relatorio- preparação de Hidrogênio

relatorio- preparação de Hidrogênio

1.0 INTRODUÇÃO

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 como 1s1. Os átomos de hidrogênio podem alcançar a estabilidade de três maneiras diferentes:

  1. Formando uma ligação covalente (um par de elétrons) com outro átomo

O hidrogênio forma esse tipo de ligação preferencialmente com não-metais, por exemplo, H2, H2O, HCl(gás) ou CH4. Muitos metais também formam esse tipo de ligação.

  1. Perdendo um elétron para formar H+

Um próton é extremamente pequeno. Por ser o H+ muito pequeno, ele tem um poder polarizante muito grande, e portanto deforma a nuvem eletrônica de outros átomos. Assim, os prótons estão sempre associados a outros átomos ou moléculas. Por exemplo, na água ou soluções aquosas de HCl e H2SO4, o próton existe na forma de H3O+, H9O4+ ou H(H2O)n+. Prótons livres não existem em “condições normais”, embora eles sejam encontrados em feixes gasosos a baixas pressões, por exemplo num espectrômetro de massa.

  1. Adquirindo um elétron para formar H-

Sólidos cristalinos como o LiH contêm o íon H-, sendo formados por metais altamente eletropositivos (todo Grupo 1 e parte do Grupo 2). Os íons H- não são, porém, muito comuns.

Como a eletronegatividade do H é 2,1, ele pode valer-se de qualquer um desses três meios, sendo o mais comum a formação de ligações covalentes.

O hidrogênio é o elemento mais abundante no Universo e o mais leve, sendo também o mais simples da tabela periódica de Mendeleiev. É conhecido desde há centenas de anos como um gás que se obtém quando ácido sulfúrico diluído é posto em contato com o ferro, sendo inflamável no ar. Henry Cavendish mostrou que o gás hidrogênio se forma pela ação de ácidos como o clorídrico ou o ácido sulfúrico em contacto com metais como zinco e o ferro. Ele também fez explodir misturas deste gás em contacto com o ar com faíscas elétricas (1784), e encontrou um produto que parecia “água pura”. Mais tarde Antoine Lavoisier explicou os resultados de Cavendish, e deu ao gás o nome de “hidrogênio”, proveniente do grego “formar-água”. Esta decomposição da água nos seus componentes fez cair a idéia, já há algum longo tempo estabelecida de que a água seria apenas formada por um elemento. Na terra não existe o hidrogênio livre, estando sempre associado a outros elementos e para ser obtido “puro” é necessário gastar energia na dissociação de uma fonte primária. Sendo assim, o hidrogênio não é uma fonte primária de energia, mas sim uma fonte intermediária, por isso não deve ser referido como uma fonte energética, pois é apenas um vetor energético, isto é, uma moeda de troca.

    1. Produção de Hidrogênio

A escolha do melhor método de produção do hidrogênio depende da quantidade que queremos produzir e do seu grau de pureza. As tecnologias de produção do hidrogênio necessitam de energia sobre alguma forma como calor, luz ou eletricidade de forma a que se inicie o processo. São bastante diversificadas, sendo de salientar as seguintes.

1.1.1 Eletrólise da água

Este método baseia-se na utilização da energia elétrica, para separar os componentes da água (hidrogênio e oxigênio), sendo o rendimento global do processo da ordem dos 95%.

Um bom método inventado e estudado no final dos anos 80 e nos anos 90, recentemente patenteado (1999), altamente prometedor, não agressivo para o meio ambiente é a obtenção do hidrogênio por eletrólise da água usando um eletrolisador com uma(s) membrana(s) de troca de prótons (PEM – Próton Exchange Membrane).

A energia elétrica poderá vir de fontes renováveis, como a energia solar, eólica, hídrica, maremotriz, geotérmica, etc.

Com este tipo de fontes renováveis o uso da eletrólise tem como vantagem ser uma forma de produzir hidrogênio perfeitamente limpa. Mas também tem aspectos negativos, como serem necessárias grandes quantidades de energia, sendo que em geral as fontes de energia usadas são não renováveis e conseqüentemente poluidoras.

1.1.2 Vapor reformando o gás natural ou outros hidrocarbonetos

Esta técnica consiste em expor o gás natural ou outros hidrocarbonetos a vapor a altas temperaturas para produzir o hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono.

Esta tecnologia é usada pela indústria, sendo a maioria do hidrogênio obtido pelo “processamento do vapor” de gás natural (metano):

O passo seguinte é converter o monóxido de carbono com vapor para produzir hidrogênio e dióxido de carbono adicional, resultando maior obtenção de hidrogênio do processo.

O hidrogênio que é possível aproveitar do gás natural através deste processo andará na casa dos 70 a 90%.

Com estes combustíveis fósseis como o metano (CH4), propano (C3H8), butano (C4H10) e octano (C8H18) que contêm hidrogênio na sua constituição, têm-se uma forma econômica de se obter o gás hidrogênio.

Porém este método tem três desvantagens. A primeira é que a produção de hidrogênio com este método, para responder a um consumo posterior fica mais cara por unidade energética, do que se o combustível primário for simplesmente usado por combustão. A segunda é que este método só se aplica aos combustíveis fósseis que são uma fonte não renovável de energia e um dia irão deixar de ser usados como fonte de energia. A terceira é o dióxido de carbono que se liberta para o meio ambiente.

Todos os dias a indústria produz 2831684,66 m3 (100 000 000 ft3) de hidrogênio dos quais 99 % é produzido com este método chamado de vapor reformando os hidrocarbonetos.

A gaseificação do carvão, seguida de processos de separação, é também uma das técnicas de como se pode obter o hidrogênio a partir do carvão, havendo no presente momento alguns trabalhos de pesquisa nesta área.

1.1.3 Fotobiológico

Com esta tecnologia alguns micróbios fotossintéticos produzem H2 nas suas atividades metabólicas usando a energia luminosa. Com o recurso de sistemas catalíticos e de engenharia o grau de produção de hidrogênio pode atingir os 24% de rendimento. Tem como vantagem ser um método de produção de H2 limpo e eventualmente poderá ser barato. A desvantagem deste método é que ainda se precisa fazer trabalho de pesquisa de forma a que o processo seja melhorado.

1.1.4 Gaseificação de biomassa e pirólises

Em 1996, investigadores americanos acharam enzimas de duas formas de bactérias resistentes ao calor - uma descoberta em montes de escória de carvão queimando sem chama, a outra em aberturas vulcânicas profundas no Pacífico – onde o gás hidrogênio é libertado a partir de moléculas de glicose. Porque ambas as enzimas são resistentes ao calor, poderão ser usadas com este, o que fará com que as reações se dêem mais rapidamente.

A madeira e o papel são constituídos por celulose, que é um polímero da glicose, sendo eventualmente possível, o uso destas enzimas para produzir hidrogênio de pedaços de madeira e aparas e de papel usado.

A produção de hidrogênio com este método pode ser o resultado da alta temperatura que o gaseifica, bem como das pirólises de baixa temperatura resultantes da biomassa (resíduos de aglomerados, madeira, mato da limpeza das florestas, resíduos agrícolas, etc) tendo como catalisador estas bactérias resistentes ao calor. Esta tecnologia está atualmente também disponível para combustíveis fósseis.

1.1.5 Outros formas de produzir o hidrogênio

O Hidrogênio pode ser obtido pela reação de metais muito reativos (como cálcio ou sódio) com água, ou, como já mencionado acima, pela ação de ácidos sulfúrico ou clorídrico com metais moderadamente reativos como o ferro ou zinco.

Algum do hidrogênio que é produzido na indústria usa o processo de Haber quando se fabrica a amônia. Outros métodos incluem processos durante a refinação do crude, durante a fabricação da margarina e do metanol.

O Hidrogênio ganha importância como “o combustível do futuro”, quer para a produção de energia elétrica, quer para o transporte e no aquecimento da casa. Cada vez mais hidrogênio será usado para estes propósitos.

    1. Baterias Zinco/ar

Em uma célula de combustível zinco-ar típica, existe um eletrodo de difusão de gás (GDE), um ânodo de zinco separado por um eletrólito e separadores de um tipo de forma mecânica. O eletrodo GDE é uma membrana permeável que permite o passo do oxigênio atmosférico. Depois que o oxigênio tenha sido convertido a íons hidroxila e água, os íons hidroxila viajam através da membrana e alcançam o ânodo de zinco. Aqui, o íon reage com o zinco formando óxido de zinco. Este processo gera um potencial elétrico.

Na célula de zinco-ar, o anodo é zinco e o catodo é um material condutor (carbono), que usa o oxigênio do ar como reagente. As semi-reações anódica e catódica estão representadas a seguir:

Reação no anodo:

Reação no catodo:

O zinco do anodo é em geral na forma de pó misturado com um gel. A tensão da célula á aproximadamente 1,65 volts. Por usar o oxigênio do ar como um dos reagentes, o volume do anodo pode ser grande em relação ao volume total da célula, resultado numa elevada taxa de energia armazenada por volume. Mas a resistência interna não é das menores e, por isso, não é adequada para aplicações de alta intensidade de corrente.

    1. Baterias Alumínio/ar

A pilha de Alumínio-Ar é uma das melhores pilhas em termos de densidade de energia e permitiria a realização de carros elétricos com um alcance de 5 a 10 vezes superior aos atuais carros com baterias ácidas ou alcalinas. Não se trata de uma pilha recarregável no sentido comum, mas pode ser refeita por simples reposição do alumínio que vai se consumindo e originando alumina (óxido de alumínio). A alumina pode ser reciclada por processo que consome energia elétrica, isto é, o alumínio puro é um combustível e é da sua combustão que resulta a libertação de energia. A pilha de Alumínio-Ar(Oxigênio) pode assim considerar-se uma pilha de combustível.

As semi-reações anódica e catódica são representadas a seguir:

Reação no anodo:

Reação no catodo

2.0 OBJETIVOS

Preparar hidrogênio gasoso a partir de reações entre zinco e alumínio metálicos e soluções de ácido clorídrico e hidróxido de sódio.

3.0 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

3.1 Materiais e Reagentes

  • Tubos de ensaio;

  • Espátula;

  • Zn em pó;

  • Al em pó;

  • Solução de HCl 2,0 mol/L;

  • Solução de NaOH 2,0 mol/L;

  • Balão volumétrico de 100,0 mL

  • Béquer de 100,0 mL

  • Pipeta graduada de 25,0 mL

  • Pipeta graduada de 5,0 mL

  • Balança semi-analítica.

3.2 Procedimento Experimental

Preparou-se as soluções de NaOH e HCl de concentração 2,0 mol/L cada. Para isso, pesou-se cerca de 8,0 g de NaOH e o dissolveu em um balão volumétrico de 100,0 mL com água destilada. Pipetou-se cerca de 16,58 mL de HCl e dilui-se em um balão volumétrico de 100,0 mL e completou-se o menisco com água destilada.

Adicionou-se 1,0 g de Zn metálico em pó em dois tubos de ensaio e 1,0 g de Al metálico em pó em outros dois tubos de ensaio. Em um dos tubos de ensaio contendo zinco, adicionou-se 5,0 mL da solução de HCl e no outro, 5,0 mL da solução de NaOH. O mesmo foi feito para os outros tubos de ensaio contendo alumínio. Observou-se atentamente cada tubo e anotou-se o que ocorreu.

Coletou-se o gás proveniente da reação entre o metal e o/a ácido/base em outro tubo de ensaio e, este com a boca virada para baixo, aproximou-se um fósforo aceso à boca do tubo e observou-se.

4.0 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Preparação das soluções de NaOH 2,0 mol/L e HCl 2,0 mol/L

Efetuou-se os cálculos para a preparação das soluções de NaOH e HCl DCE concentração 2,0 mol/L cada. Para a solução de NaOH, temos:

Para a solução de HCl, temos:

A densidade da solução de HCl e 1,19g/mL. Logo o volume necessário de HCl é:

Levando-se em consideração o Titulo do rótulo, tem-se que 37% corresponde ao HCl, então:

4.2 Reações das soluções de NaOH e HCl com os metais Zn e Al

Ao entra em contato com a solução de NaOH 2,0 mol/L, o alumínio metálico começou a reagir rapidamente, formando um complexo de Na e Al, e H2 gasoso. A equação abaixo representa tal reação.

Quando em contato com a solução de HCl 2,0 mol/L, a reação ocorreu mais lentamente, mas pode-se observar a formação de gases no tubo de ensaio. A demora na reação entre o alumínio metálico e o ácido clorídrico se deve à formação de óxido de alumino, pois uma vez em contato com o ar o alumínio se oxida e forma tal óxido. A reação entre o alumínio metálico e o acido clorídrico é representada a seguir.

O zinco, quando em contato com a solução de HCl 2,0 mol/L, reagiu de forma menos vigorosa que o alumínio, uma vez que a capacidade de oxidar do zinco é menor q a do alumínio. Na presença da solução de hidróxido de sódio 2,0 mol/L o zinco metálico não se observou formação de bolhas durante o experimento. O zinco é menos reativo que o sódio, portanto ele não consegue deslocá-lo para forma Zn(OH)2, não reagindo na presença desta base. A reação entre o zinco e o ácido clorídrico é representada a seguir:

Nem todos os metais da Tabela Periódica poderiam ser utilizados para preparar hidrogênio utilizando-se a rota proposta. O ouro, a prata e a platina, por exemplo, não sofrem ataque ácido ou básico porque são metais nobres, isto é, dificilmente sofrem ataque químico de outras substâncias.

5.0 CONCLUSÃO

Pode-se concluir que o método de preparação de hidrogênio a partir de reações entre os metais zinco e alumínio e soluções de ácido e base é um método prático e eficiente (apesar de o recolhimento do hidrogênio ser inviável), uma vez que as reações ocorrem ligeiramente rápidas.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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