Hidrogênio | Síntese | Relatório | Química |Química Inorgânica | Experimental

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1. Introdução
A prática experimental abordou sobre a síntese do Hidrogênio e sobre as diversas maneiras que o mesmo pode ser obtido, bem como as suas propriedades e métodos de como ser recolhido, além da realização de testes de combustibilidade. E por fim, foram feitos dois experimentos para observar a reatividade do hidrogênio molecular e do hidrogênio nascente.
2. Objetivos
· Obter gás hidrogênio a partir de ácidos na presença de um metal;
· Preparar e recolher o gás hidrogênio e após estes processos verificar com um teste a sua combustibilidade;
· Analisar e comparar as propriedades redutoras do hidrogênio molecular e do hidrogênio nascente.
3. Referencial Teórico
Estrutura Eletrônica
O hidrogênio possui a estrutura atômica mais simples que qualquer outro elemento, sendo constituído por um núcleo contendo um próton com carga +1 e um elétron circundante. A configuração eletrônica pode ser representada com 1s1. Os átomos de hidrogênio podem alcançar a estabilidade de três maneiras diferentes:
· Formando uma ligação covalente (um par de elétrons) com outro átomo;
· Perdendo um elétron para formar H+;
· Adquirindo um elétron e formando H-.
Posição na Tabela Periódica
O hidrogênio é o primeiro elemento da Tabela Periódica e apresenta características únicas. Existem apenas dois elementos no primeiro período, o hidrogênio e o hélio. O hidrogênio é bastante reativo, enquanto o hélio é inerte.
A estrutura eletrônica do átomo de hidrogênio, de certo modo, se assemelha com a dos metais alcalinos. Os metais alcalinos (Grupo 1) também possuem um elétron no nível mais externo, e quando reagem tendem a perder esse elétron formando íons positivos M+. Embora o íon H+ seja conhecido, o hidrogênio apresenta uma tendência muito maior de compartilhar o seu elétron, formando uma ligação covalente.
Por outro lado, a estrutura eletrônica do átomo de hidrogênio, de certo modo, também se assemelha com a dos halogênios (Grupo 17), já que ambos necessitam de um elétron para alcançar a estrutura de um gás nobre. Geralmente os halogênios adquirem um elétron formando íons negativos X-. Não é comum o hidrogênio formar um íon negativo, embora ele forme hidretos iônicos M+ H- (por exemplo, LiH e CaH2) com alguns poucos metais altamente eletropositivos.
Abundância do Hidrogênio
O hidrogênio é o elemento mais abundante do universo. Segundo algumas estimativas, o universo é constituído por 92% de hidrogênio e 7% de hélio, de modo que todos os demais elementos juntos representam apenas 1%. Contudo, a quantidade de H2 na atmosfera terrestre é muito pequena, pois o campo gravitacional da terra é pequeno demais para reter um elemento tão leve. Contudo, um pouco de H2 é encontrado nos gases vulcânicos. Em contrapartida, o hidrogênio é o décimo elemento mais abundante na crosta terrestre. Também é encontrado em grandes quantidades nas águas dos oceanos.
Propriedades do Hidrogênio Molecular
O hidrogênio é o gás mais leve conhecido. Por causa de sua baixa densidade, é utilizado, no lugar do hélio, para inflar balões meteorológicos. É incolor, inodoro e quase insolúvel em água. O hidrogênio forma moléculas diatômicas H2, onde os dois átomos estão unidos por uma ligação covalente muito forte (energia de ligação 435,9 kJ.mol-1).
Em condições normais, o hidrogênio não é muito reativo. A baixa reatividade se deve à cinética e não à termodinâmica da reação, e está relacionada com a força da ligação H-H. Uma etapa essencial durante a reação do H2 com outros elementos é a quebra da ligação H-H, formando átomos de hidrogênio. Isso requer 435,9 kJ.mol-1, portanto, há uma elevada energia de ativação para essas reações. Em consequência, muitas reações são lentas, ou requerem elevadas temperaturas ou catalisadores (frequentemente metais de transição). Muitas reações importantes do hidrogênio envolvem a catálise heterogênea, ou seja, o catalisador inicialmente reage com H2 ou quebrando ou enfraquecendo a ligação H-H. Dessa forma a energia de ativação é diminuída.
4. Materiais e Reagentes
· Tubo de ensaio; 
· Tubo com saída lateral, mangueira e rolha;
· Bécker;
· Cuba improvisada (pote de sorvete);
· Pinça de madeira;
· Espátula;
· Palito de fósforo;
· Lamparina com querosene;
· Zn, Al, Fe, Cu;
· HCl;
· KMnO4;
· K2Cr2O7.
5. Procedimento experimental
5.1. Obtenção do gás hidrogênio
Separou-se quatro tubos de ensaio e foi colocado respectivamente em cada um deles zinco metálico, alumínio (um pedaço de placa de alumínio), ferro (prego) e cobre (fio de cobre) e em seguida foi adicionado em cada um dos tubos 2 mL de solução aquosa 6,0 mol/L de ácido clorídrico.
No primeiro e segundo tubos de ensaio onde foi adicionado zinco metálico e alumínio com solução aquosa de ácido clorídrico, ocorreu a reação instantaneamente, podendo-se dizer que houve o desprendimento de uma grande quantidade de hidrogênio.
No tubo de ensaio com ferro após aproximadamente um minuto, iniciou-se o desprendimento de hidrogênio.
Já no tubo contendo cobre a reação ocorreu de uma maneira mais lenta, necessitando, portanto, de aquecimento para que a mesma acontecesse. 
5.2. Preparação e recolhimento do gás hidrogênio
Encheu-se metade de uma cuba improvisada (pote de sorvete) com água e foram mergulhados dois tubos de ensaio até que ambos fossem cheios de água completamente, garantindo que não existissem bolhas de ar no interior dos tubos. Em um tubo de ensaio com saída lateral foi adicionado 3 mL de solução aquosa de ácido clorídrico e uma pequena porção de zinco metálico. O tubo foi fechado com uma rolha logo após o início da reação, adaptou-se uma mangueira de látex na saída lateral do tubo de ensaio onde a mesma foi adicionada na ponta do tubo de ensaio que encontrava-se mergulhado na cuba, para que assim o hidrogênio fosse recolhido. Após o recolhimento do gás o tubo foi retirado da cuba virado para baixo e foi realizado imediatamente o procedimento 5.3.
5.3. Teste de combustibilidade
Após o recolhimento do gás hidrogênio feito no procedimento 5.2, imediatamente realizou-se o teste de combustibilidade. Acendeu-se um palito de fósforo e aproximou-se do gargalo de um dos tubos contendo hidrogênio e foi possível observar uma reação instantânea.
5.4. Reatividade do hidrogênio molecular e hidrogênio nascente
Foi introduzido o tubo de látex do procedimento 5.2 em um tubo de ensaio contendo 1 mL de solução aquosa 0,1 mol/L de KmnO4 e 0,5 mL de ácido clorídrico 6M. E notou-se a mudança de coloração da solução.
Repetiu-se o procedimento com outro tubo de ensaio utilizando 1 mL de solução 0,1 mol/L de K2Cr2O7 e 0,5 mL de ácido clorídrico 6M. E nenhuma alteração foi observada.
Após este procedimento adicionou-se em ambos os tubos uma pequena quantidade zinco metálico e 0,5 mL de ácido clorídrico 6 mol/L (para observar assim a reatividade do hidrogênio nascente), e notou-se que no tubo de ensaio com KMnO4 houve a formação de bolhas e no tubo de ensaio com K2Cr2O7 houve uma mudança na coloração da solução.
6. Resultados e discussão
6.1. Obtenção de gás hidrogênio
Após a adição de uma pequena porção de zinco metálico na solução aquosa de ácido clorídrico ocorreu a formação de várias bolhas, caracterizando assim que houve o desprendimento de gás hidrogênio, podendo-se dizer que houve uma reação.
A reação acontece, pois o Zn é mais reativo em relação ao hidrogênio, possuindo uma capacidade redutora maior, logo o zinco pode deslocar o hidrogênio do ácido clorídrico, produzindo cloreto de zinco e hidrogênio gasoso.
Obtendo-se assim a seguinte reação:
 Zn(s) + 2 HCl(aq) H2(g) + ZnCl(aq)
Adicionou-se uma pequena placa de alumínio na solução aquosa de ácido clorídrico e pode-se notar formação de bolhas na superfície do alumínio, com o desprendimento gradativo de hidrogênio, podendo-se observar que houve uma reação. E ocorreu também a mudança de coloração da solução de incolor para acinzentado devido à decomposição da placa de alumínio em contato com o ácido clorídrico.
A reação obtida do alumínio em contato com o ácidoclorídrico para produzir hidrogênio:
 2 Al(s) + 6 HCl(aq) 2 AlCl3(aq) + 3 H2(g)
No tubo onde foi adicionado um prego (para representar o ferro) na solução aquosa de ácido clorídrico a reação acontece de forma lenta, na qual começou a ocorrer à formação de bolhas de forma contínua após um minuto do início da mesma. Está reação ocorre, pois o ferro é mais reativo que o hidrogênio, desta forma o ferro consegue deslocar o hidrogênio do HCl. Observou-se também a mudança de coloração da solução para verde claro posteriormente a decomposição do ferro com o ácido clorídrico. 
Obteve-se, portanto, a seguinte reação do ferro em contato com o ácido clorídrico:
 2 Fe(s) + 6 HCl(aq) 2 FeCl3(aq) + 3 H2(g)
No tubo onde foi adicionado cobre e a solução de ácido clorídrico, não houve reação de imediato, pois o cobre é um metal nobre e assim não reage de maneira espontânea ao ser colocado em contato com o ácido clorídrico. Porém, após o aquecimento de aproximadamente 5 minutos houve uma pequena reação com a formação de algumas bolhas. E também houve a mudança de coloração da solução para amarelo claro, significando que o cobre se descompôs na solução de ácido clorídrico.
Foi obtida a seguinte reação, antes do aquecimento:
Cu + HCl não há reação
Após o aquecimento:
Cu(s) + 2 HCl(aq) CuCl2(aq) + H2(g)
 As reações observadas entres os metais e o ácido clorídrico acontecem segundo a fila de reatividade. Quanto mais à esquerda na fila mais reativo o metal. Dessa forma, um elemento à esquerda consegue deslocar um elemento à sua direita. Por isso, os metais Al, Fe e Zn conseguem deslocar o H do ácido clorídrico e suas reações são instantâneas. Enquanto a reação do Cu, à direita do Hidrogênio, precisa ser catalisada com aquecimento.
Figura 1 - http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAxi8AE/caracterizacao-dos-cations-fe-iii-cu-ii?part=2
6.2. Preparação e recolhimento do gás hidrogênio/ combustibilidade
Ao se introduzir os tubos dentro da cuba tomou-se o cuidado de preenchê-los completamente com água a fim de que não restassem bolhas de ar no interior. Com o início da reação entre o zinco metálico e a solução aquosa de ácido clorídrico observou-se a formação de gás. Esse gás foi recolhido colocando-se a mangueira de látex dentro de um dos tubos contidos na cuba. O gás produzido, H2, por ser mais leve, desloca a água presente no tubo e se posiciona no topo deste. O gás foi recolhido até que não houvesse mais água no tubo. O tubo foi posicionado com a boca para baixo e, o teste de combustibilidade realizado em seguida.
Para o teste de combustibilidade um palito de fósforo aceso foi aproximado do tubo que continha o gás recém preparado e recolhido e, pode-se ouvir um estampido. Essa observação comprovou que o gás produzido e recolhido era o gás hidrogênio, já que este é combustível e libera grande quantidade de energia.
6.3. Reatividade do hidrogênio molecular e do hidrogênio nascente
Ao adicionar o tubo de látex com zinco metálico e ácido clorídrico (o qual está produzindo H2) no tubo contendendo 1 mL de solução aquosa 0,1 mol/L de KMnO4 e 0,5 mL de ácido clorídrico 6M, houve a mudança de coloração da solução de violeta para marrom avermelhado, pois houve a formação de MnO2.
Obteve-se a seguinte reação:
 KMnO4(aq) + 2 H2(g) KMnO2 (aq) + 2 H2O(aq)
Ao reagir dicromato de potássio com H2 nota-se que a reação não é espontânea e ocorre de maneira lenta.
 K2Cr2O7(aq) + 3 H2(g)  Cr2O3(aq) + 2 KOH(aq) + 2 H2O(aq)
Após a adição de HCl e zinco metálico no tubo que continha KMnO4, pode-se observar a formação constante de bolhas que tornou a solução cinza.
E foi obtida a seguinte reação:
 2 KMnO4(aq) + 5 Zn(s) + 16 HCl(aq) 2 MnCl2(aq) + 2 KCl(aq) + 5 ZnCl2(aq) + 8 H2O(aq)
Ao adicionar HCl e zinco metálico no tubo que havia K2Cr2O7, notou-se a mudança de coloração da solução de um tom de laranja, para uma coloração castanho claro. 
E foi gerada a seguinte reação:
K2Cr2O7(aq) + 14 HCl(aq) + 3 Zn(s) 2 CrCl3(aq) + 3 ZnCl2(aq) + 2 KCl(aq) + 7 H2O(aq)
Certifica-se que o hidrogênio nascente, produzido na reação de zinco metálico com o ácido clorídrico é mais que o hidrogênio molecular. Isto ocorre devido à capacidade de reação do hidrogênio no estado nascente, que pode ser observado a partir de formação de bolhas/ mudança de coloração da solução.
7. Conclusão
A partir do experimento realizado em laboratório, pode-se dizer que os objetivos em geral foram alcançados. Obteve-se hidrogênio a partir de ácidos e bases, essa justificativa dar-se pela formação de bolhas e mudança de coloração das soluções. Trata-se de um método prático e eficaz, apesar de ser inviável, uma vez que as reações ocorrem instantaneamente.
Observa-se também, que o gás hidrogênio foi recolhido em tubo de ensaio a partir de uma solução de zinco metálico com ácido clorídrico, comprovando-se sua obtenção através do teste de combustibilidade.
Outro objetivo foi comparar as propriedades redutoras do hidrogênio molecular e do hidrogênio nascente e através da mesma, observar qual dos tipos de hidrogênio é mais reativo. E desta maneira pôde-se constatar que o hidrogênio nascente é mais reativo que o molecular.
8. Referências Bibliográficas
· Lee, J. D. Química Inorgânica não tão concisa. 5ª ed., Ed. Blucher, São Paulo - SP, 1999.
· Kotz, J. C. [et al.]; Química geral e reações química, volume 2. 9ª ed., Cengage Learning, São Paulo – SP, 2015.
9. Questionamentos
a) Por que com alguns metais houve formação de gás em contato desse metal com o ácido e outros metais isso não ocorre?
Resposta:
Com alguns metais houve a formação do gás, pois são mais reativos em relação ao hidrogênio, possuindo uma capacidade redutora maior, logo conseguem fazer o deslocamento do átomo.
b) Quais as propriedades do gás hidrogênio?
Resposta:
O hidrogênio é o gás mais leve conhecido, possui baixa densidade é incolor, inodoro e quase insolúvel em água. Em condições normais, o hidrogênio não é muito reativo.
c) Quais as aplicações do hidrogênio? 
Resposta:
Pode ser aplicado na produção de amônia, combustíveis de foguete, hidratação de gorduras, enchimento de balões, dessulfurização de petróleo, amoníaco e água.
d) Qual a diferença entre hidrogênio molecular e o hidrogênio atômico?
Resposta:
O hidrogênio atômico é apenas um átomo H. Já o molecular é uma molécula formada por dois átomos de hidrogênio H2. O hidrogênio atômico não é encontrado no ambiente, já o molecular faz parte da nossa atmosfera. Eles possuem propriedades diferentes e, portanto calores de combustão diferentes.
e) O H2 pode vir a ser utilizado com combustível futuramente. Cite as vantagens e desvantagens (se houver) do uso deste combustível.
Resposta:
Principal vantagem: não poluente.
Principal desvantagem: altamente reativo. Entra em combustão espontânea com o simples contato com o oxigênio.
f) Quais as barreiras atuais que precisam ser superadas para esta implementação?
Resposta:
O preço de implementação é uma das grandes barreiras a serem superadas para que ocorra a implementação.