Explique por que o hidrogênio gasoso é comparativamente não reativo?
Passo 1
O que o enunciado pede: explicar por que o hidrogênio gasoso é, em comparação com muitas outras substâncias, relativamente pouco reativo.
Informações relevantes que eu tenho e vou usar (sem resolver ainda): o hidrogênio elementar aparece na forma diatômica ; ele forma uma ligação simples entre dois átomos de hidrogênio; existem energias associadas a quebrar e formar ligações (energias de ligação); reatividade envolve conceitos de termodinâmica (se uma reação libera ou absorve energia) e cinética (se há barreira de ativação); alguns processos com
precisam de faísca, calor ou catalisadores.
Informações relevantes que eu tenho e vou usar (sem resolver ainda): o hidrogênio elementar aparece na forma diatômica
Passo 2
Estrutura do
e tipo de ligação — explicando como isso já dá pista de pouca reatividade.
O hidrogênio molecular é duas partículas idênticas ligadas por uma ligação covalente simples: cada átomo contribui com um elétron para a ligação, formando um par eletrônico entre os núcleos. Isso gera uma nuvem eletrônica compartilhada que mantém as duas cargas positivas dos núcleos unidas. Como os dois átomos são iguais, a ligação é apolar (não há diferença de eletronegatividade que crie pólos). Em termos práticos: não há “ponta” com carga parcial forte para atrair nucleófilos ou eletrófilos — o é uma molécula neutra e apolar, o que tende a reduzir interações reativas com espécies polares sob condições brandas.
O hidrogênio molecular é duas partículas idênticas ligadas por uma ligação covalente simples: cada átomo contribui com um elétron para a ligação, formando um par eletrônico entre os núcleos. Isso gera uma nuvem eletrônica compartilhada que mantém as duas cargas positivas dos núcleos unidas. Como os dois átomos são iguais, a ligação é apolar (não há diferença de eletronegatividade que crie pólos). Em termos práticos: não há “ponta” com carga parcial forte para atrair nucleófilos ou eletrófilos — o
Passo 3
Molecular orbitals, bond order e o porquê isso indica uma ligação forte (aula rápida e direta).
No modelo de orbitais moleculares, os dois orbitais atômicos formam um orbital ligante
(baixo em energia, ocultando elétrons) e um orbital anti-ligante
(mais alto em energia, vazio em
). A fórmula do bond order é
No modelo de orbitais moleculares, os dois orbitais atômicos
onde
é o número de elétrons em orbitais ligantes e
em orbitais anti-ligantes. Para
temos
e
, logo bond order
. Isso corresponde a uma ligação simples estável e relativamente forte — não é uma ligação frágil que se desfaz com qualquer encontrinho químico.
Passo 4
Energia de dissociação da ligação
— número e interpretação.
A força da ligação é quantificada pela energia de dissociação (energia necessária para quebrar a ligação homolítica ). Essa energia é alta: aproximadamente
. Uma ligação com essa energia é difícil de quebrar sob condições ambientes sem fornecer energia ou gerar radicais/catalisar o processo. Conclusão prática: para reagir, muitas vezes é preciso primeiro romper a forte ligação
, e isso custa caro em energia.
A força da ligação é quantificada pela energia de dissociação (energia necessária para quebrar a ligação homolítica
Passo 5
Cinética vs termodinâmica — por que às vezes
“poderia” reagir, mas não reage na prática.
- Termodinâmica: uma reação pode ser favorável (liberar energia). Por exemplo, a combustão do hidrogênio
é fortemente exotérmica — formação de ligações
compensa a quebra de
e
. Usando energias de ligação aproximadas dá para ver que há liberação líquida de energia.
- Cinética: mesmo que a reação seja favorável, ela só ocorre se as moléculas conseguirem ultrapassar uma barreira de ativação
. A constante de velocidade depende de
onde
é o fator pré-exponencial,
a constante dos gases e
a temperatura. Para muitas reações envolvendo
,
é alto porque é preciso primeiro quebrar a forte ligação
. Portanto, à temperatura ambiente e sem iniciador, a reação é muito lenta ou praticamente nula — é o famoso caso “termodinamicamente favorável, mas cineticamente lento”.
Passo 6
Papel da polaridade (ou da ausência dela) e da falta de sítios reativos.
O é apolar e não possui pares isolados nem grupos funcionais que facilitem ataques nucleofílicos ou eletrofílicos. Para reagir com espécies polares (ácidos, bases, íons), normalmente é preciso que uma das partes tenha afinidade para interagir com carga parcial — coisa que
não oferece de forma direta. Assim, eletrofílicos e nucleófilos “ignoraram” bastante o
a menos que haja algum caminho alternativo (radicais, catalisador) que o torne disposto a reagir.
O
Passo 7
Como o
acaba reagindo quando as condições mudam — exemplos que ajudam a entender na prova.
- Combustão com
: a reação precisa de ignição (faísca, chama) porque a barreira de ativação é alta. Uma vez iniciada, é muito energética (explosiva). Isso mostra que a “inércia” do é cinética. - Hidrogenação de alquenos:
não hidrogena facilmente unicamente por mistura com o alceno; é preciso um catalisador (Pd, Pt, Ni). O catalisador adsorve e facilita a ruptura da ligação e a transferência dos átomos de hidrogênio para a outra molécula — em outras palavras, o catalisador reduz . - Reação com halogênios:
pode reagir violentamente sob luz (radicalar) porque a luz providencia energia para formar radicais que iniciam a cadeia. Repare que aqui a rota é radicalar e a quebra da ligação ocorre por abstração por radical.
Esses exemplos reforçam: o hidrogênio só reage facilmente se houver fornecimento de energia (térmica, lumínica) ou um caminho catalítico que abaixe a barreira.
Passo 8
Resumo integrado e dica de memorização para prova (jeito prático de lembrar por que
é pouco reativo).
Razões principais, curtas e memorizáveis:
Razões principais, curtas e memorizáveis:
- ligação
forte (energia de dissociação alta, ); - molécula apolar e sem sítios de ataque (sem pares isolados nem cargas parciais);
- muitas reações são termodinamicamente favoráveis, mas têm grande barreira de ativação — precisa-se de calor, luz, radicais ou catalisador;
- com as condições certas (catalisadores ou energia),
pode reagir rapidamente (ex.: hidrogenação catalítica, combustão).
Dica prática: quando vernuma questão, pergunte-se sempre: “é preciso quebrar a ligação ? Se sim, como isso vai acontecer — calor, luz, radicais, ou catalisador?” Essa pergunta resolve muitos exercícios e raciocínios.
Resposta
Porque em
os dois átomos estão ligados por uma ligação covalente forte e apolar (bond order
e energia de dissociação alta,
), o que torna a ruptura da ligação energeticamente custosa; além disso, a molécula não possui sítios polares ou pares isolados que facilitem ataques químicos, de modo que muitas reações, embora termodinamicamente favoráveis, são cineticamente impedidas por uma grande barreira de ativação e só ocorrem facilmente na presença de calor, luz, radicais ou catalisadores.