Química do Hidrogênio. Aula 3: Química de Elementos Configuração Eletrônica - 1s 1 - Forma...

Química do Hidrogênio

Aula 3: Química de Elementos

Configuração Eletrônica - 1s1

- Forma ligação covalente, preferencialmente com não-metais

Hidrogênio e Hidretos

Abundância• Mais abundante no universo (92%)• 10º elemento na crosta terrestre (minerais; oceanos, vulcões e toda forma de vida).

H2 H2O

CH4

H2O

2

Perde um elétron para formar íon H+

• H+ é muito pequeno, apresenta alto poder polarizante e deforma a nuvem eletrônica de outros átomos.

• H+ está sempre associado a outras moléculas: H3O+; H9O4

+ ou H(H2O)n+. Em média são 6 moléculas de água.

• H+ livre não existe em condições normais, mas é encontrado em feixes gasosos a baixas pressões.


Estrutura de solvatação Zundel

H5O2+

3

Adquire um elétron para formar Hidretos (H-)

• Sólidos cristalinos: formados por metais altamente eletropositivos (grupo 1 e 2).

• O Hidrogênio apresenta eletronegatividade igual a 2,1, podendo doar ou receber elétrons.


Hidreto de Lítio (LiH)

4

Isótopos de Hidrogênio

99,98% (H11) 0,0156% (H1

2) 0,0044% (H13)

Aula 3: Química de Elementos 5

(H) (D) (T)

• O trítio (H3) é radioativo e sofre decaimento com emissão β

13H 3/2 He + 1e-

• H2 reage mais rápido do que o D2 Ea do H2 é menor

•H2O dissocia (Kd = 1,0x10-14 mol/L) três vezes mais do que a água pesada D2O (Kd = 3,0x10-15 mol/L);

Propriedades dos Isótopos


• Ligações com o prótio são rompidas mais facilmente (18 vezes) do que com o deutérioEx: eletrólise da água libera H2 mais facilmente que D2 e a água remanescente após a eletrólise torna-se enriquecida com D2O. A hidrólise de 29.000L de H2O fornece 1L de D2O

• D2O sofre todas as reações da H2OEx.: D2O possui menor constante dielétrica menor solubilidade de íons

Propriedades dos Isótopos



Posição na Tabela Periódica

• 1º elemento da TP (propriedades semelhantes ao G18)• 1º período H e He (propriedades diferentes dos principais grupos da TP)

GRUPO 1 GRUPO 14 GRUPO 17

Semelhanças 1 e- no nível mais externo

Nível eletrônico externo semi-

preenchido

Falta 1 e- para configuração de gás nobre

Diferenças Tende a formar

ligações covalentes

Formação de íons negativos

não é típico para o H

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1. Reforma a vapor: principal método comercial• Reação catalisada da água com hidrocarbonetos a altas temperaturas

CH4(g) + H2O(g) 1000°C CO(g) + 3H2(g)

•Reação similar com coque como redutor: reação do gás de água

C(g) + H2O(g) 1000°C CO(g) + H2(g)

• Ambas reações são seguidas por outra etapa CO(g) + H2O(g) Fe/Cr CO2(g) + H2(g)

2. Craqueamento de nafta e óleo combustível nas refinarias de petróleo : H2 é subproduto da reação

Obtenção de Hidrogênio


3. Eletrólise de NaOH ou KOH: 99,9% purezaMétodo caro, viável economicamente quando integrado com as indústrias de cloro-alcali.Anodo (Ni) 2OH- H2O + ½ O2 + 2e-

Catodo (Fe) 2H2O + 2e- 2OH- + H2

Reação global H2O H2 + ½ O2

4. Subproduto na indústria de cloro e álcalisSoluções aquosa de NaCl sofrem eletrólise para formar NaOH, Cl2 e H2

5 - Reações de ácidos diluídos com metais do grupo 1, 2, 3, 4 e lantanídeos ou de álcalis com alumínio

Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2

2Al + 2NaOH + 6H2O 2Na[Al(OH)4] + 3H2

6 - Reações de hidretos iônicos com águaLiH + H2O LiOH + H2Aula 3: Química de Elementos 10

Fotossíntese

Algas Verdes e Cianobactérias

Biofotólise

Bactérias Fotossintetizantes

Fotodecomposição de Compostos Orgânicos

Fermentação Bactérias Fermentativas

Fermentação de Compostos Orgânicos

Sistemas Híbridos Bactérias Fermentativas + Fotossintetizantes

7. Métodos Biológicos

Reforma a vapor

Eletrólise da Água


Metal + Acido Al + NaOH


1 - Síntese de amônia2H2 + (O2 + 4N2 (ar)) 1100°C 2H2O + 4N2

N2 + 3H2 Fe/400°C/200atm 2NH3

2 - Hidrogenação catalítica de óleos - fabricação de margarina

3 - Manufatura de reagentes orgânicos – síntese do metanol pelo processo de hidroformilação

CO + 2H2 Co MeOH

4 - Produção de HCl, hidretos metálicos, combustível e na metalurgia (redução de óxidos a metais)

Usos do Hidrogênio (H2)


Fritz HaberFritz Haber1868-19341868-1934

H2 - gás natural, inodoro, baixa solubilidade em solventes de baixa densidade. Substitui o He em balões metereológicos Possui ligação covalente muito forte (435,9 kJmol-1)

Pouco reativo em condições naturais (predomina aspectos cinéticos em relação aos termodinâmicos). Deve haver quebra da ligação H-H --> Ea alta ==> reações lentas ou requerem altas temperaturas ou catalisadores.

Propriedades Gerais e Químicas


H2 - queima no ar ou oxigênio, liberando muita energia:

2H2 + O2 2H2O ΔH = -485kJmol-1

H2 reage com os halogênios:

H2 + F2 2HF ( violenta mesmo a baixa T)

H2 + Cl2 2HCl (catalisada pela luz, explosiva à luz solar direta

Propriedades Gerais e Químicas


Formação de Hidretos: reações do H2 com metais para formar Hidretos. As reações são violentas e requerem altas temperaturas.

Produção industrial de NH3 (Processo Haber)N2 + 3H2 2NH3 ΔG298K= -33,4kJmol-1

Favorecida por altas pressões, baixas T (380 a 450°C e 200atm) e catalisadores (Fe)

Reações de hidrogenação - adição de H2 a C=CEx: saturação de ácidos graxos (Pd como catalisador)

CH3(CH2)nCH=CHCOOH + H2 CH3(CH2)nCH2CH2COOH

Redução de nitrobenzeno a anilina em indústria de corantes Produção de metanol

CO + 2H2 CH3OH (necessita catalisador)Aula 3: Química de Elementos 18

H2 é muito estável: condições normais apresenta baixa tendência em dissociar.

H2 2H ΔH = 435,9kJmol-1 (muito endotérmica)Possível a altas T, campo elétrico ou radiação UV mas o átomo de H tem vida de menos de 1/2 segundo.

H2 como combustível: substituir carvão e petróleo; não libera poluentes como SO2, NOx, CO2. Hidrocarbonetos


Reação do H com metais do grupo 1 e 2(Ca, Sr,Ba), a altas temperaturasEx: NaH, CaH2

Sólidos de ponto de fusão elevados Quando fundidos conduzem eletricidade Eletrólise da solução fundida libera H2

Possuem estrutura cristalina conhecida

Hidretos iônicos ou salinos


Os hidretos são compostos inorgânicos hidrogenados, que apresentam o hidrogênio como o elemento mais eletronegativo, ou seja, como ânion de estado de oxidação -1 ( H-1 ).

Hidretos

Hidretos Iônicos

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Hidretos Iônicos

Só é possível com elementos de eletronegatividade menor que 2,1

Hidretos com elementos do grupo 1 são mais reativos do que os do grupo 2. (Reatividade aumenta de cima para baixo no grupo – por quê?)

H- é instável em água

Todos hidretos iônicos reagem com água LiH + H2O LiOH + H2

São poderosos agentes redutores

2CO + NaH H-COONa + CAula 3: Química de Elementos 21

Hidretos Covalentes Hidretos dos elementos do grupo p: pequena diferença de eletronegatividade entre estes átomos e o hidrogênio

São voláteis, baixo p.f e p.e

Constituídos por moléculas covalentes, mantidas por forças de Van der Walls

Hidretos do grupo 13 são polímeros mononucleares

Ex: B2H6; B4H10, B10H14; (AlH3)n

Nos outros grupos, exceto halogênios, forma hidretos polinucleares. Principalmente C, N e O

Ex: CH4; C2H6; C2H4; C2H2; C6H6; Si10H22; Sn2H6; N2H4; NH3; H2O2


Hidretos metálicos ou intersticiais

Elementos do grupo d ou f reagem com hidrogênio; Elementos situados no centro do bloco d não formam hidretos; Propriedades semelhantes aos dos metais correspondentes: Duros, brilho metálico, condutores de eletricidade, propriedades Magnéticas; Formam hidretos com diferentes estequiometrias:

Ex: EuH2; CeH2,69; UH3; NbH0,7; PdH0,6


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