aula 01 química dos elementos periodicidade e...
TRANSCRIPT
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
PERIODICIDADE E HIDROGÊNIO
Aula 01
1
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
John Dalton (1776-1844)
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
J. J. Thomson (1897)
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Ernest Rutherford (1908)
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Problemas do modelo proposto: 1) uma carga negativa, colocada em movimento ao redor de uma carga positiva parada, adquire movimento espiralado em direção à carga positiva acabando por colidir com ela; 2) uma carga em movimento perde energia constantemente, emitindo radiação. Porém, sabe-se que o átomo em seu estado normal não emite radiação.
Ernest Rutherford (1908)
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Niels Bohr (1913)
Propôs que os elétrons circulavam em órbitas com energias definidas e que um elétron num átomo pode adquirir apenas certas energias. - Quanto maior a energia do elétron, mais afastado ele está do núcleo. Um elétron só pode estar em movimento ao redor do núcleo se estiver em órbitas específicas, definidas, e não se encontra em movimento ao redor do núcleo em quaisquer órbitas.
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Erwin Shrödinger
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
L
Ener
gia
Um elétron ao redor do núcleo pode ser interpretado como uma Partícula na Caixa
Uma partícula em um recipiente não pode ter energia igual a zero, ou seja, não pode estar parada quando confinada a um
determinado volume.
Função matemática das coordenadas de posição
Energia potencial do elétron no núcleo Energia total
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Quatro números quânticos: são fornecidos pela resolução da equação de Schrödinger
No quântico principal: CAMADA (n = 1, 2, 3, 4...) No quântico momento angular orbital: SUBCAMADA (l = 0, 1, 2, 3... = s p d f ...) No quântico magnético (m = -l, 0, +l) No quântico magnético de spin (ms = +1/2, -1/2)
Orbital s Orbital p
Todo elétron pode ser descrito por quatro números quânticos Cada elétron em um átomo tem um único conjunto de quatro
números quânticos = Princípio de exclusão de Pauli
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Orbitais d
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Orbital f
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Então, como se dá o preenchimento para que se
tenha a configuração de mais baixa energia?
Diagrama de Linus Pauling
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
E porque os orbitais tem energia diferentes dentro de uma mesma camada?
Repulsões inter-eletrônicas! Forças de atração pelo núcleo e
repulsão elétron-elétron
Teorias atômicas
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Periodicidade
15
Grupo
Período
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Energia de ionização
Periodicidade
16
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Periodicidade
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
HIDROGÊNIO
18
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Abundância
19
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Propriedades do hidrogênio
20
Isótopos do hidrogênio • É o átomo mais simples, formado apenas por 2 partículas subatômicas: 1
próton e 1 elétron • Configuração eletrônica: 1s1
• Existem três isótopos para o hidrogênio: Hidrogênio 11H, deutério 21H, e trítio 31H.
• O deutério (D) é cerca de 0,0156 % da abundância natural do H. • O trítio (T) é radioativo com uma meia-vida de 12,3 anos que decai pela perda
de uma partícula β e forma um isótopo do He. • O deutério e o trítio são substituídos por H em compostos para fornecer um
marcador molecular. Esses compostos são marcados, por exemplo D2O.
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
orto- e para- Hidrogênio
21
• Molécula de H2
• 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
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
H 1
Não é metal pois existe na forma de molécula diatômica H2.
• é único. • tem uma configuração eletrônica 1s1, logo, ele é colocado acima do
Li na tabela periódica. • é significativamente menos reativo do que os metais alcalinos.
Posição na tabela periódica
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
H 17
• 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 25oC, 1 atm: H2 Gás insípido, incolor e inodoro
Posição na tabela periódica
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
H 14
• Nível mais externo semi-preenchido • Semelhanças no comportamento químico de H-H, C-H, Si-H e C-C • Poderia ser colocado acima do Grupo do carbono (grupo 14)
Posição na tabela periódica
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
H
Posição na tabela periódica
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos Obtenção
26
CH4 (g) + H2O (g) → CO (g) + 3 H2 (g) Ni
• Subproduto do Refino de Petróleo
CO (g) + H2O (g) → CO2 (g) + H2 (g) Fe
Reforma a vapor
C (s) + H2O (g) → CO (g) + H2 (g) Reação do gás de água 1000oC
Reação de deslocamento
K2CO3 + CO2 + H2O → 2KHCO3
2HOCH2CH2NH2 + CO2 + H2O → (HOCH2CH2NH2)2CO3
• Remoção do CO2
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Obtenção – H2 alta pureza
27
• Eletrólise da água
2 H2O (l) → 2 H2 (g) + O2 (g)
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Obtenção – H2 alta pureza
28
Potenciais padrão de redução
E0 = - 0,83 - 0,40 = - 1,23 V
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.
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
1) reação entre um ácido forte (HCl) e um metal
Obtenção – H2 em laboratório
29
Zn (s) + H3O+ (aq) → Zn2+ (aq) + H2 (g) + 2H2O (l)
Eo = 0 - (- 0,76) = + 0,76 V espontânea
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Obtenção – H2 em laboratório
30
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Obtenção – H2 em laboratório
2) reação entre a água e um metal alcalino
31
2 Na (s) + H2O (l) → 2 Na+ (aq) + H2 (g) + 2 OH- (aq)
Eo = -0,42 - (- 2,71) = + 2,29 espontânea
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Hidrogênio: 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.
NaH (s) + H2O (l) → NaOH (aq) + H2 (g) Ni
Principais compostos
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Classificação dos Compostos Binários de Hidrogênio (Hidretos)
Sc
Hg
Cd
Principais compostos
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
• Hidretos salinos: compostos iônicos formados com os metais do bloco s, exceto Be e Mg.
2 K (s) + H2 (g) → 2 KH (s) ∆
- Sólido brancos, cristalinos, alto ponto de fusão - Reagem com água liberando H2
NaH (s) + H2O (l) → NaOH (aq) + H2 (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 H2 - Liberam H2 em contato com ácidos (ou quando aquecidos)
Ambos os hidretos (salinos e metálicos) tem alta densidade de entalpia, desejáveis em combustíveis portáteis. Podem ser utilizados para armazenamento e transporte de H2.
Hidrogênio ocupam os interstícios entre os átomos metálicos
ZrH1,3 ZrH1,75
Principais compostos
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
CH4 – Tetraédrico
109,5o
• Hidretos Moleculares: compostos covalentes formados com elementos do bloco p.
Hidrocarbonetos: empregados como gases, líquidos e sólidos em combustíveis e como matéria prima para diversos produtos industriais
Principais compostos
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
107o
NH3 – Piramidal
A orientação dos pares isolados como representado pela teoria VSEPR
• Hidretos Moleculares: compostos covalentes formados com elementos do bloco p.
Principais compostos
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Preparação de amônia
Processo Haber (Fritz Haber, 1868-1934) • Alta pressão: desloca o equilibrio para menor volume. • Retirada da amônia formada • Alta temperatura
16.000.000.000 Kg NH3/ano EUA (80% fertilizante)
N2 (g) + 3 H2 (g) → 2 NH3 (g)
Aplicações industriais
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
H2O – Angular
104,5o
• Hidretos Moleculares: compostos covalentes formados com elementos do bloco p.
Principais compostos
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Pontos de ebulição dos compostos de hidrogênio binários do bloco-p.
Ligações de hidrogênio
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Flutuação na água
dgelo < dágua mgelo/Vgelo < mágua/Vágua
Células unitárias hexagonais resultando em estruturas bastante abertas
Ligação de hidrogênio
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Ligação de hidrogênio
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Ácidos e Bases
• Arrhenius: os ácidos aumentam a [H+] e as bases
aumentam a
[OH-] em solução.
• Arrhenius: ácido + base → sal + água.
• Problema: a definição nos limita à solução aquosa.
42
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Ácidos e Bases
Bronsted-Lowry • O íon H+(aq) é simplesmente um próton sem elétrons. (O H tem um
próton, um elétron e nenhum nêutron.)
• Em água, o H+(aq) forma aglomerados.
• O aglomerado mais simples é o H3O+(aq). Aglomerados maiores são
H5O2+ e H9O4
+.
• Geralmente usamos H+(aq) e H3O+(aq) de maneira intercambiável.
• O ácido doa H3O+ e a base recebe H3O+ • A base de Brønsted-Lowry não precisa conter OH-.
• A água pode se comportar tanto como ácido quanto como base.
• As substâncias anfóteras podem se comportar tanto como ácidos quanto
como bases.
43
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Ácidos e bases
Lewis • Ácido: receptor de par de elétrons.
• Base: doador de par de elétrons.
• Não precisam conter prótons (definição mais abrangente).
• Os ácidos de Lewis geralmente têm um octeto incompleto
(ex.: BF3).
• Os íons de metal de transição geralmente são ácidos de
Lewis.
• Os ácidos de Lewis devem ter um orbital vazio (para o qual
os pares de elétrons possam ser doados).
44
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
HF < HCl < HBr < HI
- Força dos Hidrácidos, segundo a teoria de Brönsted-Lowry
1 - Quanto mais fraca a ligação H-A, mais forte é o ácido (grupo) 2- Quanto mais polar a ligação H-A, mais forte é o ácido (período)
Ácido – doador de prótons Base – receptor de prótons
Energia de ligação
Ácidos
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
G17: HCl, HClO, HClO2, HClO3, HClO4 (igual para Br e I; HF somente) G16: H2S, H2SO3, H2SO4 (Se e Te) G15: NH3, HNO3, HNO2 PH3, H3PO3, H3PO4
G14: CH4, H2CO3
SiH4, H4SiO4
Hidrogênio ligados ao Oxigênio, ligação com diferença grande de polaridade
Ácidos – Oxiácidos
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Ácidos – Oxiácidos
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
1 - Quanto maior o número de átomos de oxigênio ligados ao átomo central, mais forte é o ácido.
2 - Para o mesmo número de O ligados ao átomo central, quanto maior a eletronegatividade do átomo central, mais forte é o ácido.
Ácidos – Oxiácidos
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Importância industrial do H2SO4
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.
Produção de 40 milhões de ton/ano S (s) + O2 (g) → SO2 (g)
2 SO2 (g) + O2 (g) → 2 SO3 (g)
SO3 (g) + H2O (l) → H2SO4 (l)
Quando puro é incolor, inodoro e tem aspecto oleoso.É fumegante pois se decompõem em H2O e SO3.
Aplicações industriais
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Industrias Brasileiras
4500000
4700000
4900000
5100000
5300000
5500000
5700000
5900000
6100000
6300000
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Ano
Prod
ução
Bra
sile
ira (t
/ano
)
Evolução da produção brasileira total de ácido sulfúrico (t/ano):
Aplicações industriais
BC
-130
2 –
Quí
mic
a do
s el
emen
tos
Reagente para reações químicas
Extração de metais:
Fertilizantes e Plásticos
Combustível de foguete
Gordura Saturada
Zn2+(aq) + H2 (g) → Zn (s) + 2H3O+
(aq)
N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g)
H2 (g) + …C=C… (l) → …CH-CH… (s)
Aplicações industriais