Atividade prática - Reconhecendo gases do cotidiano Parte 5: produzindo gás hidrogênio

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1 Atividade prática - Reconhecendo gases do cotidiano Parte 5: produzindo gás hidrogênio 9º ANO DO ENSINO FUNDAMENTAL / 1º E 2º ANOS DO ESINO 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 Como vimos anteriormente, o hidrogênio (H2) é um gás combustível, sem cheiro, que pode ser produzido pela reação entre metais comuns e ácidos, ou a partir de eletrólise, ou mesmo a partir de substâncias orgânicas; mas, nesse último caso, é obtido misturado com outros gases. As discussões recentes sobre a viabilidade do uso do gás hidrogênio como combustível em diversos setores têm como pontos de defesa dessa alternativa, o fato de o hidrogênio ser um combustível limpo, produzindo apenas vapor d água (H2O) na sua queima, como na reação abaixo. H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (v) No entanto, para substituir os derivados do petróleo nos motores dos automóveis, o uso do hidrogênio esbarra em uma grande desvantagem: como o hidrogênio é um gás de baixíssimo peso molecular, precisa estar comprimido em grandes tanques com paredes bem grossas, para que se consiga manter a substância no estado líquido sob pressão, como acontece nos cilindros de oxigênio dos mergulhadores, extintores de incêndio de gás carbônico, etc. Você deve saber que os carros movidos a gás metano (CH4) ou gás natural veicular (GNV) também possuem tanques para armazenar o metano no estado líquido, e esses tanques são considerados grandes e pesados. No entanto, os tanques para gás hidrogênio precisariam ser ainda maiores e mais pesados, e os automóveis teriam uma autonomia menor que os carros movidos a metano. Isso acontece porque o hidrogênio libera menos calor na sua queima por mol (número fixo de moléculas, equivalente a 6x10 23 moléculas) do que o gás metano. Observe que, se considerarmos a energia liberada por massa de combustível, o gás hidrogênio parece ser bem mais vantajoso que o metano, que o etanol, e até mesmo mais vantajoso que a gasolina, se a considerarmos como octano (C8H18) puro. Combustível Fórmula Massa molar Entalpia de combustão (energia liberada por mol) Entalpia de combustão (energia liberada por grama) Metano CH4 16g 802 kj 802kJ / 16g = 50,125kJ/g Hidrogênio H 2 2g 286 kj 286kJ / 2g = 143kJ/g Gasolina (octano) C8H18 114g 5471 kj 5471kJ / 114g = 47,99 kj/g Etanol C2H6O 46g 1368 kj 1368kJ / 46g = 29,739 kj/g Mas, como o hidrogênio é um gás de baixíssima massa molecular (2 gramas por mol), essa vantagem nada significa, pois um litro de hidrogênio, mesmo comprimido para o estado líquido é

2 cerca de 50 vezes mais leve que a gasolina e libera uma quantidade de energia cerca de 20 vezes menor. Outro fator importante na escolha de um combustível de motores à explosão é a sua capacidade de formar um maior número possível de moléculas gasosas após a queima, descontando as moléculas gasosas antes da queima, pois isso ajuda a impulsionar o pistão, criando mais energia cinética. Em outras palavras, não é apenas o calor (energia) que faz essa transformação de energia química para energia cinética dentro do motor. Assim, analisemos as equações abaixo, para comparar e avaliar o hidrogênio com outros combustíveis: Combustível Equação da reação de queima Moléculas gasosas envolvidas Variação de moléculas gasosas Hidrogênio 1 H2 (g) + ½ O2 (g) 1 H2O (v) 1,5 formando 1,0 Decréscimo de 0,5 Metano 1 CH4 (g) + 2 O2 (g) 1 CO2 (g) + 2 H2O (v) 3,0 formando 3,0 Nula Etanol 1 C2H6O (l) + 7/2 O2 (g) 2 CO2 (g) + 3 H2O (v) 3,5 formando 5,0 Aumento de 1,5 Gasolina 1 C8H18 (l) + 25/2 O2 (g) 8 CO2 (g) + 9 H2O (v) 12,5 formando 17,0 Aumento de 4,5 Assim, percebemos que o gás hidrogênio, enquanto combustível para motores a explosão, não oferece muitas vantagens do ponto de vista da transformação da energia química em cinética, apesar de suas vantagens ecológicas e ambientais. Essas desvantagens advêm das propriedades químicas naturais desse gás e não permitem muitos avanços nos modelos dos carros para que ele se torne um combustível exclusivo, sendo proposto no máximo, o uso de hidrogênio como um dos combustíveis em automóveis híbridos. Célula de combustível a hidrogênio a química gerando eletricidade Uma das alternativas para o uso do gás hidrogênio (H2) é a célula a combustível, onde a reação do gás hidrogênio (H2) com o gás oxigênio (O2) tem a velocidade reduzida e controlada, com o uso de uma membrana úmida com uma solução eletrolítica ácida (solução rica em íons H + ), separando parcialmente os dois gases. Como em todas as reações químicas há transferência de elétrons, o sistema transfere os elétrons de um elemento a outro através de um circuito elétrico, gerando corrente elétrica. Somente após a transferência de elétrons pelo circuito é que os átomos de hidrogênio (íons H + ) e oxigênio se encontram para formar água. Assim, a reação química entre os gases hidrogênio e oxigênio na célula a combustível não é propriamente uma queima, da forma tradicional que gera energia apenas na forma de calor. A célula sofre, sim, grande aquecimento, mas de intensidade bem menor do que a explosão rápida e descontrolada do hidrogênio; além de gerar grande parte da energia na forma de energia elétrica. Esquema do funcionamento da célula a combustível de hidrogênio. Disponível (acesso: ): cell_pt.svg

3 Essa energia elétrica seria capaz de carregar as baterias e também movimentar o motor de um carro elétrico. Até mesmo o gás hidrogênio pode ser produzido internamente no próprio carro, por eletrólise da água, ou seja, o carro pode vir a ser abastecido periodicamente com água pura, destilada, para fazê-lo funcionar, como se a água fosse o seu combustível. O potencial elétrico de uma célula a combustível é pequena, da ordem de 0,7 volts, mas pode ser multiplicada por associação com outras células iguais. Experimento 2: Produzindo e testando o gás hidrogênio Material (por grupo de alunos) A) Metal comum em pó ou raspas, podendo ser limalha de ferro, palha de aço, zinco em grãos, raspas ou fitas de magnésio etc. B) Solução aquosa de ácido clorídrico 0,1mol/L (não precisa ser de concentração exata) preparada pelo professor ou ácido muriático comercial. C) Mangueira transparente do tipo usado para tirar nível em construção civil. D) Béquer de 500mL ou maior. Obs.: Pode ser um aquário, bacia ou outro recipiente transparente. E) Kitassato ou erlenmeyer de 500mL. Obs.: O ideal é o uso do kitassato, que é formado por vidro mais grosso e resistente à pressão. F) Rolha de borracha com um furo Obs.: Caso for usado o erlenmeyer, a rolha deverá ter um furo. Se for o kitassato, use uma rolha sem furos. G) Conexão de vidro em L, que sirva no furo da rolha e que encaixe bem na mangueira. Obs.: Se for usar o kitassato, basta conectar a mangueira direto na saída lateral do frasco, não sendo necessária nenhuma conexão de vidro. H) Proveta de 100mL ou maior, ou tubo de ensaio grande para recolher o gás. A proveta tem a vantagem de marcar o volume exato de gás produzido. I) Suporte universal com garra. J) Sacola plástica comum bem leve, do tipo usado para verduras, sem furos. K) Fósforos ou isqueiro. Procedimento Produzindo e recolhendo o gás hidrogênio puro 1. Encha o béquer grande, bacia ou aquário com água de torneira. 2. Encha o tubo de ensaio grande ou a proveta com água até transbordar e tampe com o dedo, sem deixar bolhas de ar no interior. Emborque o tubo ou proveta no aquário de boca para baixo e retire o dedo. Dentro do tubo não pode haver nenhuma bolha de ar. 3. Mantenha o tubo na vertical, emborcado, com o auxílio da garra e do suporte universal, se necessário. O importante é que o tubo não incline para a entrada de ar atmosférico. Esse tubo será usado para recolher o gás hidrogênio produzido na reação. Montagem para recolher gás, usando uma cuba (frasco tipo aquário ou bacia) e um tubo de ensaio invertido ou proveta invertida, preenchida com líquido. Na medida em que o gás vai sendo produzido, entra pela mangueira até à base do tubo e o líquido vai descendo, deixando o gás armazenado no alto do tubo. Disponível (acesso: ):

4 4. Coloque a amostra de metal no erlenmeyer vazio. 5. Adapte a conexão em L no furo da rolha e a outra ponta da conexão na mangueira transparente. 6. Coloque cuidadosamente a solução ácida no erlenmeyer, seguindo a orientação de seu professor. 7. Tampe o erlenmeyer com a rolha furada já com a conexão e a mangueira adaptadas. 8. Assim que a produção de gás hidrogênio (bolhas) começar a ficar intensa, coloque a extremidade que sobrou da mangueira embaixo da boca do tubo de ensaio, de forma que as bolhas subam pelo tubo, ficando presas no alto. Observe que na medida em que o gás for sendo produzido, o líquido dentro do tubo vai descendo. Deixe a mangueira posicionada até encher todo o tubo. Procedimento Testando algumas propriedades do gás hidrogênio 9. Quando o tubo ou proveta estiver cheio de gás, desconecte a mangueira, deixando o tubo em repouso, com o gás, na posição vertical. 10. Abra a sacola de plástico com a boca virada para baixo, dobrando suas bordas, dando uma forma semelhante à de um paraquedas. 11. Coloque a ponta da mangueira abaixo da sacola, de forma que o gás se acumule no interior da sacola. Verifique se não há nenhuma fonte de calor ou chama nas proximidades. Deixe por alguns minutos e solte a sacola. Observe o que acontece. 12. Coloque o dedo vedando a boca do tubo de ensaio ou proveta, e retire-o cuidadosamente de dentro da água. Não retire o dedo, para não deixar escapar o gás. 13. Acenda um fósforo ou isqueiro e aproxime-o da boca do tubo. Peça silêncio total aos seus colegas para que possam escutar o estampido da reação. 14. Retire o dedo, posicionando a chama bem próxima da boca do tubo. Observe. Observações e questões 1) O que aconteceu com a sacola plástica depois de preenchida com gás hidrogênio e deixada solta? Comente. 2) O que aconteceu depois que uma chama se aproximou da boca do tubo contendo gás hidrogênio? Comente. 3) Sabendo que a massa das moléculas do principal gás da atmosfera, o gás nitrogênio (N2), é proporcional a 28 (28g por mol) e que a massa das moléculas do gás hidrogênio (H2) é proporcional a 2 (2g por mol), e sabendo ainda que a distância entre as moléculas é constante para qualquer gás sob a mesma pressão e mesma temperatura ambiente, EXPLIQUE o comportamento

5 da sacola plástica, baseando-se no conceito de densidade dos gases. Qual é o gás mais denso? Qual fator está influenciando na diferença de densidade dos dois gases?