Divirta-se com o Clube da Química

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Hidrogênio

Divirta-se com o Clube da Química propõe uma maneira divertida

de ensinar a química usando as palavras cruzadas e jogos como o Soduku,

caça palavras, dominox, etc.

Prof. Dr. Genilson Pereira Santana

Produzido por

Genilson Pereira SantanaDoutor em Físico-Química pela UfmgProfessor da Universidade Federal do Amazonas

Genikele Pereira SantanaGraduanda em Engenharia Civil pela Unileste

Hidrogênio

1

hidrogênio é elemento químico mais simples que se conhece. Ele é Oconst i tuído por um

núcleo contendo um próton com um elétron orbitando em sua volta. Quando ele possui um nêutron o hidrogênio recebe o nome de deutério, seu primeiro isótopo. O deutério possui, então, um próton e um nêutron em seu núcleo, e um elétron em sua orbita. Esse isótopo foi descoberto por Harold C. Urey. A importância dessa descoberta rendeu ao pesquisador um Prêmio Nobel em Química em 1934. O deutério tornou-se de grande utilidade na indústria nuclear. O hidrogênio também possui outro isótopo, conhecido como trítio. Esse isótopo de hidrogênio possui em seu núcleo um próton e dois nêutrons. Este elemento não é encontrado livre na natureza em sua forma atômica, geralmente ele está fazendo parte da composição de outras substâncias, por exemplo H2O (água), CH4 (metano), CH3CH2OH (álcool etílico), etc. Sua grande instabilidade torna o hidrogênio muito reativo. Sendo assim, o hidrogênio ao perder um elétron fica na forma de cátion H+ (chamado também de próton) e quando ganha um elétron fica na forma de ânion H¯. A forma de íons H+ exerce papel importante na natureza pois é o responsável pelo valor de pH. Quando a concentração é alta nós dizemos que o pH é ácido, como é o caso dos sucos de frutas cítricas (limão, laranja, maracujá, etc.) e quando a concentração de H+ é baixa o pH é básico, como aqueles encontrados em leite, água de magnésia, entre outros. Os íons H+ são importantes na manutenção da vida dos organismos vivos, pois atuam no metabolismo celular acentuando a velocidade de reações bioquímicas.

C M M A R A C U J A R F O R D A

O A P R L A R A N J A C A O A I

M D E B M Q N E A N I O N Q L S

P E R H A G A A E E D V O W C O

O T I J G A T T S W U M C P O T

S O I R E T U E D W E E I L O O

I H F C Z Z R R O E N T T A L P

C E I V I H E E A S Q A A N E O

A E L O A E Z A A I O N E L T G

O Y T A A I A D E T C O R E I H

H I D R O G E N I O I O F B L B

E C A T A E D V T I O V L O I S

M E T A B O L I S M O I O N C O

R S A E G E H N W A Z F T O O L

Y Z O A T R O S A U G A N I E I

E D C I O T S X E D V O E M R D

R R E S N O C A T I O N L E N T

U L S O G E L E I R A S V R L U

A E R A L I M A O C R N S P D P

B P L A N E U T R O N W E I F H

R E A C O E S Q U I M I C A S K

Palavra cruzada

2

HIDROGENIO

NATUREZA

E

R

REATIVO

B

PROTON

P

NEUTRON

AGUA

H

ISOTOPO

S O

DEUTERIO

F NOBEL

T ANION

TRITIO HELIO

I FOTONS

L

BIGBANG

ELEMENTO

ACIDO

BASE

CALOR

GAS

FONTE

PH

O Hidrogênio e a formação de outros elementos

3

a s p r i m e i r a s décadas do século NXX, estudo sobre a

a b u n d â n c i a d o s elementos no sistema solar mostraram que o hidrogênio e o hélio eram mais abundantes que todos os outros elementos conhecidos na época. Por causa desse fato, os astrônomos e f í s i c o s d a é p o c a começaram a especular sobre a possibilidade do hidrogênio ser o precursor dos outros elementos. Essa especulação ganhou força na década de 30, quando Hans Bethe conseguiu transformara hidrogênio em hélio. Na década de 60, Fred Hoyle mostrou como elementos mais pesados podiam ser produzidos nas estrelas a partir do hidrogênio. A descoberta de muitos processos de fusão nuclear nas estrelas na segunda metade do século XX e o modelo do Big Bang, proposto por Georges Lemaitre foram primordiais para explicar a abundância de deutério, um isótopo de hidrogênio, e do hélio, não só nas estrelas mas também no espaço. Segundo a teoria do Big Bang, os prótons e os nêutrons produzem os elétrons, neutrinos e fótons. Mais precisamente, os elementos primordiais formaram-se a partir do hidrogênio por meio de uma série de reações nucleares.

Dominox

4

5

Ligação de hidrogênioA Ligação de Hidrogênio é uma interação entre átomos de hidrogênio de uma molécula com átomos de elementos altamente eletronegativos (oxigênio, flúor e nitrogênio).

Imagine ligações de hidrogênio sendo formada na mistura de gases amônia, enxofre, ácido sulfídrico, dióxido de carbono e vapor de água abaixo e encontre um quadrado. Lembre-se somente a água e a amônia fazem ligações de hidrogênio entre as cinco moléculas

Água

Amônia

Enxofre

Ácido sulfídrico

Dióxido de carbono

O

OO

H

HH

H

H H

H

N

S

S S

O combustível chamado hidrogênio

6

O gás hidrogênio (H2) é considerado o combustível do futuro por ser uma fonte de energia renovável, inesgotável e não poluente. No e s t ado na tu ra l , o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido, que ao ser queimado com oxigênio puro, tem como únicos produtos: calor e água. Esse gás é um composto capaz de a r m a z e n a r g r a n d e s quantidades de energia, sendo um combustível de

baixa massa molecular. Por causa dessa característica, o hidrogênio é utilizado como combustível para propulsão de foguetes e cápsulas espaciais. Ao ser produzido a partir de fontes e tecnologias renováveis, por exemplo, hidráulica, solar ou eólica, o combustível hidrogênio é considerado renovável. Dentre as fontes conhecidos, podem ser citadas a gaseificação do bagaço da cana-de-açúcar, gás natural, hidrocarbonetos, etc. Apesar do preço elevados, muitos atores de Hollywood possuem carros movidos a hidrogênio, destacam-se Brad Pitt e Angelina Jolie, Leonardo DiCaprio, Cameron Diaz. Um estudo americano prevê que em 2038 todos os carros novos produzidos nos Estados Unidos poderão ser movidos exclusivamente a hidrogênio. Os carros a hidrogênio ainda não foram além dos protótipos para a apresentação em salões do automóvel, mas a cada ano parecem mais viáveis e próximos do lançamento comercial.

I M C A L O R U R J U E T N O F

N A P R L A R A C I L O E O P I

E T N E U L O P A N I O N R L K

S E R H N G X A E E D V O W H H

G E S P A C I A I S U P C P I W

O O I R T T G E D W U E I L D S

T H F C U Z E R O L N T M S R P

A E I V R H N E S S A A A O O O

V E L O A E I A A I C N S P C I

E Y T A L I O D E T I H S I A N

L I E T N O D H R O L O A T R E

S E T E U G O F T E U V M O B G

M U D F W K L S V N A I O T O O

R S O L A R H I W E R F L O N R

Y I O A T R T N A R D A E R E D

E N C I O S S O E G I O C P T I

R C E S U O C D T I H N U E O H

U O S B R W Y O I A A S L R S S

A L M A L I M R O C R N A G U A

B O L C A R R O S O N W R I F G

C R A R E N O V A V E L C A S K

Cenas da Química

7

H2

H2

H2

H2Gás

Gás

Etanol

Etanol

Biodisel

Sou maisecologicamente

correto

Tabela Periódica: o caso do hidrogênio

8

C S O N I L A C L A S I A T E M

Q A P R L A R E N J A C A O A I

M G E B M Q N D A N O R N Q L S

R E A H A G A E E L D E O W C E

O T I S G A T R U W U G C P O R

S O I R E T U N D W E R I L M B

A D A M A C A R O A N A T A P O

C E I V I H E U A I Q D A S O N

I E L O A E R A A C O O E A R G

D Y T A H L A D E N C O R L T A

O I D R A I L N I E I C F U A I

I C A T L O U V T D O T L C M C

R E T A O O G S S N O E O E E N

E O A E G E N N O E Z T T L N E

P N O L E R I S A T G O N O T L

A E C E N T S X E D N W E M O A

L U E T I O C D W I O E L E N V

E Q S R O E L E I R A S M R L U

B E R O S I M A O C R N S E D P

A P L N N R E C E B E R E I L H

T E A C O M P A R T I L H A S E

riginalmente a posição

do hidrogênio na Tabela OP e r i ó d i c a f o i um

problema. Devido à semelhança

estrutural com os elementos da

família metais alcalinos, ou

seja, na camada de valência ele

possui um único elétron. Ao

contrário que acontece com os

metais alcalinos, o hidrogênio

possui uma fraca tendência em

ceder o seu elétron de valência.

Geralmente, ele o compartilha

para formar moléculas, como

H , HCl, etc. Por sua vez, ao 2

r e c e b e r um e l é t r o n , o

hidrogênio apresenta configuração do gás nobre hélio. Conforme a

regra do octeto, este elemento teria maior estabilidade. Com essa

característica, o hidrogênio se assemelha aos halogênios. Esse

comportamento singular ocorre devido ao fato do hidrogênio ter um

elétron, sendo, portanto, muito

pequeno. Essa característica

explica porque o hidrogênio é

encontrado em algumas Tabelas

Periódicas na coluna dos alcalinos e

outras na coluna dos halogênios.

9

CURIOSIDADE!!!

onta a história que em 1955

aconteceu um fato inusitado

que estremeceu a guerra fria. CA causa do estremecimento foi a

detonação da bomba de hidrogênio

pelos russos. Acontece que essa

bomba é mil vezes mais poderosa

que as bombas atômicas. Ela é

capaz de destruir metrópoles de

uma vez só. Após a detonação,

W a s h i n g t o n l i d o u m a i s

cuidadosamente com Moscou.

Neste momento, iniciou-se uma era

de tensão dominada pelo medo mútuo de aniquilação.

Interessante é como os russos obtiveram a tecnologia da

bomba de hidrogênio, segredo que pertenciam somente aos

cientistas americanos na época. A aquisição da tecnologia é

atribuída ao serviço de espionagem russo. Espiões russos se

infiltraram no laboratório de armas de Los Alamos, no novo

México. Como os espiões atômicos ainda representam um

enigma sobre a invenção da bomba de hidrogênio Soviética.

“Nem todos os químicos são maus. Sem produtos como o hidrogénio e o oxigénio, por exemplo, não teríamos água, um ingrediente

vital para a cerveja.” – Escritor Dave Barry

Monte compostos com hidrogênio

10

H C H H C H H H

C C C Q F F O S

C L H X H H H H

H E B R I C H H

N O H C C F C H

H C H I N C F S

L H C H O S O H

H C H C H Z S H

S H H H H I H C

F S O S S H C F

A regra do jogo é bastante simples basta selecionar as letras, utilizando os números abaixo como sub-índices.

Exemplos:

As letras juntas H O e o sub-índice 2 formam H O, que é a fórmula 2

da água. As letras HF formam a fórmula do ácido fluorídrico e união de C+4H o gás metano.

Existem pelos menos 10 fórmulas, encontre-as.

Uma pequena história da descoberta e uso do

11

Estimulados pelos resultados de

Cavendish, o sueco Carl Wilhelm

Scheele e o Inglês Joseph Priestley

relataram independentemente um do

outro, em 1774, a existência de um

novo componente de ar, que

descreveram como "ar fogo". Em 1781,

Cavendish queimou o seu "Ar ardente"

(oxigênio) com este novo "ar fogo" e

obteve água. Em 1783, Alexandre

Cesar Charles, um cientista francês fez

um voo com um balão cheio de

hidrogênio. Depois que os alemães

Kirchhoff e Bunsen demonstraram,

em 1861, a presença de hidrogênio em

os espectros do Sol, tornou-se evidente

que o hidrogênio era o elemento mais

abundante no Sistema Solar. A única

aplicação significativa de gás de

hidrogênio até metade do século XX foi

à iluminação e o aquecimento,

quando o gás natural começou a ser utilizado massivamente para o aquecimento. Em

1839, Sir William Grove construiu a primeira célula de combustível a base de

hidrogênio. Em 1909, Fritz Haber, um químico alemão descobriu um processo para

sintetizar amônia (NH ) diretamente a partir do elemento de H e N. Haber recebeu o 3

prêmio Nobel por essa descoberta em 1918. Pouco tempo depois, Carl Bosch,

conseguiu adaptar o procedimento de Haber para produzir grande quantidade de

amônia. Isso proporcionou a Alemanha uma valiosa fonte de material para

explosivos e fertilizantes. Após a Primeira Guerra Mundial, o consumo de amônia

aumentou drasticamente, sendo necessárias quantidades de hidrogênio. Além disso,

o hidrogênio foi cada vez mais utilizado nos alimentos de indústria.

12

O hidrogênio e o ambiente

A quantidade de hidrogênio na crosta

terrestre é de cerca de 0,15%, ele

juntamente com o oxigênio compõe a

água. Na atmosfera sua o hidrogênio

possui concentração de 0,5 parte por

milhão. Todavia esse elemento

constitui 14% em peso da biomassa

terrestre. Apesar de historicamente

se atribuído ao hidrogênio alguns

trágicos acidentes, o hidrogênio

t o r n o u - s e u m a s o l u ç ã o

ecologicamente correta. Isso,

graças às células combustíveis que se

t o r n a r a m u m a b o a o p ç ã o

particularmente para os fabricantes

de automóveis. O seu interesse

começou em 1830 quando o cientista

Britânico William Robert Grove

conseguiu obter hidrogênio a partir de gás natural por uma reação química

catalisada. Atualmente, existem diferentes tipos de célula combustível,

dentre as quais podem ser citadas as células combustíveis alcalinas à base de

solução de hidróxido de potássio e as de membranas feitas com polímeros

condutores de próton. A vantagem do uso do hidrogênio liberado pelas células se

deve a seguinte reação química: 2H + O ---> 2H O. Além de produzir energia, 2 2 2

essa reação não libera nenhum gás do efeito estufa. Entre os problemas do

manuseio de hidrogênio se encontra o seu armazenamento. Atualmente, a

capacidade máxima de um cilindro é de 80 Mpa (800 bar), correspondendo a 3uma densidade de 36 kg m . A energia requerida para a sua compressão é o

segundo problema importante. Além disso, as implicações de segurança de cada

carro que carrega um cilindro de alta pressão de hidrogênio são bastante

consideráveis. Essencialmente os químicos estão pesquisando uma síntese de

materiais e dispositivos que sejam capazes de armazenar grandes volumes

de hidrogênio, ao mesmo tempo libere de uma maneira, mas suave. Desta

forma, o hidrogênio deverá estar disponível em uma taxa apropriada para seu

consumo nos automóveis do futuro.

T M M A R Q A D A S I L A T A C

E A I G R E N E N J E F E I T O

R D E B M Q N E A V I O N Q L S

R E R H A G A A I A D V O W C W

E T I J G O T T S R U M C P E T

S O I R E M S E D E E E I L T R

T H F A Z U A R O F N T T A N P

R E I R B S N E A S Q C A N E S

E E L M A N I A A O O O O L M O

O Y O A A O L D E M C M I E A V

H C D Z O C A N C T I P S B C I

E C S E A E C V I A O R S O I T

S E I N A O L I L M T E A N C I

O S E A T E A N N A Z S T O O S

R Z V R S R O O D U G S O I L O

E D O I O A S R R D V A P R O P

M R M S R F C U O C O O L E C S

I L O O C U L T I R A S V R E I

L E T A L T M U O C R R S P Q D

O P U A N S U F R O N W R I F H

P E A C O E S Q A S S A M O I B

13

O dirigível e o Hidrogênio

história dos dirigíveis se confunde com a da aviação. As primeiras experiências para tentar a conquista dos céus foram com balões de Aar quente.Para subir e ficar suspenso no céu, o dirigível conta com o

gás hélio, que é mais leve que o ar; já no deslocamento para a frente, entram em ação hélices motorizadas. Basicamente é assim que voa esse estranho veículo, que surgiu na França na segunda metade do século 19. Antigamente, costumava-se usar o hidrogênio para encher o balão (ou envelope) dos dirigíveis, mas esse gás é inflamável, o que provocou vários acidentes. A tragédia mais famosa foi a do dirigível alemão Hindenburg, em 1937, que explodiu durante o pouso, matando 36 passageiros. Por causa dos riscos, o hidrogênio foi substituído pelo hélio, um gás menos eficiente para suspender o veículo, mas com a grande vantagem de não ser inflamável. Apesar de estarem bem mais seguros, os dirigíveis ainda são pouco utilizados para o transporte de cargas e de passageiros.

Ligue os pontos e complete o dirigível

Brasil

14

ExperiênciaVamos encher um balão

com hidrogênioroduzir gás hidrogênio em casa é relativamente simples. Vamos

ensinar como podemos encher um balão com gás hidrogênio e

alegrar muitas crianças. PMaterial necessário: soda cáustica, balão de festa, papel alumínio,

uma garrafa de vidro, pode ser de cerveja ou refrigerante de 1 L., colher

de plástico usadas em festas, um par de luvas de plástico usadas para a

limpeza e um funil de plástico. É sempre importante mistura os reagentes

usando uma luva de borracha.

Procedimento Experimental: Inicialmente, com

ajuda do funil coloque metade de um copo de 300

mL em na garrafa de vidro. Em seguida coloque

duas colheres de soda cáustica dentro da

garrafa de vidro. Agitar lentamente água com

soda cáustica até que dissolva na água. Cuidado

para não se queimar; a reação é exotérmica,

você observará um aumento considerável da

temperatura. Geralmente, a temperatura cerca oa mais de 100 C, portanto, muito cuidado nessa

fase da operação. Deixe o vidro de repouso até que

resfrie e, em seguida, coloque vários pedaços da

folha de alumínio dentro da garrafa de vidro.

Imediatamente, coloque o balão na boca da garrafa e

comece a observar ele encher. Quando estiver bastante

cheio amarre o balão com um cordão e, pronto, temos ai

nosso balão a gás.

Jogo dos 7 erros

15

1 2

Respostas

3 4

C M A R A C U J A

O L A R A N J A A I

M M N A N I O N L S

P A A C O

O G T M O T

S O I R E T U E D E O O

I Z R T L P

C I E E A E O

A A Z A N L T

O A T O E I

H I D R O G E N I O I B L

O V O I

M E T A B O L I S M O I O N C

E N T O O

Y T O A U G A I

E I T M R

R E N C A T I O N E T

U L O R

R L I M A O P P

P N E U T R O N H

R E A C O E S Q U I M I C A S

S O T N E M E L E P A

S O N I R T U E N R S

F R E D H O Y L E E T

C R

H F U S C S E O

E U R N N R N

L S S O O S T O

I A O R T A I M

O O R T O L A O

N E F E R M S

U N L O R A E

A C S E I T F L L

I L E U R S I O I S B

C S E O T E S S E I

N N A C R T A I O G N

A O R A O U M C T R G

D T E N E O O O B

N O R S T D S P E A

U R S O G N

B P I O I N E G O R D I H G

A S H A N S B E T H E

E L E M E N T O R H

B I G B A N G G E E

P F O N T E A A L

H P I A N S T I

H I D R O G E N I O

S E O N U U A V

T O U T C A T T O F

R T T O A B R U A O

I O E N L A O R C T

T P R O S N E I O

I O I R E Z D N

O N O B E L A O S

T G

N A T U R E Z A

O I SC A L O R T

T I D

U N O B E LP E U

H I D R O G E N I O TS O L E

O T E RT O M I

F O N E S O L A RO P N G

A N I O N T E UT F O T O N S F AE O L I C A T U

A R S

T E AH A L O G E N I O H E L I O

O A

E N E R G I A

N

F O G U E T E

D

O

H I D R O C A R B O N E T O

N O O

C L

O U

L N

O A

P R O T O T I P O

6

Respostas

8

1211

I C A L O R E T N O F

N A C I L O E P

E T N E U L O P R

S N X O H

G E S P A C I A I S P I

O T G U D

T U E L M S R

A R N S A A O O O

V A I A C S P C I

E L O I S I A N

L L A T R E

S E T E U G O F E U M O B G

V N A O T O O

S O L A R I E R L O N R

I T N R D E R E D

N S O G I C P T I

C U D I H U O H

O B O A L S S

L M R A G U A

O C A R R O S R G

C R R E N O V A V E L

S O N I L A C L A S I A T E M

E C

G D O R

A E L E C E

S R U G O R

N R M B

A D A M A C A A A P O

C H I D S O N

I E R C O A R

D H L A N O L T A

O A I L E C U A I

I L O U D T C M C

R O G S N E E E N

E O E G N O E T L N E

P N L E I T O O T L

A E E N S N O A

L U T I E V

E Q R O M

B E O S E

A P N R E C E B E R L

T C O M P A R T I L H A E

C C O N S T R U I U

I E T N E N O P M O C

E A

N L I L

T E S L A A

I V O U I B

S I S T E M A R F

T T N I E E

A S E N T R O

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B I C M Q O I N

M L A U T L E

O A O H I N I M

C S M E Z I

R A L O S I M A C

G C D E N E

O O N L T U

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A A

F F O H H C R I K

T A D A S I L A T A C

E A I G R E N E E F E I T O

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S M S E T

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E M N I O O O M O

O A O L M M I A V

C Z C A C T P S C I

S E C I A R S I T

S I N A L L T E A C I

O E A T A N S T O S

R V R S O D S O L O

E O O A R R A P O P

M M R F U O C O C S

I O C U T A E I

L T T U R D

O U S F R

P A E A S S A M O I B