18/01/2014 1 Hidrogênio Prof a . Dr a . Flaviana Tavares Vieira [email protected]Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri Instituto de Ciência e Tecnologia Diamantina - MG 2 Tópicos I. Obtenção II. Principais Utilizações III. Propriedades químicas -Henry Cavendish (1731-1810) -químico inglês -primeiro a isolar o hidrogênio -Como o elemento produz água, Lavoisier deu a ele o nome de “hidrogênio”, que significa “produtor de água”. -Grego: hydro = água e genes = produzir 3 Introdução 4 -Os átomos de hidrogênio são os mais simples dos átomos (2 partículas subatômicas: 1 próton e 1 elétron) -O H não se ajusta nitidamente na Tabela Periódica; -Algumas vezes é colocado no início dos metais alcalinos, no GRUPO 1: considerando a análise racional de que o H e os metais alcalinos possuem 1 elétron de valência. Configuração eletrônica: ns 1 como molécula diatômica, H 2 . O Elemento 5 6 -Quando consideramos as propriedades físicas e química, esta posição não é inteiramente satisfatória. O Elemento -Menos freqüentemente, o H é colocado acima dos halogênios no GRUPO 17/VII, considerando a análise racional de que como os halogênios, requer 1 elétron para completar sua camada de valência.
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Obtenção Hidrogênio - site.ufvjm.edu.brsite.ufvjm.edu.br/flavianatavares/files/2013/04/Hidrogênio-2014.pdf · -O H não se ajusta nitidamente na Tabela ... -Os átomos de hidrogênio
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Os nomes mais tradicionais, como fosfina e sulfeto
de hidrogênio ainda são amplamente usados.
-Não sistemáticos: amônia e água, são
universalmente usados ao invés de seus nomes
sistemáticos azano e oxidano.
Compostos Moleculares:
Classificação
1. Composto com número de elétrons exatos:
todos os elétrons de valência do átomo central
estão envolvidos em ligações.
Ex.: metano e etano
2. Composto deficiente em elétrons: há poucos
elétrons para que possa ser escrita uma estrutura
de Lewis para a molécula.
Ex.: diborano (B2H6)
Compostos Moleculares:
Classificação
3. Composto rico em elétrons: há mais pares
eletrônicos no átomo central do que o necessário
para a formação da ligação.
Ex.: Amônia, HF, HCl
Aspectos Gerais das
Propriedades
-As formas dos compostos com número de elétrons
exatos e dos ricos em elétrons podem ser previstas
pelas regras RPECV (repulsão dos pares de elétrons
da camada de valência)
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Pontos de ebulição normais dos compostos binários de hidrogênio
Observe a tendência dos p.e.: são normalmente altos para moléculas fortemente ligadas por ligação de hidrogênio, como a água, HF e amônia.
Exercitando…
Identifique e especifique a subclassificação dos
seguintes compostos de hidrogênio:
a) SiH4
b) NH3
d) AsH2
f) HF
e) GeH4
Exercitando…
Identifique e especifique a subclassificação dos
seguintes compostos de hidrogênio:
a) SiH4 - silano, exato em elétrons
b) NH3 - amônia, rica em elétrons
c) AsH2- arsano, rico em elétrons
d) HF - fluoreto de hidrogênio, rico em elétrons
e) GeH4 - germano, exato em elétrons
Hidretos Metálicos
*Bons condutores metálicos: mobilidade elevada do H a T elevadas
Hidretos Salinos
-Hidretos do GRUPO 1
-Hidretos do GRUPO 2
-Compostos de hidrogênio do bloco s, exceto o Be
-São insolúveis em solventes não aquosos
-A reação de hidretos salinos com água é perigosa
NaH(s) + H2O(l) H2(g) + NaOH(aq)
-Hidreto de sódio finamente dividido pode inflamar-se se
for deixado exposto à umidade do ar.
Hidretos Salinos
CaH2(s) + 2H2O(g) Ca(OH)2(s) + 2H2(g)
-A reação entre hidretos metálicos e água é empregada em
laboratório para remover traços de água de solventes e de
gases inertes, como nitrogênio e argônio
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Linha de Vácuo
Obs.: oferece um método para manusear gases ou líquidos voláteis sem exposição ao ar.
No laboratório . . .
• No laboratório, o hidrogênio geralmente é
preparado pela redução de um ácido.
• O Zn é adicionado à uma solução ácida e forma-se
bolhas de hidrogênio.
• Hidrogênio borbulha para fora da solução e é
coletado em um frasco.
• O frasco de coleta geralmente é preenchido com
água, então o volume de hidrogênio coletado é o
volume de água deslocado.
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Reações de Hidrogênio
-Entalpia de ligação elevada (~436,0 KJ/mol)
Reage lentamente com a maioria dos elementos
-Energia de ativação elevada
-Sob condições especiais: a reação é rápida
-Temperatura alta
-Catalisador
-Pressão alta
Dissociação Homolítica
1. Quimiossorção sobre platina: usa-se Pt
finamente dividida para catalizar a hidrogenação
de alcenos.
2. Coordenação ao átomo de Ir em um complexo:
H2 liga-se ao átomo de Ir em complexos para
originar um complexo contendo 2 ligantes
híbridos (H-):
Reação: [Ir(CO)(PPh3)2Cl] e H2.
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Uma molécula de H2 pode coordenar-se a um
átomo metálico sem clivagem da ligação H-H?
Sim. O primeiro composto foi [W(CO)3(H2)(PPr3)2] Pr=isopropril (-CH(CH3O2))
Importância: exemplo de espécies intermediárias entre H2 molecular e o hidreto composto.
-O hidrogênio molecular é ativado pela dissociação
sobre uma superfície metálica ou pela formação
de um complexo metálico.
+ H2
-Reação envolvida na hidrogenação catalítica
de CO e CH3OH, realizada em grande escala.
CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)
Dissociação Heterolítica
-O mecanismo radicalar considera as reações
iniciadas térmica e fotoquimicamente entre H2 e
halogênios.
Reações de Hidrogênio e
Halogênios
* Iniciação: por dissociação térmica ou fotoquímica das moléculas de di-hidrogênio para originar átomos que atuam como propagadores radicalares.
* Propagação:
* Terminação:
Energia de Ativação para o ataque do radical é baixa porque uma nova ligação é formada à medida que uma ligação é perdida, logo uma vez iniciada a formação de radicais é auto-sustentável e a produção de HBr é rápida.
Síntese
-Há 3 métodos comuns para sintetizar compostos
binários de H:
1. Combinação direta de elementos
2.Protonação de uma base de Bronsted
3.Metátese (dupla troca) de um haleto ou pseudo-haleto
com um hidreto
-Obs.: método usado comercialmente para a síntese
de compostos que possuem Energia de Gibbs
negativas.
Ex.: NH3, hidretos de Li, Na e Ca
Para superar a cinética desfavorável de alguns casos: -Pressão alta -Temperatura alta -Catalisador
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-Energia de formação de Gibbs negativa: sinal de
que a combinação direta do hidrogênio e um
elemento pode ser a rota sintética preferida para
um composto de hidrogênio.
-Composto termodinamicamente instável: uma rota
sintética indireta de outros compostos pode ser
encontrada.
Estabilidade e Síntese
-Todos os hidretos do bloco s são exergônicos
(ΔfGo<0), termodinamicamente estáveis.
-Exceção: BeH2
-Compostos de hidrogênio do grupo p dos primeiros
membros do grupo (CH4, NH3, H2O e HF) são
exergônicos.
Aspectos Termodinâmicos
-A formação de compostos
entre H2 e os metais dos
grupos 1 e 2 , exceto o Be, é
termodinamicamente
favorável.
-Descendo em 1 grupo no
bloco p, as forças de ligação
E-H decrescem e os hidretos
dos elementos mais pesados
tornam-se termodinâmica/
instáveis.
Aspectos Termodinâmicos
-3 tipos de reação podem levar à cisão de uma
ligação E-H:
1. Clivagem heterolítica por transferência de
hidreto (caráter hidrídico)
2. Clivagem homolítica (caráter radicalar)
3.Clivagem heterolítica por transferência de próton
(caráter protônico)
Padrões de Reação de
Compostos de Hidrogênio
Hidretos deficientes em
elétrons do grupo do boro -Boranos: compostos de B binários de hidrogênio;
dos grupos 15/V ao 17/VII -Comercialmente importante
-Amônia (NH3):
-produzida em grandes quantidades
-uso como fertilizante
-processo Haber (o H e o N combinam-se
a 450oC e a 100atm)
N2(g) + 3 H2(g) 2NH3(g)
-A combinação de H2 e N2 catalisada a T
elevada produz amônia: fertilizante e material
de partida para outras substâncias químicas
contendo nitrogênio.
• Produção de amônia
• Agente hidrogenizante (hidrogenar óleos vegetais para a
fabricação de margarina e gordura)
Utilização do Hidrogênio
• O hidrogênio é usado para a fabricação de metanol:
CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)
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-Indústria de petróleo e química
-Processamento de combustíveis fósseis
-Os principais consumidores de H2 em uma fábrica
petroquímica incluem:
- hidrodesalquilação,
- hidrodessulfurização e
- hidrocraqueamento.
-É fonte de hidrogênio na manufatura de ácido
clorídrico
-Agente redutor de minérios metálicos
Utilização do Hidrogênio Utilização do Hidrogênio
-Aplicações na física e engenharia
-Utilizado como gás de proteção nos métodos
de soldagem como soldagem de hidrogênio atômico
-H2 líquido é usado em pesquisas criogênicas, incluindo
estudos de supercondutividade (uma vez que o H2 é mais
leve que o ar, tendo um pouco mais do que 1/15 da
densidade do ar, foi certa vez vastamente usado como
um gás de levantamento em balões e dirigíveis)
-Aditivo alimentar autorizado (E 949) que permite o teste
de vazamento de embalagens, entre outras propriedades
antioxidantes
Indústria de Semicondutores
-É empregado para saturar ligações quebradas de silício
amorfo e carbono amorfo que ajudam a estabilizar
propriedades materiais.
-É também um potencial doador de elétron em vários
materiais óxidos, incluindo: ZnO, SnO2,
CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2,
SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4,
HfSiO4, e SrZrO3.
Segurança e Precauções -O hidrogênio gera vários perigos à segurança humana:
-potenciais detonações e incêndios quando misturado
com o ar;
-asfixiante em sua forma pura, livre de oxigênio;
-hidrogênio líquido é um criogênico e apresenta perigos
(congelamento);
-Dissolve-se em alguns metais;
-O vazamento de gás hidrogênio no ar externo pode
espontaneamente entrar em combustão.
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Carro de marca OPEL (modelo Zafira) da General Motors apresentado na Feira de Hannover (2003) que usa como combustível o hidrogênio.
F.M.S.M.Santos, O combustível Hidrogênio. Educação, ciência e tecnologia. P.252-270.
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Fotografia de um depósito feito de material com compostos de carbono, de armazenamento do hidrogênio sob a forma comprimida aplicado numa bicicleta elétrica. Fotografia tirada na Feira de Hannover em abril de 2003.
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Assistam ao vídeo “Honda produz carros movidos
a hidrogênio em série ” (2’30”) no seguinte
endereço:
http://www.youtube.com/watch?v=g88MbOZnFtU&f
eature=youtu.be26
Postado em 12/11/2009
“Carro da Honda, ecologicamente correto, pois funciona movido a
energia gerada a partir do hidrogênio, que é uma das fontes de
energia alternativas para o funcionamento de automóveis e outros
veículos”.
Referências Bibliográficas
-LEE, J.D. Química Inorgânica não tão concisa. 5ª ed. São Paulo:
Edgard Blücher, 2000.
-SHRIVER, D.F.; ATKINS, P.W. Química Inorgânica. 4ª ed. Porto