de CO2 Por cada kg de hidrogênio utilizado (no lugar de petróleo) 3 kg de CO2 são evitados. Eficiência 4 vezes superior ao motor de combustão Único resíduo é água potável Não há barulho no seu funcionamento Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

REAÇÕES DO HIDROGÊNIO (H2) Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Reage muito lentamente com a maioria dos outros elementos. Energia para quebrar a ligação H─H é muito alta. Condições Especiais!!!!!! Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

DISSOCIAÇÃO (QUEBRA) SOBRE UMA SUPERFÍCIE METÁLICA Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

COORDENAÇÃO (LIGAÇÃO) AO ÁTOMO DE IRÍDIO (Ir) Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

CLASSIFICAÇÃO DOS COMPOSTOS DE HIDROGÊNIO Compostos Moleculares Hidretos Salinos Hidretos Metálicos Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

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1 - COMPOSTOS MOLECULARES Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

H com elementos eletronegativos dos grupos 13 ao 17. NH3 H2O CH4 Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

ÁGUA Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

A água tem uma estrutura molecular simples A água tem uma estrutura molecular simples. Ela é composta de um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio. Cada átomo de hidrogênio liga-se covalentemente ao átomo de oxigênio, compartilhando com ele um par de elétrons. O oxigênio também tem um par de elétrons não compartilhados. Assim, há 4 pares de elétrons em torno do átomo de oxigênio, dois deles envolvidos nas ligações covalentes com o hidrogênio e dois pares não-compartilhados no outro lado do átomo de oxigênio. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

O─H são ligações covalentes Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO H ligado ao F, O e N Influenciam em muitas propriedades: principalmente nos pontos de ebulição dos compostos Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Cada molécula de água estabelece quatro ligações de hidrogênio com as moléculas vizinhas, sendo, portanto,muito intensas as forças que as mantêm unidas. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

A força combinada de muitas ligações de H pode ser grande. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS DA ÁGUA Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

ESTADO FÍSICO Metano (MM=16), o etano (MM=30), o propano (MM=44), a amônia (MM=17), o dióxido de carbono (MM=44) são todos gases a 25 ºC . No entanto, a água (MM=18) a esta temperatura é um líquido. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

DENSIDADE Os sólidos são, geralmente, mais compactos que os líquidos e os gases. Com o aumento da temperatura da substância, a sua densidade decresce, em geral. A água líquida é a única substância comum que se expande quando congela. Na fase sólida (gelo) a água apresenta uma estrutura bem ordenada, aberta e muito estável. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

SÓLIDO LÍQUIDO Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

PONTO DE EBULIÇÃO As ligações de hidrogênio constituem uma força de atração particularmente elevada entre as moléculas de água, inibindo a sua separação e “fuga” na forma de vapor. Sem as ligações de hidrogênio, a temperatura de ebulição da água poderia chegar a -80ºC, existindo na superfície terrestre somente na forma gasosa. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

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AMÔNIA (NH3) O amoníaco, gás amoníaco ou amônia é um composto químico cuja molécula é constituída por um átomo de Nitrogênio (N) e três átomos de Hidrogênio (H) de fórmula molecular (NH3), cuja formula estrutural é: Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

N2 (g) + 3 H2 (g)  2 NH3 ( g ) OBTENÇÃO DA AMÔNIA Atualmente o processo de Haber-Bosch (cujo desenvolvimento valeu a Fritz Haber e a Carl Bosch o Prêmio Nobel da Química de 1918 e 1931, respectivamente) é o mais importante método de obtenção da amônia. Neste processo os gases nitrogênio e hidrogênio são combinados diretamente a uma pressão de 200 atm e temperatura de 500ºC, utilizando o ferro como catalisador. N2 (g) + 3 H2 (g)  2 NH3 ( g ) Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

APLICAÇÕES DA AMÔNIA A amônia e seus derivados uréia, nitrato de amônio e outros são usados na agricultura como fertilizantes. Também é componente de vários produtos de limpeza. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

FERTILIZANTES NITROGENADOS Fertilizantes ou adubos são compostos químicos que visam suprir as deficiências em substâncias vitais à sobrevivência dos vegetais. São aplicados na agricultura com o intuito de melhorar a produção. O nitrogênio é essencial para o crescimento das plantas, particularmente das folhas, já que ele é um constituinte dos aminoácidos e das proteínas, necessárias para a produção de novas células. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Outra aplicação da amônia é o uso nos sistemas de refrigeração industrial, o que se chama refrigeração por amônia. Ela é usada na indústria de pescados, fábricas de gelo, laticínios e frigoríficos. O poder refrigerante da amônia se deve ao fato dela ser um agente refrigerante, ou seja, uma substância que absorve grande quantidade de calor ao passar do estado líquido para o gasoso. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

2 - HIDRETOS SALINOS Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Os hidretos salinos são os hidretos formados pelos elementos dos grupos 1 e 2 (metais alcalinos e alcalinos terrosos). O hidrogênio comporta-se como um halogênio e recebe um elétron do metal Ex: LiH, NaH, MgH2 etc Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

As evidências do caráter salino são basicamente: Os hidretos iônicos quando fundidos conduzem corrente elétrica, por exemplo o hidreto de lítio P.F. = 691oC. Submetidos a uma eletrólise, desprendem gás hidrogênio. Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

HIDRETO DE SÓDIO (NaH) Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

3 - HIDRETOS METÁLICOS Prof. Dr. Ary Maia Out/2009

Compostos de H com metais dos Grupos 13, 14 e 15 e do bloco d Prof. Dr. Ary Maia Out/2009