HIDROGÊNIO

CQ133

FSN

GASES NOBRES

CQ133

FSN

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.

HIDROGÊNIO

OBTENÇÃO

►é preparado em grande escala por diversos métodos:

1) CH4(g) + H2O(g) + calor→→→→ CO(g) + 3H2(g) (90% da produção ind.)

CH4(g) + 2H2O(g) + calor →→→→ CO2(g) + 4H2(g)

1000 oC2) C(coque) + H2O(g) →→→→ CO(g) + H2(g)

gás d’água

O gás que sai do reator contém CO, CO2, H2 e excesso de vapor

d’água. A mistura passa por um catalisador de ferro/cobre, onde CO é

convertido em CO2:Fe/Cu

CO(g) + H2O(g) + cat →→→→ CO2(g)+ H2(g)

O CO2 é então absorvido por soluções de K2CO3:

K2CO3 + CO2 + H2O →→→→ 2KHCO3

HIDROGÊNIO

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)

HIDROGÊNIO

HIDRETOS

����Moleculares: moléculas discretas, binários. Ex.: NH3, CH4, H2O, HCl

���� Salinos: sólidos cristalinos e não-condutores elétricos. Ex.: LiH(s)

���� Metálicos: sólidos não-estequiométricos e condutores elétricos.

Ex.: ZrH1,30, PtHx (x<1),

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 HCl e H3O+;

����ganhando um elétron para formar H-, normalmente com metais como

LiH.

►não podemos relacionar a estrutura eletrônica e as propriedades do

hidrogênio com elementos de outros grupos da tabela periódica.

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 + catN2(g) + 3H2(g) ⇋⇋⇋⇋ 2NH3(g)

►H2 também reage:

����com metais a altas temperaturas: ½ H2(g) + Na(s) →→→→ NaH(s)

����porém, 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) ∆∆∆∆H = -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) ∆∆∆∆H = -435 kJ mol-1

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 físicas entre os isótopos são muito significativas ;

►H2 e D2 são usados em lâmpadas que emitem luz ultravioleta;

►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

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

NH4Cl + D2O →→→→ NH3DCl + HDO

Mg3N2 + 3D2O →→→→ 2ND3 + 3MgO

►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 ββββ com uma meia

vida de 12,26 anos:

14N7 + 1no →→→→ 12C6 + 3T1

6Li3 + 1n0 →→→→ 4He2 + 3T1

3T1 →→→→3He1 + ββββ

►trítio é usado em dispositivos termonucleares e na pesquisa de

reações de fusão nuclear para a produção de energia;

►compostos tritiados são obtidos a partir do gás T2(g) :

T2(g) + CuO(s) →→→→ T2O(l) + Cu(s)

Pd2T2(g) + O2(g) →→→→ 2T2O(l)

ORTO- e PARA-HIDROGÊNIO

►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 (75% na temp. ambiente)

Forma para: spins nucleares anti-paralelos (25%)

►observam-se diferenças significativas nas propriedades físicas como

o PE, calores específicos e condutividades térmicas →→→→ permite

separação por cromatografia.