RELATÓRIO HIDRETOS E HIDROGÊNIO

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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Instituto de Química (IQ)
Departamento de Química Inorgânica (GQI)
Química Inorgânica Experimental III (Turma AD)
Prof° Thiago de Melo Lima
PRÁTICA:
HIDRETOS E HIDROGÊNIO
Por
Beatriz Pereira de Freitas e Victor Alves de Souza Guedes
19 de abril de 2023, Niterói - RJ.
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO..................................................................................................................... 3
2. OBJETIVOS...........................................................................................................................4
3. MATERIAIS E MÉTODO DE ENSAIO............................................................................... 4
3.1 MATERIAIS...................................................................................................................4
3.2 MÉTODO DE ENSAIO.................................................................................................4
3.2.1 Preparação de hidrogênio...................................................................................... 4
3.2.2 Preparação de amônia gasosa................................................................................5
3.2.3 Síntese de sulfeto de hidrogênio............................................................................5
3.2.4 Reatividade do hidreto de cálcio........................................................................... 5
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................................................................5
4.1 Preparação de hidrogênio............................................................................................... 5
4.2 Preparação de amônia gasosa.........................................................................................8
4.3 Síntese de sulfeto de hidrogênio...................................................................................10
4.4 Reatividade do hidreto de cálcio.................................................................................. 11
5. CONCLUSÃO......................................................................................................................11
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................................12
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1. INTRODUÇÃO
Elemento químico presente em maior quantidade no universo, o hidrogênio também é
o futuro da energia no planeta Terra. Pelo fato de existir a necessidade de uma nova matriz
energética não vinculada aos hidrocarbonetos e não poluente, que esteja em abundância
suficiente para ser o novo substituto. Vale ressaltar que sua produção natural é gerada a partir
da fermentação de microorganismos, ou como subproduto da biossíntese da amônia em
processos que ocorrem sem oxigênio. A produção do hidrogênio é feita a partir da
decomposição de matéria orgânica pelas bactérias fermentativas, que atuam como agentes na
reação, utilizando como um aceptor de elétrons.𝐻+
O átomo de hidrogênio, de estado fundamental , tem apenas um elétron, mas se1𝑠1
assemelha a 3 grupos da tabela periódica: o grupo 1, 14 e 17. As principais semelhanças são,
respectivamente: um único elétron de valência, uma camada de valência semipreenchida e
precisa de um elétron para completar sua camada de valência. Nesse contexto, ele conta com
características como: elemento mais leve, inodoro e é a fonte de energia para as reações que
alimentam o Sol.
Além das suas características como , o hidrogênio é capaz de apresentar a função𝐻+
inorgânica binária, ou seja, de dois elementos químicos, sendo o hidrogênio o elemento mais
eletronegativo e agora com o nome de hidreto de nox -1 ( ). Seu par que acompanha assim𝐻−
o hidrogênio na constituição de um Hidreto, pode ser de várias naturezas (contanto que
menos eletronegativo que o hidrogênio), por exemplo: metais (alcalinos e alcalinos terrosos),
semimetal, ametal.
No intuito de exemplificar as características dos hidretos, é possível subdividi-los em:
Hidretos iônicos, Hidretos metálicos, Hidretos moleculares. Os iônicos apresentam as
características principais de serem compostos por elementos eletropositivos, encontrados
como sólidos cristalinos não-voláteis, além de muito reativos na presença de água, fonte de
hidrogênio gasoso e sólido em temperatura ambiente. Já os metálicos, constituídos com
diversos elementos dos grupos d e f, por sua vez, são considerados estequiométricos, sólidos
em temperatura ambiente e bons condutores de corrente elétrica. Por fim, os Hidretos
moleculares são formados pela ligação covalente do hidrogênio com elementos de
eletronegatividade próxima ou maior que a dele, podem ser encontrados nas três formas
(sólida, líquida e gasosa) em temperatura ambiente e é muito reativo com a água.
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2. OBJETIVOS
- Identificar os tipos de hidretos e as forças intermoleculares presentes.
3. MATERIAIS E MÉTODO DE ENSAIO
3.1 MATERIAIS
- Zinco metálico em pó
- Alumínio metálico
- HCl 3 mol.L-1
- NaOH 3 mol.L-1
- Tubos de ensaio
- Bico de Bunsen
- NH4Cl
- Ca(OH)2
- Reagente de Nessler
- Fita indicadora de pH
- Papel de filtro
- FeS
- HCl 2 mol.L-1
- CuSO4 0,1 mol.L-1
- Pb(CH3COO)2 0,1 mol.L-1
- Água destilada
- Tubo de saída lateral
- Mangueira
- CaH2
- Água destilada
3.2 MÉTODO DE ENSAIO
3.2.1 Preparação de hidrogênio
Em tubos de ensaio identificados como A e B, adicionou-se cerca de 50 mg de Zinco
metálico em pó e 2 mL de HCl 3 mol.L-1 (TUBO A) e NaOH 3 mol.L-1 (TUBO B). Em
4
seguida, em tubos identificados como C e D, adicionou-se fios de alumínio metálico
devidamente lixados e 2 mL de HCl 3 mol.L-1 (TUBO C) e NaOH 3 mol.L-1 (TUBO D). Os
tubos C e D foram levemente aquecidos com o auxílio do bico de Bunsen, a fim de favorecer
a reação.
3.2.2 Preparação de amônia gasosa
Em um tubo de ensaio, adicionou-se cerca de 201 mg de Ca(OH)2 e 300 mg de
NH4Cl e, em seguida, foi levado para o aquecimento direto com o auxílio do bico de Bunsen.
Durante a reação, o gás desprendido foi testado com uma fita de pH. Além disso, a presença
da amônia foi identificada pelo teste de Nessler, em que adicionou-se gotas do reagente em
um pedaço de papel de filtro e o mesmo foi posicionado na saída do tubo. Dessa forma, ao
entrar em contato com o gás produzido na reação, foi possível verificar se houve mudança de
coloração.
3.2.3 Síntese de sulfeto de hidrogênio
Em um tubo de saída lateral conectado a uma mangueira com uma pipeta Pasteur na
ponta, adicionou-se cerca de 2g de FeS e 5-8 mL de HCl 2 mol.L-1 , fechando o tubo com
uma rolha de borracha. Em dois tubos de ensaio contendo 2 mL de água destilada, o gás foi
borbulhado e em seguida, adicionou-se algumas gotas de CuSO4 0,1 mol.L-1 e no outro tubo,
gotas de Pb(CH3COO)2 0,1 mol.L-1.
3.2.4 Reatividade do hidreto de cálcio
Em um tubo de ensaio, adicionou-se 3 mL de água destilada e uma pequena
quantidade de CaH2. Em seguida, mediu-se o pH da solução com o auxílio de uma fita
indicadora.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Preparação de hidrogênio
Primeiramente, foi adicionado 50 mg de zinco metálico em pó e, posteriormente, 2
mL de ácido clorídrico 3 ao tubo A (Figura 1). Imediatamente a adição do ácido foi𝑚𝑜𝑙 𝐿−1
possível observar a dissolução do sólido e a formação de pequenas bolhas.
𝑍𝑛
(𝑠)
+ 2 𝐻𝐶𝑙
(𝑎𝑞)
→ 𝑍𝑛𝐶𝑙
2(𝑎𝑞)
+ 𝐻
2(𝑔)
5
0,76 V𝑍𝑛0 → 𝑍𝑛2+ + 2𝑒
0,00 V2𝐻+ + 2𝑒 →𝐻
2
——————————————
𝑍𝑛0 + 2𝐻+⇌ 𝑍𝑛2+ + 𝐻
2
 0, 76 𝑉 𝐸0
Nesse caso acontece a oxidação do zinco (Zn) que passa do nox = 0 para nox = +2 e
como está na forma de pó, apresenta uma área de contato maior que favorece mais
efetividade da reação. Já a formação de bolhas é explicada pela liberação do gás hidrogênio
que é desprendido da reação. Vale ainda ressaltar que o aquecimento do tubo intensificou a
reação devido a adição de calor ao sistema.
No tubo B (Figura 2), por sua vez, houve a adição de 50 mg de zinco em pó e 2 mL de
hidróxido de sódio 3 . Nesse caso, houve a oxidação do zinco (Zn) que passa do nox𝑚𝑜𝑙𝐿−1
= 0 para nox = +2 e apesar da reação também ter ocorrido, foi de forma mais lenta juntamente
com a formação de bolhas e com a deposição do sólido preto no fundo, que logo foi se
dissolvendo após levado ao aquecimento.
𝑍𝑛
(𝑠)
+ 2 𝑁𝑎𝑂𝐻
(𝑎𝑞)
→ 𝑁𝑎
2
𝑍𝑛𝑂
2(𝑎𝑞)
+ 𝐻
2(𝑔)
1,21 V𝑍𝑛0 + 2𝐻
2
𝑂 → 𝑍𝑛𝑂
2
−2 + 4𝐻+ + 2𝑒
0,00 V2𝐻+ + 2𝑒 →𝐻
2
————————————————————————
𝑍𝑛0 + 2𝐻
2
𝑂 ⇌ 𝑍𝑛𝑂
2
−2 + 𝐻
2
+ 2𝐻+ 1, 21 𝑉 𝐸0
O fato do zincato de sódio ( ) ser pouco solúvel em meio aquoso foi o𝑁𝑎
2
𝑍𝑛𝑂
2
responsável pela necessidade de levar ao aquecimento e as bolhas formadas indicaram a
liberação de gás hidrogênio, que se intensificaram a partir do fornecimento de calor ao
sistema.
6
(Figuras 1 e 2: Tubo A e tubo B, respectivamente.)
Em seguida, no tubo C foi adicionado 50 mg de alumínio metálico e, depois, 2 mL de
ácido clorídrico 3 . Nessa etapa, aconteceu a oxidação do alumínio (Al) que passou𝑚𝑜𝑙 𝐿−1
do nox = 0 para nox = +3 e demorou mais um tempo para que pudesse observar a ocorrência
da reação, em que o sólido alterou levemente a coloração de cinza para branco e houve
demasiada formação de bolhas (figura 3).
𝐴𝑙
(𝑠)
+ 3 𝐻𝐶𝑙
(𝑎𝑞)
→ 𝐴𝑙𝐶𝑙
3(𝑠)
+ 32 𝐻2(𝑔)
1,66 V𝐴𝑙0 → 𝐴𝑙3+ + 3𝑒
0,00 V3𝐻+ + 3𝑒 → 32 𝐻2
——————————————
𝐴𝑙0 + 3𝐻+⇌ 𝐴𝑙3+ + 32 𝐻2 1, 66 𝑉 𝐸
0
Tornou-se claro que as bolhas foram formadas indicando a liberação de gás
hidrogênio que, se tornou demasiada justamente pelo lixamento prévio do alumínio, deixando
o que favoreceu a efetividade da reação. Ao ser levado ao aquecimento, a formação de bolhas
no tubo se intensificou pela adição de calor ao sistema.
Por fim, no tubo D foi adicionado 50 mg de alumínio metálico e, depois, 2 mL de
ácido hidróxido de sódio 3 . Nessa etapa, houve a oxidação do alumínio (Al) que𝑚𝑜𝑙 𝐿−1
passou no nox = 0 para nox = +3 e foi perceptível a ocorrência imediata e intensa da reação,
provocando a alteração de coloração no sólido de cinza para branco e a formação de bolhas
(figura 4).
𝐴𝑙
(𝑠)
+ 𝑁𝑎𝑂𝐻
(𝑎𝑞)
+ 𝐻
2
𝑂
(𝑙)
→ 𝑁𝑎𝐴𝑙𝑂
2(𝑎𝑞)
+ 32 𝐻2(𝑔)
7
2,33 V𝐴𝑙0 + 4𝐻+ → 𝐴𝑙𝑂
2
−3 + 4𝐻
2
𝑂 + 3𝑒
0,00 V2𝐻+ + 2𝑒 →𝐻
2
————————————————————————
𝐴𝑙0 + 4𝐻
2
𝑂 ⇌ 𝐴𝑙𝑂
2
−3 + 𝐻
2
+ 3𝐻+ 2, 33 𝑉 𝐸0
As bolhas formadas indicam a liberação de gás hidrogênio que, ao ser levado ao
aquecimento, intensifica o borbulhamento ocasionado pela adição de calor ao sistema.
(Figuras 3 e 4: Tubo C e tubo D, respectivamente.)
4.2 Preparação de amônia gasosa
Em um tubo de ensaio, adicionou-se 201 mg de Hidróxido de Cálcio (Ca(OH)2) e 300
mg de Cloreto de Amônio (NH4Cl). Em seguida, com o auxílio de um pregador, o tubo foi
levado para aquecimento direto na chama de um bico de Bunsen. O aumento da temperatura
na região externa do vidro, favoreceu a transferência de calor para o sistema e com isso,
ocorreu a dissociação dos sais e a formação de NH4OH(aq) e CaCl2(aq).
Ca(OH)2 (s)+ 2 NH4Cl(s) CaCl2(aq) + 2 NH4OH(aq)→
O Hidróxido de amônio formado durante a reação se decompõe e libera o gás amônia
como mostrado na seguinte reação:
(1) NH4OH(aq) →H2O(l) + NH3 (g) (↑)
(2) Ca(OH)2 (s)+ 2 NH4Cl(s) → CaCl2(aq)+ 2 H2O(l)+ 2 NH3 (g) (↑)
8
Além disso, é possível perceber na figura 5 que durante o processo reacional, ocorre a
precipitação do Cloreto de Amônio nas paredes do tubo de ensaio devido a mudança de
temperatura, já que sua extremidade estaria mais fria pela falta de exposição ao calor da
chama. Esse precipitado branco no corpo do tubo dificulta a visualização da saída do gás,
porém sua presença pode ser confirmada através do reagente de Nessler e da determinação do
pH.
(Figura 5: Tubo de ensaio com NH4Cl(s) depois do aquecimento)
Em um papel de filtro cortado, foi adicionado duas gotas do reagente de Nessler e o
mesmo foi direcionado a boca do tubo para que houvesse contato com o gás. O papel,
inicialmente com coloração amarela, mudou para um tom alaranjado, como mostrado na
figura 6, o que confirma a presença da amônia, uma vez que o reagente de Nessler, ao entrar
em contato com a mesma, forma um complexo de cor vermelho-alaranjado.
2 K2[HgI4](aq) + 2 NH3(g) →NH2Hg2I3 + KI + NH4I(aq)
(Figura 6: Reagente de Nessler após entrar em contato com NH3)
9
Além disso, o gás desprendido, NH3, teve seu pH determinado através de uma fita
indicadora, resultando em um pH básico em torno de 9-10.
4.3 Síntese de sulfeto de hidrogênio
Primeiramente, foi adicionado entre 1 a 2 g de FeS em um tubo de ensaio de saída
lateral. Em seguida, o mesmo tubo, que estava conectado a uma mangueira de silicone com
uma pipeta Pasteur em sua extremidade, recebeu uma quantidade de, aproximadamente, 8 mL
de HCl 2 . No momento em que o ácido clorídrico entra em contato com o sulfeto de 𝑚𝑜𝑙 𝐿−1
ferro, ocorre a formação do gás tóxico, o sulfeto de hidrogênio. Para evitar que gás formado
se desprenda pela parte superior do tubo, o mesmo foi fechado com uma rolha de borracha
imediatamente, para que o gás fosse direcionado à saída da mangueira.
𝐹𝑒𝑆
(𝑠)
+ 2𝐻𝐶𝑙
(𝑎𝑞)
→ 𝐹𝑒𝐶𝑙
2(𝑎𝑞)
+ 𝐻
2
𝑆
(𝑔)
Em dois tubos de ensaio, foi adicionado 2 mL de água destilada e, em cada um
deles, foi borbulhado o gás formado na reação acima com o auxílio da pipeta Pasteur na
ponta da mangueira. Em seguida, algumas gotas de sulfato de cobre foram adicionadas ao
tubo 1. Já no tubo 2, gotas de acetato de chumbo.
Tubo 1: 𝐶𝑢𝑆𝑂
4(𝑎𝑞)
+ 𝐻
2
𝑆
(𝑎𝑞)
→ 𝐶𝑢𝑆
(𝑠)
+ 𝐻
2
𝑆𝑂
4(𝑎𝑞)
Tubo 2: 𝑃𝑏(𝐶𝐻
3
𝐶𝑂𝑂)
2(𝑎𝑞)
+ 𝐻
2
𝑆
(𝑎𝑞)
→ 𝑃𝑏𝑆
(𝑠)
+ 2 𝐶𝐻
3
𝐶𝑂𝑂𝐻
(𝑎𝑞)
Dissociação: 𝐻
2
𝑆 → 𝐻𝑆− + 𝐻+
𝐻𝑆− → 𝑆2− + 𝐻+
Observando as reações, pode-se concluir que, no tubo 1, a reação dependerá da
segunda desprotonação do ácido sulfúrico e com isso, formará o sulfato de cobre. Já no caso
do chumbo, é esperado uma formação maior de precipitado pelo fato de meio apresentar
maior quantidade de HS- do que S2-, devido ao pka do ácido. Vale ressaltar que o HS- é a base
conjugada do sulfeto de hidrogênio, sendo um ligante aniônico mole que forma complexos
com boa parte dos íons metálicos. Ao final do experimento, foi possível observar uma
pequena parcela de solução de coloração azul no tubo 1, representando o cobre que não se
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precipitou totalmente, diferente do que ocorre no tubo 2, que não é possível fazer essa
observação já que o acetato de chumbo é incolor.
Após o final do experimento e toda a tomada de dados, a solução resultante do tubo
de saída lateral foi neutralizada com NaOH 3 mol.L-1 para que, dessa forma, pudesse ser
descartada de maneira adequada
H2S(aq) + NaOH(aq) →NaHS(aq) + 1 H2O(l)
4.4 Reatividade do hidreto de cálcio
Em primeira instância, foi obtido cerca de 7 mg de hidreto de cálcio ( ) e𝐶𝑎𝐻
2
acrescido no tubo de ensaio que continha 3 mL de água destilada. Nessa etapa, pode-se
observar que o sólido, inicialmente branco, se dissolveu provocando a formação de bolhas.
𝐶𝑎𝐻
2(𝑎𝑞)
+ 2𝐻
2
𝑂
(𝑙)
→ 𝐶𝑎(𝑂𝐻)
2(𝑎𝑞)
+ 2𝐻
2(𝑔)
Com o intuito de comprovar a presença de hidróxido de cálcio no meio, foi utilizada
uma fita indicadora de pH conferindo a medida de pH 12 (figura 9), como já esperado, já que
trata-se de um solução básica.
(Figura 9: Fita indicadora de pH após ser testada na solução.)
5. CONCLUSÃO
Diante dos experimentos realizados, foi possível constatar que dificilmente é possível
fazer aquecimento brando utilizando um bico de Bunsen, com isso, foi preciso ter muito
cuidado na manipulação dos tubos devido às projeções do conteúdo ao meio externo.
Ademais, ficou evidente a importância do lixamento prévio do alumínio com o intuito de
eliminar o óxido de alumínio que, por sua vez, apresenta uma boa aderência ao metal, além
de dificultar as reações e o consumo do alumínio metálico. Durante a preparação da solução
11
de amônia gasosa, foi possível observar que com o aquecimento da solução a fita que estava
suspensa foi mudando de cor, indicandoa liberação do gás entregando um pH em torno da
faixa de 9-10. Vale ainda ressaltar que as soluções contendo cobre e chumbo obtiveram
coloração muito escura e similar, por isso a dificuldade em identificá-los.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. O combustível “Hidrogênio”. Santos, F. A. C. M. Instituto Politécnico de Viseu.
Portugal. p. 254-265, 2005.
2. Principles of hydrogen chemistry. Sanderson, R. T. J. Chem. Educ. 1964, 41, p.
331-333. DOI: 10.1021/ed041p331.
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