Propriedades Atômicas

Transcrição

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3 Abundância

4 Propriedades Atômicas Isótopos do hidrogênio É o átomo mais simples, formado apenas por 2 partículas subatômicas: 1 próton e 1 elétron Configuração eletrônica: 1s 1 Existem três isótopos para o hidrogênio: Prótio 1 1H, deutério 2 1 H, e trítio 3 1H. Propriedades físicas Nome Símbolo Massa molar, Abundância*, Ponto de Fusão, o C Ponto de Ebulição, o C Densidade, radioativo A abundância é a fração de átomos de cada isótopo, expressa em porcentagem.

5 Propriedades Atômicas Isótopos do hidrogênio T é radioativo com uma meia-vida de 12,3 anos que decai pela perda de uma partícula e forma um isótopo do He. D e T são substituídos por H em compostos para fornecer um marcador molecular. Por exemplo D 2 O. Apresentam mesmas propriedades químicas mas velocidades de reação e constants de equilíbrio são diferentes. Propriedades físicas Nome Símbolo Massa molar, Abundância*, Ponto de Fusão, o C Ponto de Ebulição, o C Densidade, radioativo A abundância é a fração de átomos de cada isótopo, expressa em porcentagem.

6 é único. 1 H Posição na Tabela Periódica tem uma configuração eletrônica 1s 1, logo, ele é colocado acima do Li na tabela periódica. é significativamente menos reativo do que os metais alcalinos. Não é metal pois existe na forma de molécula diatômica H 2.

7 Posição na Tabela Periódica pode ganhar um elétron para formar H -, o qual tem a configuração eletrônica do He. Conseqüentemente, o H poderia ser colocado acima dos halogênios. Forma elementar a 25 o C, 1 atm: H 2 Gás insípido, incolor e inodoro 17 H A afinidade eletrônica do H é mais baixa do que qualquer halogênio Forma H - apenas com poucos metais altamente eletropositivos

8 Nível mais externo semi-preenchido Posição na Tabela Periódica Semelhanças no comportamento químico de LiH e LiMe, C-H, SiH 4 e CH 3 SiH 3 Poderia ser colocado acima do Grupo do carbono (grupo 14) 14 H Mas ainda assim não reflete suas propriedades químicas e físicas

9 Posição na Tabela Periódica H

10 Posição na Tabela Periódica

11 orto- e para- Hidrogênio Molécula de H 2 O núcleo do átomo pode apresentar spin nuclear Diferenças nas energias internas resultam em diferentes propriedades físicas (PE, calor específico, condutividade térmica) Forma para-hidrogênio é a espécie de menor energia 0 absoluto = 100% nessa forma Altas temperatura contém cerca de 75% de orto-hidrogênio orto- hidrogênio Spins paralelos para- hidrogênio Spins opostos

12 H 2 apolar, com baixa polarizabilidade, dipolo elétrico instantâneo muito pequeno (baixa força de atração de London) Condensa somente a 20K (-253 o C) Baixa solubilidade na maioria dos líquidos, principalmente polares Recordando... Polarizabilidade É a distorção da nuvem eletrônica de átomos e íons ocasionada pela atração exercida pela proximidade de outro um núcleo. Eletronegatividade É o poder de atração dos elétrons por um átomo quando este é parte de uma ligação.

13 H 2 apolar, com baixa polarizabilidade, dipolo elétrico instantâneo muito pequeno (baixa força de atração de London) Condensa somente a 20K (-253 o C) Na forma líquida, tem baixíssima densidade: 0,07 g.cm -3 (distanciamento entre as moléculas mesmo no estado líquido). Essa característica faz do H 2 um excelente candidato a combustível (levíssimo). Além de possuir a maior entalpia de combustão por grama dentre todos os combustíveis conhecidos! Massa Molar (g) H c o (KJ.mol -1.g -1 ) 78-41, , , , , , , , ,5

14 Pouco reativo em condições normais devido a cinética Unidos por ligação muito forte (energia de ligação 436 kjmol -1 ) Reações requerem elevada temperatura ou catalisadores (metais de transição) Ex: processo Haber para obtenção de NH 3, hidrogenação de compostos orgânicos insaturados, fabricação de metanol pela redução do CO

15 Métodos de Obtenção Há pouco H 2 livre na atmosfera, já que estas moléculas se movem com grande velocidade e escapam da gravidade. São necessários átomos mais pesados para ancorar os átomos de Hidrogênio no planeta, na forma de compostos, como a água e hidrocarbonetos. Para empregos industriais, é necessário extraí-lo dos seus compostos. Subproduto do Refino de Petróleo Ni CH 4 (g) + H 2 O (g) CO (g) + 3 H 2 (g) 1000 o C C (s) + H 2 O (g) CO (g) + H 2 (g) Fe CO (g) + H 2 O (g) CO 2 (g) + H 2 (g) Reforma a vapor Reação do gás de água Reação de deslocamento

16 Métodos de Obtenção Remoção do CO é difícil e por isso é convertido em CO 2 CO 2 é absorvido por solução de carbonato de potássio ou etanolamina e posterior regeneração por aquecimento K 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O 2KHCO 3 2HOCH 2 CH 2 NH 2 + CO 2 + H 2 O (HOCH 2 CH 2 NH 2 ) 2 CO 3

17 Métodos de Obtenção Eletrólise da água (99,9% de pureza) 2 H 2 O (l) 2 H 2 (g) + O 2 (g)

18 Potenciais padrão a 25 o C E 0 = E 0 (cátodo) E 0 (ânodo) E 0 = - 0,83-0,40 = - 1,23 V G>0: termodinamicamente desfavorável A temperatura de operação oscila entre 70 e 90 ºC. Voltagens por célula têm valores compreendidos entre 1,8 e 2,2 V. Cátodos de aço e o ânodo é niquelado. Os diafragmas separadores são constituídos com panos ou telas grossas.

19 Em Laboratório: 1) reação entre um ácido forte (HCl) e um metal Zn (s) + H 3 O + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2 (g) + 2H 2 O (l) E o = 0 - (- 0,76) = + 0,76 G<0: reação espontânea

20 Em Laboratório: 2) reação entre a água e um metal alcalino 2 Na (s) + H 2 O (l) 2 Na + (aq) + H 2 (g) + 2 OH - (aq) E o = -0,42 - (- 2,71) = + 2,29 G<0: espontânea

21 Principais Compostos Pode formar tanto o cátion (H + ) como o ânion (H -, hidreto) Eletronegatividade intermediária permite a formação de ligação covalente com muitos elementos. Com elementos metálicos fortemente eletropositivo forma compostos iônicos. H - : raio grande com pequena carga nuclear (1 próton). O elétron é facilmente perdido, com baixa energia requerida. Hidretos são, portanto, agentes redutores muito poderosos. Ni NaH (s) + H 2 O (l) NaOH (aq) + H 2 (g)

22 Principais Compostos Classificação dos Compostos Binários de Hidrogênio (Hidretos) Sc Cd Hg Salino Metálico Intermediário Molecular Desconhecido

23 Principais Compostos Hidretos salinos: compostos iônicos formados com os metais do bloco s, exceto Be e Mg. 2 K (s) + H 2 (g) 2 KH (s) - Sólido brancos, cristalinos, alto ponto de fusão - Reagem com água liberando H 2 NaH (s) + H 2 O (l) NaOH (aq) + H 2 (g) Hidretos metálicos: sólidos condutores elétricos formados com metais do bloco d podem ter composição variável (não estequiométrico). - Sólidos pretos obtidos pelo aquecimento do metal com H 2 - Liberam H 2 em contato com ácidos (ou quando aquecidos) ZrH 1,3 ZrH 1,75 Ambos os hidretos (salinos e metálicos) tem alta densidade de entalpia, desejáveis em combustíveis portáteis. Podem ser utilizados para armazenamento e transporte de H 2. Hidrogênio ocupam os interstícios entre os átomos metálicos

24 Composição dos hidretos metálicos

25 Hidretos Moleculares: compostos covalentes formados com elementos do bloco p. CH 4 Tetraédrico 109,5 o Hidrocarbonetos: empregados como gases, líquidos e sólidos em combustíveis e como matéria prima para diversos produtos industriais Metano, etano, propano, butano: gases Octano, benzeno: líquidos Pentacontano (50), Hectano (100): sólidos

26 Hidretos Moleculares: compostos covalentes formados com elementos do bloco p. NH 3 Piramidal 107 o A orientação dos pares isolados como representado pela teoria VSEPR

27 Aplicações Industriais Importância industrial da amônia (NH 3 ) Kg NH 3 /ano EUA (80% fertilizante) Processo Haber (Fritz Haber, ) N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Alta pressão: desloca o equilibrio para menor volume. Retirada da amônia formada Alta temperatura

28 Hidretos Moleculares: compostos covalentes formados com elementos do bloco p. H 2 O Angular 104,5 o

29 Ligações de Hidrogênio 109,5 o Pontos de ebulição dos compostos de hidrogênio binários do bloco-p.

30 Ligação de Hidrogênio e o gelo Flutuação na água hidrogênio oxigênio d gelo < d água Células unitárias hexagonais resultando em estruturas bastante abertas m gelo /V gelo < m água /V água

31 Ligação de hidrogênio e estrutura das proteínas

32 Hidretos Moleculares: compostos covalentes formados com elementos do bloco p. ÁCIDOS Ácido doador de prótons Base receptor de prótons - Força dos Hidrácidos, segundo a teoria de Brönsted-Lowry HF < HCl < HBr < HI Energia de ligação 1 - Quanto mais fraca a ligação H-A (devido à pouca sobreposição dos orbitais 1s do H e p de A), mais forte é o ácido (na família/grupo) 2- Quanto mais polar a ligação H-A, mais forte é o ácido (no período)

33 Oxiácidos Hidrogênio ligado ao Oxigênio = ligação com grande diferença de polaridade G17: HCl, HClO, HClO 2, HClO 3, HClO 4 (igual para Br e I; HF somente) G16: H 2 S, H 2 SO 3, H 2 SO 4 (Se e Te) G15: NH 3, HNO 3, HNO 2 PH 3, H 3 PO 3, H 3 PO 4 G14: CH 4, H 2 CO 3 SiH 4, H 4 SiO 4

34 pka = log1/ka = - log Ka

35 1 - Quanto maior o número de átomos de oxigênio ligados ao átomo central, mais forte é o ácido. Ou quanto maior o número de oxidação do átomo central, mais forte é o ácido. 2 - Para o mesmo número de O ligados ao átomo central, quanto maior a eletronegatividade do átomo halogênio, mais forte é o ácido.

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37 Aplicações Industriais Importância industrial dos ácidos: H 2 SO 4 Produção de 40 milhões de ton/ano S (s) + O 2 (g) SO 2 (g) 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) SO 3 (g) + H 2 O (l) H 2 SO 4 (l) Quando puro é incolor, inodoro e tem aspecto oleoso.é fumegante pois se decompõem em H 2 O e SO 3. O maior emprego isolado do ácido sulfúrico é na fabricação de fertilizantes (65%). É ainda utilizado na fabricação de couro, na purificação do petróleo e no tingimento dos tecidos. Na indústria química, em geral, ele pode ser usado como agente ácido desidratante (para processos químicos orgânicos e petroquímicos). Na indústria de papel e celulose o ácido sulfúrico é utilizado na polpação e também possui aplicação na indústria têxtil e de fibras. Na indústria de açúcar e álcool ele tem aplicação no preparo do caldo para decantação. A indústria alimentícia utiliza-o para produção de ácido cítrico e láctico. O ácido sulfúrico também é utilizado em processos de sulfonação orgânica, para detergentes e indústrias farmacêuticas.

38 Aplicações Industriais Reagente para reações químicas Extração de metais: Zn 2+ (aq) + H 2 (g) Zn (s) + 2H 3 O + (aq) Gordura Saturada H 2 (g) + C=C (l) CH-CH (s) Fertilizantes e Plásticos N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) Combustível de foguete

39 Pesquisas H 2 como combustível do futuro A empresa Ford lançou o primeiro motor de combustão interna alimentado por hidrogênio. Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/07/2006 O gás é tido como o combustível do futuro, graças à sua eficiência energética e à não emissão de poluentes. Virtualmente todos os componentes do motor tiveram que ser adaptados para funcionar com o hidrogênio. O gás tem uma capacidade de lubrificação muito menor do que a gasolina ou o diesel, o que exigiu a fabricação de peças com ligas especialmente reforçadas. Hoje, os maiores impeditivos ao uso generalizado do hidrogênio como combustível são sua "fabricação" e seu armazenamento. A extração do hidrogênio da água consome muita energia. E estudos mostraram a inviabilidade de seu armazenamento em tanques como os utilizados para o gás natural. Ao invés disso, ele deverá ser armazenado em forma sólida - uma reação química se encarregará de retirar os átomos de hidrogênio do composto sólido. Nessa nova tecnologia, o hidrogênio é armazenado como hidreto metálico. O hidrogênio é liberado quando o hidreto metálico é submetido ao calor. Embora esse projeto tenha bom potencial, ainda há vários desafios a serem vencidos. Um dos principais é que os hidretos metálicos complexos, como o hidreto de magnésio, precisam de temperaturas muito altas para se decompor, gerando uma ineficiência devido à necessidade de utilização de uma parte do hidrogênio para liberação de todo o hidrogênio armazenado.

40 Explosão do hidrogênio no vôo inaugural do Hindenburg

41 Pesquisas Hidrogênio ocupam os interstícios entre os átomos metálicos L. Schlapbach, A. Züttel, Hydrogen-storage materials for mobile applications, Nature, 414 (2001) 353.

42 Pesquisas

43 Pesquisas

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45 G > 0 No estado fundamental No estado excitado

46 Bibliografia Atkins, P., Jones, L., Princípios de Química - Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 3 ed., Porto Alegre: Bookman, Shriver, D. F., Atkins, P., Química Inorgânica, Ed Artmed, Lee, J. D., Química Inorgânica Não Tão Concisa. Edgard Blucher Ltda, 3 a ed., São Paulo, 1980 Brent, R., The Golden book of Chemistry Experiments, Golden Press, New York,1960 Cronyn, M.W., The proper Place for Hydrogen in the Periodic Table, J. Chem. Ed., 2003, 80,