hidrogênio -...
TRANSCRIPT
Divirta-se com o Clube da Química
www.clubedaquimica.com
Hidrogênio
Divirta-se com o Clube da Química propõe uma maneira divertida
de ensinar a química usando as palavras cruzadas e jogos como o Soduku,
caça palavras, dominox, etc.
Prof. Dr. Genilson Pereira Santana
Produzido por
Genilson Pereira SantanaDoutor em Físico-Química pela UfmgProfessor da Universidade Federal do Amazonas
Genikele Pereira SantanaGraduanda em Engenharia Civil pela Unileste
Hidrogênio
1
hidrogênio é elemento químico mais simples que se conhece. Ele é Oconst i tuído por um
núcleo contendo um próton com um elétron orbitando em sua volta. Quando ele possui um nêutron o hidrogênio recebe o nome de deutério, seu primeiro isótopo. O deutério possui, então, um próton e um nêutron em seu núcleo, e um elétron em sua orbita. Esse isótopo foi descoberto por Harold C. Urey. A importância dessa descoberta rendeu ao pesquisador um Prêmio Nobel em Química em 1934. O deutério tornou-se de grande utilidade na indústria nuclear. O hidrogênio também possui outro isótopo, conhecido como trítio. Esse isótopo de hidrogênio possui em seu núcleo um próton e dois nêutrons. Este elemento não é encontrado livre na natureza em sua forma atômica, geralmente ele está fazendo parte da composição de outras substâncias, por exemplo H2O (água), CH4 (metano), CH3CH2OH (álcool etílico), etc. Sua grande instabilidade torna o hidrogênio muito reativo. Sendo assim, o hidrogênio ao perder um elétron fica na forma de cátion H+ (chamado também de próton) e quando ganha um elétron fica na forma de ânion H¯. A forma de íons H+ exerce papel importante na natureza pois é o responsável pelo valor de pH. Quando a concentração é alta nós dizemos que o pH é ácido, como é o caso dos sucos de frutas cítricas (limão, laranja, maracujá, etc.) e quando a concentração de H+ é baixa o pH é básico, como aqueles encontrados em leite, água de magnésia, entre outros. Os íons H+ são importantes na manutenção da vida dos organismos vivos, pois atuam no metabolismo celular acentuando a velocidade de reações bioquímicas.
C M M A R A C U J A R F O R D A
O A P R L A R A N J A C A O A I
M D E B M Q N E A N I O N Q L S
P E R H A G A A E E D V O W C O
O T I J G A T T S W U M C P O T
S O I R E T U E D W E E I L O O
I H F C Z Z R R O E N T T A L P
C E I V I H E E A S Q A A N E O
A E L O A E Z A A I O N E L T G
O Y T A A I A D E T C O R E I H
H I D R O G E N I O I O F B L B
E C A T A E D V T I O V L O I S
M E T A B O L I S M O I O N C O
R S A E G E H N W A Z F T O O L
Y Z O A T R O S A U G A N I E I
E D C I O T S X E D V O E M R D
R R E S N O C A T I O N L E N T
U L S O G E L E I R A S V R L U
A E R A L I M A O C R N S P D P
B P L A N E U T R O N W E I F H
R E A C O E S Q U I M I C A S K
Palavra cruzada
2
HIDROGENIO
NATUREZA
E
R
REATIVO
B
PROTON
P
NEUTRON
AGUA
H
ISOTOPO
S O
DEUTERIO
F NOBEL
T ANION
TRITIO HELIO
I FOTONS
L
BIGBANG
ELEMENTO
ACIDO
BASE
CALOR
GAS
FONTE
PH
O Hidrogênio e a formação de outros elementos
3
a s p r i m e i r a s décadas do século NXX, estudo sobre a
a b u n d â n c i a d o s elementos no sistema solar mostraram que o hidrogênio e o hélio eram mais abundantes que todos os outros elementos conhecidos na época. Por causa desse fato, os astrônomos e f í s i c o s d a é p o c a começaram a especular sobre a possibilidade do hidrogênio ser o precursor dos outros elementos. Essa especulação ganhou força na década de 30, quando Hans Bethe conseguiu transformara hidrogênio em hélio. Na década de 60, Fred Hoyle mostrou como elementos mais pesados podiam ser produzidos nas estrelas a partir do hidrogênio. A descoberta de muitos processos de fusão nuclear nas estrelas na segunda metade do século XX e o modelo do Big Bang, proposto por Georges Lemaitre foram primordiais para explicar a abundância de deutério, um isótopo de hidrogênio, e do hélio, não só nas estrelas mas também no espaço. Segundo a teoria do Big Bang, os prótons e os nêutrons produzem os elétrons, neutrinos e fótons. Mais precisamente, os elementos primordiais formaram-se a partir do hidrogênio por meio de uma série de reações nucleares.
Dominox
4
5
Ligação de hidrogênioA Ligação de Hidrogênio é uma interação entre átomos de hidrogênio de uma molécula com átomos de elementos altamente eletronegativos (oxigênio, flúor e nitrogênio).
Imagine ligações de hidrogênio sendo formada na mistura de gases amônia, enxofre, ácido sulfídrico, dióxido de carbono e vapor de água abaixo e encontre um quadrado. Lembre-se somente a água e a amônia fazem ligações de hidrogênio entre as cinco moléculas
Água
Amônia
Enxofre
Ácido sulfídrico
Dióxido de carbono
O
OO
H
HH
H
H H
H
N
S
S S
O combustível chamado hidrogênio
6
O gás hidrogênio (H2) é considerado o combustível do futuro por ser uma fonte de energia renovável, inesgotável e não poluente. No e s t ado na tu ra l , o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido, que ao ser queimado com oxigênio puro, tem como únicos produtos: calor e água. Esse gás é um composto capaz de a r m a z e n a r g r a n d e s quantidades de energia, sendo um combustível de
baixa massa molecular. Por causa dessa característica, o hidrogênio é utilizado como combustível para propulsão de foguetes e cápsulas espaciais. Ao ser produzido a partir de fontes e tecnologias renováveis, por exemplo, hidráulica, solar ou eólica, o combustível hidrogênio é considerado renovável. Dentre as fontes conhecidos, podem ser citadas a gaseificação do bagaço da cana-de-açúcar, gás natural, hidrocarbonetos, etc. Apesar do preço elevados, muitos atores de Hollywood possuem carros movidos a hidrogênio, destacam-se Brad Pitt e Angelina Jolie, Leonardo DiCaprio, Cameron Diaz. Um estudo americano prevê que em 2038 todos os carros novos produzidos nos Estados Unidos poderão ser movidos exclusivamente a hidrogênio. Os carros a hidrogênio ainda não foram além dos protótipos para a apresentação em salões do automóvel, mas a cada ano parecem mais viáveis e próximos do lançamento comercial.
I M C A L O R U R J U E T N O F
N A P R L A R A C I L O E O P I
E T N E U L O P A N I O N R L K
S E R H N G X A E E D V O W H H
G E S P A C I A I S U P C P I W
O O I R T T G E D W U E I L D S
T H F C U Z E R O L N T M S R P
A E I V R H N E S S A A A O O O
V E L O A E I A A I C N S P C I
E Y T A L I O D E T I H S I A N
L I E T N O D H R O L O A T R E
S E T E U G O F T E U V M O B G
M U D F W K L S V N A I O T O O
R S O L A R H I W E R F L O N R
Y I O A T R T N A R D A E R E D
E N C I O S S O E G I O C P T I
R C E S U O C D T I H N U E O H
U O S B R W Y O I A A S L R S S
A L M A L I M R O C R N A G U A
B O L C A R R O S O N W R I F G
C R A R E N O V A V E L C A S K
Cenas da Química
7
H2
H2
H2
H2Gás
Gás
Etanol
Etanol
Biodisel
Sou maisecologicamente
correto
Tabela Periódica: o caso do hidrogênio
8
C S O N I L A C L A S I A T E M
Q A P R L A R E N J A C A O A I
M G E B M Q N D A N O R N Q L S
R E A H A G A E E L D E O W C E
O T I S G A T R U W U G C P O R
S O I R E T U N D W E R I L M B
A D A M A C A R O A N A T A P O
C E I V I H E U A I Q D A S O N
I E L O A E R A A C O O E A R G
D Y T A H L A D E N C O R L T A
O I D R A I L N I E I C F U A I
I C A T L O U V T D O T L C M C
R E T A O O G S S N O E O E E N
E O A E G E N N O E Z T T L N E
P N O L E R I S A T G O N O T L
A E C E N T S X E D N W E M O A
L U E T I O C D W I O E L E N V
E Q S R O E L E I R A S M R L U
B E R O S I M A O C R N S E D P
A P L N N R E C E B E R E I L H
T E A C O M P A R T I L H A S E
riginalmente a posição
do hidrogênio na Tabela OP e r i ó d i c a f o i um
problema. Devido à semelhança
estrutural com os elementos da
família metais alcalinos, ou
seja, na camada de valência ele
possui um único elétron. Ao
contrário que acontece com os
metais alcalinos, o hidrogênio
possui uma fraca tendência em
ceder o seu elétron de valência.
Geralmente, ele o compartilha
para formar moléculas, como
H , HCl, etc. Por sua vez, ao 2
r e c e b e r um e l é t r o n , o
hidrogênio apresenta configuração do gás nobre hélio. Conforme a
regra do octeto, este elemento teria maior estabilidade. Com essa
característica, o hidrogênio se assemelha aos halogênios. Esse
comportamento singular ocorre devido ao fato do hidrogênio ter um
elétron, sendo, portanto, muito
pequeno. Essa característica
explica porque o hidrogênio é
encontrado em algumas Tabelas
Periódicas na coluna dos alcalinos e
outras na coluna dos halogênios.
9
CURIOSIDADE!!!
onta a história que em 1955
aconteceu um fato inusitado
que estremeceu a guerra fria. CA causa do estremecimento foi a
detonação da bomba de hidrogênio
pelos russos. Acontece que essa
bomba é mil vezes mais poderosa
que as bombas atômicas. Ela é
capaz de destruir metrópoles de
uma vez só. Após a detonação,
W a s h i n g t o n l i d o u m a i s
cuidadosamente com Moscou.
Neste momento, iniciou-se uma era
de tensão dominada pelo medo mútuo de aniquilação.
Interessante é como os russos obtiveram a tecnologia da
bomba de hidrogênio, segredo que pertenciam somente aos
cientistas americanos na época. A aquisição da tecnologia é
atribuída ao serviço de espionagem russo. Espiões russos se
infiltraram no laboratório de armas de Los Alamos, no novo
México. Como os espiões atômicos ainda representam um
enigma sobre a invenção da bomba de hidrogênio Soviética.
“Nem todos os químicos são maus. Sem produtos como o hidrogénio e o oxigénio, por exemplo, não teríamos água, um ingrediente
vital para a cerveja.” – Escritor Dave Barry
Monte compostos com hidrogênio
10
H C H H C H H H
C C C Q F F O S
C L H X H H H H
H E B R I C H H
N O H C C F C H
H C H I N C F S
L H C H O S O H
H C H C H Z S H
S H H H H I H C
F S O S S H C F
A regra do jogo é bastante simples basta selecionar as letras, utilizando os números abaixo como sub-índices.
Exemplos:
As letras juntas H O e o sub-índice 2 formam H O, que é a fórmula 2
da água. As letras HF formam a fórmula do ácido fluorídrico e união de C+4H o gás metano.
Existem pelos menos 10 fórmulas, encontre-as.
Uma pequena história da descoberta e uso do
11
Estimulados pelos resultados de
Cavendish, o sueco Carl Wilhelm
Scheele e o Inglês Joseph Priestley
relataram independentemente um do
outro, em 1774, a existência de um
novo componente de ar, que
descreveram como "ar fogo". Em 1781,
Cavendish queimou o seu "Ar ardente"
(oxigênio) com este novo "ar fogo" e
obteve água. Em 1783, Alexandre
Cesar Charles, um cientista francês fez
um voo com um balão cheio de
hidrogênio. Depois que os alemães
Kirchhoff e Bunsen demonstraram,
em 1861, a presença de hidrogênio em
os espectros do Sol, tornou-se evidente
que o hidrogênio era o elemento mais
abundante no Sistema Solar. A única
aplicação significativa de gás de
hidrogênio até metade do século XX foi
à iluminação e o aquecimento,
quando o gás natural começou a ser utilizado massivamente para o aquecimento. Em
1839, Sir William Grove construiu a primeira célula de combustível a base de
hidrogênio. Em 1909, Fritz Haber, um químico alemão descobriu um processo para
sintetizar amônia (NH ) diretamente a partir do elemento de H e N. Haber recebeu o 3
prêmio Nobel por essa descoberta em 1918. Pouco tempo depois, Carl Bosch,
conseguiu adaptar o procedimento de Haber para produzir grande quantidade de
amônia. Isso proporcionou a Alemanha uma valiosa fonte de material para
explosivos e fertilizantes. Após a Primeira Guerra Mundial, o consumo de amônia
aumentou drasticamente, sendo necessárias quantidades de hidrogênio. Além disso,
o hidrogênio foi cada vez mais utilizado nos alimentos de indústria.
12
O hidrogênio e o ambiente
A quantidade de hidrogênio na crosta
terrestre é de cerca de 0,15%, ele
juntamente com o oxigênio compõe a
água. Na atmosfera sua o hidrogênio
possui concentração de 0,5 parte por
milhão. Todavia esse elemento
constitui 14% em peso da biomassa
terrestre. Apesar de historicamente
se atribuído ao hidrogênio alguns
trágicos acidentes, o hidrogênio
t o r n o u - s e u m a s o l u ç ã o
ecologicamente correta. Isso,
graças às células combustíveis que se
t o r n a r a m u m a b o a o p ç ã o
particularmente para os fabricantes
de automóveis. O seu interesse
começou em 1830 quando o cientista
Britânico William Robert Grove
conseguiu obter hidrogênio a partir de gás natural por uma reação química
catalisada. Atualmente, existem diferentes tipos de célula combustível,
dentre as quais podem ser citadas as células combustíveis alcalinas à base de
solução de hidróxido de potássio e as de membranas feitas com polímeros
condutores de próton. A vantagem do uso do hidrogênio liberado pelas células se
deve a seguinte reação química: 2H + O ---> 2H O. Além de produzir energia, 2 2 2
essa reação não libera nenhum gás do efeito estufa. Entre os problemas do
manuseio de hidrogênio se encontra o seu armazenamento. Atualmente, a
capacidade máxima de um cilindro é de 80 Mpa (800 bar), correspondendo a 3uma densidade de 36 kg m . A energia requerida para a sua compressão é o
segundo problema importante. Além disso, as implicações de segurança de cada
carro que carrega um cilindro de alta pressão de hidrogênio são bastante
consideráveis. Essencialmente os químicos estão pesquisando uma síntese de
materiais e dispositivos que sejam capazes de armazenar grandes volumes
de hidrogênio, ao mesmo tempo libere de uma maneira, mas suave. Desta
forma, o hidrogênio deverá estar disponível em uma taxa apropriada para seu
consumo nos automóveis do futuro.
T M M A R Q A D A S I L A T A C
E A I G R E N E N J E F E I T O
R D E B M Q N E A V I O N Q L S
R E R H A G A A I A D V O W C W
E T I J G O T T S R U M C P E T
S O I R E M S E D E E E I L T R
T H F A Z U A R O F N T T A N P
R E I R B S N E A S Q C A N E S
E E L M A N I A A O O O O L M O
O Y O A A O L D E M C M I E A V
H C D Z O C A N C T I P S B C I
E C S E A E C V I A O R S O I T
S E I N A O L I L M T E A N C I
O S E A T E A N N A Z S T O O S
R Z V R S R O O D U G S O I L O
E D O I O A S R R D V A P R O P
M R M S R F C U O C O O L E C S
I L O O C U L T I R A S V R E I
L E T A L T M U O C R R S P Q D
O P U A N S U F R O N W R I F H
P E A C O E S Q A S S A M O I B
13
O dirigível e o Hidrogênio
história dos dirigíveis se confunde com a da aviação. As primeiras experiências para tentar a conquista dos céus foram com balões de Aar quente.Para subir e ficar suspenso no céu, o dirigível conta com o
gás hélio, que é mais leve que o ar; já no deslocamento para a frente, entram em ação hélices motorizadas. Basicamente é assim que voa esse estranho veículo, que surgiu na França na segunda metade do século 19. Antigamente, costumava-se usar o hidrogênio para encher o balão (ou envelope) dos dirigíveis, mas esse gás é inflamável, o que provocou vários acidentes. A tragédia mais famosa foi a do dirigível alemão Hindenburg, em 1937, que explodiu durante o pouso, matando 36 passageiros. Por causa dos riscos, o hidrogênio foi substituído pelo hélio, um gás menos eficiente para suspender o veículo, mas com a grande vantagem de não ser inflamável. Apesar de estarem bem mais seguros, os dirigíveis ainda são pouco utilizados para o transporte de cargas e de passageiros.
Ligue os pontos e complete o dirigível
Brasil
14
ExperiênciaVamos encher um balão
com hidrogênioroduzir gás hidrogênio em casa é relativamente simples. Vamos
ensinar como podemos encher um balão com gás hidrogênio e
alegrar muitas crianças. PMaterial necessário: soda cáustica, balão de festa, papel alumínio,
uma garrafa de vidro, pode ser de cerveja ou refrigerante de 1 L., colher
de plástico usadas em festas, um par de luvas de plástico usadas para a
limpeza e um funil de plástico. É sempre importante mistura os reagentes
usando uma luva de borracha.
Procedimento Experimental: Inicialmente, com
ajuda do funil coloque metade de um copo de 300
mL em na garrafa de vidro. Em seguida coloque
duas colheres de soda cáustica dentro da
garrafa de vidro. Agitar lentamente água com
soda cáustica até que dissolva na água. Cuidado
para não se queimar; a reação é exotérmica,
você observará um aumento considerável da
temperatura. Geralmente, a temperatura cerca oa mais de 100 C, portanto, muito cuidado nessa
fase da operação. Deixe o vidro de repouso até que
resfrie e, em seguida, coloque vários pedaços da
folha de alumínio dentro da garrafa de vidro.
Imediatamente, coloque o balão na boca da garrafa e
comece a observar ele encher. Quando estiver bastante
cheio amarre o balão com um cordão e, pronto, temos ai
nosso balão a gás.
Jogo dos 7 erros
15
1 2
Respostas
3 4
C M A R A C U J A
O L A R A N J A A I
M M N A N I O N L S
P A A C O
O G T M O T
S O I R E T U E D E O O
I Z R T L P
C I E E A E O
A A Z A N L T
O A T O E I
H I D R O G E N I O I B L
O V O I
M E T A B O L I S M O I O N C
E N T O O
Y T O A U G A I
E I T M R
R E N C A T I O N E T
U L O R
R L I M A O P P
P N E U T R O N H
R E A C O E S Q U I M I C A S
S O T N E M E L E P A
S O N I R T U E N R S
F R E D H O Y L E E T
C R
H F U S C S E O
E U R N N R N
L S S O O S T O
I A O R T A I M
O O R T O L A O
N E F E R M S
U N L O R A E
A C S E I T F L L
I L E U R S I O I S B
C S E O T E S S E I
N N A C R T A I O G N
A O R A O U M C T R G
D T E N E O O O B
N O R S T D S P E A
U R S O G N
B P I O I N E G O R D I H G
A S H A N S B E T H E
E L E M E N T O R H
B I G B A N G G E E
P F O N T E A A L
H P I A N S T I
H I D R O G E N I O
S E O N U U A V
T O U T C A T T O F
R T T O A B R U A O
I O E N L A O R C T
T P R O S N E I O
I O I R E Z D N
O N O B E L A O S
T G
N A T U R E Z A
O I SC A L O R T
T I D
U N O B E LP E U
H I D R O G E N I O TS O L E
O T E RT O M I
F O N E S O L A RO P N G
A N I O N T E UT F O T O N S F AE O L I C A T U
A R S
T E AH A L O G E N I O H E L I O
O A
E N E R G I A
N
F O G U E T E
D
O
H I D R O C A R B O N E T O
N O O
C L
O U
L N
O A
P R O T O T I P O
6
Respostas
8
1211
I C A L O R E T N O F
N A C I L O E P
E T N E U L O P R
S N X O H
G E S P A C I A I S P I
O T G U D
T U E L M S R
A R N S A A O O O
V A I A C S P C I
E L O I S I A N
L L A T R E
S E T E U G O F E U M O B G
V N A O T O O
S O L A R I E R L O N R
I T N R D E R E D
N S O G I C P T I
C U D I H U O H
O B O A L S S
L M R A G U A
O C A R R O S R G
C R R E N O V A V E L
S O N I L A C L A S I A T E M
E C
G D O R
A E L E C E
S R U G O R
N R M B
A D A M A C A A A P O
C H I D S O N
I E R C O A R
D H L A N O L T A
O A I L E C U A I
I L O U D T C M C
R O G S N E E E N
E O E G N O E T L N E
P N L E I T O O T L
A E E N S N O A
L U T I E V
E Q R O M
B E O S E
A P N R E C E B E R L
T C O M P A R T I L H A E
C C O N S T R U I U
I E T N E N O P M O C
E A
N L I L
T E S L A A
I V O U I B
S I S T E M A R F
T T N I E E
A S E N T R O
U M A A T T
B I C M Q O I N
M L A U T L E
O A O H I N I M
C S M E Z I
R A L O S I M A C
G C D E N E
O O N L T U
F E E Q
R A M O N I A V S A
A A
F F O H H C R I K
T A D A S I L A T A C
E A I G R E N E E F E I T O
R V
R I A
E O T R E
S M S E T
T A U A F N
R R B S N S C E S
E M N I O O O M O
O A O L M M I A V
C Z C A C T P S C I
S E C I A R S I T
S I N A L L T E A C I
O E A T A N S T O S
R V R S O D S O L O
E O O A R R A P O P
M M R F U O C O C S
I O C U T A E I
L T T U R D
O U S F R
P A E A S S A M O I B