Hidrogênio e Hidretos - Aulas PDF

HIDROGÊNIO E HIDRETOS AULA 1 DISCIPLINA: Química Inorgânica DOCENTE: Prof.ª Dra. Maria Lúcia Caetano Pinto da Silva  HIDROGÊNIO 1 Tabela Periódica 2 Configuração Eletrônica 3 Posição na Tabela Periódica 4 Abundância do Hidrogênio 5 Obtenção do Hidrogênio 6 Propr...

HIDROGÊNIO E HIDRETOS AULA 1 DISCIPLINA: Química Inorgânica DOCENTE: Prof.ª Dra. Maria Lúcia Caetano Pinto da Silva  HIDROGÊNIO 1 Tabela Periódica 2 Configuração Eletrônica 3 Posição na Tabela Periódica 4 Abundância do Hidrogênio 5 Obtenção do Hidrogênio 6 Propriedades do Hidrogênio Molecular 7 Exemplos e Aplicações TABELA PERIÓDICA  CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA  Formado por um núcleo contendo um próton com carga +1 e um elétron orbital.  Átomos de hidrogênio podem atingir estabilidade de três maneiras: I- Ligação covalente com outro átomo preferencialmente com não metais: H2, H2O, HCl (gás) ou CH4. II- Perdendo um elétron para formar H+. Por ser o H+ tão pequeno, ele tem um poder polarizante muito grande. Os prótons estão sempre associados a outros átomos ou moléculas. III- Adquirindo um elétron e formando H-. Sólidos cristalinos como LiH contém o íon H-, sendo formados por metais altamente eletropositivos (todo o Grupo I e parte do Grupo II).  POSIÇÃO NA TABELA PERIÓDICA O hidrogênio apresenta características únicas  Existem dois elementos no primeiro período, o hidrogênio e o hélio. O hidrogênio é bastante reativo e o hélio é inerte.  As propriedades do hidrogênio não podem ser correlacionadas com nenhum dos grupos principais da tabela periódica. O melhor é considerá-lo como um elemento a parte.  Embora se conheça o íon H+, o hidrogênio apresenta uma tendência muito maior de emparelhar elétrons e formar uma ligação covalente.  ABUNDÂNCIA DO HIDROGÊNIO  O universo é constituído por 92% de hidrogênio, 7% de hélio e 1% de todos os outros elementos.  A abundância de hidrogênio na atmosfera terrestre é pequena devido ao campo gravitacional da terra, embora o H2 seja encontrado em gases vulcânicos.  Na crosta terrestre é o décimo elemento mais abundante.  Ocorre em grande quantidade nas águas dos oceanos.  Compostos contendo hidrogênio são muito abundantes; água, carboidratos e proteínas, compostos orgânicos, combustíveis fósseis, amônia e ácidos.  OBTENÇÃO DO HIDROGÊNIO  Reação de vapor de água com coque incandescente – Produção de hidrogênio cinza Em países onde o C é abundante, o H2 é preparado fazendo-se incidir vapor de água sobre o carvão a 1000 ºC. Forma-se uma mistura de gases contendo CO e H2, chamada de gás de água.  OBTENÇÃO DO HIDROGÊNIO  Purificação da mistura gasosa Para separar o H2 da mistura, passa-se a mesma por um ambiente que contenha vapor de água a 500 ºC: Borbulha-se a mistura CO2+H2 sobre uma solução de NaOH, onde o CO2 fica retido numa solução de NaOH:  OBTENÇÃO DO HIDROGÊNIO  Reação do gás metano com vapor de água – Produção de hidrogênio cinza É econômico em países que dispõe de muito CH4. A reação tem ótimo rendimento ao redor de 850 ºC, formando CO e H2: CH4(g) + H2O(V) -> CO(g) + 3H2  ENERGIA LIMPA X ENERGIA RENOVÁVEL Energia limpa- sistemas de produção de energia que excluem qualquer tipo de poluição, principalmente por emissão de gases de efeito estufa como o CO2. Energia limpa e energia renovável são dois conceitos que costumam estar interligados, mas não têm o mesmo significado, sendo preciso apontar suas diferenças. A principal delas está na poluição. Observação; As energias renováveis, podem causar poluição (exemplo: biogás, biodiesel são fontes de energia renováveis por, terem suas origens naturais e inesgotáveis).  ALGUNS TIPOS DE ENERGIAS LIMPAS Energia Eólica - fonte de geração limpa, renovável, autóctone e inesgotável que se obtém ao transformar em eletricidade a energia cinética do vento. Energia solar fotovoltaica - tipo de energia limpa, renovável, autóctone e inesgotável obtida quando a luz solar se converte em eletricidade. Energia hidrelétrica - fonte limpa, renovável, isenta de emissões e autóctone que aproveita a força da água ao cair por uma cascata ou desnível para produzir eletricidade. Energia de biomassa - fonte de geração limpa e renovável que produz eletricidade com a combustão de matéria orgânica procedente da natureza ou de resíduos orgânicos oriundos das atividades humanas.  ENERGIA Dados divulgados em janeiro de 2023 pela Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica, Absolar, indicam que a energia solar se tornou, a segunda maior fonte na matriz elétrica brasileira, ultrapassando a fonte eólica, perdendo somente para a fonte hídrica. De janeiro de 2023 a janeiro de 2024, houve um crescimento no Brasil de 52,4% de Energia Solar Fotovoltaica em potência operacional instalada. Aliado a vantagem econômica que torna a energia solar especial e até indispensável (Brasil com alta irradiação solar), tem também o aspecto social, já que a energia pode ser levada a comunidades sem acesso a eletricidade, e principalmente ambiental, por ser renovável, não trazendo prejuízos ao meio ambiente. 1º -Fonte hídrica 2º-Fonte solar 3º-Fonte eólica USINA SOLAR FLUTUANTE NA REPRESA BILLINGS FAZENDA SOLAR  OBTENÇÃO DO HIDROGÊNIO  Eletrólise da água – Produção de hidrogênio verde- energia do futuro Decomposição eletrolítica da água em presença de ácido sulfúrico ou base forte (NaOH, KOH): O ácido (ou a base) não participa da eletrólise. Sua finalidade é apenas tornar a solução boa condutora de eletricidade.  HIDROGÊNIO VERDE Hidrogênio -combustível universal, leve e muito reativo— produzido pelo processo de eletrólise da água. Este método utiliza a corrente elétrica para separar o hidrogênio do oxigênio que existe na água. Por esta razão, se essa eletricidade for obtida de fontes renováveis, então produziremos energia sem emitir dióxido de carbono na atmosfera. Hidrogênio verde  OBTENÇÃO DO HIDROGÊNIO  A escolha da substancia que atuará como eletrólito para a geração de hidrogênio por eletrólise depende da sua posição na série eletroquímica.  Por meio da série eletroquímica pode-se escolher uma substancia que não irá competir com o hidrogênio pela redução.  OBTENÇÃO DO HIDROGÊNIO  Indústria Petroquímica - energia atual - 90% de todo hidrogênio produzido vem de matérias primas fósseis (óleo cru, gás natural e carvão). - Misturas naturais de hidrocarbonetos de elevado peso molecular, tais como nafta e óleo combustível, são submetidos ao processo de “craqueamento”. - O hidrogênio é um valioso subproduto desse processo.  PROPRIEDADES DO HIDROGÊNIO MOLECULAR  O hidrogênio é o gás mais leve conhecido e por sua baixa densidade, é utilizado no lugar do hélio para o preenchimento de balões metereológicos.  Incolor, Inodoro, quase insolúvel em água, e em condições normais, não é muito reativo.  Muitas reações são lentas, ou requerem elevadas temperaturas ou catalisadores (frequentemente metais de transição).  Muitas reações importantes do hidrogênio envolvem catálise heterogênea, o catalisador inicialmente reage com o H2 e ou quebra ou enfraquece a ligação H-H, reduzindo a energia de ativação.  Forma moléculas diatômicas H2, estando os dois átomos unidos por uma ligação covalente muito forte: H: 1s1 H- H  APLICAÇÕES  Como biocombustível (ainda com sérios problemas quanto a viabilizar seu transporte)  Processo de Haber para obtenção da amônia.  A hidrogenação de diversos compostos orgânicos insaturados (inclusive óleos vegetais), usando como catalisadores Ni, Pd ou Pt.  Obtenção do metanol pela redução do CO com H2 sobre um catalisador de Cu/Zn a 300 ºC.  Obtenção do metanol verde É utilizado como matéria-prima química e combustível, com grande potencial de transporte para a indústria marítima. USINA DE PRODUÇÃO DE METANOL VERDE (FONTE IBERDROLA)  APLICAÇÕES NO CORTE E SOLDA DE METAIS: O hidrogênio é empregado nos maçaricos utilizados no corte e solda de metais. Um dos maçaricos é o oxídrico, que se baseia na combustão do hidrogênio com oxigênio puro fornecendo uma chama de 2700 ºC.  APLICAÇÕES TRANSFORMAÇÃO DE ÓLEOS EM GORDURAS: Na indústria adicionam-se bactérias resultando no paladar desejado.  APLICAÇÕES SÍNTESE DA AMÔNIA:  O hidrogênio reage com o nitrogênio, cataliticamente em condições energéticas produzindo amônia: A amônia é importante por ser empregada na fabricação de ácido nítrico e de fertilizantes.  APLICAÇÕES BALÕES E DIRIGÍVEIS: Por ser o hidrogênio, o mais leve dos gases, é empregado na construção de balões e dirigíveis. Por ser inflamável, vem sendo substituído pelo hélio. O hélio é duas vezes mais pesado que o hidrogênio porém é um gás inerte.  APLICAÇÕES Redução de nitrobenzeno anilina (fabricação de corantes): C6H6NO2+ H2→ C6H6NH2 Redução catalítica do benzeno: 1ª etapa de fabricação do nailon66. Reação com CO para fabricação de metanol (processo de hidroformilação): CO + 2H2→CH3OH Tratamento do petróleo bruto e Combustíveis para foguetes Refrigeração de geradores de eletricidade  HIDRETOS 1 Conceito 2 Tipos de Hidretos e Tabela Periódica 3 Hidretos Iônicos ou Salinos 4 Hidretos Covalentes 5 Hidretos Metálicos (ou intersticiais)  CONCEITO Compostos binários do hidrogênio com outros elementos são chamados de hidretos. O tipo de hidreto formado por um elemento depende de sua eletronegatividade e, portanto, do tipo de ligação formada. Existem 3 classes de hidretos: I- Hidretos iônicos ou salinos- Elementos do bloco s. II- Hidretos covalentes ou moleculares- Elementos do bloco p. III- Hidretos metálicos ou intersticiais- elementos do bloco d e f. TIPOS DE HIDRETOS E TABELA PERIÓDICA  HIDRETOS IÔNICOS OU SALINOS  A altas temperaturas, os metais do grupo I e os mais pesados do grupo II (Ca, Sr e Ba) formam hidretos iônicos tais como NaH ou CaH2.  São sólidos com elevados pontos de fusão.  Evidências de que se trata de compostos iônicos: I- LiH fundido (P.F= 691 ºC) conduz a eletricidade, e H2 é liberado no anodo, confirmado assim a presença do íon H-. O íon hidreto (H-) não é um íon muito comum, e é instável em água. Todos os hidretos iônicos reagem em água e liberam hidrogênio.  HIDRETOS IÔNICOS OU SALINOS  Os hidretos iônicos são poderosos agentes redutores especialmente em temperaturas elevadas.  O NaH apresenta diversos usos como agente redutor em sínteses químicas. Sendo utilizado para obter outros hidretos como o hidreto de alumínio e lítio, Li[AlH4] e o boro hidreto de sódio, Na[BH4].  Utilizados como agentes redutores em síntese orgânica e inorgânica.  HIDRETOS COVALENTES  São hidretos dos elementos do bloco p, onde existe uma pequena diferença de eletronegatividade entre esses átomos e o hidrogênio.  Esses compostos são geralmente constituídos por moléculas covalentes, com fracas forças de van der Waals, que são geralmente voláteis e apresentam baixo ponto de fusão e ebulição. Exemplos: Composto P.F. (ºC) P.E. (ºC) SiH4 -185 -111 NH3 -78 -33 PH3 -134 -88 AsH3 -117 -62  HIDRETOS METÁLICOS (OU INTERSTICIAIS)  Muitos elementos do bloco d.  Elementos das séries dos lantanídeos e dos actinídeos no bloco f.  Muito dos elementos situados no centro do bloco d não formam hidretos (chamado também de intervalo do hidrogênio).  Apresentam geralmente propriedades semelhantes àquelas dos metais correspondentes: são duros, conduzem corrente elétrica e apresentam brilho metálico e propriedades magnéticas.  Preparação: aquecendo o metal com hidrogênio sob pressão elevada (temperatura alta há a decomposição do hidreto.  HIDRETOS METÁLICOS (OU INTERSTICIAIS)  Os hidretos são menos densos que os correspondentes metais, porque o reticulo cristalino se expandiu com a inclusão do hidrogênio.  A deformação do retículo cristalino pode tornar o hidreto quebradiço. Assim, quando se forma o hidreto, um pedaço sólido de metal se transforma num pó de hidreto finamente dividido.  Se os hidretos finamente divididos forem aquecidos eles decompõem-se, liberando hidrogênio e metal finamente dividido.  Estes metais finamente divididos podem ser usados como catalisadores.  BIBLIOGRAFIA: - Química Inorgânica não tão Concisa- Lee, J. D. Editora Edgard Blucher Ltda. SP- 1999. - Química Inorgânica- SHRIVER e ATKINS, 4º edição, Bookman 2003.