Em nosso planeta o hidrogênio é encontrado na forma combinada, na água, nos oceanos, nos rios, nos minerais e até nos seres vivos.

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Sebastião Aquino Affonso
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1 Aula: 02 Temática: Hidrogênio Na última aula você aprendeu sobre os gases nobres. Nessa aula continuaremos nos gases, mas não nos nobres, falaremos então sobre o gás de grande abundância no universo: o hidrogênio. Acompanhe! O hidrogênio é um gás incolor, inodoro, insípido e inflamável, que possui a mesma configuração do elétron de valência dos elementos do grupo 1 (ns 1 ), e faz parte do grupo (ou família) dos não metais. No estado elementar ele é encontrado em moléculas diatômicas "H 2 " que possui alguma semelhança com os metais alcalinos, porém não está associado a nenhum outro grupo da tabela periódica. Cavendish, em 1766, foi o primeiro cientista que isolou, estudou as propriedades físicas do hidrogênio e observou que este explodia quando aquecido em contato com o ar, e que foi denominado "ar inflamável". O químico Joseph Priestley observou que, após a explosão, o tubo da experiência encontrava-se úmido. Cavendish então investigou a matéria formada e provou que a água era um composto de oxigênio e hidrogênio. Ocorrência Em nosso planeta o hidrogênio é encontrado na forma combinada, na água, nos oceanos, nos rios, nos minerais e até nos seres vivos. O hidrogênio é o elemento mais abundante do universo, contudo a quantidade de H 2 na atmosfera terrestre é muito pequena, pois o campo gravitacional da terra é pequeno demais para reter um elemento tão leve. Uma pequena parte do hidrogênio é encontrada nos gases vulcânicos.

2 Obtenção O hidrogênio é preparado em grande escala por diversos métodos: 1- Na reação abaixo, basta que se passe vapor de água sobre coque aquecido ao rubro para obtermos o gás d água, ou seja, uma mistura de CO e H 2. Trata-se de um combustível industrial importante, pois é obtido facilmente por meio da incineração, a qual libera uma grande quantidade de calor. C + H 2 O CO + H 2 (1000ºC) CO + H 2 + O 2 CO 2 + H 2 O + calor 2- No processo de reformação a vapor, em que hidrocarbonetos leves, como o metano, são misturados com vapor de água e passados sobre um catalisador de níquel a ºC. Esses hidrocarbonetos podem ser encontrados no gás natural e também em refinarias, por meio do processo de craqueamento de hidrocarbonetos mais pesados. CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 CH 4 = metano CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 4H 2 No processo de craqueamento, o gás, quando sai do reator, é constituído por CO, CO 2, H 2 e excesso de vapor de água; a mistura gasosa. Então, é enriquecida com mais vapor, resfriada a 400ºC e passada por um conversor que contém um catalisador de ferro/cobre, no qual o CO é transformado em CO 2. CO + H 2 O CO 2 + H 2

3 3- Nas refinarias de petróleo, misturas naturais de hidrocarbonetos com elevado peso molecular, tais como nafta e óleo combustível, são submetidos ao processo de craqueamento para formar misturas de hidrocarbonetos de pesos moleculares menores,que podem ser usados como combustíveis automotivos. O hidrogênio é um valioso subproduto desse processo. 4- Hidrogênio puro (99,9%) é preparado por eletrólise da água ou de soluções de NaOH ou KOH, o que configura um método mais dispendioso. A água, porém, não conduz muito bem a corrente elétrica, fato comum à eletrólise de soluções de NaOH e KOH numa célula com ânodos de níquel e cátodos de ferro. Os gases produzidos nos compartimentos do ânodo e do cátodo devem ser mantidos separados. Ânodo 2OH - H 2 O +1/2 O 2 + 2e - Cátodo 2H 2 O + 2e - 2OH - + H 2 Reação global H 2 O H 2 + 1/2 O 2 5- Uma grande quantidade de H 2 puro também é formada como subproduto da indústria de cloro e álcalis. Nesse caso, soluções de NaCl são eletrolisadas para formar NaOH, Cl 2 e H 2. Estrutura O hidrogênio possui a estrutura atômica mais simples que qualquer outro elemento, sendo constituído por um núcleo que conteém um próton e um elétron circundante. A configuração eletrônica pode ser representada como 1s 1. Os átomos de hidrogênio podem alcançar a estabilidade de três maneiras diferentes:

4 1- Formando uma ligação covalente (um par de elétrons) com outro átomo, preferencialmente com os não metais, por exemplo, H 2, H 2 O, HCl ou CH 4. Alguns metais também formam esse tipo de ligação; 2- Perdendo um elétron para formar H +, os prótons estão sempre associados a outros átomos ou moléculas, como na água ou soluções aquosas de HCl e H 2 SO 4 em que o próton existe na forma de íons H 3 O +, H 9 O 4 + ou H(H 2 O) n + ; 3- Adquirindo um elétron e formando H -. Sólidos cristalinos como o LiH contêm o íon H -, e são formados por metais altamente eletropositivos (Grupo 1 e parte do grupo 2 da tabela periódica). Porém, esses íons não são muito comuns. Propriedades O hidrogênio forma moléculas diatômicas. Os dois átomos estão unidos por uma ligação covalente muito forte (energia de ligação 435,9 kj/mol). Em condições normais, não é muito reativo devido à cinética, e não à termoquímica da reação, e está relacionada à força da ligação. O H 2 reage diretamente com a maioria dos elementos em condições apropriadas. É um elemento que queima ao ar ou, quando encontrado numa atmosfera de oxigênio, forma-se água, onde libera grande quantidade de energia. Reage com os halogênios, pois a reação com flúor é violenta mesmo a baixas temperaturas. A reação com o cloro é lenta no escuro, mas a reação é catalisada por luz (fotocatálise), que torna-se mais rápida à luz do dia e explosiva à luz solar direta. O hidrogênio é usado em larga escala em reações de hidrogenação, nas quais é adicionado a ligações duplas de compostos orgânicos.

5 Um exemplo importante é a hidrogenação de óleos vegetais com a obtenção de gorduras. Óleo de soja + H 2 Margarina de soja O hidrogênio encontrado na natureza é constituído de três isótopos: o prótio 1H 1 (H), o deutério 1 H 2 (D), e o trítio 1 H 3 (T). O prótio é de longe o isótopo mais abundante (99,986%). Esses isótopos apresentam a mesma configuração eletrônica e, essencialmente, as mesmas propriedades químicas. As únicas diferenças são encontradas nas velocidades de reação e nas constantes de equilíbrio. As diferenças de propriedades decorrentes das diferenças de massa são denominadas efeitos isotrópicos. O hidrogênio por ser muito leve, possui uma diferença percentual em massa, entre o prótio, o deutério e o trítio, e é maior entre todos os isótopos de qualquer outro elemento. Portanto, as diferentes propriedades físicas encontradas entre os isótopos do hidrogênio são maiores que aquelas encontradas entre isótopos de quaisquer outros elementos. Aplicações - É o principal componente na fabricação de produtos químicos, especialmente amônia (NH 3 ) e metanol (CH 3 OH). - É usado em grandes quantidades nas refinarias para produção de gasolina e lubrificantes. - É usado na indústria de fertilizantes. - É usado no processo de fabricação de vidros. - Está presente em metalúrgicas, no refino de metais e semicondutores. - É usado como célula combustível para gerar potência elétrica, em que está sendo estudado o modo de movimentar veículos. As células combustíveis não poluem o ambiente e são boas alternativas para substituir o óleo combustível; - É utilizado, também, na produção de sabão, margarina e manteiga de amendoim.

6 - Enchimento de balões. - Como combustível para foguetes. - Na indústria farmacêutica, na produção de vitaminas e cosméticos. Nesta aula foi visto o hidrogênio (ocorrência, obtenção, estrutura, propriedades e aplicações). Na próxima aula veremos um elemento de grandíssima importância, o oxigênio. Até lá!

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