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PAULO CESAR
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HIDROGÊNIO
O hidrogênio é o mais simples e mais comum elemento do Universo! Está presente em quase tudo, inclusive em você! Ele compõe 75% da massa do Universo e 90% de suas moléculas, como a água (H2O) e as proteínas nos seres vivos. No planeta Terra, compõe aproximadamente 70% da superfície terrestre. No seu estado natural e sob condições ambientes de temperatura e pressão, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro, insípido e muito mais leve que o ar. Ele também pode estar no estado líquido, ocupando um espaço 700 vezes menor do que se estivesse em forma de gás! Mas ele tem que estar armazenado numa temperatura de –253ºC, em sistemas de armazenamento conhecidos como “sistemas criogênicos”. Acima desta temperatura, o hidrogênio não pode ser liquefeito, mas pode ser armazenado em forma de gás comprimido em cilindros de alta pressão. Um exemplo do potencial energético do Hidrogênio está na fonte de energia do Sol - compõe 30% da massa solar. É com a energia do hidrogênio, através do processo de fusão nuclear, que o Sol aquece a Terra, favorecendo a vida em nosso planeta. Como é quimicamente muito ativo, está sempre procurando outro elemento para se combinar. Raramente permanece sozinho como um único elemento (H2), em suspensão ou à parte, estando associado ao petróleo, carvão, água, gás natural, proteínas, entre outros elementos. As misturas dos gases hidrogênio e oxigênio são inflamáveis, até mesmo explosivos, dependendo da concentração. Quando queimado com oxigênio puro, os únicos sub-produtos são o calor e a água. Quando queimado com ar, constituído por cerca de 68% de nitrogênio e 21% de oxigênio, alguns óxidos de nitrogênio (NOX) são formados. Ainda assim, a queima de hidrogênio com ar produz menos poluentes atmosféricos que os combustíveis fósseis (petróleo, carvão). A agência espacial dos EUA, a NASA, percebeu estas qualidades do hidrogênio e o utiliza nos seus projetos espaciais para a propulsão dos foguetes, pois estes requerem características não obtidas com outros combustíveis, tais como: o baixo peso, a compactação e a capacidade de grande armazenamento de energia. Quando utilizado em células a combustível, a água que resulta do processo é consumida pelos astronautas!
Decolagem do avião espacial Shuttle da NASA. O hidrogênio é o combustível ideal por apresentar baixo peso e capacidade de grande armazenamento de energia. Foto: cortesia da NASA. Atualmente, a maior parte do hidrogênio produzido no mundo é utilizado como matéria-prima na fabricação de produtos como os fertilizantes, na conversão de óleo líquido em margarina, no processo de fabricação de plásticos e no resfriamento de geradores e motores. Agora, as pesquisas sobre hidrogênio estão concentradas na geração de energia elétrica, térmica e de água pura através das células a combustível! A Energia do Hidrogênio.
CombustãoGás hidrogênio (H2) é altamente inflamável e queimará em concentrações de 4% ou mais H2 no ar. A entalpia de combustão para o hidrogênio é −286 kJ/mol; ele queima de acordo com a seguinte equação balanceada.
Quando misturado com oxigênio por entre uma grande variedade de proporções, o hidrogênio explode por ignição. Hidrogênio queima violentamente no ar, tendo ignição automaticamente na temperatura de 560 °C. Chamas de hidrogênio-oxigênio puros queimam no alcance de cor ultravioleta e são quase invisíveis a olho nu, como ilustrado pela faintness da chama das turbinas principais do ônibus espacial (ao contrário das chamas facilmente vísiveis do foguete acelerador sólido). Então ele necessita de um detector de chama para detectar se um vazamento de hidrogênio está queimando.
A explosão do dirigível Hindenburg foi um caso infame de combustão de hidrogênio; a causa é debatida, mas os materiais combustíveis na pele do dirigível foram responsáveis pela coloração das chamas. Outra característica dos fogos de hidrogênio é que as chamas tendem a ascender rapidamente com o gás no ar, como ilustrado pelas chamas do Hindenburg, causando menos dano que fogos de hidrocarboneto. Dois terços dos passageiros do Hindenburg sobreviveram ao incêndio, e muitas das mortes que ocorreram foram da queda ou da queima do combustível diesel.
Produção A produção do hidrogênio se dá normalmente pela extração de combustíveis fósseis através de um processo químico. O hidrogênio também pode ser extraído da água via produção biológica, através de um biorreator de algas ou usando eletricidade (eletrólise), calor (termólise), ou ainda quimicamente (reação redox). A descoberta e desenvolvimento de métodos de produção de hidrogênio em larga escala mais baratos vai acelerar o estabelecimento de uma economia de hidrogênio. LaboratórioNo laboratório, o gás H2 é normalmente preparado pela reação de ácidos com metais tais, como o zinco, por meio do aparelho de Kipp.
O alumínio também pode produzir H2 após tratamento com bases: 2 Al + 6 H2O + 2 OH- ® 2 Al(OH)4- + 3 H2 A eletrólise da água é um método simples de produzir hidrogênio. Uma corrente elétrica de baixa voltagem corre através da água, e oxigênio gasoso forma-se no ânodo enquanto que hidrogênio gasoso forma-se no cátodo. Tipicamente, o cátodo é feito de platina ou outro metal inerte (geralmente platina ou grafite) quando se produz hidrogênio para armazenamento. Se, contudo, o gás destina-se a ser queimado no local, é desejável haver oxigênio para assistir à combustão, e então ambos os elétrodos podem ser feitos de metais inertes (eletrodos de ferro devem ser evitados, uma vez que eles consumiriam oxigênio ao sofrerem oxidação). A eficiência máxima teórica (eletricidade usada versus valor energético de hidrogênio produzido) está entre 80 e 94%. 2H2O(aq) ® 2H2(g) + O2(g) Em 2007, descobriu-se que uma liga de alumínio e gálio em forma de pastilhas adicionada a água podia ser usada para gerar hidrogênio. O processo também produz alumina, mas o gálio, que previne a formação de uma película de óxido nas pastilhas, pode ser reutilizado. Isto tem potenciais implicações importantes para a economia baseada no hidrogênio, uma vez que ele pode ser produzido no local e não precisa de ser transportado. IndustrialO hidrogênio pode ser preparado por meio de vários processos mas, economicamente, o mais importante envolve a remoção de hidrogénio de hidrocarbonetos. Hidrogênio comercial produzido em massa é normalmente produzido pela reformação catalítica de gás natural. A altas temperaturas (700-1100 °C), vapor de água reage com metano para produzir monóxido de carbono e H2. CH4 + H2O ® CO + 3 H2 Esta reação é favorecida a baixas pressões mas é no entanto conduzida a altas pressões (20 atm) uma vez que H2 a altas pressões é o produto melhor comercializado. A mistura produzida é conhecida como "gás de síntese" porque é muitas vezes usado diretamente para a produção de metanol e compostos relacionados. Outros hidrocarbonetos além do metano podem ser usados para produzir gás de síntese com proporção de produtos variáveis. Uma das muitas complicações para esta tecnologia altamente otimizada é a formação de carbono: CH4 ® C + 2 H2 Por consequência, a reformação catalítica faz-se tipicamente com excesso de H2O. Hidrogênio adicional pode ser recuperado do vapor usando monóxido de carbono através da reacção de mudança do vapor de água, especialmente com um catalisador de óxido de ferro. Esta reação é também uma fonte industrial comum de dióxido de carbono: CO + H2O ® CO2 + H2 Outros métodos importantes para a produção de H2 incluindo oxidação parcial de hidrocarbonetos: 2 CH4 + O2 ® 2 CO + 4 H2 e a reação de carvão, que pode servir como prelúdio para a "reação de mudança" descrito acima C + H2O ® CO + H2 Hidrogênio é por vezes produzido e consumido pelo mesmo processo industrial, sem ser separado. No processo de Haber para a produção de amoníaco, é gerado hidrogênio a partir de gás natural. Eletrólise de salmoura para produzir cloro também produz hidrogênio como produto secundário.
Este site foi atualizado em 22/07/10 |
