Hidrogênio - Final

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CURSO: Engenharia Química DISCIPLINA: Química Inorgânica Experimental PROFESSORA: Ronaldo Costa Santos HIDROGÊNIO: OBTENÇÃO, REATIVIDADE E COMPOSTOS Componentes: 1. Anderson Machado 2. Darlene Paixão 3. Lauro Pugliese 4. Ricardo Carneiro 5. Viviane Rezende

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CURSO: Engenharia Qumica DISCIPLINA: Qumica Inorgnica Experimental PROFESSORA: Ronaldo Costa Santos

HIDROGNIO: OBTENO, REATIVIDADE E COMPOSTOS

Componentes:

1. Anderson Machado 2. Darlene Paixo 3. Lauro Pugliese 4. Ricardo Carneiro 5. Viviane Rezende

Salvador

2011

CURSO: Engenharia Qumica DISCIPLINA: Qumica Inorgnica Experimental2011.1

PROFESSORA: Ronaldo Costa Santos

Assinaturas:

1.______________________________ 2.______________________________ 3.______________________________ 4.______________________________ 5.______________________________

Data de realizao do experimento: 10/03/2011

1. OBJETIVOS2011.1

Realizar algumas reaes qumicas para obter o gs hidrognio em laboratrio; Comparar a reatividade do hidrognio atmico com o molecular; Comprovar a ao redutora do hidrognio; Constatar a importncia da gua como solvente e como meio reacional;

2. INTRODUOO hidrognio, elemento do smbolo H, o mais simples de todos os elementos qumicos, pois constitudo de um prton e um eltron que gira ao seu redor. Embora na terra ocupe o dcimo lugar entre os elementos em termos de ocorrncia, correspondendo a 0,9% da massa do planeta, o mais abundante no universo, pois apresenta cerca de 92% de toda a massa csmica. O hidrognio molecular, o gs mais leve que se conhece, incolor, inodoro, inspido e insolvel em gua. Sua densidade 14 vezes menor que a do ar. Ao esfri-lo com ar liquefeito e comprimi-lo fortemente, obtm-se hidrognio lquido, que entra em ebulio a -257,8 C presso atmosfrica. O hidrognio atmico no se encontra livre na natureza, mas sim combinado em grande nmero de compostos. um elemento de grande instabilidade e, consequentemente, muito reativo, que tende a ajustar seu estado eletrnico de diversas formas. Quando perde um eltron, constitui um ction H+, que na realidade um prton. Em outros casos se produz por meio do ganho de um eltron para formar o nion hdrico H, presente apenas em combinaes com metais alcalinos e alcalinos-terrosos. Em pequenas quantidades, o hidrognio normalmente produzido pela ao do zinco sobre o cido sulfrico. Entre outros processos de produo industrial, est a ao do vapor ou do oxignio sobre hidrocarbonetos como o metano. Atualmente sua principal aplicao na sntese do amonaco e do metanol na difuso do petrleo. Outra aplicao importante na hidrogenao de substncias orgnicas para produo de solventes, produtos qumicos industriais e alimentos como a margarina e gordura vegetal. Em outros campos da indstria qumica e metalrgica, emprega-se tambm o hidrognio na fase de reduo para metal. Em outro contexto, a exploso de uma bomba de hidrognio, tambm chamada termonuclear, causada pela coliso e fuso de ncleos leves de hidrognio, deutrio e trcio. A obteno de um meio de controlar a reao de fuso pode levar a uma fonte de energia praticamente inesgotvel, j que tem2011.1

como combustvel a gua do mar, de altssimo rendimento e grande pureza, por no gerar subprodutos.

3.1 Vidrarias Tubos de ensaio; Pipetas; Tubo em U de vidro; Bquer; Proveta;

3.2 Reagentes Soluo de HCl 2,0 mol/L; Zn granulado; Zn em p; Cu granulado; Soluo de H2SO4 1,0 mol/L; Soluo de Permanganato de Potssio 0,05mol/L; Soluo de HCl 6,0 mol/L; Bicarbonato de sdio seco cido tartrico seco; H2O Destilada;

3.3 Outros Rolha com furo; Mangueira;

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3. PARTE EXPERIMENTAL

3.4 Procedimentos 3.4.1 Experimento 1:Colocou-se em um tubo de ensaio uma pequena quantidade de zinco em grnulos (3 grnulos). Foi adicionado a esse tubo aproximadamente 2mL de soluo 2mol/L de cido clordrico. Por fim observou-se o que ocorreu. Repetiu-se o mesmo experimento com zinco em p.2011.1

3.4.2 Experimento 2:Substitui-se o zinco pelo cobre (pequena quantidade) e realizou-se os mesmos procedimentos do experimento 1, adicionando o cido clordrico ao tubo de ensaio com o cobre e observando os resultados.

3.4.3 Experimento 3:Em um tudo de ensaio colocou-se 6mL de soluo de cido sulfrico 1 mol/L e adicionou-se duas gotas de soluo diluda de permanganato de potssio (0,05 mol/L). Agitou-se a mistura de modo a homogeneiz-la e dividiua em partes iguais para os testes a e b: a: Colocou-se trs grnulos de zinco em outro tubo de ensaio e 3 mL de soluo cido clordrico 1:1 (6 mol/L). Tampou-se o tudo de ensaio com uma rolha atravessada por um tubo para sada de gases e mergulhou-o no tubo de ensaio preparado para o teste a. b: Ao teste b adicionou-se apenas alguns grnulos de zinco ao tubo ensaio separado anteriormente.

3.4.4 Experimento 4:Colocou-se em um tubo de ensaio, cerca de 0,5g de bicarbonato de sdio seco com cerca de 0,1g de cido tartrico seco. Observou-se se houve alguma alterao no sistema. Adicionou-se 5 mL de gua destilada aos sais

que foram misturados. Observou-se mais uma vez se ocorreu mais alguma alterao.

4. RESULTADOS E DISCUSSES 4.1 Experimento 1:Observamos o desprendimento de gs junto com a decomposio dos grnulos de zinco, que ocorreu lentamente devido a sua pequena superfcie de contato. Isto porque, de acordo com a escala de reatividade apresentada abaixo, o zinco um elemento mais reativo que o hidrognio, por isso o hidrognio deslocado e obtm-se como produtos dessa reao cloreto de zinco com desprendimento do hidrognio molecular (tambm produto da reao j citada). Escala de Reatividade Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe... H Cu Hg Ag Au Pt Baseando-se na fileira de reatividade acima, observa-se ento que o Fe, Al, Mg, Na, Ca, Ba, K, Li podem substituir o Zn na reao para liberar hidrognio, isto ocorre, pois, esses metais so mais reativos, ou seja, tm maior potencial de oxidao, que o hidrognio, tendo a capacidade de deslocalo formando o respectivo cloreto e liberando H2. Em comparao colocou-se em um tubo de ensaio contendo a mesma o mesmo acido clordrico um pouco de zinco em p. Verificamos que a mesma reao ocorreu com liberao de H2 e decomposio do zinco, porm com uma diferena, com uma velocidade muito maior. Isto se deu devido a uma maior superfcie de contato entre o cido e o zinco, proporcionando uma intensificao da reao com liberao de hidrognio em maior velocidade. Reao: Zn + 2HCl ZnCl2 + H2

4.2 Experimento 2:Verificamos que no ocorreu nenhuma reao demonstrada pela no alterao nas substncias em questo (HCl e Cu). O motivo disto que o

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cobre, tido como um metal nobre possui pouca reatividade e no consegue deslocar o hidrognio. Isto tambm pode ser explicado pela fileira de reatividade: Escala de Reatividade Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe... H Cu Hg Ag Au Pt2011.1

Hidrognio esta acima na escala de reatividade

Cobre esta abaixo na escala de reatividade

Reao: HCl + Cu no ocorre

4.3 Experimento 3No experimento 3, no teste a, O sistema de tubo em U funcionou como previsto, a soluo, que possua colorao rosada (com o permanganato de potssio), foi borbulhada com gs hidrognio, e aps contato com esse gs liberado, devido reao: Zn + 2HCl ZnCl2 + H2, perdeu sua colorao lentamente fruto da reao de reduo ocorrida. J no teste b, observamos forte efervescncia decorrente da reao entre o zinco e o cido sulfrico (Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2) e perda da colorao rosada da soluo do tubo rapidamente.

4.4 Experimento 4Constatou-se que no houve reao, entretanto ao ser adicionado gua, a reao ocorreu evidenciada pela liberao de gs carbnico (CO2), como mostra a transformao abaixo: 2Na+(aq) + HCO3(aq)- + C4H6O6(s) Na2C4H4O6(aq) + 2H2O(l) + CO2(g) 2H+ + CO3-2 Em presena de gua o bicarbonato de sdio de dissocia devido ao fato da gua ter capacidade de reduzir as atraes entre os ons carregados opostamente em soluo, permitindo que nesta condio o bicarbonato

reagisse com o acido tartrico, evidenciando assim a importncia da gua como solvente e como meio reacional.

Com base nos resultados obtidos nos 4 experimentos, foi possvel comprovar a produo do hidrognio em laboratrio pela reduo de hidrognio proporcionada por um metal de potencial de reduo menor que zero, em uma soluo de acido clordrico. Foi observado tambm a comprovao de que o hidrognio atmico mais reativo que o molecular, de acordo com a velocidade que se processou em ambas as formas, alm da ao redutora do hidrognio. A importncia da gua como criadora de meio reacional tambm pode ser verificada no momento em que dois compostos originalmente no estado slido, no reagiram e ao ser adicionado a eles, gua, a reao foi propiciada pela dissociao de um dos compostos.

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5. CONSIDERAES FINAIS

6. REFERNCIAS

www.eq.uc.pt/inovar/hidrogenio.pdf br.geocities.com/chemicalnet/agua.htm http://inorgan221.iq.unesp.br/quimgeral/respostas/eletrolitos.html http://www.e-escola.pt/site/topico.asp?topico=392&canal=3 http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/agua.html Atkins, P.W. e Beran, J. A.-General chemistry, second,

USA:Scientific American Books, 1992.

Lee J. D. - Qumica Inorgnica no to concisa,5 th, So Paulo: Edgard Blucher Ltda., 1999.

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7. ANEXOS2011.1

QUESTO PROBLEMA Com a previso da extino das reservas de petrleo, todas as grandes montadoras do mundo esto desenvolvendo carros com formas alternativas de combustvel, dentre estas podemos citar o hidrognio lquido.

a) Quais

as

vantagens

e

desvantagens

na

utilizao

deste

combustvel? A clula combustvel destaca-se dentre as diferentes tecnologias para a gerao de energia de forma sustentvel. A clula combustvel um dispositivo eletroqumico que combina hidrognio e oxignio para produzir eletricidade e gua. Vantagens: A gerao de energia por meio de pilhas a combustvel pelo menos duas vezes mais eficaz do que a obtida pelos processos tradicionais. Fonte renovvel, inesgotvel e no poluente. A produo de energia pode ser realizada em qualquer lugar

O hidrognio no txico, o que no ocorre com a gasolina, o leo e odiesel que so extremamente txicos e venenosos aos humanos. Emisses nulas, se forem usados hidrognio e oxignio puros. Por cada 25 Kg de hidrognio utilizado, evita-se o consumo de um barril de petrleo. Por cada Kg de hidrognio utilizado em vez de petrleo, 3 kg de CO2 so evitados Rendimento combinado com outras tecnologias elevado Nveis de rudos reduzidos Facilidade de instalao O processo de gerao de energia descentralizado. No ser necessrio construir hidreltricas gigantescas, como Itaipu. O hidrognio

pode ser produzido a partir de vrias fontes: gua, combustveis fsseis e biomassa. Essa produo pode ainda ser feita com o aproveitamento da energia solar ou elica motores sero eltricos, o que evitar a poluio do meio ambiente. Desvantagens: A necessidade da utilizao de metais nobres como, por exemplo, a platina que um dos metais mais caros e raros no nosso planeta Custo inicial muito elevado Exigem combustveis de elevada pureza para aumentar o rendimento do sistema de gerao Falta de experincia de manuteno e de mo de obra especializada Elevados custos de transporte e distribuio A principal matriz energtica do planta se baseia nos combustveis fosseis e uma mudana desta matriz traria dificuldades econmicas e estaria indo de encontro aos interesses de muitos2011.1

Veculos movidos a hidrognio no tero motor combusto. Os

O hidrognio extremamente inflamvel no ar (essa probabilidade de seinflamar situa-se entre 4% e 75% por volume de ar). A energia necessria para inflam-lo muito pequena e, em algumas condies, pode ocorrer auto-inflamao. b) Qual a matria-prima que poder ser utilizada para obteno deste combustvel? Uma fonte para produo de hidrognio so os hidrocarbonetos. O petrleo, por exemplo, formado por hidrocarbonetos, mas conseguir hidrognio a partir dele tem como subproduto carbono que reage como oxignio atmosfrico resultando em dixido de carbono e CO. Outra opo utilizar a gua como fonte de hidrognio, basta quebr-la, entretanto esse processo gasta muita energia, o que tornaria este processo caro.

BOMBA DE HIDROGNIO A bomba de hidrognio o mais possante artefato explosivo jamais produzido pelo homem. Essa arma tem uma fora explosiva milhares de vezes maior que a da bomba atmica que destruiu as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki em 1945. A bomba H tambm pode produzir precipitao radioativa com imensa capacidade mortfera. A bomba de hidrognio baseia-se em reaes nucleares de fuso, isto , dois tomos de hidrognio se chocam com bastante energia e fusionam, transformando-se num tomo mais pesado. Na realidade no se trata de hidrognio normal, mas hidrognio pesado (deutrio). Nesta fuso h liberao de uma quantidade substancial de energia. A fuso dos tomos de hidrognio o meio pelo qual o Sol e as estrelas produzem seu enorme calor. O hidrognio no interior do Sol est comprimido de tal modo que pesa mais do que chumbo slido. A temperatura desse hidrognio alcana elevados ndices cerca de 15 milhes de graus centgrados no ncleo do Sol. Nessas condies, os tomos de hidrognio movem-se de um lado para outro e chocam-se uns com os outros violentamente. Alguns dos tomos fundem-se para formar tomos de hlio, um elemento mais pesado que o hidrognio. Essa reao termonuclear, ou fuso, desprende energia sob a forma de calor. A exploso de uma bomba atmica reproduz, por um instante fugidio, as condies de temperatura e presso existentes dentro do Sol. Mas o hidrognio leve comum (H) reagiria devagar demais, mesmo sob essas condies, para ser utilizvel como explosivo. Ento os cientistas tem de usar istopos mais pesados de hidrognio. Esses istopos reagem mais prontamente do que o hidrognio leve. Os cientistas conhecem dois istopos pesados de hidrognio: o deutrio (H), e o trcio (H), um istopo tornado radioativo artificialmente.

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QUESTIONRIO

Experimento 1

1. O hidrognio rapidamente da soluo aquosa? Justifique.Sim. Por causa de sua baixa solubilidade em gua (273,15K e 105 Pa 0,0214 v/v) o gs escapa rapidamente da soluo aquosa. Esta caracterstica decorrente da inexistncia de regies carregadas, (isto possuir carter apolar) o que impede que a molcula de hidrognio faa ligaes intermoleculares com a gua atravs de interaes dipolo-dipolo. A nica interao possvel para uma substncia apolar com a gua a travs da fora de Van der Waals (cuja ordem de grandeza estimada em 1 kJ/mol). Como no consegue compensar as ligaes-hidrognio j existentes na soluo a molcula de hidrognio escapa facilmente. Justificando a sua baixa solubilidade em gua.

2. Identifique outros metais que poderiam ser usados em lugar dozinco? Justifique sua resposta. Somente aqueles que tenham uma maior reatividade que o hidrognio sendo, portanto capazes de desloca-lo, neste caso so estes: Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al e Fe. 3. Considerando apenas as caractersticas fsicas do gs hidrognio: leve, incolor, inodoro, pouco solvel em gua, como possvel ter certeza que o gs obtido o hidrognio? Considerando essas caractersticas no podemos tem absoluta certeza de que o gs observado o hidrognio, pois outros gases tambm apresentam essas caractersticas. No primeiro experimento a maior probabilidade de que o gs liberado o hidrognio, pois o gs cloro tem tom esverdeado e o gs liberado no experimento possua caractersticas tpicas de hidrognio. Porm

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para se ter certeza quanto a que gs est se produzindo devemos realizar analises no gs obtido ou utilizar mtodos e reaes especficas. Experimento 3 4. Qual a espcie qumica que foi reduzida pelo hidrognio? MnO4- (on permanganato). 5. Escreva a equao qumica que representa o fenmeno que foi observado. Tubo a: MnO4- + 8H+ + 5eTubo b: 2MnO4- + 5Zn + 16H+ Zn H2 Zn2+ + 2e2 H+ + 2 eMn2+ + 4H2O 2Mn2+ + 5Zn2+ + 8H2O

E = + 0,76 (tubo b). E = 0 (tubo a).

6. Por que a molcula da gua polar? Justifique a sua resposta.A molcula de gua angular, existindo uma pequena frao de carga negativa no oxignio central, assim como pequenos resduos de cargas positivas nos hidrognios terminais, de formas a que uma pequena separao de cargas existe na molcula, resultando num plo positivo e num plo negativo, ou dois plos, ou um dipolo. Isso resultado de o oxignio ter a tendncia de atrair para si os eltrons das ligaes O-H, devido diferena de eletronegatividade entre os tomos de oxignio e hidrognio, portanto tornando-se mais negativo, deixando o hidrognio mais positivo. Experimento 4 7. Por que a gua dissolve melhor compostos inicos ou polares? Devido a sua polaridade e da existncia de foras intermoleculares, a gua tem a capacidade de dissolver melhor compostos inicos e polares. Quando uma substncia inica dissolvida em gua, os ctions so atrados

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pelo lado "negativo" da molcula de gua, e os nions pelos lados "positivos". Este processo chamado de hidratao. A hidratao dos ons que promove a "quebra" do retculo cristalino da substncia inica, ou seja, a dissoluo: as substitudas por foras entre a gua e os ons. 8. Escreva a equao que representa a reao qumica observada. A reao ocorreu com a formao de um sal (no experimento um sal insolvel) mais a formao do cido carbnico, este muito instvel quebrandose em gua e CO2, NaHCO3 + H6C4O6 NaHCO3 + H6C4O6 C4H5O6 + H2CO3 C4H5O6 + CO2 + H2O2011.1

foras existentes entre os ctions e nions no slido (ligao inica) so

Instvel