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 .