Atividade prática - Reconhecendo gases do cotidiano Parte 6: produzindo gás hidrogênio

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1 Atividade prática - Reconhecendo gases do cotidiano Parte 6: produzindo gás hidrogênio 9º ano do Ensino Fundamental / 1º ano do Ensino Médio Objetivo Vivenciar alguns experimentos que envolvem as propriedades dos principais gases inorgânicos do cotidiano, que permitem identificá-los, bem como reconhecer a participação deles em importantes processos naturais como a combustão, a respiração, a corrosão ácida de metais etc. O entendimento sobre os principais gases do cotidiano está diretamente envolvido com a vivência dos fenômenos dos quais eles participam, sejam nos aspectos ambientais, energéticos ou biológicos. A participação dos gases nesses fenômenos é bastante explorada nas avaliações de química, biologia, física, geografia, além de muito comuns nas provas do Exame Nacional do Ensino Médio (ENEM). Introdução O método mais interessante para produzir o gás hidrogênio é o processo eletrolítico ou eletrólise da água. Nesse processo, usa-se a corrente elétrica para quebrar as moléculas de água, produzindo gás hidrogênio e gás oxigênio. Mas, se a água estiver totalmente pura, a energia necessária para essa transformação é muito grande. Esquema da eletrólise da água. Se a água estiver pura, a voltagem deverá ser muito alta. Mas, se um eletrólito adequado estiver dissolvido, o processo será facilitado para uma voltagem baixa. Observe que o gás hidrogênio é produzido em maior quantidade, exatamente o dobro da quantidade de oxigênio. Disponível (acesso: ): Mas, o processo pode ser facilitado com o uso de um eletrólito (substância iônica, ou seja, formada de átomos positivos e negativos) dissolvido em água para aumentar a condutividade elétrica da água, exigindo menor voltagem da fonte elétrica. Até mesmo uma pilha comum consegue promover a eletrólise, se houver um eletrólito dissolvido. Mas, não pode ser qualquer eletrólito, pois os produtos da eletrólise podem variar, dependendo da composição química desse eletrólito. Eletrólise do sal de cozinha puro fundido Para entender bem a eletrólise, é importante considerar a situação do sal de cozinha puro, derretido a temperaturas superiores a 801ºC, que é o ponto de fusão do cloreto de sódio (NaCl). Os cátions sódio (Na + ) serão atraídos pelo eletrodo negativo do circuito, receberão elétrons e o sódio metálico sólido (Naº) será formado, aderindo à superfície do eletrodo. Por outro lado, o ânion

2 cloreto (Cl - ) será atraído pelo eletrodo positivo cedendo elétrons para o circuito, formando o radical livre cloro, que possui sete elétrons de valência, e que, por isso mesmo, é instável; assim, um radical cloro se une a outro radical cloro formando gás cloro (Cl2), que borbulha na superfície do eletrodo. Esquema da eletrólise do sal de cozinha puro, fundido. Na ilustração não aparecem os ânions cloreto sendo atraídos pelo eletrodo positivo (ânodo), cedendo elétrons para o circuito; e os cátions sódio sendo atraídos pelo eletrodo negativo (cátodo), de onde ganham elétrons. Disponível (acesso: ): Eletrólise usando sal de cozinha dissolvido em água Para entender o que acontece na eletrólise da água, é importante saber que a água sofre naturalmente, mesmo estando pura, uma auto-ionização, segundo a equação abaixo: H2O H + + OH - Mas, como a proporção de moléculas de água que ioniza é muito baixa, a água pura (destilada) quase não contém íons e por isso não é boa condutora de eletricidade. Mas, se dissolvermos na água o sal de cozinha, haverá cátions sódio (Na + ) e ânions cloreto (Cl - ) dissolvidos, além dos cátions hidrogênio (H + ) e hidróxido (OH - ) em menor quantidade, provenientes da auto-ionização da água. Quando o circuito elétrico é ligado e os eletrodos mergulhados na solução, o eletrodo positivo do circuito irá atrair os ânions hidróxido (OH - ) e cloreto (Cl - ); enquanto o eletrodo negativo irá atrair os cátions hidrogênio (H + ) e sódio (Na + ). Como há oferta de elétrons no eletrodo negativo, haverá uma competição entre os cátions pelos elétrons e o cátion com mais tendência de ganhar elétrons terá preferência para recebê-los. O contrário acontecerá no eletrodo positivo, que roubará elétrons do ânion com maior tendência de perder elétrons, que cederá elétrons para o circuito. No caso do eletrodo negativo, o cátion com maior tendência de ganhar elétrons é o hidrogênio (H + ), pois é um ametal, enquanto o cátion sódio (Na + ) é um metal alcalino que perdeu seu único elétron de valência, tendo baixíssima tendência de recebê-lo de volta. Assim, o cátion hidrogênio (H + ) recupera seu elétron, fica neutro (H. ), porém instável e, por isso, tende a se ligar a outro hidrogênio (H. ) por ligação covalente (H.. H), formando gás hidrogênio (H2). Assim, no eletrodo negativo irá borbulhar um gás inodoro, combustível e muito leve. No caso do eletrodo positivo, o ânion com maior tendência de perder elétrons é o cloreto (Cl - ), pois o ânion hidróxido (OH - ) contém um átomo de oxigênio (O), que é um elemento mais eletronegativo que o cloro (Cl). Assim, o cloreto (Cl - ) cederá elétrons para o circuito, formando o radical livre cloro, que, instável, se unirá a outro radical cloro, formando gás cloro (Cl2). Assim, no eletrodo positivo irá borbulhar outro gás, que dificilmente entra em combustão, e com cheiro característico de água sanitária ou cheiro de água de piscina (cheiro de cloro).

3 Assim, na solução ficarão sem reagir os ânions hidróxido (OH - ) e os cátions sódio (Na + ), que a cada minuto da eletrólise vão aumentando sua concentração na solução. Esse é o método de fabricação industrial da soda cáustica ou hidróxido de sódio (NaOH), além do gás cloro (Cl2) e do gás hidrogênio (H2). Se o gás hidrogênio for colocado em presença de gás cloro, fabrica-se ainda o ácido clorídrico (HCl). Eletrólise usando hidróxido de sódio Se houver interesse em fazer a eletrólise da água, de forma a quebrá-la em seus elementos formadores corretos, isso é, gás hidrogênio (H2) e gás oxigênio (O2), basta usar hidróxido de sódio (NaOH) como eletrólito, ao invés de sal de cozinha. Assim, o eletrodo positivo atrairá apenas ânions hidróxido (OH - ), provenientes, tanto da ionização da água quanto da dissociação do hidróxido de sódio. O oxigênio será, então, obrigado a perder elétrons, formando o radical com seis elétrons de valência, que se unirá a outro radical oxigênio, formando o gás oxigênio (O2), segundo a reação abaixo: 4 OH - (aq) 2 H2O + O2 (g) Experimento: Eletrólise aquosa do sal de cozinha Material (por grupo de alunos) A) Sal de cozinha. B) Água destilada ou de torneira. C) Béquer de 500mL. D) Carregador velho (mas que funcione) de celular ou de computador, para montagem de uma fonte de corrente contínua. E) Dois pedaços de grafite grossos e compridos, retirados do interior de pilhas velhas. F) Dois tubos de ensaio. G) Uma garrafa PET de 2 litros ou maior. H) Cola de silicone ou cola quente para vedar. I) Estilete, faca ou tesoura para cortar e desencapar fios finos. J) Um prego comum da mesma largura do grafite. K) Bico de Bunsen ligado no sistema de gás. L) Fósforos ou isqueiro. M) Alicate, para segurar o prego aquecido. O) Placa de isopor, de comprimento e largura suficientes para formar uma base para a garrafa PET. Procedimento Montando uma fonte de corrente contínua 1. Corte a ponta do fio do carregador, retirando a parte que pluga no celular ou no computador. 2. Corte cerca de 10cm da capa externa dos fios, eliminando-a, para afastar o fio de capa vermelha do fio de capa preta. 3. Desencape cerda de 3cm das pontas dos dois fios. A fonte de corrente contínua está pronta. Procedimento Montando a célula de reação eletrolítica 4. Corte a parte superior da garrafa PET, de forma a deixar cerca de 20cm de altura da parte de baixo da garrafa. Elimine a parte de cima da garrafa.

4 5. Faça dois furos distantes um do outro, no fundo da garrafa PET, usando o prego aquecido, segurando o prego com o alicate. Os furos deverão ter a mesma largura dos grafites. Obs.: Escolha bem o local para os furos, de forma que os grafites possam ficar na vertical, depois de inseridos neles; e, de preferência, em uma parte mais grossa do plástico, para dar mais firmeza. 6. Deixe a garrafa esfriar e em seguida coloque os grafites inseridos nos furos, de forma a ficar com uma parte introduzida e outra parte para fora da garrafa. A parte de fora deve ser de tamanho suficiente apenas para enrolar as pontas dos fios da fonte, podendo ficar a maior parte para dentro da garrafa. Passe cola suficiente para fixar os eletrodos de grafite no plástico e também vedar totalmente os furos da garrafa, para evitar vazamentos de líquido. 7. Depois de a cola secar, encha o recipiente com água e confira se não há vazamentos nos furos. 8. Use a placa de isopor para apoiar o recipiente feito de garrafa PET, de forma que ele não vire. Faça dois furos para passar os fios, na direção dos eletrodos de grafite. 9. Passe os fios pelos furos da placa de isopor e enrole as pontas desencapadas nos eletrodos, um fio em cada eletrodo. A célula de reação eletrolítica está pronta. Procedimento Realizando a eletrólise aquosa do sal de cozinha. 10. Posicione a célula de reação eletrolítica apoiada em sua base de isopor em local próximo a uma tomada de energia elétrica. 11. Coloque a mistura de água e sal de cozinha totalmente dissolvido no interior do recipiente, encobrindo totalmente os eletrodos de grafite. 12. Embaixo da torneira da pia, encha os dois tubos de ensaio totalmente com água até transbordar e tampe com a ponta dos dedos, de forma a não deixar nenhuma bolha de ar no interior. 13. Emborque os tubos de ensaio, um por um, cuidadosamente dentro da mistura com água e sal, sem retirar o dedo para não entrar ar. Quando o tubo estiver com a boca dentro da mistura, retire o dedo, destampando o tubo. Cuidadosamente, posicione cada tubo de ensaio sobre cada eletrodo de grafite. O objetivo é que o gás produzido em cada eletrodo possa borbulhar e subir para dentro do tubo. Cada tubo recolherá o gás de um dos eletrodos, separadamente. 14. Ligue a fonte de corrente contínua na tomada de energia elétrica. Observe a reação. 15. Depois que os tubos estiverem cheios de gás, tampe cada um com o dedo e retire-o da mistura. Retire e recoloque rapidamente o dedo, aproximando o tubo do nariz, de forma a tentar identificar o cheiro do gás armazenado em cada um. 16. Aproxime um fósforo da boca dos tubos e veja qual deles é combustível. Observações e questões 1) Qual foi o volume aparente de gás produzido nos dois tubos? O volume foi igual nos dois? Você saberia explicar o porquê desses volumes? Comente e explique. 2) Os dois gases possuem cheiro? Comente.

5 3) Qual dos dois gases é combustível? Comente. 4) Seu grupo pode repetir o experimento, utilizando soda cáustica no lugar do sal de cozinha, seguindo as recomendações de segurança de seu professor, pois essa substância é corrosiva e perigosa. Observe o volume dos gases produzidos. Faça o teste de brilho da chama nas duas amostras gasosas. Qual dos gases será explosivo? Qual dos gases aumentará o tamanho e o brilho da chama do fósforo? Comente.