Hidrogênio: Elemento Mais Abundante

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HIDROGÊNIO 
CQ222 
FSN 
 
 
CQ222 
FSN 
HIDROGÊNIO 
 
 
HIDROGÊNIO 
O ELEMENTO HIDROGÊNIO 
 
 
►o hidrogênio é o elemento mais abundante do universo com 92% 
seguido do hélio (7%) e os demais elementos (1%); 
 
►é quarto elemento mais abundante na Terra e encontrado em grandes 
quantidades no oceano e nos organismos vivos (na forma de 
carboidratos e proteínas), compostos orgânicos, combustíveis fósseis 
(carvão, petróleo e gás natural), amônia e ácidos. O hidrogênio forma 
mais compostos que qualquer outro elemento. 
ISÓTOPOS DE HIDROGÊNIO 
 
 
►prótio 1H1 ou H 99,986%; deutério 
2H1 ou D 0,014% e trítio 
3H1 ou T 
7x10-16%; 
 
►como o hidrogênio é muito leve, a diferença percentual em massa 
entre o prótio, o deutério e trítio é muito grande, maior que a encontrada 
em qualquer outro elemento; portanto, as diferenças nas propriedades 
físico-químicas entre os isótopos são muito significativas. Exemplos: 
D2O, com PF = 3,8 
oC, PE = 101,4 oC, e densidade ≈ 1,10 g/mL; 
Massa 
molar 
g/mol 
PE 
oC 
 
Energia de 
ligação 
kJ/mol 
H2 2,02 20,6 436 
D2 4,03 23,9 443 
T2 6,03 25,2 447 
ISÓTOPOS DE HIDROGÊNIO 
 
 
 
►a água contendo prótio, H2O, se dissocia cerca de três vezes mais que 
a água pesada, D2O: 
 
 H2O ⇋ H
+ + OH- K = 1,0x10-14 
 D2O ⇋ D
+ + OD- K = 3,0x10-15 
 
 
►D2O possui uma constante dielétrica menor que a água comum e 
compostos iônicos são menos solúveis em D2O que em H2O. 
 
ISÓTOPOS DE HIDROGÊNIO 
 
 
►o trítio é radioativo e sofre decaimento com emissão b com uma meia 
vida de 12,26 anos: 
 14N7 + 
1no  
12C6 + 
3T1 (raios cósmicos na atmofera) 
 6Li3 + 
1n0  
4He2 + 
3T1 
 
►trítio é usado em dispositivos termonucleares e na pesquisa de 
reações de fusão nuclear para a produção de energia, além do 
interesse médico como um marcador: 
3T1  
3He1 + b (formação do isótopo raro de 
3He e elétrons de baixa 
energia (raios b), que podem ser rastreados por um contador; 
 
►compostos tritiados são obtidos a partir do gás T2(g) : 
 T2(g) + CuO(s)  T2O(l) + Cu(s) 
 Pd 
 2T2(g) + O2(g)  2T2O(l) 
ISÓTOPOS DE HIDROGÊNIO 
 
 
►as ligações com prótio são rompidas mais facilmente (até 18 vezes) 
que as ligações com deutério; assim na eletrólise da água, o H2 é 
formado bem mais rapidamente que o D2, de modo que a água 
remanescente após a eletrólise se torna mais rica em água pesada, 
D2O. 
 
►29.000 litros de água devem ser eletrolisados para produzir 1 litro de 
D2O com 99% de pureza. 
 
►a água pesada sofre todas as reações da água normal e é útil na 
preparação de outros compostos de deutério. 
 
►D2O é usada nas reações de substituição: 
 NaOH + D2O  NaOD + HDO 
 Mg3N2 + 3D2O  2ND3 + 3MgO 
HIDROGÊNIO MOLECULAR OU DIIDROGÊNIO - H2(g) 
 
 
OBTENÇÃO 
 
►é preparado em grande escala por diversos métodos: 
 
 
 Ni/500oC 
1) CH4(g) + H2O(g)  CO(g) + 3H2(g) (Reforma a vapor) 
 
 O gás que sai do reator contém CO, H2 e excesso de vapor d’água. A 
mistura passa por um catalisador de ferro/Cr2O3, onde CO é 
convertido em CO2: 
 700K/ Fe/Cr2O3 
 CO(g) + H2O(g)  CO2(g) + H2(g) 
 
 O CO2 é então absorvido por soluções de K2CO3: 
 K2CO3(aq) + CO2(g) + H2O(l)  2KHCO3(aq) 
 
 1000 oC 
2) C(coque) + H2O(g)  CO(g) + H2(g) 
 gás d’água 
HIDROGÊNIO MOLECULAR OU DIIDROGÊNIO - H2(g) 
 
 
OBTENÇÃO 
 
4) H2 com pureza 99,9% é preparado por eletrólise da água: 
 
Cátodo: H2O(l) + 2e
-  2OH-(aq) + H2(g) 
 
5) H2 puro também é formado como subproduto da indústria de cloro e 
álcalis, da eletrólise de soluções aquosas de NaCl; 
 
6) No laboratório: 
 
 M(s) + H2SO4(aq)  MSO4(aq) + H2(g), M = Zn ou Mg 
 2Al(s) + 2NaOH(aq) + 6H2O(l)  2Na[Al(OH)4] + 3H2(g) 
 LiH(s) + H2O(l)  LiOH(aq) + H2(g) 
PROPRIEDADES DO HIDROGÊNIO MOLECULAR 
 
 
►é o gás mais leve conhecido, incolor e inodoro; 
 
►forma moléculas H2 com átomos unidos por uma ligação covalente 
muito forte (436 kJ mol-1), resultando, em geral, em uma pequena 
reatividade em condições normais e as reações são lentas 
requerendo elevadas temperaturas e a presença de catalisadores. 
Exemplos: Processo Haber-Bosch (50% do H2 industrial): 
 
 450oC + 200 atm + cat 
N2(g) + 3H2(g) ⇋ 2NH3(g) 
 
 
►H2 também reage: 
 
com metais a altas temperaturas: ½ H2(g) + Na(s)  NaH(s) 
 violentamente com halogênios: H2(g) + Cl2(g)  2HCl(g)
 
USOS DO HIDROGÊNIO MOLECULAR 
 
 
►H2 é usado em larga escada em reações de hidrogenação de 
compostos insaturados nas quais o hidrogênio se adiciona a duplas 
ligações de compostos orgânicos, na obtenção de gorduras a partir 
de óleos vegetais. 
 
►H2 têm grande importância econômica como um combustível 
alternativo ao carvão e ao petróleo (apenas 10%); o H2 é usado 
como combustível de foguetes e tem movimentado veículos com 
motores a combustão interna e é usado para a solda ou corte de 
metais: 
 
► a reação com oxigênio é muito exotérmica chegando até 2800 oC 
 H2(g) + 1/2O2(g) H2O(g) DH = -326 kJ mol
-1 
 
►no maçarico de arco voltaico, as temperaturas chegam a 5000 oC e é 
usado para a solda de materiais refratários como W e Nb, de alto 
ponto de fusão. 
 
2H(g)  H2(g) DH = -435 kJ mol-1
 
HIDROGÊNIO MOLECULAR – ISÔMEROS DE SPIN NUCLEAR 
 
 
►a molécula H2 existe em duas formas chamadas orto- e para-hidrogênio 
dependendo da orientação dos spins nucleares em relação a um campo 
magnético; o fenômeno é chamado de isomeria de spin: 
Forma orto: spins nucleares paralelos, +1/2 e +1/2 (o mais estável; 75% na 
temp. ambiente) 
Forma para: spins nucleares anti-paralelos (+1/2 e -1/2) (25%) 
►observam-se diferenças significativas nas propriedades físicas como o 
PE, calores específicos e condutividades térmicas  permite separação por 
cromatografia. 
 
HIDROGÊNIO 
 
ESTRUTURA ELETRÔNICA 
 
 
►o hidrogênio possui um núcleo com um próton e um elétron: 1s1 
►alcança a estabilidade: 
 formando uma ligação covalente preferencialmente com não-metais; 
perdendo um elétron para formar H+, normalmente associado a outros 
átomos ou moléculas como, por exemplo, HCl e H3O
+; 
ganhando um elétron para formar H-, normalmente com metais como 
CaH2. 
►não podemos relacionar a estrutura eletrônica e as propriedades do 
hidrogênio com elementos de outros grupos da tabela periódica. 
HIDROGÊNIO – COMPOSTOS BINÁRIOS OU HIDRETOS 
 Iônicos: sólidos, redutores fortes e não-condutores elétricos. Ex.: CaH2(s) 
Metálicos: sólidos quebradiços não-estequiométricos e condutores 
elétricos. Ex.: ZrH1,30, PdHx (x<1), 
Moleculares: ligações H-X são covalentes (X= não-metais e metais 
fracamente eletropositivos, Ex.: PH3, CH4, NH3, H2O, HF, B2H6, SiH4 .