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OBTENÇÃO DE HIDROGÊNIO

OBJETIVOS

  • Produção de hidrogênio;

  • Utilização do hidrogênio para determinar a massa molar do magnésio.

INTRODUÇÃO

O hidrogênio é um elemento abundante no universo e na crosta terrestre é o terceiro elemento mais abundante (depois do oxigênio e do silício) em porcentagem de átomos e o nono em porcentagem de massa. Na Terra, o hidrogênio pode ser encontrado combinado, em grande parte com o oxigênio, constituindo a água. Este elemento também pode ser encontrado em minerais, oceanos e seres vivos (RUSSEL, 1994; SHRIVER; ATKINS, 2008).

A molécula de hidrogênio é leve e ao ser liberada, sobe rapidamente aos níveis mais altos da atmosfera e gradualmente se perde pelo espaço. Possui propriedades químicas muito variadas, apesar de seu único elétron e, sob certas circunstâncias, pode se ligar a mais do que um átomo simultaneamente. Alem disso, varia 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) (MONTOYA, 2011; RUSSEL, 1994).

O hidrogênio atômico possui somente um próton no seu núcleo e um único elétron; no entanto o hidrogênio ordinário é formado de moléculas diatômicas não-polares que possuem dois átomos unidos por uma ligação covalente. O hidrogênio atômico não se encontra livre na natureza, mas combinado em grande número de compostos. Ele é um elemento de grande instabilidade e, conseqüentemente, muito reativo, que tende a ajustar seu estado eletrônico de diversas formas. Quando perde um elétron, constitui um cátion H+, que é na realidade um próton. Em outros casos se produz por meio do ganho de um elétron para formar o ânion hídrico H-, presente apenas em combinações com metais alcalinos e acalinos-terrosos (MONTOYA, 2011; RUSSEL, 1994).

  • Obtenção de Hidrogênio

A produção de hidrogênio é freqüentemente integrada com processos químicos que requerem H2 como matéria prima. O principal uso do hidrogênio é na combinação direta com N2 para produzir NH3, a fonte primaria dos compostos contendo nitrogênio, plásticos e fertilizantes (MONTOYA, 2011; RUSSEL, 1994).

A preparação do gás H2 consiste, usualmente, na redução do estado + 1. Essa redução pode ser conseguida eletroliticamente ou quimicamente. O hidrogênio eletrolítico, comercialmente a forma mais pura, é obtido pela eletrólise da água. No entanto, a obtenção do hidrogênio eletrolítico é cara devido ao elevado custo da energia elétrica (RUSSEL, 1994).

Segundo Russel (1994), a redução química da água pode ser efetuada por meio de grande número de agentes redutores. Na água pura o potencial de redução para:

2e + 2H2O  H2(g) + 2OH(aq)

é, de fato, para o processo:

2e + 2H+(aq) , (1,0 x 10-7 mol/L)  H2(g)

Assim, qualquer agente redutor com um potencial de oxidação suficiente poderá reduzir a água.

Nos laboratórios, o hidrogênio é obtido por ação dos metais sobre a água, soluções diluídas de ácidos e soluções de álcalis. Empregam-se somente os metais que na série eletroquímica estejam colocados acima do hidrogênio. A série eletroquímica dos metais, também chamada de “escala de nobreza” ou de fila de “reatividade química” dispõe os elementos em ordem decrescente de reatividade. Quanto mais nobre o elemento, menor será a sua reatividade química (MONTOYA, 2011).

MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais

- Lixa;

- Régua;

- Béqueres de 50, 300 e 100 mL;

- Provetas de 50 mL;

- Filme plástico;

- Fósforo;

- Termômetro;

- Pinça metálica;

- Haste Universal;

- Balança analítica.

Reagentes

- Magnésio;

- Água destilada;

- Solução concentrada de ácido clorídrico.

PROCEDIMENTO

  1. Uma fita de 10 cm de Mg foi lixada e pesada em balança analítica para a obtenção aproximada de 0,06 e 0,08g;

  2. Em um béquer de 300 mL foram adicionados 20 mL de água destilada,

  3. Uma proveta de 100 mL foi preenchida com água destilada e fechada com filme plástico. Logo após, foi montado um sistema, onde a proveta foi colocada invertida dentro do béquer de 300 mL; Com o auxílio de uma pinça o filme plástico foi removido de modo a não formar bolhas de ar;

  4. A fita de Mg foi enrolada e introduzida no interior da proveta invertida sem que houvesse a formação de bolhas de ar. Em seguida, a proveta foi fixada a haste universal através da garra metálica;

  5. Na capela, cerca de 10 mL de solução concentrada de HCl foi colocada em um béquer de 50 mL contendo cerca de 10 mL de água destilada. Então, a solução de HCl, foi adicionada ao béquer do sistema contendo a fita de magnésio e a reação foi observada;

  6. Após o final da reação, o sistema foi mantido em repouso por 10 minutos e foram anotadas a pressão atmosférica e a temperatura da solução contida no béquer;

  7. Foi observada (quadro 3.1) e anotada a pressão de vapor de água na temperatura da solução contida no béquer;

  8. O nível de liquido na proveta foi igualado com o nível de liquido no béquer, igualando assim a pressão do gás à pressão atmosférica. O volume do gás foi anotado;

  9. Foram utilizados os valores de P, V, e T obtidos, juntamente com a constante dos gases ideais (R= 0,082 atmL/Kmol), para calcular o número de mols de H2 produzidos no experimento ( descontando o valor da pressão de vapor de água da pressão no interior da proveta).

  10. Uma chama foi aproximada a borda da proveta depois de retirá-la de dentro do béquer e de incliná-la a 45°. O fenômeno foi observado.

RESULTADOS

Quando a fita de magnésio entrou em contato com a água nenhum fenômeno foi observado. No entanto, após a adição da solução de HCl pode-se observar que no interior da proveta o magnésio movimentava-se e havia a produção de gás. E após um período maior o magnésio foi consumido, o volume de gás no interior da proveta aumentou e o volume de líquido aumentou no béquer.

Após o final da reação, a proveta foi removida de modo a não perder o gás, então uma chama foi aproximada de sua boca e quando o gás entrou em contato com a chama do fósforo houve uma explosão.

DISCUSSÃO E CONCLUSÃO

Quando a fita de Mg entrou em contato com o ácido houve uma reação produzindo provavelmente um sal e liberando hidrogênio na forma gasosa. Segundo Montoya (2011), este tipo de reação é uma forma de obtenção de hidrogênio gasoso em laboratório, conforme a equação a seguir:

Para a confirmação da presença do hidrogênio no experimento, aproximou-se uma chama a boca da proveta logo após esta ser retirada da água, quando o gás entrou em contato com a chama houve uma explosão, confirmando a existência de gás hidrogênio, pois, uma vez que este gás é inflamável (RUSSEL, 1994).

Com os resultados obtidos pode-se concluir que o hidrogênio gasoso pode ser obtido satisfatoriamente através de soluções diluídas de ácidos reagindo com metais e que a molécula do hidrogênio queima em presença de chama e oxigênio.

RESPOSTAS DAS QUESTÕES PROPOSTAS

  1. Escreva a equação da reação entre magnésio e ácido clorídrico.

  1. Utilize o número de mols de H2 obtido para calcular a massa molar do magnésio.

  1. Compare o valor da massa molar do magnésio obtido experimentalmente com o valor teórico.

  1. Este experimento poderia ser feito com cálcio ou sódio?

O experimento poderia ser feito com Ca ou Na, pois segundo Russel (1994) o hidrogênio pode ser obtido pela redução química da água efetuada por de agentes redutores com um potencial de oxidação maior que + 0,41 V. Sendo assim, os metais como sódio e cálcio, podem produzir hidrogênio a partir de moléculas de água de forma rápida e espontânea devido aos seus potenciais de oxidação:

Na(s)  Na+(aq) + e – ξ° = +2,71 V

Ca(s)  Ca2+(aq)+ 2e – ξ° = +2,87V

  1. Você acha que a solubilidade do hidrogênio em água é alta ou baixa? Justifique.

É baixa, pois, o hidrogênio molecular é o gás mais leve que se conhece, é incolor, inodoro, insípido e insolúvel em água, pois sua densidade é 14 vezes menor que a do ar (SCHAEFER, 2011).

REFERENCIAS

MONTOYA, Diana Marcela Cadena. Estudo do hidrogênio. Disponível em: < http://pt.scribd.com/doc/51796171/relatorio-Estudo-do-hidrogenio>. Acesso em: 03 abr. 2011.

LEE, J. D. Química Inorgânica não Tão Concisa, 5. ed, Trad. Toma et al., São Paulo: Edgard Blucher Editora Ltda, 1996, p. 131-134.

RUSSEL, John Blair. Química Geral, 2. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 1994. 621p.

SHRIVER, Duward. F.; ATKINS, Peter. W. Química Inorgânica, 4 ed., Bookman, Porto Alegre, 2008. 848p.

SCHAEFER, Silvia. Elemento químico hidrogênio. Disponível em: <http://www.tabela.oxigenio.com/hidrogenio/elemento_quimico_hidrogenio.htm>. Acesso em: 03 abr. 2011.

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