Hidrogênio. Preparação do hidrogênio

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1 Preparação do hidrogênio No laboratório, o hidrogênio geralmente é preparado pela redução de um ácido. Zn (s) + H 2 SO 4(aq) ZnSO 4(aq) + H 2(g) Zn (s) + 2 HCl (aq) ZnCl 2(aq) + H 2(g)

2 Preparação do hidrogênio No laboratório, o hidrogênio pode ser produzido pela redução de um metal do grupo 1 ou alguns do grupo 2 com água, mas a reação é muito exotérmica. PERIGO, NÃO FAÇA ISSO!! Na (s) + H 2 O (l) NaOH (aq) + H 2(g) H = -368,6 kj

3 Preparação do hidrogênio Reforma a vapor do metano Em grandes quantidades, o hidrogênio pode ser preparado pela redução do metano na presença de vapor d água à 1100 C: CH 4(g) + H 2 O (g) CO (g) + 3H 2(g) CO (g) + H 2 O (g) CO 2(g) + H 2(g)

4 Preparação do hidrogênio Reação de Gás D água Passa-se vapor d água sobre o coque aquecido ao rubro. Nessa reação o coque é o agente redutor: C (s) + H 2 O (g) CO (g) + 3H 2(g) O produto obtido é o gás d água, uma mistura de CO e H 2

5 Preparação do hidrogênio CH 4(g) + H 2 O (g) CO (g) + 3H 2(g) CO (g) + H 2 O (g) CO 2(g) + H 2(g) C (s) + H 2 O (g) CO (g) + 3H 2(g) Todas as reações envolvem a oxidação do O e redução do H

6 Preparação do hidrogênio Reação de Hidretos Iônicos com água LiH + H 2 O LiOH + H 2 Nox: (desproporcionamento) Reação de uma base com alumínio 2Al + 2NaOH + 6H 2 O 2Na[Al(OH) 4 ] + 3H 2 Na +

7 Propriedades do hidrogênio O hidrogênio tem uma configuração eletrônica 1s 1, logo, ele é colocado acima do Li na tabela periódica. Entretanto, o H é significativamente menos reativo do que os metais alcalinos. E definitivamente não é um metal! O hidrogênio pode ganhar um elétron para formar H -, o qual tem a configuração eletrônica do He. Conseqüentemente, o H poderia ser colocado acima dos halogênios. Entretanto, a afinidade eletrônica do H é mais baixa do que qualquer halogênio.

8 Propriedades do hidrogênio Já que o H 2 é apolar e tem apenas dois elétrons, as forças intermoleculares são fracas (ponto de ebulição -253 C, ponto de fusão -259 C). A entalpia de ligação H-H é alta (436 kj/mol). Logo, as reações com hidrogênio são lentas e é necessário um catalisador. O caráter ácido-básico é variável H - base forte de Lewis (doador de elétrons para um ácido) H + ácido forte de Lewis (receptor de elétrons de uma base)

9 Propriedades do hidrogênio Quando o hidrogênio reage com o ar, ocorre a formação de água, acompanhada pela liberação de grande quantidade de energia 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) ΔH= - 485kJ.mol -1

10 Propriedades do hidrogênio Hindenburg, dirigível construído pela empresa Luftschiffbau- Zeppelin GmbH, explodiu em 1937:

11 Propriedades do hidrogênio O MOMENTO MAGNÉTICO PROTÔNICO O próton, além da massa e da unidade de carga elétrica, possui também um momento angular proveniente do seu spin. São possíveis dois tipos de hidrogênios moleculares (também chamado de di-hidrogênio, H 2 ): orto-di-hidrogênio para-di-hidrogênio

12 Propriedades do hidrogênio O MOMENTO MAGNÉTICO PROTÔNICO Orto-hidrogênio: spins paralelos Para-hidrogênio: spins antiparalelos

13 Propriedades do hidrogênio O MOMENTO MAGNÉTICO PROTÔNICO Em zero Kelvin, o H 2 consiste inteiramente na forma para, de energia inferior. No ponto de ebulição do hidrogênio líquido (20,1 K) a concentração em equilíbrio do orto-h 2 é de 0,21% A temperatura ambiente ou acima desta tem-se um equilíbrio com 75% da forma orto e 25% da forma para. Para-hidrogênio Menor energia Orto-hidrogênio Maior energia

14 Propriedades do hidrogênio O MOMENTO MAGNÉTICO PROTÔNICO As propriedade físicas do orto e do para H 2 são essencialmente as mesmas, embora uma diferença significativa seja que a condutividade térmica do para-h 2 é 50% maior do que a do orto- H 2 Para-hidrogênio Menor energia Orto-hidrogênio Maior energia

15 Compostos binários de hidrogênio Três tipos de compostos binários de hidrogênio são formados: hidretos iônicos (por exemplo, LiH, preparado a partir de metais e H contém o ânion hidreto, H - ); hidretos metálicos (por exemplo, TiH 2, preparado a partir de metais de transição e H contém o ânion hidreto, H - ) e hidretos moleculares (por exemplo, CH 4, preparado a partir de não-metais e metalóides e H contém o cátion hidrogênio, H +, ou hídron, que independente do isótopo).

16 Compostos binários de hidrogênio Hidretos Iônicos (ou salinos) São compostos de hidrogênio com metais fortemente eletropositivos, i.e., metais do grupo 1 e metais mais pesados do grupo 2 (Ca, Sr e Ba). 2Li (s) + H 2(g) 2LiH (s) Ca (s) + H 2(g) CaH 2(s) Os hidretos iônicos são sólidos, não condutores de corrente elétrica, cristalinos, altos P.F., contém o ânion hidreto, H -, que é um poderoso agente redutor.

17 Compostos binários de hidrogênio Hidretos Iônicos Os hidretos iônicos reagem com a água formando hidrogênio: NaH (s) + H 2 O (l) NaOH (aq) + H 2(g) Os hidretos iônicos são agentes redutores fortes PbSO 4 + 2CaH 2 PbS + Ca(OH) 2 Nox:

18 Compostos binários de hidrogênio Hidretos Metálicos ou Intersticiais São formados por todos os metais do bloco d (metais de transição) dos grupos 3, 4 e 5 além do Cr e o Pd bem como com os elementos do bloco f. Em muitos casos os compostos não são estequiométricos, podem ser considerados soluções sólidas (o H - localiza-se em interstícios buracos, daí o nome hidreto intersticial na estrutura cristalina do metal) Composições típicas destes compostos são: LaH 2,87, YbH 2,55, TiH 1,8, VH 1,6

19 Compostos binários de hidrogênio Hidretos Metálicos ou Intersticiais Podem ser considerados soluções sólidas, onde o metal é o solvente e o íon H - é o soluto; Os hidretos metálicos geralmente apresentam propriedades semelhantes àquelas dos metais correspondentes: são duros, apresentam brilho metálico e conduzem a corrente elétrica e apresentam propriedades magnéticas.

20 Compostos binários de hidrogênio Hidretos Covalentes ou Moleculares Ocorrem com os elementos do bloco p. São comuns com os elementos dos grupos 13 ao 17. Ex: B 2 H 6, CH 4, NH 3, H 2 O e HF Os hidretos covalentes formam moléculas discretas, normalmente são gasosos ou líquidos voláteis e apresentam baixo PF e baixo PE. Não conduzem a corrente elétrica.

21 Compostos binários de hidrogênio Hidretos Intermediários Alguns poucos hidretos não se enquadram na classificação proposta e são designados como hidretos intermediários. Ex: BeH 2, CuH, MgH 2 e ZnH 2. Estes hidretos têm propriedades intermediárias entre os hidretos iônicos, metálicos e covalentes.

22 Compostos binários de hidrogênio Intermediário BeH 2 e MgH 2 : entre iônico e metálico CuH e ZnH 2 : entre metálico e covalente

23 Utilização do hidrogênio O hidrogênio é usado para a fabricação de metanol: Ni, 1200 K 1 a etapa: CH 4(g) + H 2 O (g) CO (g) + 3H 2(g) ou C (s) + H 2 O (g) CO (g) + 3H 2(g) FeO, 700 K 2 a etapa: CO (g) + H 2 O (g) CO 2(g) + H 2(g) CuZnO, K 50 bar 3 a etapa: CO 2(g) + H 2 O (g) CH 3 OH (g)

24 Utilização do hidrogênio O hidrogênio é usado para a produção de amônia no processo Haber-Bosch: N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) (Fe, C, 200 atm) O hidrogênio é produzido in situ pelas reações CH 4(g) + H 2 O (g) CO (g) + 3H 2(g) CO (g) + H 2 O (g) CO 2(g) + H 2(g)

25 Utilização do hidrogênio O hidrogênio é usado para hidrogenar óleos vegetais para a fabricação de margarina. H 2 + (H 2 C=CH 2 ) n (H 3 C CH 3 ) n O hidrogênio é usado para a redução do nitrobenzeno a anilina na indústria de corantes C 6 H 5 NO 2 + 3H 2 C 6 H 5 NOH

26 Utilização do hidrogênio O hidrogênio é usado para a solda de metais (maçarico oxigêniohidrogênio) O hidrogênio é usado como combustível para foguetes e até automóveis combustível limpo. O hidrogênio é usado na redução catalítica do benzeno em ciclohexano: C 6 H 6 + 3H 2 C 6 H 12 O hidrogêrnio é usado na extração hidrometalúrgica de cobre e outros metais: Cu 2+ (aq) + H 2(g) Cu (s) + 2H + (aq)