Hidrogênio
Número atômico Z = 1
Ponto de fusão -259,2 ºC
Estados de oxidação -1, +1
Massa molar 1,00747 g/mol
Ponto de ebulição -252,8 ºC
Abundância
• Elemento mais abundante do universo: 92% de hidrogênio, 7% de hélio e 1%
de todos os outros elementos, segundo estimativas. No entanto, pequena a
abundância do hidrogênio na crosta terrestre. O hidrogênio décimo elemento
mais abundante na crosta terrestre (1.520 ppm ou 1,152% em peso).
• Compostos contendo hidrogênio são muito abundantes, principalmente a
água, matéria viva (carboidratos e proteínas), compostos orgânicos,
combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural), amônia e ácidos. O
hidrogênio forma mais composto que qualquer outro elemento.
Hidrogênio
Isótopos do hidrogênio
Na natureza, esse elemento ocorre em três formas isotópicas, hidrogênio,
deutério e trítio:
H 99,985%
D 0,015%
T traços
O trítio é radioativo e tem meia vida de 12,26 anos.
O deutério e o trítio são substituídos por H em compostos para fornecer um
marcador molecular. Esses compostos são marcados, por exemplo D2O.
• Deuteração (substituição de H por D) resulta em variações cinéticas nas reações
(efeito isótopo cinético).
Hidrogênio
Propriedades do hidrogênio
• O hidrogênio tem uma configuração eletrônica 1s1, logo, ele é colocado acima
do Li na tabela periódica. Energia de Ionização do H = 1310 KJ/mol
• Entretanto, o H é significativamente menos reativo do que os metais alcalinos.
• O hidrogênio pode ganhar um elétron para formar H-, o qual tem a
configuração eletrônica do He. Conseqüentemente, o H poderia ser colocado
acima dos halogênios.
• Entretanto, a afinidade eletrônica do H é mais baixa do que qualquer halogênio.
Afinidade Eletrônica do H = 77 KJ/mol
Hidrogênio
• 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 se produz por meio do ganho de um elétron para
formar o ânion hidreto H, presente apenas em combinações com metais
alcalinos e acalinos-terrosos. Eletronegatividade do H = 2,2 (similar ao C)
Hidrogênio
HIDROGÊNIO MOLECULAR (H2)
• O comprimento da ligação HH é curta: 0,74 Å
• O hidrogênio molecular é um gás mais leve que se conhece, é
incolor, inodoro, insípido e insolúvel em água.
• Sua densidade é 14 vezes menor que a do ar.
Hidrogênio
• Já que o H2 é apolar e tem apenas dois elétrons, as forças intermoleculares são
fracas (ponto de ebulição -253C, ponto de fusão -259C).
• A entalpia de ligação H-H é alta (436 kJ/mol). Logo, as reações com hidrogênio
são lentas e é necessário um catalisador.
• Quando o hidrogênio reage com o ar, ocorre uma explosão (Hindenburg
explodiu em 1937):
2H2(g) + O2(g)  2H2O(l) H = -571,7 kJ
Hidrogênio
Preparação do hidrogênio
MÉTODO 1:
C + H2O  CO + H2
CO + H2 + O2  C ALO R + H2O + CO2
Dificuldade: difícil obter o H2 puro a partir do gás de água, pois a remoção
de CO é difícil.
MÉTODO 2: reformação a vapor.
CH4 + H2O  CO + 3 H2
Utilizado no processo de Haber de síntese de NH3 e para a hidrogenação
de óleo. Hidrocarbonetos leves, como metano, são misturados com vapor
de água e passado sobre um catalisador de níquel a 800-900 °C .
Hidrogênio
MÉTODO 3: Craqueamento: misturas naturais de hidrocarbonetos
de elevado peso molecular, tais como nafta e óleo combustível, são
submetidos ao processo de craqueamento para formar
hidrocarbonetos de peso molecular menor. O H2 é um valioso
subproduto desse processo.
MÉTODO 4:
H2 muito puro (99,9% ) preparado por eletrólise de água ou de
soluções de NaOH ou KOH (mais usual). Um processo bastante caro
devido ao consumo elevado de energia elétrica.
Ânodo: 2 OH-  H2O + ½ O2 + 2eCátodo: 2 H2O + 2e-  2 OH- + H2
Reação global: H2O  H2 + ½ O2
Hidrogênio
MÉTODO 5:
Uma grande quantidade de hidrogênio puro se forma como subproduto da
indústria de cloro e álcalis , na qual soluções aquosas de NaC l sofrem eletrólise
para formar NaOH, Cl2 e H2.
MÉTODO 6:
Reação de ácidos diluídos com metais, ou de álcalis com alumínio .
MÉTODO 7:
O hidrogênio pode ser preparado pela reação de hidretos salinos (iônicos) com
água.
LiH + H2O  LiOH + H2
Hidrogênio
Preparação do hidrogênio no laboratório
Hidrogênio
Utilização do hidrogênio
• O hidrogênio é usado para a produção de amônia e para hidrogenar óleos
vegetais para a fabricação de margarina e gordura.
• O hidrogênio é usado para a fabricação de metanol:
CO(g) + 2H2(g)  CH3OH(g)
• Em maçaricos oxigênio-hidrogênio para cortar ou soldar metais, pode-se chegar
a temperatura de 3000 °C .
Hidrogênio
HIDROGÊNIO: O COMBUSTÍVEL DO FUTURO
• 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.
Hidrogênio
BENEFÍCIOS AMBIENTAIS
• Emissão nula de CO2
• Por cada kg de hidrogênio utilizado em vez 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
Hidrogênio
Compostos binários de hidrogênio
•
Três tipos de compostos binários de hidrogênio são formados:
– hidretos iônicos ou salinos (por exemplo, LiH, preparado a partir de metais e H);
– hidretos metálicos (por exemplo, TiH2, preparado a partir de metais de transição e
H) e
– hidretos moleculares (por exemplo, CH4, preparado a partir de não-metais e
metalóides e H).
Hidrogênio
Hidretos iônicos ou salinos
Os hidretos salinos são os hidretos formados pelos elementos da família
1A e 2A, alcalinos e alcalinos terrosos. O hidrogênio comporta-se como
um halogênio e recebe um elétron do metal.
Ex: LiH, NaH, MgH2 etc
Hidrogênio
As evidências do caráter salino são basicamente:
• Os hidretos salinos quando fundidos conduzem corrente elétrica,
por exemplo o hidreto de lítio, PF = 691 °C.
• Submetidos a uma eletrólise, desprendem gás hidrogênio.
HIDRETO DE SÓDIO (NaH)
Hidrogênio
HIDRETOS METÁLICOS
Hidrogênio
Hidretos Moleculares
H com elementos eletronegativos dos grupos III A ao VII A
H2O
NH3
CH4
Hidrogênio
ÁGUA
Cada molécula de água estabelece quatro
ligações de hidrogênio com as moléculas
vizinhas, sendo, portanto,muito intensas
as forças que as mantêm unidas.
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.
2 C15H31COONa + Ca(HCO3)2(s)
(C15H31COO)2Ca(s)+ 2
NaHCO3(aq)
PALMITATO DE SÓDIO
BICARBONATO DE CÁLCIO
Em diversos países da Europa a água para uso doméstico é
classificada como “dura”, devido a seu conteúdo relativamente
alto de sais. Nestes países, as formulações dos detergentes em pó
contém zeólitas.