Preparação e Propriedades do H2, O2, H2O2

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Universidade Estadual de Maringá
Centro de Ciências Exatas
Departamento de Química
2° Prática
Preparação e Propriedades do H2, O2, H2O2.
(Exercícios de aprendizado)
 Docente:
 
 Discentes:
Maringá, setembro de 2019.
Reação E°/V
1)
2)
3)
4)
5)
6)
 2NaOH + MgCl2 → Mg(OH)2 + 2NaCl 
7)
 2KMnO4 + 3H2O2 → 2MnO2 + 2KOH + 3O2 + 2H2O
9)
 BaO2 (s) + H2SO4 (aq) → BaSO4 (s) + H2O2 (aq)
10)
 K2Cr2O7 + H2SO4 + 4H2O2 → 2CrO5 + K2SO4 + 5H2
11)
 2CrO5 + 7H2O2 + 6H+ → 2Cr3+ + 10H2O + 7O2
12)
 H2O2 + H2SO4 + 2KI ⇔ K2SO4 + 2H2O + I2
13)
 2KMnO4 (aq) + 3H2SO4 (aq) + 5H2O2 (aq) → K2SO4 (aq) + 2MnSO4 (aq) + 8H2O (l) + 5 O2 (g)
Exercícios:
1) Cite 6 métodos de preparação do H2.[1]
 O hidrogênio pode ser preparado com a reação da água, ou ácidos, diluídos em metais eletropositivos (Alcalinos, Alcalinos terrosos, 3A, 4A e Lantanídeos) 
 Os métodos mais convencionais e obter H2 no laboratório são:
· Zn + 2HCl ➔ ZnCl2 + H2
· Ca + 2H20 ➔ Ca(OH)2 + H2 
· 2Al + 2NaOH + 2H2O ➔ 2NaAlO2 + 3H2 
 A hidrólise de um hidreto metálico gera 2x mais hidrogênio:
· CaH2 + 2H20 ➔ Ca(OH)2 + 2H2 
Reação de mudança de vapor de água (RMV):
 CH4 + H20 ➔ CO +3H2 (1100º C)
 C + H20 ➔ CO + H2 (1000º C)
· CO + H20 ➔ CO2 + H2 (400º C e um catalizador de Cu, ZnO, AlO3)
Produção industrial de hidrogênio com alto grau de pureza, provem da decomposição do metanol:
· MeOH ➔ CO + 2H2 (400º C e um catalizador de Cu, ZnO, AlO3)
Decomposição da água a partir de eletrodos de platina, formando H2 com pureza > 99,95 %:
· 2H20(l) ➔ 2H2 + O2 (H2SO4 e corrente elétrica)
2) Cite 4 propriedades (físicas ou químicas) do H2.[1] 
 É um gás, a temperatura ambiente, inodoro, incolor, inflamável, solúvel em solventes líquidos, pode perder um elétron se tornando um ânion monovalente ou ganhar um elétron se tornando um cátion monovalente.
3) Cite 5 usos do H2. [1] [2]
 É usado em motores a combustão; baterias de hidrogênio, também chamadas de células de combustível dos foguetes; suas características limpas fazem do hidrogênio uma fonte desejável de energia alternativa; em sistemas de armazenamento conhecidos como sistemas criogênicos; como reagente nos laboratórios formando água, ácidos, hidróxidos, entre outros.
4) Em quais tipos de compostos o nox do hidrogênio é negativo? [1]
Nos compostos chamados Hidretos, o nox será negativo no ânion hidreto (H-), onde se considera o hidrogênio sendo o elemento mais eletronegativo da reação. Ex: NaH, CaH2 
5) Quais são os íons conhecidos de hidrogênio? [1]
 Íon Hidreto (H-), Íon Hidrônio (H3O+), Cátion Trihidrogênio (H3+), Próton (H+).
6) Comente sobre as reações do H2 (dissociação homolítica, dissociação heterolítica, ativação por reação radicalar e reações redox). [1] [2]
· Dissociação Homolítica:
· A ruptura da ligação é feita de modo igual, o que resulta na formação de radicais livres;
· Alta energia;
· A reação ocorre com moléculas apolares ou com baixa diferença de eletronegatividade, por exemplo o C e o H;
· Ao final da reação temos: um átomo com elétron desemparelhado que tem carga elétrica igual a zero.
· Dissociação Heterolítica:
· A quebra desigual da molécula faz com que o par eletrônico fique com apenas um dos átomos da ligação;
· Baixa energia e na presença de solventes polares;
· Ligações polarizadas;
· Os produtos finais da reação são íons com carga positiva (cátions) ou carga negativa (ânions), como o H+;
· Ativação por reação radicalar:
· Formação de radicais a partir de homólise, na presença de calor ou irradiação de luz;
· Reação é exotérmica, porém a quebra homolítica é endotérmica;
· O radical pode abstrair um H de uma ligação H-C;
· Reação Redox:
· Transferência de elétrons;
· Quem perde elétrons oxida e age como agente redutor;
· Quem ganha elétron reduz e age como agente oxidante;
· O H+ pode reagir com 2 elétrons formando o gás hidrogênio (H reduz),
· O Gás hidrogênio pode reagir com dois elétrons formando hidreto (H reduz),
· Nas reações contrarias o H oxida;
· O H vai reduzir ou oxidar dependendo da outra espécie;
7) Com quais elementos da tabela periódica o oxigênio não forma composto? [1]
 Com a platina, o ouro, o tungstênio, e os gases nobres.
8) Com qual elemento o oxigênio permanece com nox positivo? 
O hidrogênio é menos eletronegativo que todos os não-metais e semimetais, por isso, quando ligado a esses elementos, tem nox positivo e sempre igual a +1. 
9) Quantas formas iônicas possui o oxigênio molecular? 
O oxigênio molecular possui três íons moleculares, sendo peróxido, O2+ e o superóxido. O peróxido possui carga O2-2 o O2+ é o cátion molecular do oxigênio e possui carga +1 e o superóxido possui carga O2-.
10) Qual é o método de produção industrial do O2? Em qual efeito se baseia? 11) Qual é a cor dos cilindros de oxigênio comercial? E quais são as impurezas mais comuns? 
A produção industrial do oxigênio é feita por meio de um processo de destilação que retira o ar da atmosfera, que é então filtrado, comprimido e resfriado. Por meio destes processos são extraídos os teores de água, gases indesejados e impurezas. O ar purificado passa então por uma coluna onde são separados oxigênio, nitrogênio e argônio, no estado líquido.
11) Qual é a cor dos cilindros de oxigênio comercial? E quais são as impurezas mais comuns?
A identificação de um determinado gás, ou de uma mistura de gases, precisa, obrigatoriamente, ser realizada através da cor de pintura localizada na calota do cilindro que contém esse gás. Assim, gases para uso industrial, por exemplo, possuem cilindros com cores diferentes de gases para combate a incêndios. Nesse caso, o gás de ar comprimido é identificado pela cor azul-segurança, quando para fins industriais e medicinais, e pela cor amarela, quando usado como equipamento de respiração autônoma. A coloração de um cilindro de oxigênio industrial é preta. 
Há diversos tipos de purezas nos cilindros de oxigênio, podendo ser: tipo 6, que apresenta uma pureza mínima de 99,9999% apresentando impurezas (ppm) de H2O < 0,5 N2 < 0,8 e THC < 0,1, também a tipo 4,0 que apresenta pureza mínima de 99,99% com impurezas (ppm) de Ar < 20 H2O < 3 e N2 < 20 e por fim pureza do tipo 2,8 com pureza mínima de 99,8% apresentando impureza (ppm) de H2O < 5. 
12) Cite 5 métodos de obtenção do O2 em escala de laboratório. 
6CO2(g) + 6H2O(l) + luz solar C6H12O6(aq) + 6O2(g) 
2HClO + Co2 + 2HCl + O2 
MnO2 + 2 KClO3(s) 2KCl(s) + 3O2(g) 
2 HgO(s) 2 Hg(l) + O2(g) 
3H2O2(aq) + 2KMnO4(s) 2H2O(l) + 3O2(g) + 2KOH(aq) + 2MnO2(aq)
13) Cite no mínimo 4 propriedades (físicas ou químicas) do O2. 
O oxigênio possui número atómico 8 com massa atômica 16. Na sua forma molecular e à temperatura ambiente. O2 é um gás incolor, insípido, inodoro, comburente, não combustível e pouco solúvel em água. Seu peso molecular é 32 g/mol, possui ponto de ebulição de -183ºC e ponto de fusão a -218,8ºC.
14) Cite 10 usos do oxigênio (usos industriais ou demais usos). 
O gás oxigênio é muito importante na respiração de muitos seres vivos, este gás é geralmente usado como comburente. Sendo assim seus principais usos são: 
· Indústria: Em indústrias químicas e petroquímicas, o oxigênio é utilizado como reagente para melhorar a produtividade de inúmeros processos. Já na metalúrgica e siderúrgica é utilizado no processo de soldagem, para combustão e para o ajuste do teor em carbono em aços. A indústria cervejeira também utiliza oxigênio para estimular a fermentação do mosto. 
· Ambiente: Em processos que envolvem combustão, o Oxigênio reduz a quantidade de combustível utilizada e, assim, as emissões de CO2. O oxigênio é utilizado também para o branqueamento ecológico do papel, o que evita o recurso a substâncias que contêm cloro. As unidades de tratamento das águas residuais tambémsão beneficiadas pelo Oxigênio devido o aumento da atividade biológica. 
· Saúde: Problemas respiratórios impedem que os pulmões desempenhem o seu papel com eficiência. Um ar rico em Oxigênio permite uma melhor respiração, sendo que este processo é conhecido como oxigenoterapia. Através deste tratamento é possível cuidar melhor dos pacientes que sofrem de bronco pneumopatia crônica obstrutiva. Uma das mais dolorosas patologias também pode ser tratada através do Oxigênio: a algia vascular da face — crises cefálicas violentas que causam dores ao nível dos olhos e da têmpora. O elemento pode ser utilizando também para o tratamento de intoxicações por monóxido de carbono em câmaras hiperbáricas.
15) Mostre quais são as principais reações do oxigênio (reção redox, reação de adição em compostos orgânicos, reações de O2 atuando como ligantes em complexos. 
As principais reações do oxigênio são: 
Combustão: que é a oxidação de carvão mineral C(s) + O2 CO2 + Energia. 
Outra reação redox bastante comum é a corrosão, grande parte dos metais possuem tendência a liberar elétrons para se estabilizarem eletronicamente, por isso combinam-se facilmente com espécies (como o oxigênio) e reagem de modo que o metal sempre é degastado, assim sofre corrosão. 
2Fe + O2 → 2FeO 
FeO + 2O2 → 2Fe2O3 
2FeO + 2Fe2O3 → 2Fe3O4, ou simplesmente, FeO + Fe2O3 → Fe3O4 (magnetita)
16) Fale sobre o ozônio: estrutura, propriedades, efeito estufa. 
Estrutura química do ozônio: 
 
O ozônio existe como um gás à temperatura ambiente. A -112 °C, o ozônio condensa para um líquido azul escuro. Os três átomos de oxigênio na molécula do ozônio são dispostos segundo um ângulo obtuso, em que um átomo central de oxigênio está ligado a dois átomos de oxigênio equidistantes, o ângulo é aproximadamente 116 ° 49 ' e o comprimento de ligação é 1,278 Â. O ponto de ebulição do ozônio é -111,9 ± 0,3 °C, o ponto de fusão é -192,5 ± 0,4 °C, a temperatura crítica é -12,1 °C e à pressão crítica é de 54,6 atm. O ozônio é ligeiramente mais denso (2,14 g / L) em relação ao ar (1,28 g / L) a 0 °C e à pressão atmosférica.
Essa substância é um alótropo triatômico (O3) do oxigênio muito menos estável que o diatômico (O2). É importante lembrar que não é o ozônio em si responsável pela proteção contra os raios ultravioleta, mas o ciclo ozônio-oxigênio. Neste ciclo, há grande absorção da radiação solar, transformada em energia térmica na atmosfera. Os CFCs, conhecidos pelo efeito prejudicial à camada de ozônio, por meio do cloro gasoso, têm o papel de paralisar o ciclo. 
Forma-se quando as moléculas de oxigênio (O2) se rompem, e os átomos separados combinam-se individualmente com outras moléculas de oxigênio. 
Na natura, o O3 é produzido constantemente na alta atmosfera pela luz solar (UV) e também, através de raios e relâmpagos. Nos geradores de ozônio, é formado pela passagem de O2 em ambiente de descarga elétrica. Contudo, pode-se dizer que o gerador de ozônio reproduz o fenômeno natural através da tecnologia de eletroeletrônica avançada.
17) Faça um esboço (desenho) da estrutura química, mostrando os ângulos de ligação do H2O2.
 
 A ligação O-H possui um ângulo de 97°.
18) Qual é o principal método de produção industrial do H2O2?
 Hoje em dia a produção industrial de água oxigenada se dá pela auto oxidação do 2-alquil-antrahidroquinona. Num processo conhecido como processo de Riedl-Pfleiderer.
19) Cite outros dois métodos de produção do H2O2.
20) Cite, no mínimo, 10 usos do H2O2.
 O H2O2 remove manchas nas roupas na área das axilas, remove manchas de vinho, limpa tábua de certe de carne, desintoxique sua escova de dente, impa a fossa séptica residencial, tira mofo das plantas, desinfeta frutas e vegetais, acelera o crescimento de plantas, clerea os cabelos e desinfeta esponja de lavar louça.
 21) Cite 5 propriedades físicas do H2O2.
 O peróxido de hidrogênio é incolor à temperatura ambiente e possui sabor amargo. Possui ponto de fusão de -11℃ ponto de ebulição de 141℃ e densidade de 1,476 g/cm3. O peróxido de hidrogênio é miscível em água. Sua viscosidade é de 1,245 cP a 20℃. 
22) Cite uma propriedade química do H2O2.
 O peróxido de hidrogênio é um ótimo oxidante e consequentemente um excelente agente redutor. 
23) Dê exemplos de: Sais Peroxônio, Hidroperóxidos, Peróxidos, Superóxidos, Complexos Peroxometálicos, Peroxometais e Ânions Peroxoácidos.
 Um peróxido orgânico é um composto orgânico que contém o grupo funcional peróxido (ROOR’). Se R’ é o hidrogênio, o composto é denominado um hidroperóxido orgânico. Exemplos de sais hidroperóxidos: peróxido de éter dietílico.
 Os peróxidos são compostos que apresentam a fórmula geral R-O-O-R’, em que R e R’ são radicais orgânicos. Exemplos: peróxido de acetona, peróxido de bário, peróxido de bonzoíla, peróxido de sódio, etc.
 No superóxidos temos uma fórmula química de O2-, atuando geralmente como um poderoso agente oxidante. Exemplos: CaO4 (superóxido de cálcio), KO2 (superóxido de potássio), etc.
 Exemplo de um complexo peroxometálico: [(NH3)5Cr – O2 – Cr(NH3)5]4+ = m – peroxo – bis[pentaminocobalto(III)]. 
24) Fale sobre a quimoluminescência do H2O2
 Quimoluminescência é um tipo de reação química, que ao se processar gera energia luminosa. Durante uma reação química, ao reagentes se transformam em estados intermediários eletronicamente excitados, e ao passarem para um estado de menos excitado, liberam a energia absorvida na forma de luz.
 O composto químico Luminol, é um dos representantes mais conhecidos da quimioluminescência. Quando em contato com o sangue, por exemplo, utiliza o ferro da hemoglobina como catalisador para a reação de liberação de luz Luminol – O luminol (C8H7O2N3), composto em pó feito de nitrogênio, hidrogênio, oxigênio e carbono. Os criminalistas misturam o pó de luminol com um líquido contendo peróxido de hidrogênio (H2O2).
25) Mostre através de reações as propriedades REDOX do H2O2 em meio ácido e meio básico.
 H2O2 + 2e- → 2OH- (em condição alcalina)
 H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O (em condição ácida)
 H2O2 → 2H+ + O2 + 2e- (em condição ácida)
26) Porque a síntese do H2O2 é feita em banho de gelo (baixa temperatura)?
 A reação de preparação de peróxido de hidrogênio necessitou de banho de gelo, pois trata-se de uma reação exotérmica, onde há a liberação de energia no meio reacional.
Referências:
[1] Greenwood, N. N., Earnshaw, A., Chemistry of the Elements, Butterworth/Heinemann, Oxford. 
[2] Russel, J. B.,Química Geral, McGraw Hill/Pearson. 2º Edição. 
MnO
4
-
+ 8H
+
+ 5é Mn
2+
+ 4H
2
O 1.507
Zn Zn
2+
+ 2é 0.7618
2MnO
4
-
+ 5Zn + 16H
+
 5Zn
2+
+ 2Mn
2+
+ H
2
O 2.2688
2KMnO
4
+ 5Zn + 8H
2
SO
4
 2MnSO
4
+ 8H2O + 5ZnSO
4
+ KSO
4
2MnO
4
-
 +16H
+
 + 10é
 
2Mn
2+ 
+ 8H
2
O 1.507
5H
2
10H
+
+ 10é -0.000 
 
2MnO
4
-
+ 6H
+
+ 5H
2
2Mn
2+
+ 8H
2
O 1.507
2KMnO
4
+3H
2
SO
4
+5H
2
2MnSO
4
 + 8H
2
O + K
2
SO
4
2KMnO
4
 KMnO
4
+ MnO
2
+ O
2
MnO
4
-
 + é MnO
2
 0.558
2H
2
O O
2 
+ 4H
+
 + 4é -1.229
MnO
4
-
+ 4H
+
 + 3é MnO
2
 + 2H
2
O 1.679
2MnO4
-
 O2 + MnO2 + MnO2
-
 1.008
2H
+
+ 2é
H
2
 0.0000
Zn
2é + Zn
2+
 0.7618
2H
+
+ Zn
 
H
2
+ Zn
2+
 0.7618
H
2
SO
4
+Zn
H
2
+ ZnSO
4
O
2
+ 4H
+
+ 4é
2H
2
O 1.229
4H
2
4é + 4H
+
 -0.000
O
2
+ 2H
2
2H
2
O 1.229