Técnicas de Laboratório: Curso Técnico de Química

ETEc de Ribeirão Pires

Curso Técnico de Química

Apostila de TMI II

2008

AULA 1: Hidrogênio

        O hidrogênio é o mais simples e mais comum elemento do Universo, possui características únicas, por isso não se enquadra em nenhuma família da tabela periódica. Está presente em quase tudo, inclusive em nossos corpos. Ele compõe 75% da massa do Universo e 90% de suas moléculas, como a água e as proteínas nos seres vivos. No planeta Terra, compõe aproximadamente 70% da superfície terrestre.

        Como é quimicamente muito ativo, está sempre procurando outro elemento para se combinar. Raramente permanece na sua forma molecular (H2), e assim associado ao petróleo, carvão, água, gás natural, proteínas, entre outros.

        Na atmosfera terrestre a quantidade de H2 encontra-se em torno de 1 ppm.

        

Algumas Propriedades do hidrogênio (H2):

• Gás incolor, inodoro, insípido e altamente inflamável;
• Massa atômica (H2): 2,02 u.m.a 🡪 HAtômico: 1,00797 u.m.a;
• Ponto de Ebulição: -252,8°C;
• Ponto de Fusão: -259,2°C;
• Densidade: 0,0899 kg/m3;

Algumas Aplicações do H2:

• Produção de amônia (NH3), ácido clorídrico (HCl) e metanol (CH3OH);
• Indústrias de lubrificantes, fertilizantes e vidro;
• Metalurgia 🡪 Refino de metais;
• Indústria de manteiga, margarina e azeite 🡪 Reações de hidrogenação.

Algumas Tecnologias:

• Obtenção de energia térmica e elétrica: Células de combustível;
• Combustível para foguetes 🡪 sistema de propulsão química;
• Produção de vitaminas e cosméticos.
• Bomba de hidrogênio 🡪 fusão nuclear de átomos de deutério e/ou trítio (Isótopos do H2)

Produção Industrial de Hidrogênio

        Os métodos mais comuns de produção de H2 são a eletrólise alcalina da água e a reforma de hidrocarbonetos a vapor.

1- Eletrólise da água

Eletrólise: Processo não espontâneo no qual, à custa de energia elétrica, se faz um cátion receber elétrons e um ânion doar elétrons, para que ambos fiquem com carga zero. Em outras palavras: é uma reação redox que, por não ser espontânea, somente ocorre por força de energia elétrica.

        O sistema de eletrólise consiste basicamente de um vaso cheio de água contendo íons hidroxila (normalmente usa-se solução de KOH ou NaOH a 30%) e dois eletrodos conectados a uma fonte de energia elétrica. A corrente elétrica decompõe a molécula da água e os gases são produzidos nos eletrodos, H2 no cátodo e O2 no ânodo. A tensão mínima necessária é 1,24 volts e a energia necessária para a produção de 1m3 de hidrogênio (89,3 g) é 4,8 kWh.

        Há sistemas, por exemplo, que operam a 2,1 V com densidades de corrente da ordem de 1500 A/m2, sendo que a eletrólise é conduzida a 70°C, produzindo cerca de 1,7 m3 de H2 por hora.

[pic 1]                        [pic 2]

Esquemas de Cubas Eletrolíticas

Neste processo ocorrem as semi-reações:

Cátodo: 2H2O  +  2e-  🡪  H2  +  2OH-

Ânodo: 2OH-  🡪  ½O2  +  H2O  +  2e-

Assim, a reação global é a decomposição da água:

                        H2O  🡪  H2  +  ½O2

        O hidrogênio obtido por este processo é ultrapuro, por esta razão este método é responsável por apenas 4 a 5% da produção mundial de hidrogênio.

1 - Reforma de Hidrocarbonetos a vapor

        A reforma a vapor de hidrocarbonetos é o processo mais amplamente usado para a produção de hidrogênio. Neste processo os hidrocarbonetos são convertidos mediante vapor em uma mistura de hidrogênio, óxidos de carbono e metano, sobre um catalisador a base de níquel. Os hidrocarbonetos usados para a manufatura de H2 podem variam de gás natural (metano) a naftas com ponto de ebulição final de 200°C.

        O processo se baseia nas seguintes reações:

[pic 3][pic 4]

CnHm  +  nH2O  🡪  nCO  +  n  +  m   H2

                                                 2

CO  +  3H2 🡪  CH4  +  H2O

CO  +  H2O  🡪  CO2  +  H2

A unidade industrial de reforma de nafta contém um reator catalítico de leito fixo, cujo esquema ilustrativo é mostrado abaixo. O reator de escoamento descendente contém trinta e dois termopares (sensores para medição de temperatura) distribuídos no leito (dois deles estão fora da região ativa do leito catalítico).