PARTE 3_QFL2143_2013

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9/4/2013 
1 
H I D R O G Ê N I O 
Química dos Elementos 
OCORRÊNCIA DO HIDROGÊNIO 
H 
88,6% 
He 11,% UNIVERSO 
 
 
 
 
 
 
BIOMOLÉCULAS 
carboidratos 
proteínas 
lipídeos 
DNA, RNA 
H2O 
 
 
 
 
 
 
 
MATERIAIS 
FÓSSEIS 
petróleo 
gás natural 
carvão 
T E R R A 
H2 : d = 74 pm 
d 
H2 = molécula 
diatômica 
H + H   H  H 
Substância no estado 
elementar: é gasosa 
A força da ligação é medida 
pela Energia de Dissociação: 
EDISSOC = + 436 kJ/mol 
(energia necessária para 
quebrar a molécula em seus 
átomos no estado gasoso) 
 
 H - H  H + H 
Química dos Elementos 
ISÓTOPOS DO HIDROGÊNIO 
H 1 
1 H (D) 1 
2 H (T) 1 
3 Propriedades 
Massa atômica 
Estabilidade nuclear 
 
Abundância 
1,007 2,014 3,016 
estável estável t1/2= 12,35 
 anos 
99,986 % 0,014 % 7x10-16 % 
H2 D2 T2 Propriedades 
Ponto de Fusão / K 
Ponto de Ebulição / K 
Calor de dissociação/kJ mol-1 
Distância internuclear / pm 
13,96 18,73 20,62 
20,39 23,67 25,04 
435,9 443,4 446,9 
74,14 74,14 (74,14) 
H  H ou H – H 
 
Estrutura de Lewis 
Estrutura espacial 
Química dos Elementos 
ISÓTOPOS DO HIDROGÊNIO 
H2O D2O Propriedades 
Ponto de Fusão / oC 
Ponto de Ebulição / oC 
Densidade a 20oC / g mL-1 
Produto iônico (Kw) 25
oC 
Constante dielétrica 20oC 
Solubilidade g NaCl/ 
 100g água a 25oC 
0 3,82 
100 101,42 
0,917 1,017 
1x10-14 3x10-15 
82 80,5 
 
35,9 28,9 
Água 
pesada 
Química dos Elementos 
ISÓTOPOS DO HIDROGÊNIO 
H2O(l) 
D
2
O(s) 
H2O(s) 
H2O líquida: d = 0,997 g / mL 
H2O sólida: d = 0,917 g / mL 
Água 
pesada 
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2 
Estrutura do Gelo 
 2 H2O (l)  2 H2 (g) + O2 (g) 
+ 
H2O 
 D 
D 
D2O 
Eletrólise da água produz 
água pesada (D2O): 
Deutério (D2) é produzido pela 
eletrólise da água pesada (D2O): 
Diferentes velocidades de 
conversão da água em 
molécula de gás 
 2 D2O (l)  2 D2 (g) + O2 (g) 
PROPRIEDADES DO HIDROGÊNIO 
Química dos Elementos 
diatômico 
insípido 
inodoro 
incolor 
Condições 
ambientais 
 inflamável 
(Ea alta) 
atóxico 
H2  2 H 435 kJ / mol 
 
Cl2  2 Cl 243 kJ / mol 
baixa densidade 
d = 0,08 g / L 
Zeppelin, Hindenburg, 1937, Alemanha 
Química dos Elementos 
REAÇÕES COM FORMAÇÃO DE HIDROGÊNIO 
Água + metal eletropositivo 
 2 H2O(l) + 2 K(s)  2 KOH(aq) + H2(g) 
Água + hidreto iônico 
 2 H2O(l) + CaH2(s)  Ca(OH)2(aq) + 2 H2(g) 
Eletrólise da água / meio básico 
 2 H2O(l) + energia  O2(g) + 2 H2(g) 
O2 H2 
Calcium hydride 
Química dos Elementos 
Metal + base 
Zn(s) + 2OH- (aq) + 2H2O(l)  [Zn(OH)4]2-
 (aq) + H2(g) 
Metal + ácido diluído 
 Zn(s) + 2 H+(aq)  Zn2+(aq) + H2(g) 
REAÇÕES COM FORMAÇÃO DE HIDROGÊNIO 
Química dos Elementos 
PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE HIDROGÊNIO 
TERMOQUÍMICO 
77% gás natural e nafta 
TERMOQUÍMICO 
 18% carvão 
outros 
1% 
ELETROQUÍMICO 
4% água 
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Absorvedor 
 de CO2 
Química dos Elementos 
PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE HIDROGÊNIO 
MÉTODO TERMOQUÍMICO 
H2O 
Reação de deslocamento 
 
CO(g) + H2O(g)  CO2(g) + H2(g) 
 
CO2 
 4H2 
Gás Natural 
D H2 
cat. 
CH4 
Reforma catalítica 
 
CH4(g) + H2O(g)  CO(g) + 3 H2(g) 
 gás de síntese 
D 
cat. 
2 
1 
3 
T = 900oC 
cat. = Ni 
Absorvedor 
 de CO2 
Química dos Elementos 
PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE HIDROGÊNIO 
MÉTODO TERMOQUÍMICO 
Reação de deslocamento 
 
CO(g) + H2O(g)  CO2(g) + H2(g) 
 
CO2 
 4H2 
D H2 
Absorvedores 
de CO2: 
soluções 
básicas 
Carbonato de Potássio 
 
CO2(g) + H2O + K2CO3(aq)  2 KHCO3(aq) 
Monoetanolamina 
 
CO2(g) + HO - CH2CH2 - NH2(aq) + H2O  
 
 HO - CH2CH2
 - NH3
+ (aq) + HCO3
-
 (aq) 
cat. 
3 
Q
u
ím
ic
a
 d
o
s
 E
le
m
e
n
to
s
 
 Carvão: 
C(s) + H2O(g)  CO(g) + H2(g) 
 gás d’água 
D 
Outras fontes de hidrogênio: 
Disponibilidade de matéria-prima 
Quantidade necessária 
Pureza desejada 
BRASIL: 
 
 Reforma catalítica (gás natural) 
 
 Eletrólise da Salmoura - subproduto 
 Nafta: 
C3H8(g) + 3H2O(g)  3CO(g) + 7H2(g) 
 
D 
cat. 
PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE HIDROGÊNIO 
MÉTODO TERMOQUÍMICO 
D I A G R A M A D E E L L I N G H A M 
Química dos Elementos 
As inclinações das retas seguem 
as variações de entropia com a 
temperatura. 
O diagrama permite prever 
termodinâmica e não cinética. 
Os valores de DG se 
correlacionam com valores de 
DE para as reações químicas. 
Diagrama para reações de 
oxidação por O2(g).
 
Envolvem predominantemente 
sólidos e gases. 
DGo = DHo - TDSo 
PE do Ca 
Si/ 
D I A G R A M A 
D E E L L I N G H A M 
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4 
Reação de deslocamento: 
 450oC 
CO(g) + H2O(g)  CO2(g) + H2(g) 
Cat. 
Carvão: 
 1000oC 
C(s) + H2O(g)  CO(g) + H2(g) 
Exercícios 
1. 
(a) Mostre, através do cálculo de 
energia livre, que a 1000oC a reação 
 ao lado ocorre espontaneamente. 
(b) Qual a temperatura mínima em 
 que a reação ocorre? O uso de catalisador 
tornaria o processo possível abaixo da tem- 
peratura mínima? 
2. 
(a) Mostre, através do cálculo de 
energia livre, que a 450oC a reação 
 ao lado ocorre espontaneamente. 
(b) A reação poderia ocorrer em 
temperatura inferior a 450oC ? 
T/K 
0 
1273 
-350 
-450 
 Carvão (Processo Bosh): 
 1000oC 
C(s) + H2O(g)  CO(g) + H2(g) 
1 (a) Mostre, através do cálculo de 
 energia livre, que a 1000oC a 
 reação ocorre espontaneamente. 
 1000oC 
C(s) + H2O(g)  CO(g) + H2(g) 
 
 DGo = - 50 kJ mol-1de C(s) 
 Semi-reações DGo kJ mol-1 O2 
 
2 C(s) + O2(g)  2 CO(g) (- 450) 
 
2 H2O(g)  2 H2(g) + O2(g) (+ 350) 
 
2C(s) + 2H2O(g)  2CO(g) + 2H2(g) (-100) 
 
DGo da reação global 
1000 oC = 1273 K 
 Carvão (Processo Bosh): 
 1000oC 
C(s) + H2O(g)  CO(g) + H2(g) 
1 (b) Qual a temperatura mínima em 
 que a reação ocorre? O uso de 
 catalisador tornaria o processo 
 possível abaixo da temperatura 
 mínima? 
Temperatura mínima > 677oC 
 
 Catalisador: 
 Não tornaria o processo 
possível abaixo da Tmin 
porque abaixo desta T a 
reação não é favorecida 
termodinamicamente 
 T/K 
0 
1273 
 950 K = 677 oC 
CO mais estável 
 do que H2O 
2 (a) Mostre, através do cálculo de 
energia livre, que a 450oC a reação 
ao lado ocorre espontaneamente. 
Reação de deslocamento: 
 450oC 
CO(g) + H2O(g)  CO2(g) + H2(g) 
Cat. 
(b) A reação poderia ocorrer 
 em temperatura inferior 
 a 450oC ? SIM (TERMOD.) 
 Semi-reações DGo kJ mol-1 O2 
 
2 CO(g) + O2(g)  2 CO2 (g) (- 440) 
 
2 H2O(g)  2 H2(g) + O2(g) (+ 400) 
 
2CO(g) + 2H2O(g)  2CO2 (g) + 2H2(g) (- 40) 
 
DGo da reação global 
450oC = 723 K 
 450oC 
CO(g) + H2O(g)  CO2(g) + H2(g) 
 Cat. 
 
 DGo = - 20 kJ mol-1de CO(g) 
T/K 
0 
723 
CO2 mais estável 
 do que H2O 
ALTERNATIVAS PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO 
PRINCÍPIOS DA QUÍMICA VERDE: 
 
1. Uso de fontes renováveis de MATÉRIA-PRIMA 
 
2. Busca pela eficiência de ENERGIA 
MÉTODO TERMOQUÍMICO
Gaseificação
ou pirólise
BIOMASSA
H2 + CO
H2O
qualquer matéria orgânica renovável, incluindo culturas
agrícolas e seus resíduos, madeira e seus resíduos, 
excremento animal, lixo orgânico municipal, etc. 
MÉTODO FOTOELETROQUÍMICO
semicondutor
Eletrólise
da água
e-
e-
Energia solar  energia elétrica
MÉTODO FOTOBIOLÓGICO
ALGA
Meio de cultura
Energia solar  energia química
H2 + O2Unidade de teste 
 na Universidade 
 do Havaí 
 ácido acético 
 produtos 
petroquímicos 
Química dos Elementos 
 fertilizantes 
 H2 
NH3 
 M (= W) 
Produtos químicos 
que contêm 
hidrogênio (ex. HCl) 
criogenia 
medicamentos 
 cosméticos 
 perfumes 
 corantes etc. 
 fabricação 
de margarina 
 - C- C - 
 produção 
de metanol 
 CH3OH 
 C=C 
N2 
M+ 
CO 
refinarias 
de petróleo 
soldas 
Combustível 
compostos de 
 nitrogênio 
 polímeros 
 plásticos 
USOS DO HIDROGÊNIO 
80% 
Matéria-prima 
ou reagente 
 para a 
indústria 
20% 
Combustível 
ou fonte de energia 
9/4/2013 
5 
Química dos Elementos 
HIDROGÊNIO – Hidrogenação de óleos vegetais 
Óleo vegetal 
Gordura vegetal 
Catálise heterogênea 
Química dos Elementos 
COMO VIABILIZAR UTILIZAÇÃO DO H2 COMO FONTE DE ENERGIA? 
Viabilidade  
 E2 ~ E1 
Matéria-prima 
Hidrogênio 
H2 
Trabalho 
(elétrico, 
 mecânico etc) 
E1 
E2 
Fonte secundária de energia 
Energia contida no H2 é ~ 3 vezes a dos hidrocarbonetos líquidos!! 
A questão do transporte e 
 armazenamento... 
H2 líquido 
PE = - 252,6oC  $$ 
H2 gasoso 
se Patm  ocupa grande volume! 
se alta P (100-200 atm)  segurança, $$ 
Ligas intersticiais 
(FeTiH2, LaNi5) 
??? 
Nb 
H 
Metais ou ligas metálicas 
~NbH 0,7 
COMO VIABILIZAR UTILIZAÇÃO DO H2 
COMO FONTE DE ENERGIA?