Post on 29-Oct-2020
HIDROGÊNIO
CQ222
FSN
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HIDROGÊNIO
HIDROGÊNIO
O ELEMENTO HIDROGÊNIO
►o hidrogênio é o elemento mais abundante do universo com 92%
seguido do hélio (7%) e os demais elementos (1%);
►é quarto elemento mais abundante na Terra e encontrado em grandes
quantidades no oceano e nos organismos vivos (na forma de
carboidratos e proteínas), compostos orgânicos, combustíveis fósseis
(carvão, petróleo e gás natural), amônia e ácidos. O hidrogênio forma
mais compostos que qualquer outro elemento.
ISÓTOPOS DE HIDROGÊNIO
►prótio 1H1 ou H 99,986%; deutério 2H1 ou D 0,014% e trítio 3H1 ou T
7x10-16%;
►como o hidrogênio é muito leve, a diferença percentual em massa
entre o prótio, o deutério e trítio é muito grande, maior que a encontrada
em qualquer outro elemento; portanto, as diferenças nas propriedades
físico-químicas entre os isótopos são muito significativas. Exemplos:
D2O, com PF = 3,8 oC, PE = 101,4 oC, e densidade ≈ 1,10 g/mL;
Massa
molar
g/mol
PE oC
Energia de
ligação
kJ/mol
H2 2,02 20,6 436
D2 4,03 23,9 443
T2 6,03 25,2 447
ISÓTOPOS DE HIDROGÊNIO
►a água contendo prótio, H2O, se dissocia cerca de três vezes mais que
a água pesada, D2O:
H2O ⇋ H+ + OH- K = 1,0x10-14
D2O ⇋ D+ + OD- K = 3,0x10-15
►D2O possui uma constante dielétrica menor que a água comum e
compostos iônicos são menos solúveis em D2O que em H2O.
ISÓTOPOS DE HIDROGÊNIO
►o trítio é radioativo e sofre decaimento com emissão b com uma meia
vida de 12,26 anos:
14N7 + 1no 12C6 + 3T1 (raios cósmicos na atmofera)
6Li3 + 1n0 4He2 + 3T1
►trítio é usado em dispositivos termonucleares e na pesquisa de
reações de fusão nuclear para a produção de energia, além do
interesse médico como um marcador:
3T1 3He1 + b (formação do isótopo raro de 3He e elétrons de baixa
energia (raios b), que podem ser rastreados por um contador;
►compostos tritiados são obtidos a partir do gás T2(g) :
T2(g) + CuO(s) T2O(l) + Cu(s)
Pd
2T2(g) + O2(g) 2T2O(l)
ISÓTOPOS DE HIDROGÊNIO
►as ligações com prótio são rompidas mais facilmente (até 18 vezes)
que as ligações com deutério; assim na eletrólise da água, o H2 é
formado bem mais rapidamente que o D2, de modo que a água
remanescente após a eletrólise se torna mais rica em água pesada,
D2O.
►29.000 litros de água devem ser eletrolisados para produzir 1 litro de
D2O com 99% de pureza.
►a água pesada sofre todas as reações da água normal e é útil na
preparação de outros compostos de deutério.
►D2O é usada nas reações de substituição:
NaOH + D2O NaOD + HDO
Mg3N2 + 3D2O 2ND3 + 3MgO
HIDROGÊNIO MOLECULAR OU DIIDROGÊNIO - H2(g)
OBTENÇÃO
►é preparado em grande escala por diversos métodos:
Ni/500oC
1) CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) (Reforma a vapor)
O gás que sai do reator contém CO, H2 e excesso de vapor d’água. A
mistura passa por um catalisador de ferro/Cr2O3, onde CO é
convertido em CO2:
700K/ Fe/Cr2O3
CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
O CO2 é então absorvido por soluções de K2CO3:
K2CO3(aq) + CO2(g) + H2O(l) 2KHCO3(aq)
1000 oC
2) C(coque) + H2O(g) CO(g) + H2(g)
gás d’água
HIDROGÊNIO MOLECULAR OU DIIDROGÊNIO - H2(g)
OBTENÇÃO
4) H2 com pureza 99,9% é preparado por eletrólise da água:
Cátodo: H2O(l) + 2e- 2OH-(aq) + H2(g)
5) H2 puro também é formado como subproduto da indústria de cloro e
álcalis, da eletrólise de soluções aquosas de NaCl;
6) No laboratório:
M(s) + H2SO4(aq) MSO4(aq) + H2(g), M = Zn ou Mg
2Al(s) + 2NaOH(aq) + 6H2O(l) 2Na[Al(OH)4] + 3H2(g)
LiH(s) + H2O(l) LiOH(aq) + H2(g)
PROPRIEDADES DO HIDROGÊNIO MOLECULAR
►é o gás mais leve conhecido, incolor e inodoro;
►forma moléculas H2 com átomos unidos por uma ligação covalente
muito forte (436 kJ mol-1), resultando, em geral, em uma pequena
reatividade em condições normais e as reações são lentas
requerendo elevadas temperaturas e a presença de catalisadores.
Exemplos: Processo Haber-Bosch (50% do H2 industrial):
450oC + 200 atm + cat
N2(g) + 3H2(g) ⇋ 2NH3(g)
►H2 também reage:
com metais a altas temperaturas: ½ H2(g) + Na(s) NaH(s)
violentamente com halogênios: H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
USOS DO HIDROGÊNIO MOLECULAR
►H2 é usado em larga escada em reações de hidrogenação de
compostos insaturados nas quais o hidrogênio se adiciona a duplas
ligações de compostos orgânicos, na obtenção de gorduras a partir
de óleos vegetais.
►H2 têm grande importância econômica como um combustível
alternativo ao carvão e ao petróleo (apenas 10%); o H2 é usado
como combustível de foguetes e tem movimentado veículos com
motores a combustão interna e é usado para a solda ou corte de
metais:
► a reação com oxigênio é muito exotérmica chegando até 2800 oC
H2(g) + 1/2O2(g) H2O(g) DH = -326 kJ mol-1
►no maçarico de arco voltaico, as temperaturas chegam a 5000 oC e é
usado para a solda de materiais refratários como W e Nb, de alto
ponto de fusão.
2H(g) H2(g) DH = -435 kJ mol-1
HIDROGÊNIO MOLECULAR – ISÔMEROS DE SPIN NUCLEAR
►a molécula H2 existe em duas formas chamadas orto- e para-hidrogênio
dependendo da orientação dos spins nucleares em relação a um campo
magnético; o fenômeno é chamado de isomeria de spin:
Forma orto: spins nucleares paralelos, +1/2 e +1/2 (o mais estável; 75% na
temp. ambiente)
Forma para: spins nucleares anti-paralelos (+1/2 e -1/2) (25%)
►observam-se diferenças significativas nas propriedades físicas como o
PE, calores específicos e condutividades térmicas permite separação por
cromatografia.
HIDROGÊNIO
ESTRUTURA ELETRÔNICA
►o hidrogênio possui um núcleo com um próton e um elétron: 1s1
►alcança a estabilidade:
formando uma ligação covalente preferencialmente com não-metais;
perdendo um elétron para formar H+, normalmente associado a outros
átomos ou moléculas como, por exemplo, HCl e H3O+;
ganhando um elétron para formar H-, normalmente com metais como
CaH2.
►não podemos relacionar a estrutura eletrônica e as propriedades do
hidrogênio com elementos de outros grupos da tabela periódica.
HIDROGÊNIO – COMPOSTOS BINÁRIOS OU HIDRETOS
Iônicos: sólidos, redutores fortes e não-condutores elétricos. Ex.: CaH2(s)
Metálicos: sólidos quebradiços não-estequiométricos e condutores
elétricos. Ex.: ZrH1,30, PdHx (x<1),
Moleculares: ligações H-X são covalentes (X= não-metais e metais
fracamente eletropositivos, Ex.: PH3, CH4, NH3, H2O, HF, B2H6, SiH4 .