SÍNTESE E PROPRIEDADES DO HIDROGÊNIO

1.Introdução

O elemento hidrogênio possui apenas um próton e um elétron, é um dos elementos mais abundantes da Terra, compondo aproximadamente 70% da superfície.

Seu gás é formado por duas moléculas de hidrogênio, esse gás foi formalmente descoberto e sintetizado por T. Von Hohenheim, um alquimista suíço, através de uma reação de metais com ácidos fortes, por meio dessa reação mais tarde o hidrogênio foi identificado como um “ar inflamável”, em 1784 descobriu-se que sua queima produz água.

Esse elemento é muito importante para a composição dos compostos, pois muitos deles possuem ao menos um átomo de hidrogênio, como por exemplo, os compostos orgânicos e inorgânicos, e na composição da água, substancia fundamental na sobrevivência na Terra.

Mas com o crescimento do conhecimento do homem o foi utilizado na construção de uma arma fatal, a bomba de hidrogênio foi construída com isótopos de hidrogênio, mais pesados e reativos, no primeiro teste em 1952 essa bomba liberou 10,4 megatons de energia, sendo que 1 megaton equivale a cerca de um milhão de toneladas de TNT, após o primeiro experimento a bomba H foi aprimorada, aumentando seu potencial de destruição.

O método utilizado para obtenção do hidrogênio nesse experimento foi desenvolvido pelo químico britânico Henry Cavendish, que ao misturar ácido forte com um metal foi possível observar o desprendimento de um gás denominado como ar inflamável, esse elemento ao ser misturado com o oxigênio (O2) da atmosfera, formou-se gotículas de água, nomeando-o então como Hidrogênio, tendo um significado de “gerador de água” em grego. Demonstrando a produção do hidrogênio e suas propriedades, como o alto grau de combustão e a obtenção a partir da reação entre o metal, zinco, e o ácido clorídrico utilizados.

2.Objetivo

Obtenção do gás de hidrogênio em laboratório através do método de descobrimento, por Cavendish em 1776.

3.Procedimento Experimental

3.1 Obtenção do gás hidrogênio

3.1.1 Reação de zinco metálico com ácido clorídrico

Colocou-se zinco metálico em um balão de fundo redondo de 500 mL e fechou-se. Colocou-se ácido clorídrico em uma bureta. Deixou-se escoar ácido clorídrico sobre o zinco lentamente e acendeu-se o bico de Bunsen. Recolheu-se em tubos de ensaio cheios de água dentro da cuba os gases que escaparam através do tubo de vidro que foi adaptado ao balão.

3.1.2 Reação de alumínio metálico com hidróxido de sódio

Colocou-se3mL de solução de hidróxido de sódio e 2 a 3 raspas de alumínio em um tubo de ensaio. Fechou-se o tubo de ensaio com a rolha pela qual passa um tubo de escape de gases e observou-se. Aqueceu-se o tubo de ensaio e com outro tubo de ensaio de boca para baixo foi recolhido o gás liberado, depois de alguns minutos tampou-se a boca do tubo de ensaio com o polegar e aproximou-se da chama do bico de Bunsen e deixou-se o gás escapar, observou-se.

3.1.3 Verificação de propriedades.

a) Verificou-se se o gás é comburente ou combustível através do teste de grito do hidrogênio.

b) Observou-se o gás coletado verificando se é mais ou menos leve que o ar.

c) Colocou-se 2mL de solução de FeCl3, algumas gotas de HCl e uma pitada de ferro metálico em pó, aqueceu-se, deixou-se esfriar e então filtrou-se, observou-se. Adicionou-se NaOH ao filtrado e observou-se, assim verificou-se o poder redutor do gás hidrogênio.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

De modo geral, os metais tendem a produzir gás hidrogênio quando reagem com ácidos. Para que isso ocorra é necessário que o metal seja mais reativo que o hidrogênio (maior tendência a perder elétrons).

4.1. Obtenção do gás hidrogênio

a) Reação de zinco metálico com ácido clorídrico

Ao escoar o ácido clorídrico sobre o zinco houve formação de gás hidrogênio, segundo a reação:

Zn0 → Zn2+ + 2e- (oxidação) Eº = + 0,76

2H+ + 2e- → H2(g) (redução) Eº = 0,00

Temos,

Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g)

O zinco metálico foi oxidado pelo íon H+, formando o íon Zn2+, enquanto o agente oxidante foi reduzido a H2(g). Por tanto obteve-se como produto cloreto de zinco e gás hidrogênio.

O hidrogênio recolhido no tubo de ensaio inflamou-se ao ser colocado em contato com a chama o bico de Bunsen, dando um pequeno estalo – o grito do hidrogênio.

b) Reação de alumínio metálico com hidróxido de sódio

Ao adicionar alumínio metálico á solução de hidróxido de sódio a reação ocorreu rapidamente e se intensificou com o aquecimento, produzindo gás hidrogênio como na reação:

2Al(s) + 2NaOH(s) + 2H2O(l) → 2NaAlO2(aq) + 3H2(g)

Como no caso anterior, o gás hidrogênio – produzido, recolhido e exposto à chama do bico de bunsen – produziu o estalo do grito do hidrogênio.

4.2. Verificação das propriedades.

Ao liberar o hidrogênio, contido no tubo de ensaio, próximo à chama do bico de Bunsen ocorre uma reação de combustão (exotérmica), onde o hidrogênio é o combustível (alimenta o fogo) e o oxigênio o comburente (substância que em contato com o combustível permite a combustão).

H2(g) + O2(g) → H2O

Nota-se pelo experimento que o hidrogênio é mais leve que o ar. No processo de recolhimento do gás, a medida que o hidrogênio entrava no tubo e ar saia.

4.2.1. Poder redutor do gás hidrogênio

Foi adicionado à solução de cloreto de ferro (III), de cor amarela, gotas de ácido clorídrico e ferro metálico em pó. Com o aquecimento o ferro metálico oxidou a Fe2+, e o H+ se reduziu, produzindo gás hidrogênio:

Fe(S) + 2H+ → Fe2+ + H2(g)↑

O ferro(III) foi reduzido a ferro(II) pelo hidrogênio gasoso:

Fe3+ + H2(g) → Fe2+ + H+

Após a filtração a solução é incolor, evidenciando a ausência de Fe3+. A próxima etapa é a adição de NaOH:

FeCl2 + 2NaOH → 2NaCl + Fe(OH)2

O resultado foi uma reação de dupla troca, produzindo cloreto de sódio e hidróxido de ferro(II). Solução verde musgo.

5. CONCLUSÃO

A partir dos experimentos realizados pôde-se concluir que um dos modos de obter gás hidrogênio é por meio da reação de um ácido com um metal mais reativo. Também é possível obter metais a partir de reações de oxirredução em que o hidrogênio atua como agente redutor, reagindo com um composto do metal que se busca obter.

6. BIBLIOGRAFIA

1- HOUSECROFT, CATHERINE E.; ALAN, SHARPE G.; Química Inorgânica Vol.1, 4ª Edição – Tradução Edilson Clemente Silva, Júlio Carlos Afonso e Oswaldo Esteves Barcia, Rio de Janeiro, LTC, 2013, Pg 270 a 290.

2- http://www.infoescola.com/elementos-quimicos/hidrogenio/

3- ATKINS,Peter;JONES,Loretta; Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente;5ªed;Porto Alegre:Bookman,2012

4- http://www.tabelaperiodicacompleta.com/elemento-quimico/hidrogenio

5- http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=392&ordem=3

6- http://www.gasnet.com.br/gasnatural/materia_completa.asp

7- http://www.abenge.org.br/CobengeAnteriores/2004/artigos/01_363.pdf

7. QUESTIONÁRIO

1) Discuta a inclusão do hidrogênio em um dos grupos dos elementos representativos.

Os elementos representativos possuem o elétron mais energético no subnível s ou p e compõem as famílias 1, 2 e 13 a 18. Embora o hidrogênio possua características próprias e muito diferentes dos elementos representativos, ele foi incluso na família 1 porque possui apenas 1 elétron no subnível mais energético (1s1).

2) Descreva os principais usos do hidrogênio.

O hidrogênio possui algumas aplicações industriais, como a hidrogenação de gorduras insaturadas para produzir margarina, e a produção de compostos orgânicos, como exemplo o metanol (CH3OH).

3) Quais são os isótopos de hidrogênio e como podem ser obtidos?

Os isótopos de hidrogênio são: Prótio, Deutério e Trítio.

Prótio (1H): Pode ser obtido eletroliticamente na forma de H2O.

Deutério (2H): Também pode ser obtido eletroliticamente na forma de D2O.

Trítio (3H): Naturalmente não pode ser encontrado na superfície terrestre. Pode ser obtido artificialmente através do bombardeio de Deutério, e pela reação de nêutrons térmicos com Lítio, por exemplo, em reatores nucleares.

4) Dê as reações de obtenção de hidrogênio:

a. Método de Lavoisier.

Reação de ácido com um metal menos nobre que o hidrogênio

Zn + 2 HCl ZnCl2 + H2

b. Método da oxidação parcial de hidrocarbonetos.

A produção de hidrogênio à partir do gás natural se realiza através de processos de oxidação parcial ou reforma por vapor que resultam em misturas de hidrogênio e óxidos de carbono. A partir deste gás de síntese os óxidos de carbono são removidos e o gás rico em hidrogênio é resfriado à baixas temperaturas e sua purificação realizada por fracionamento.

Exemplo: A equação a seguir mostra a reação da reforma a vapor, a

qual consiste na reação endotérmica do etanol com vapor de água, formando, principalmente,CO (monóxido de carbono) e H2 (hidrogênio):

C2H5OH(V) + H2O(V) 2 CO + 4 H2

c. Método eletrolítico.

Este método baseia-se na utilização da energia eléctrica, para separar os componentes da água (hidrogénio e oxigénio), sendo o rendimento global do processo da ordem dos 95%. Altamente prometedor, não agressivo para o meio

ambiente é a obtenção do hidrogénio por electrólise da água.

2 H2O + electricidade 2 H2 + O2

5) O que são hidretos? Como são classificados? Exemplifique.

Hidretos são íons H-. São classificados como hidretos metálicos, salinos, moleculares e covalentes com estrutura estendida.

Hidreto metálico: Hidrogênio combinado com elementos dos blocos d e f da tabela periódica. Exemplo, SbH3.

Hidreto salino: Formado pelo aquecimento dos metais do grupo 1 ou 2 (exceto o Be) com H2. Exemplo, LiH, NaH.

Hidreto molecular: Formado pelos elementos do bloco p nos grupos 13 a 17 (exceto Al e Bi). Exemplo, B2H6, GaH3.

Hidreto covalente com estrutura estendida: Polimérico, formado pelo Be e pelo Al. Exemplo, B2H2, AlH6.

6) Observe os seguintes dados:

-raio iônico teórico H1- =2,08 A;

-raio atômico teórico He = 0,93 A;

-Ponto de ebulição do HF = 20ºC; HCl = -85ºC; HBr = -67ºC e HI = -36ºC.

a) Por que o raio iônico teórico do H1- é muito maior (dobro) que o raio atômico do He?

O átomo de Hélio possui dois prótons na região do núcleo, e dois elétrons ao redor (eletrosfera). Nessa configuração os elétrons são mais fortemente atraídos pelos prótons e consequentemente o átomo de Hélio tem o seu tamanho diminuído, em comparação ao íon H1-.

O íon H1- possui um próton na região do núcleo e dois elétrons na eletrosfera. A adição de um elétron na eletrosfera é o que promove ligeiro aumento no raio do íon H1- e o torna maior que o átomo de Hélio.

b) Por que existe essa variação nos pontos de ebulição desses compostos?

A variação no ponto de ebulição dos haletos de hidrogênio pode ser explicada pelas forças intermoleculares envolvidas nesses compostos. O ponto de ebulição é maior para composto que apresenta moléculas mais fortemente ligadas.

Quando o hidrogênio está ligado a F, O ou N, ocorre ligação do tipo “ligação de hidrogênio”, onde há maior força intermolecular e consequentemente o composto apresenta maior ponto de ebulição, como no caso do HF.

No caso dos compostos HCl, HBr e HI, com pontos de ebulição -85ºC, -67ºC e -36ºC respectivamente, ocorre aumento do ponto de ebulição do composto a medida que ocorre aumento do tamanho do átomo ligado ao hidrogênio. Nesses compostos ocorrem “atrações dipolo-dipolo” e também as chamadas “forças de dispersão de London”, sendo esta última a responsável pelo comportamento nos pontos de ebulição. As forças de dispersão de London promovem a formação de um dipolo instantâneo que interage com um dipolo induzido, e o efeito do dipolo induzido é tanto maior a medida que o raio do átomo ligado ao hidrogênio também aumenta.