Desafio 2 Lei de Coulomb

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Desafio 2 – Lei de Coulomb
Uma molécula é formada por dois ou mais átomos que se ligam por meio de algum tipo de ligação química, como ligações covalentes, iônicas, dentre outras.
A grosso modo, os átomos se ligam em razão da atração eletrostática entre eles. Quando dois átomos estão ligados, eles compartilham uma região com uma alta densidade de elétrons, que é chamada de ligação química.
Figura 1 – Desafio 2 Lei de Coulomb
Como você é físico, você sabe que o átomo de hidrogênio é formado por um próton e um elétron. No elemento H2, a distância entre os núcleos é d = 7,4 · 10-11m e a distância entre o núcleo e o elétron é r ≅ 5,3 10-11m.
Baseado nas informações dadas e em seus conhecimentos como físico, produza um esquema aproximado do elemento H2 com as forças envolvidas e seus valores aproximados.
Resposta:
O Hidrogênio é o elemento químico de menor massa atômica (1 u) e menor atômico (Z=1) entre todos os elementos conhecidos até hoje. Diferentemente de todos os outros elementos, não apresenta similaridade com as características de nenhuma das famílias periódicas, ou seja, não pertence a nenhum grupo ou família da tabela.
Grande parte das tabelas periódicas posiciona o Hidrogênio na família IA (metais alcalinos), em virtude da semelhança em relação ao subnível mais energético do grupo, que é o s1.
O Hidrogênio é o elemento químico mais abundante de todo o universo, já que é o combustível de toda estrela, como o sol. Na Terra, ele é o quarto mais abundante, perdendo apenas para o Oxigênio (1º lugar), Silício (2º lugar) e Alumínio (3º lugar).
De uma forma geral, participa da composição de diversos tipos de substâncias orgânicas e inorgânicas. Quando não participa de substâncias químicas, ele é encontrado exclusivamente na forma molecular (dois átomos de hidrogênio ligados por uma ligação covalente simples), cuja fórmula é H2. Por isso, vamos dar ênfase nas características e propriedades do hidrogênio molecular, e não do hidrogênio atômico (isolado).
Características físicas do Hidrogênio
As características físicas do hidrogênio molecular são:
Ponto de fusão: -259,2oC;
Ponto de ebulição: -252,9 oC;
Em temperatura ambiente, é um gás;
Por ser um gás, não pode ser visto;
Pode tornar-se um cátion monovalente;
Pode tornar-se um ânion monovalente;
Não possui odor (inodoro);
Suas moléculas são apolares;
Suas moléculas interagem por meio de forças dipolo induzido.
Características químicas
a) Quanto à estabilidade atômica
A estabilidade do átomo de Hidrogênio é alcançada quando ele recebe um elétron na camada de valência. É um elemento químico que não se encaixa na classificação dos metais, ametais e gases nobres. Para estabilizar-se, realiza ligações iônicas ou covalentes.
Nas ligações iônicas (interage exclusivamente com metais), ganha sempre um elétron do metal ao qual se liga;
Nas ligações covalentes (interage com ametais ou com ele mesmo), realiza apenas uma ligação simples.
b) Capacidade de reagir quimicamente com outras substâncias
O hidrogênio molecular (H2) possui grande afinidade química com diversos compostos, participando de reações como:
Hidrogenação;
Combustão;
Simples troca.
Métodos de obtenção
O hidrogênio molecular pode ser obtido por meio de alguns processos químicos, a saber:
a) Simples troca entre metais e ácidos inorgânicos
Quando um ácido inorgânico reage com um metal, podemos ter a formação de hidrogênio molecular se o metal utilizado como reagente for menos eletropositivo do que o hidrogênio, o que pode ser constatado na ordem decrescente de eletropositividade abaixo:
Metais nobres < H < Metais não nobres < IIIA < IIA < IA
Assim, se o metal for mais eletropositivo, desloca o hidrogênio, ou seja, retira o hidrogênio do ácido, e interage com o ânion do ácido, saindo o hidrogênio na forma molecular (H2), como na equação abaixo:
2 Al+ 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3 H2
Exemplo: Hidratação do gás metano
Quando o gás metano é misturado com a água, e a mistura é aquecida a elevadas temperaturas (em torno de 1000oC), o gás hidrogênio é produzido com monóxido de carbono ou dióxido de carbono:
CH4 + H2O → CO + H2
CH4 + H2O → CO2 + H2
b) Hidratação do coque
Quando o carvão coque (subproduto do carvão mineral) é misturado com a água, também a elevadas temperaturas, temos a formação de monóxido de carbono e hidrogênio molecular:
C + H2O→ CO + H2
Utilizações
Combustível para foguetes espaciais ou carros;
Maçaricos de arco voltaico (utilizam energia elétrica) para cortar metais;
Soldas;
Sínteses orgânicas, mais precisamente em reações de hidrogenação de hidrocarbonetos, com exceção dos alcanos*;
*Os alcanos são hidrocarbonetos que apresentam apenas ligações simples e cadeias abertas, ou seja, são saturados e acíclicos. Esses compostos também são chamados de hidrocarbonetos parafínicos ou parafinas. A fórmula geral dos alcanos é CnH2n+2.
Reações orgânicas que transformam gorduras em óleos vegetais;
Produção de haletos* de hidrogênio ou ácidos hidrogenados;
*Os haletos ou halogenetos (derivam do nome grego halos - sal) são moléculas diatómicas dos elementos do grupo 17 da tabela periódica, ou seja, dos halogêneos (flúor (F), cloro (Cl), bromo (Br), iodo (I) e astato (At)) em estado de oxidação -1.
Produção de hidretos metálicos, como o hidreto de sódio (NaH).
Um esquema aproximado para o H2 é:
Podemos supor que as forças mais relevantes para a ligação química seriam as de repulsão entre os núcleos e as de atração entre os elétrons e os núcleos. Para calcular o módulo das forças de repulsão, vamos considerar a distância da ligação d= 7,4 · 10-11m e as cargas são qpróton = 1,6 · 10-19C.
Assim: 
Já para estimar as forças de atração entre o núcleo e o elétron de um mesmo átomo, vamos considerar a distância e a carga do elétron igual à do próton.
Assim:
Podemos estimar que a força de atração entre o núcleo e o elétron do outro átomo seja da mesma ordem de grandeza da força anterior calculada. Assim, para cada núcleo teríamos:
A resultante das forças de atração se equivaleria à força de repulsão. Aqui, chegamos a valores aproximados das forças e vimos que elas são da mesma ordem de grandeza. O esquema desenhado é apenas uma representação. Na realidade, existe uma região possível de se encontrar os elétrons, mas não uma posição exata. Outro par de forças que poderia ter sido levado em consideração no esquema seria a força de repulsão entre os elétrons.
Referencia Bibliográfica
DIAS, Diogo Lopes. "Hidrogênio"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/hidrogenio.htm. Acesso em 05 de maio de 2021.
Materiais de Estudos do ENIAC.