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INTRODUÇÃO
O hidrogênio é um elemento abundante na Terra, correspondendo a 0,9% da massa total do nosso planeta e o mais abundante do universo, correspondendo a 75% da massa de toda matéria. [1] Na natureza ele é encontrado em estado gasoso e de três formas isotópicas, hidrogênio, deutério e trítio. O prótio é o mais abundante, que possui um próton e um elétron. O deutério, que possui um próton, um nêutron e um elétron. E o trício que possui um próton, dois nêutrons e um elétron. O hidrogênio forma moléculas diatômicas H2, sendo sua forma mais estável através de uma ligação covalente muito forte. O hidrogênio molecular, em condições normais é pouco reativo devido à cinética da reação, já que a quebra de sua ligação requer energia, tornando-se lenta. [2]
O hidrogênio é o elemento mais simples e apresenta características únicas, é o primeiro elemento da tabela periódica, sendo constituído de um próton e um elétron. Assim como os metais alcalinos, apresenta um elétron em seu nível mais externo que reage perdendo este elétron para formar íons positivos, por ser um próton extremamente pequeno, possui um poder polarizante muito grande estando sempre associado a outros átomos e moléculas. Ele se assemelha também a família dos halogênios que precisam adquirir um elétron para obter a configuração de um gás nobre, nesse caso ele só apresentará essa característica de formar íons negativos, com poucos metais altamente eletropositivos. [2] Devido a ausência da carga nuclear efetiva em seu único elétron, sua energia de ionização é alta 1312 kJ/mol, sendo maior que as dos metais alcalinos e possui afinidade eletrônica baixa, porém positiva 77 kJ/mol. [3] Ele pode variar em caráter desde uma base forte de Lewis (como o íon hidreto, H-) a um ácido forte de Lewis (como no cátion hidrogênio, H+, o próton). Essas propriedades únicas que o diferem dos demais elementos dos Grupos I e VII, podendo constituir um grupo a parte, sendo as mais variadas apesar de seu único elétron. [2]
Apesar de ser o décimo elemento mais abundante na costa terrestre, sua quantidade na atmosfera terrestre é muito pequena, isso se deve ao fato de que por ser tão leve o campo gravitacional da terra é pequeno demais para exercer atração sobre este elemento. [2] Pode-se obter hidrogênio a partir de combustíveis fósseis, da água e de processos biológicos. Para produção do Hidrogênio a partir dos combustíveis fósseis utilizam-se os métodos de craqueamento térmico de gás natural, oxidação parcial de hidrocarbonetos pesados, gaseificação do carvão e reforma catalítica de gás natural, essa que corresponde a 90% da produção mundial de Hidrogênio. Na obtenção através da água os métodos utilizados são; eletrólise da água, fotólise da água, eletrólise a vapor, decomposição química da água e o processo fotoeletroquímico, dentre essas a mais utilizada é a eletrólise da água. Já nos processos biológicos os métodos empregados são fermentação de compostos orgânicos, biofotólise da água, fotodecomposição de compostos orgânicos e os sistemas híbridos. As principais aplicações do Hidrogênio são na produção da amônia como fonte primária dos compostos contendo plásticos e fertilizantes, hidrogenação de gorduras vegetais, gás de maçarico para isoladas a altas temperaturas e produção de combustível para foguetes espaciais. [4]
Com pesquisa e desenvolvimento mais avançados, este combustível também pode ser utilizado como uma fonte de energia para o aquecimento e iluminação de residências, geração de eletricidade e como combustível de automóveis. Se produzido a partir de fontes e tecnologias renováveis, como hidráulica, solar e eólica, ele torna-se um combustível renovável.
OBJETIVOS
Realizar reações químicas para obtenção do gás hidrogênio em laboratório, bem como, a análise comparativa da reatividade do hidrogênio atômico e do molecular.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Experimento 1
Na obtenção do hidrogênio através de reações em meio ácido, colocou-se 2,0 mL da solução 2,0 mol/L de ácido clorídrico em um tubo de ensaio, em seguida foi adicionado 3 grânulos de zinco. Repetiu-se o experimento utilizando a solução 6,0 mol/L de ácido clorídrico. Foi realizada as etapas 1 e 2 substituindo o zinco pelo cobre. Registraram-se todas as reações observadas.
Experimento 2
Nas reações em meio básico para obtenção do hidrogênio, colocou-se 5,0 mL da solução 2,0 mol/L de hidróxido de sódio em um tubo de ensaio, foi adicionado um pedaço (1 cm) de fita de alumínio, e em seguida foi aceso um fósforo próximo ao tubo. Observou-se.
Experimento 3
Foi montado o sistema para a obtenção do hidrogênio através da eletrólise da água, foi realizada a eletrólise utilizando a água didática, em seguida adicionou-se uma pequena quantidade da solução 2,0 mol/L de hidróxido de sódio. Observou-se.
Experimento 4
Em um tubo de ensaio, colocou-se 6,0 mL da solução 1,0 mol/L de ácido sulfúrico e em seguida, adicionou-se gotas de permanganato de potássio. A mistura foi agitada e dividida em dois tubos de ensaio distintos. Em um terceiro tubo, colocou-se 3,0 mL da solução 2,0 mol/L de ácido clorídrico e 3 grânulos de zinco. Utilizou-se um canudo para saída dos gases que foi mergulhada a extremidade em um dos tubos preparados no primeiro item. No outro tubo foi adicionado grânulos de zinco. Observou-se.
RESULTADOS
Foi observado no experimento 1, o desprendimento de gás na reação do ácido clorídrico com o zinco em ambas as molaridades da solução, no entanto na solução 6,0 mol/L de ácido clorídrico observou-se que a reação ocorreu mais rapidamente. Ao realizar os experimentos substituindo o zinco pelo cobre nada foi observado.
No experimento 2, foi observado desprendimento de gás e ao colocar o fósforo próximo ao tubo ouviu-se um pequeno estalido.
No sistema montado para a eletrólise da água, observou-se a formação de pequenas de bolhas em ambos os eletrodos. Ao adicionar a solução 2,0 mol/L de hidróxido de sódio, foi observado um rápido desprendimento de gás.
No experimento 4, ao colocar a saída de gases em um dos tubos preparados com a solução de ácido sulfúrico e permanganato de potássio, nada foi observado. Já no outro tubo, ao adicionar os grânulos de zinco, observou-se a descoloração da solução.
DISCUSSÃO
No experimento 1 ocorreu uma reação de oxirredução entre o ácido clorídrico e o zinco, formando cloreto de zinco e gás hidrogênio. Conforme equação abaixo:
Zn + 2HCl H2 + ZnCl2
Isso ocorreu devido a reatividade do zinco ser maior do que a do hidrogênio possibilitando o seu deslocamento, ao aumentar a molaridade da solução percebemos um aumento na velocidade da reação em função do aumento da concentração do ácido. Já na reação com o cobre o mesmo não ocorre, pois sua reatividade é menor que a do hidrogênio. O que pode ser explicado através dos valores de potencial padrão de redução, na reação entre o zinco e o ácido clorídrico, o zinco é oxidado enquanto o hidrogênio é reduzido, o potencial padrão de redução dessa reação é positivo Eº = + 0,76V, caracterizando a reação como espontânea, diferentemente da reação entre o cobre e o ácido clorídrico que possui Eº = - 0,34V, que não ocorre de forma espontânea.
Na segunda parte do experimento, foi observado que o alumínio adicionado a uma base forte e pode liberar hidrogênio. O alumínio desloca os íons hidrogênio da solução aquosa do hidróxido de sódio formando como produto o tetraidroxoaluminato de sódio e o desprendimento do hidrogênio molecular. Conforme reação abaixo:
2Al(s) + 2NaOH(sol) + 2H2O(l) 2Na[Al(OH)4] + 3 H2(g)
Ao colocar o fósforo aceso próximo ao tubo ocorreu um pequeno estalido, isso porque ao aproximar o fósforo aceso do hidrogênio desprendido da reação, ele inflama-se com um estalido, caracterizando a existência do hidrogênio.
No experimento 3, observamos a formação de pequenas quantidades de bolhas próximas aos eletrodos, caracterizando o desprendimento de moléculas hidrogênio e confirmando a ocorrência da eletrólise, o que implica na pureza da água utilizada. A eletrólise da água ocorre quando passamos uma corrente elétrica por ela decompondo-a. No entanto a água pura não conduz corrente elétrica, sendo necessária transformá-la em condutora. Durante a eletrólise ocorre a decomposição da água através das quebras das suas ligações entre os átomos de hidrogênio e oxigênio. Dessa forma, os átomos livres procuram reagir formando novas moléculas, a cada duas moléculas de água quebradas obtemos duas moléculas de hidrogênio e uma de oxigênio. Ao adicionar o hidróxido de sódio, o desprendimento se torna maior. Isso ocorre porque o hidróxido de sódio age como um eletrólito conduzindo os íons e permitindo a formação do hidrogênio.
Na quarto experimento, observou-se a descoloração da solução de ácido sulfúrico e permanganato de potássio, como visto no primeiro experimento o zinco possui uma reatividade maior que a do hidrogênio podendo deslocá-lo, no qual ocorre a descoloração da solução devido a formação de hidrogênio na reação. O objetivo do experimento era comparar a reatividade do hidrogênio molecular e do atômico, no qual a reação aconteceria de forma mais rápida com o hidrogênio atômico devido a cinética da reação, já que para o hidrogênio molecular requer a quebra das fortes ligações hidrogênio-hidrogênio. No entanto, a comparação não foi possível, pois no tubo onde o canudo foi utilizado para transferência do gás, nada ocorreu. Isso pode ter ocorrido devido o terceiro tubo não ter sido vedado corretamente e o gás ter vazado antes de chegar ao outro tubo com a solução de permanganato e ácido sulfúrico.
CONCLUSÕES
Concluiu-se o hidrogênio gasoso pode ser obtido satisfatoriamente através de soluções diluídas de ácidos e bases, reagindo com metais, que a molécula do hidrogênio queima em presença de uma chama e que a reatividade do hidrogênio atômico é maior que o hidrogênio molecular devido a cinética da reação.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] PEIXOTO, M. A. E. Hidrogênio e Hélio. QNEsc, nº 1. Maio, 95. Disponível em: Acessado em: 20abr13.
[2] LEE, J. D. Química Inorgânica não tão concisa. Tradução da 5ª ed. Inglesa: Henrique E. Toma, Koiti Araki, Reginaldo C. Rocha. São Paulo: Editora Edgard Blucher, 1999.
[3] BROWN, Theodore L.; LEMAY, Jr, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. e BURDGE, Julia R. Química: A ciência central. Tradução de Robson Mendes Matos. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2007.
[4] UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA. Produção Biológica do Hidrogênio. EQA – Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos. Disponível em: Acessado em: 20abr13.
