Hidrogênio - Estudando Quimica

Aula: 02
Temática: Hidrogênio
Na última aula você aprendeu sobre os gases nobres. Nessa aula
continuaremos nos gases, mas não nos nobres, falaremos então sobre o gás
de grande abundância no universo: o hidrogênio. Acompanhe!
O hidrogênio é um gás incolor, inodoro, insípido e inflamável, que possui a
mesma configuração do elétron de valência dos elementos do grupo 1 (ns1), e
faz parte do grupo (ou família) dos não metais. No estado elementar ele é
encontrado em moléculas diatômicas "H2" que possui alguma semelhança com
os metais alcalinos, porém não está associado a nenhum outro grupo da tabela
periódica.
Cavendish, em 1766,
foi o primeiro cientista que isolou, estudou as
propriedades físicas do hidrogênio e observou que este explodia quando
aquecido em contato com o ar, e que foi denominado "ar inflamável".
O químico Joseph Priestley observou que, após a explosão, o tubo da
experiência encontrava-se úmido. Cavendish então investigou a matéria
formada e provou que a água era um composto de oxigênio e hidrogênio.
Ocorrência
Em nosso planeta o hidrogênio é encontrado na forma combinada, na água,
nos oceanos, nos rios, nos minerais e até nos seres vivos.
O hidrogênio é o elemento mais abundante do universo, contudo a quantidade
de H2 na atmosfera terrestre é muito pequena, pois o campo gravitacional da
terra é pequeno demais para reter um elemento tão leve. Uma pequena parte
do hidrogênio é encontrada nos gases vulcânicos.
QUÍMICA INORGÂNICA
Obtenção
O hidrogênio é preparado em grande escala por diversos métodos:
1- Na reação abaixo, basta que se passe vapor de água sobre coque aquecido
ao rubro para obtermos o gás d’água, ou seja, uma mistura de CO e H2.
Trata-se de um combustível industrial importante, pois é obtido facilmente
por meio da incineração, a qual libera uma grande quantidade de calor.
C +
H 2O
→
CO + H2
(1000ºC)
CO + H2 + O2
→ CO2 + H2O + calor
2- No processo de reformação a vapor, em que hidrocarbonetos leves, como o
metano, são misturados com vapor de água e passados sobre um
catalisador de níquel a 800-900ºC. Esses hidrocarbonetos podem ser
encontrados no gás natural e também em refinarias, por meio do processo
de craqueamento de hidrocarbonetos mais pesados.
CH4 + H2O → CO
+ 3H2
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
CH4 = metano
No processo de craqueamento, o gás, quando sai do reator, é constituído por
CO, CO2, H2 e excesso de vapor de água; a mistura gasosa. Então, é
enriquecida com mais vapor, resfriada a 400ºC e passada por um conversor
que contém um catalisador de ferro/cobre, no qual o CO é transformado em
CO2.
CO + H2O → CO2 + H2
QUÍMICA INORGÂNICA
3- Nas refinarias de petróleo, misturas naturais de hidrocarbonetos com
elevado peso molecular, tais como nafta e óleo combustível, são
submetidos ao processo de craqueamento para formar misturas de
hidrocarbonetos de pesos moleculares menores,que podem ser usados
como combustíveis automotivos. O hidrogênio é um valioso subproduto
desse processo.
4- Hidrogênio puro (99,9%) é preparado por eletrólise da água ou de soluções
de NaOH ou KOH, o que configura um método mais dispendioso. A água,
porém, não conduz muito bem a corrente elétrica, fato comum à eletrólise
de soluções de NaOH e KOH numa célula com ânodos de níquel e cátodos
de ferro. Os gases produzidos nos compartimentos do ânodo e do cátodo
devem ser mantidos separados.
Ânodo
Cátodo
2OH- → H2O +1/2 O2 + 2e2H2O + 2e-
Reação global
H 2O →
2OH- +
→
H2
H2 + 1/2 O2
5- Uma grande quantidade de H2 puro também é formada como subproduto da
indústria de cloro e álcalis. Nesse caso, soluções de NaCl são eletrolisadas
para formar NaOH, Cl2 e H2.
Estrutura
O hidrogênio possui a estrutura atômica mais simples que qualquer outro
elemento, sendo constituído por um núcleo que conteém um próton e um
elétron circundante. A configuração eletrônica pode ser representada como 1s1.
Os átomos de hidrogênio podem alcançar a estabilidade de três maneiras
diferentes:
QUÍMICA INORGÂNICA
1- Formando uma ligação covalente (um par de elétrons) com outro átomo,
preferencialmente com os não metais, por exemplo, H2, H2O, HCl ou CH4.
Alguns metais também formam esse tipo de ligação;
2- Perdendo um elétron para formar H+, os prótons estão sempre associados
a outros átomos ou moléculas, como na água ou soluções aquosas de HCl
e H2SO4 em que o próton existe na forma de íons H3O+, H9O4+ ou H(H2O)n+;
3- Adquirindo um elétron e formando H-. Sólidos cristalinos como o LiH contêm
o íon H-, e são formados por metais altamente eletropositivos (Grupo 1 e
parte do grupo 2 da tabela periódica). Porém, esses íons não são muito
comuns.
Propriedades
O hidrogênio forma moléculas diatômicas. Os dois átomos estão unidos por
uma ligação covalente muito forte (energia de ligação 435,9 kJ/mol). Em
condições normais, não é muito reativo devido à cinética, e não à termoquímica
da reação, e está relacionada à força da ligação. O H2 reage diretamente com
a maioria dos elementos em condições apropriadas. É um elemento que
queima ao ar ou, quando encontrado numa atmosfera de oxigênio, forma-se
água, onde libera grande quantidade de energia. Reage com os halogênios,
pois a reação com flúor é violenta mesmo a baixas temperaturas. A reação com
o cloro é lenta no escuro, mas a reação é catalisada por luz (fotocatálise), que
torna-se mais rápida à luz do dia e explosiva à luz solar direta.
O hidrogênio é usado em larga escala em reações de hidrogenação, nas quais
é adicionado a ligações duplas de compostos orgânicos.
QUÍMICA INORGÂNICA
Um exemplo importante é a hidrogenação de óleos vegetais com a
obtenção de gorduras.
Óleo de soja + H2
Margarina de soja
O hidrogênio encontrado na natureza é constituído de três isótopos: o prótio
1H
1
(H), o deutério 1H2 (D), e o trítio 1H3 (T). O prótio é de longe o isótopo mais
abundante (99,986%).
Esses
isótopos
apresentam
a
mesma
configuração
eletrônica
e,
essencialmente, as mesmas propriedades químicas. As únicas diferenças são
encontradas nas velocidades de reação e nas constantes de equilíbrio.
As diferenças de propriedades decorrentes das diferenças de massa são
denominadas efeitos isotrópicos. O hidrogênio por ser muito leve, possui uma
diferença percentual em massa, entre o prótio, o deutério e o trítio, e é maior
entre todos os isótopos de qualquer outro elemento. Portanto, as diferentes
propriedades físicas encontradas entre os isótopos do hidrogênio são maiores
que aquelas encontradas entre isótopos de quaisquer outros elementos.
Aplicações
- É o principal componente na fabricação de produtos químicos, especialmente
amônia (NH3) e metanol (CH3OH).
- É usado em grandes quantidades nas refinarias para produção de gasolina e
lubrificantes.
- É usado na indústria de fertilizantes.
- É usado no processo de fabricação de vidros.
- Está presente em metalúrgicas, no refino de metais e semicondutores.
- É usado como célula combustível para gerar potência elétrica, em que está
sendo estudado o modo de movimentar veículos. As células combustíveis não
poluem o ambiente e são boas alternativas para substituir o óleo combustível;
- É utilizado, também, na produção de sabão, margarina e manteiga de
amendoim.
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- Enchimento de balões.
- Como combustível para foguetes.
- Na indústria farmacêutica, na produção de vitaminas e cosméticos.
Nesta aula foi visto o hidrogênio (ocorrência, obtenção, estrutura,
propriedades e aplicações). Na próxima aula veremos um elemento de
grandíssima importância, o oxigênio. Até lá!
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