A quimica do hidrogênio

A quimica do hidrogênio

Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-Brasileira Instituto de Ciências Exatas e da Natureza

Química Inorgânica Experimental I Prof. Drª. Cleide Leite

Dayana Nascimento Dari

CAMPUS DAS AURORAS 07 de março de 2016

1. RESUMO

O gás hidrogênio pode ser obtido no laboratório utilizando-se ácidos, bases e reagindo com metais. Neste experimento foi obtido H2 (g) pela reação de ácidos e base sobre metais.

Observou-se que os ácidos HCl, H2SO4, H3PO4 e CH3COOH reagiram com o magnésio metálico de acordo com a força destes. Utilizando-se diferentes metais estabeleceu-se a ordem de reatividade, Mg > Al > Cu e que está de acordo com o potencial de redução destes metais.

Foi possível testar a reatividade do H2 usando uma chama. O H2 reage de forma explosiva, entrando em ignição ao estar em contato com a chama.

2. INTRODUÇÃO

O hidrogênio é o elemento com maior abundância no universo e o décimo abundante em massa da terra (SHRIVER et al., 2008).

não é membro de qualquer família na tabela periódica (BROWN, T.L. et al., 2005)

É o primeiro e mais simples dos elementos da tabela periódica sendo constituído por um núcleo que contém um próton e tem, portanto, uma carga positiva, a qual é contrabalançada por um elétron circundante contendo uma carga negativa (LEE, 1999). Como a configuração eletrônica do hidrogênio é 1S1, ele é geralmente colocado acima do lítio na tabela periódica. Mesmo tendo a mesma configuração eletrônica de valência do grupo I, ele não é um metal e

O gás hidrogênio tem característica inflamável sendo preparado em grande escala por diversos métodos (KOTZ e TREICHEL, 2009): uma parte do hidrogênio é obtida a partir de carvão por meio da reação do gás de água, essa reação é conduzida injetando-se água em um leito de coque aquecido ao rubro, e a mistura de gases produzida é chamada “gás de água”:

C (s) + H2O (g) → H2(g) + CO (g)

A maior quantidade de hidrogênio é produzida atualmente pela reforma catalítica a vapor de hidrocarbonetos como o metano do gás natural. O metano reage com vapor a alta temperatura, formando H2 e CO:

CH4 (g) + H2O (g) → 3 H2 (g) + CO (g)∆𝐻° 𝑟𝑒𝑎çã𝑜= +206 𝑘𝐽

Mais o hidrogênio pode ser obtido em uma segunda etapa, na qual o CO formado reage com mais água. Essa reação, chamada reação de deslocamento do gás de água, é realizada a 400 – 500º C e é ligeiramente exotérmica:

H2O (g) + CO (g) → H2 (g) + CO2 (g)∆𝐻°= − 41 𝑘𝐽

Talvez a forma mais limpa de se produzir hidrogênio em escala relativamente ampla seja a eletrólise da água (KOTZ, J.C. et al. 2009):

H2O (l) + energia elétrica → H2 (g) + 1

O2 (g)

O método comum de preparação do gás hidrogênio no laboratório é a reação de ácidos fortes diluídos com metais ou de um álcali com alumínio (KOTZ, J.C. et al. 2009):

.Zn (s) + H2SO4 (aq) → ZnSO4(aq) + H2 (g) 2Al (s) + 2NaOH (aq) + 6H2O(l) →2Na[Al(OH)4] (aq)+ 3H2(g)

Por meio de ácidos, o hidrogênio é produzido pela redução dos íons hidrogênio de um ácido forte por um metal que tenha potencial-padrão negativo; aqueles metais com potencial padrão positivo somente poderão ser dissolvidos por ácidos oxidantes, como o HNO3 (VOGEL, 1981).

O objetivo desse experimento consiste em produzir gás hidrogênio pela ação de ácidos e álcalis sobre metais; observar a cinética de reação de reação de diferentes ácidos com um metal reativo e comparar a atividade eletroquímica de diferentes metais em meio ácido.

3.1 PARTE EXPERIMENTAL

3.1.1.MATERIAIS E REAGENTES - Estante para tubos de ensaio

- 6 Tubos de ensaio grandes

- Pinça de madeira

- Caixa de fósforos

- Fitas de magnésio (Mg)

- Alumínio (Al) sólido

- Fios de cobre (Cu) sólido

- Ácido clorídrico (HCl) a 3,0 mol/L

- Ácido acético (CH3COOH) a 3,0 mol/L - Ácido nítrico (HN03) a 3,0 mol/L

- Ácido fosfórico (H3PO4) a 3,0 mol/L

- Ácido sulfúrico (H2SO4) a 3,0 mol/L

- Solução de hidróxido de sódio NaOH 20 %.

3.2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

A. Produção de gás hidrogênio pela ação de ácidos.

1. Obtenção do gás H2 utilizando diferentes ácidos com um mesmo metal: Adicionou-se em um tubo de ensaio 3 mL de HCl a 3,0 mol/L, em seguida colocou-se uma amostra de Mg metálico ao tubo. Fechou-se o tubo com o dedo polegar durante a reação por um tempo de 2 minutos. Ao final aproximou-se um palito de fósforo em chama, enquanto o gás escapava. Repetiu-se o mesmo procedimento utilizando H2SO4 3,0 mol/L, H3PO4 3,0 mol/L e CH3COOH 3,0 mol/L.

2. Obtenção do gás H2 utilizando o ácido HCl, porém variando os metais: Adicionou-se em quatro tubos de ensaio 3 mL de HCl 3,0 mol/L, em seguida colocou-se uma amostra dos seguintes metais em tubos diferentes: Al, Mg e Cu. Fez-se o experimento simultaneamente com os três metais.

3. Obtenção do gás H2 utilizando o ácido HNO3 com o cobre metálico: Adicionou-se em um tubo de ensaio 3 mL de HNO3 3,0 mol/L, em seguida colocou-se uma amostra de Cu metálico.

B. Produção de gás hidrogênio pela a ação de álcalis.

Adicionou-se em um tubo de ensaio 3 mL de solução de NaOH a 20 %. Em seguida, adicionou-se uma amostra de Al metálico ao tubo. Por final aqueceu-se suavemente o tubo de ensaio e aproximou-se um palito de fósforo em chama na saída do tubo.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO A. Produção de gás hidrogênio pela ação de ácidos:

1. Obtenção do gás H2 utilizando diferentes ácidos com um mesmo metal: Observou-se que a adição do ácido HCl ao metal Mg, borbulhou e reagiu rapidamente, por outro lado, o ácido CH3COOH reagiu de maneira muito lenta, entretanto, H3PO4 teve a reação mais lenta de todas e H2SO4 reagiu por muito tempo. A ordem de reatividade crescente dos ácidos para este experimento é:

Observou-se em segundo, que todas as reações dos ácidos (HCl, H2SO4, H3PO4 e

CH3COOH) com o Mg, ao retirar-se o dedo polegar do tubo de ensaio e aproximando um palito de fósforo em chama da extremidade aberta do mesmo, simultaneamente, acontecia um fenômeno, uma pequena explosão. O fenômeno da explosão foi menor com o ácido CH3COOH e maior com os ácidos HCl, H3PO4 e H2SO4. A explosão deu-se por causa do gás hidrogênio que tem característica inflamável como reportado na literatura (KOTZ e TREICHEL, 2009), e que foi desprendido nessas reações:

Mg (s) + 2HCl (aq) → MgCl2 (aq) + H2(g) Mg (s) + H2SO4 (aq) → MgSO4(aq) + H2(g) Mg (s) + 2 H3PO4 (aq) →Mg3(PO4)2 + H2 (g) Mg (s) + 2CH3COOH (aq) →Mg (CH3COO)2 + H2(g)

2. Obtenção do gás H2 utilizando o ácido HCl, porém variando os metais: Observou-se nas reações de HCl com Al, Mg e Cu, apenas Mg e o Al reagiu. O Mg reagiu imediatamente e vigorosamente, liberando gás hidrogênio, a reação é exotérmica, pois houve liberação de calor. E o Al reagiu lentamente formando pequenas bolhas que desprendiam gás hidrogênio na superfície do metal. As equações que representam essas reações:

6 HCl (aq) + 2 Al (s) → 2AlCl3 (aq) + 3H2(g)

2 HCl (aq) + Mg (s) → MgCl2 (aq) + H2 (g) Com auxílio de uma tabela de potencial de redução-padrão (vide Anexo), vemos que o Cu

(E0 redução = +0, 337 V) tem um potencial padrão de redução positivo e está abaixo do hidrogênio (E0 redução = 0, 0 V), enquanto que o Al (E0 redução = -1, 6 V) e o Mg (E0 redução = -2, 37 V) tem potencial padrão de redução negativo e estão acima do hidrogênio. Os metais, Mg e Al, possuem potencial padrão negativo e deslocaram o hidrogênio e puderam, portanto, serem dissolvidos pelo o ácido, liberando gás hidrogênio.

A ordem de reatividade para esse experimento: Mg > Al > Cu, está de acordo com o potencial de redução destes metais.

3. Obtenção do gás H2 utilizando o ácido HNO3 com o cobre metálico: Observou-se que a reação de ácido nítrico com Cu reagiu. No experimento anterior, o Cu não reagiu com o ácido clorídrico por possuir potencial padrão positivo.

pequenas bolhas e um gás marrom no tubo de ensaio. A equação da reação é mostrada abaixo:

Ao trocar nesse experimento o ácido HCl pelo HNO3, verificou-se que o cobre reagiu formando Cu (s) + 4HNO3(aq) → Cu (NO3)2 (aq) + 2H2O (l) + 2NO2 (g)

O cobre possui potencial de redução positivo não pôde ser oxidado pelo o H+, Cu não reage com HCl. Entretanto, o cobre reage com HNO3, de acordo como reportado na literatura (VOGEL, 1981). Essa reação não é simples oxidação de Cu pelo H+, o metal é oxidado a Cu2+ pelo íon nitrato de sódio, acompanhado pela formação do gás marrom dióxido de nitrogênio,

NO2 (g).

B. Produção de gás hidrogênio pela a ação de álcalis. Observou-se que após a adição do Al no tubo de ensaio contendo NaOH houve a produção de bolhas indicando a formação de gás hidrogênio na reação. A equação para essa reação é dada por:

3 NaOH (aq) + 2Al (s) →Al (OH)3 (s) + 3Na (s) + H2 (g) Observou-se ainda que a medida que a reação ocorria formava-se um sólido no fundo do recipiente Al (OH)3 (s) e Na (s). Aproximou-se um palito de fósforo em chama da extremidade aberta do tubo de ensaio, simultaneamente, aconteceu um fenômeno, o H2 reage de forma explosiva, entrando em ignição ao estar em contato com a chama. Ao final houve, após a explosão, aparecimento de coloração de cor cinza.

5. CONCLUSÕES

Obtemos a ordem de reatividade da reação dos ácidos com o Mg metálico, H3PO4 <

CH3COOH < H2SO4<HCl, que está de acordo com a força destes. Os metais, Mg e Al, possuem potencial padrão negativo e deslocam o hidrogênio e, portanto, podem ser dissolvidos pelo o ácido, liberando gás hidrogênio; por outro lado, o cobre por possuir potencial padrão positivo somente pôde ser dissolvido pelo o ácido oxidante HNO3, liberando gás dióxido de nitrogênio, NO2 (g). A ordem de reatividade Mg > Al > Cu, está de acordo com o potencial de redução destes metais. Na reação do Al metálico com a base forte NaOH, o H2 reage de forma explosiva, entrando em ignição ao estar em contato com a chama.

6. REFERÊNCIAS

9 ed. Robson, M. (tradutor). São Paulo: Prentice Hall, 2005

BROWN, T.L.; LE MAY, H.E.; BURSTEN, B.E; BURDGE, J.R. Química a ciência central.

LEE, J. D. Química inorgânica não tão concisa. 5 ed. Toma, H. E.; Araki, K.; Rocha, R. C. (tradutores). São Paulo: Edegard Blucher, 1999.

LEITE, C.M.S (Org.). Apostila: Laboratório de Química Inorgânica. 2015.

SHRIVER, D. F.; ATKINS, P. W.; OVERTON, T.L.; ROURKE, J. P.; WELLER, M. T.; ARMSTRONG, F. A. Química Inorgânica. 4 ed. Faria, R.B. (tradutor) Porto Alegre: Bookman, 2008.

São Paulo, 1981

VOGEL, A.I. Química Analítica Qualitativa. 5 ed. Gimeno, A. (tradutor), Ed. Mestre Jou.

KOTZ, J. C.; TREICHEL, P.; WEAVER, G.C. Química Geral e Reações Químicas. vol.2. 6 ed. Vichi, F.M; Visconte, S.A. (tradutores). São Paulo: Cengage Learning, 2009.

7. ANEXO

-0,25 As3+ + 3e As + 0,25

-0,32 Bi3+ + 3e Bi + 0,32

-0,337 Cu2+ + 2e Cu + 0,337

-0,521 Cu1+ + e Cu + 0,521

-0,789 Hg2+ + 2e Hg + 0,789 -0,799 Ag1+ + e Ag + 0,799

-0,8 Rh3+ + 3e Rh + 0,8

-0,987 Pd2+ + 2e Pd + 0,987

-1,2 Pt2+ + 2e Pt + 1,2

Comentários