Hidrogênio Prof.: Paulo C. Ribeiro Química Inorgânica

Estrutura atômica mais simples que qualquer outro elemento; Estrutura eletrônica Estrutura atômica Estrutura atômica mais simples que qualquer outro elemento; 1 próton e 1 elétron; Configuração 1s1

Formas de estabilidades dos átomos de H Ligação covalente com outro átomo Preferencialmente com não metais (H2, H2O , HCl , CH4); Muitos metais formam este tipo de ligação. 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+).

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

Homenagem ao químico alemão Carl Bosch (1874 – 1940) Processo Bosch Homenagem ao químico alemão Carl Bosch (1874 – 1940) 1 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.

Refinarias de Petróleo Pelo craqueamento de naftas e óleos combustíveis O hidrogênio é um subproduto 4) eletrólise da água 5) subproduto da indústria do cloro e alcalis

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

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.

Preparação do Hidrogênio pelo seu deslocamento de soluções aquosas de bases fortes 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 .

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.

REAÇÕES COM USO DE CATALISADORES 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 .

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

REAÇÃO COM HALOGÊNIOS 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

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.

OBTENÇÃO DE ANILINA 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

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