Revista eletrônica de ensino de química

Foi lançada este mês uma nova revista sobre ensino de química.

Disponível no site
[site desativado]
a revista traz interessantes artigos em português, e de fácil leitura.

Nesta primeira edição, a revista apresenta um interessante e rápido texto sobre o delicado equilíbrio de acidez do sangue.
[site desativado]

O editor Adriano Lopes Romero convida todos  pesquisadores ligados ao ensino de Química de diferentes
instituições para participarem enviando artigos ou materais didáticos.

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.

Elementos químicos em áudio


A tabela periódica está cada dia mais multimídia. O espetacular projeto de vídeos sobre a tabela periódica já é um sucesso absoluto de acessos no Youtube.
Mas ainda existe espaço para mais conteúdo interessante. A equipe do Chemistry World mantém um podcast sobre diversos elementos. Em cada caso um cientista ou autor reconhecido faz algum comentário interessante sobre o elemento em questão.

Chemistry in its element
http://www.rsc.org/periodic-table/podcast

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.

Astromolécula do mês


Quando a química e a astronomia unem forças, surge o interessante campo de pesquisa em astroquímica.
Existem diversas moléculas já descobertas no espaço. Uma lista delas pode ser vista em
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_molecules_in_interstellar_space
David Woon, pesquisador da University of Illinois, criou um site no qual explica todo mês um pouco de cada uma dessas moléculas.
http://www.astrochymist.org/AMOTM/amotm_curr.html
A molécula deste mês (agosto 2008) é o nitrogênio. Esta é uma molécula simples, mas já foram identificados compostos mais complexos, como o benzeno, por exemplo.

http://www.astrochymist.org/AMOTM/amotm_curr.html

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.

A economia baseada no hidrogênio

Salvação da humanidade ou um buraco negro econômico?
por Alice Friedemann**
Céticos zombam das máquinas de movimento perpétuo, energia livre, e fusão à
frio, mas o que dizer sobre a energia vinda do hidrogênio? Antes de investir
trilhões de dólares em uma economia baseada no hidrogênio, nós devemos
analisar a ciência e a pseudociência existente na febre do hidrogênio. Vamos
começar por um passeio em um carro movido a hidrogênio.
Embora o motor a combustão interna (MCI) em seu carro possa queimar
hidrogênio, a esperança é que a célula a combustível, que são baseadas em
processos eletroquímicos em vez de combustão (que converte calor em trabalho
mecânico), se tornarão mais eficientes e menos poluentes que o motor de
combustão interna [1]. Células a combustível foram inventadas em 1839 por
William Grove, antes das máquinas a combustão. Mas os MCIs venceram a corrida
pelo uso da gasolina barata e abundante, que é fácil de transportar e
abastecer, e contém uma grande energia quando em combustão [2].
Produção



Diferente da gasolina, o hidrogênio não é uma fonte de energia – é um
transportador de energia, como uma bateria. É necessário se fabricar
hidrogênio e se utiliza a energia neste processo. O hidrogênio é utilizado a
décadas, e já existem tecnologias para produzí-lo. Existem dois principais
modos de se fazer hidrogênio (H2): usando gás natural como fonte dos
hidrogênios e da energia para a produção, ou utilizando água como fonte e
utilizar energia de alguma fonte externa para realizar a quebra da água em
hidrogênio e oxigênio.
1) Fazendo hidrogênio a partir de combustíveis fósseis.
Atualmente, 96 por cento do hidrogênio é feito usando combustíveis
fósseis, principalmente para refinamento de óleo e para hidrogenação parcial
de óleos [3]. Nos Estados Unidos, 90 por cento do hidrogênio é feito a partir
do gás natural, com uma eficiência de 72 por cento [4], o que significa 28 por
cento da energia do gás natural é usada para a produção (sem contar a energia
necessária para extrair e transportar o gás natural até a planta de produção
de hidrogênio).

Um dos principais argumentos apresentados para a mudança para uma “economia de
hidrogênio” é o de impedir que o aquecimento global atribuído à queima de
combustíveis fósseis. Quando o hidrogênio é feito usando gás natural, óxidos
de nitrogênio são liberados, que são 58 vezes mais eficientes em capturar o
calor se comparados com o dióxido de carbono [5]. Carvão libera grandes
quantidades de CO2 e mercúrio. Óleo é muito útil para se gastar com hidrogênio
– é como se fosse luz solar concentrada durante centenas de milhões de anos.
Quatro litros de gasolina representam aproximadamente 88000 quilogramas de
plantas fósseis, a quantidade de 16 hectares de trigo [6].



Gás natural é muito valioso para ser fonte de hidrogênio. O gás pode ser usado
para fazer fertilizante (tanto para matéria-prima como para energia no
processo). Este leva a um aumento na produção de plantações, permitindo que
bilhões de pessoas sejam alimentadas, que de outra forma não seriam [7,8].
Também não existem fontes suficientes de gás natural para permitir que uma
economia baseada no hidrogênio use este como fonte. A extração de gás natural
está em declínio na América do Norte [9]. Levará pelo menos uma década para se
substituir o gás natural por gás liquefeito de petróleo (GLP). Fazer GLP é tão
dispendioso que seria insano, economicamente e ambientalmente, usar este como
fonte de hidrogênio [10].

2) Fazendo hidrogênio a partir da água. Somente quatro% do hidrogênio é
feito por eletrólise da água. Isto é feito quando se deseja obter um
hidrogênio extremamente puro. Pelo fato de a eletricidade vir de boa parte
de combustíveis fósseis em sistemas que têm uma eficiência de 30%, e a
eletrólise da água ser 70% eficiente, você terminaria usando quatro unidades
de energia para criar uma unidade de energia de hidrogênio: 70% * 30% = 21%
de eficiência [11].


Produzir hidrogênio pelo uso de combustíveis fósseis como uma reserva ou
fonte de energia acaba com a ideia original, que é a eliminação da
dependência dos combustíveis fósseis. O objetivo é usar fontes de energia
renovável para produzir hidrogênio pela eletrólise da água. quando vento
sopra, as turbinas eólicas podem agir em eficiência de 30 a 40%, produzindo
hidrogênio em uma eficiência global de 25% – 3 unidades de energia eólica
para obter uma unidade de energia de hidrogênio. As melhores células
fotoelétricas disponíveis em larga escalas tem uma eficiência de 10%, ou
seja, 9 unidades de energia para obter uma unidade de energia do hidrogênio.
Se você usar algas par obter hidrogênio como um subproduto, a eficiência é
de 0,1% [12]. Não importa como você encare a situação, produzir hidrogênio a
partir da água é um sumidouro de energia. Se você deseja uma demonstração
mais dramática, por favor, envie 10 dólares que eu te envio de volta um
dólar.


Hidrogênio pode ser feito partindo de biomassa, mas os problemas são
numerosos:

1) é muito sazonal;

2) contém grandes quantidade de umidade, necessitando energia para estocar e
secar antes de uma possível gasificação;

3) os estoques são limitados;

4) as quantidades não são grandes o suficiente para produção de hidrogênio
em larga escala

5) grande quantidade de terra é necessária para produzir biomassa, pois
mesmo em solo fértil o rendimento não é muito alto – 10 toneladas por
hectare

6) o solo será degradado pela erosão e perderá fertilidade se for retirada
grande quantidade de biomassa

7) qualquer quantidade de energia que for utilizada para cultivar a
biomassa, tal como uso de fertilizantes, planta e colheita, resultarão em
custo energético;

8) devem ser considerados também os custos de transporte até a central de
produção de energia;

9) não é uma fonte adequada para produção de hidrogênio puro [13].


Inserindo energia no hidrogênio


Não importa como é feito, o hidrogênio não possui energia intrínseca. É o
combustível com menor densidade energética na Terra [14]. Em temperatura e
pressão ambientes, o hidrogênio ocupa 300 vezes mais espaço do que a
gasolina para conter a mesma quantidade de energia [15]. Para inserir
energia no hidrogênio, este deve ser comprimido ou liquefeito. Para
comprimir o hidrogênio até os 10.000 psi necessários temos um processo
multi-estágios que representa um custo de 15% da energia contida no
hidrogênio.

Se você liquefaz, terá mais energia em um recipiente menor, mas perderá 30 a
40% da energia neste processo. O manuseio também requer precauções extremas
por ser um líquido muito frio (-253 oC). E o abastecimento é normalmente
feito com um braço robótico [16].


Estocagem



Para estoque e transporte de hidrogênio líquido é necessário um sistema de
suporte criogênico. O tanque é frio o bastante para causar entupimento de
válvulas e outros problemas. Se adicionar isolamento para prevenir esses
problemas, o peso total vai aumentar, adicionando um custo adicional ao
sistema [17].

Vamos assumir que um carro movido a hidrogênio pode percorrer 88km por kg
[18]. Um tanque pode conter 3kg de gás comprimido percorrerá 264km e pesará
400kg [19]. Compare com um tanque de combustível de um Honda Accord que pesa
11kg, tem um custo de 100 dólares, e contém 64 litros de gasolina. O peso
total é 73kg. A autonomia é de 788km. Aqui vemos uma comparação entre os dois
tipos de combustível para um Honda Accord:





Quantidade de combustível


Peso
do
Tanque






Autonomia

Custo
de um tanque
Hidrogênio

55 kg @ 3000 PSI


400
kg






264km

US $ 2000
Gasolina

63
litros



73
kg






789km


$100

$ 100



De acordo com a National Highway Safety Traffic Administration (NHTSA), “A
redução do peso do veículo é provavelmente a técnica mais poderosa para se
aprimorar a economia de combustível. Cada 10% de redução de peso aumentar a a
economia de combustível de um novo modelo de veículo em aproximadamente 8%.”

Quanto mais se comprime o hidrogênio, menor pode ser o tamanho do tanque. Mas
se a pressão aumenta, é necessário aumentar a espessura das paredes de aço, e
portanto o peso do tanque. O custo aumenta com a pressão. Em 2000 psi, é 400
dólares por kg. Em 8000 psi, é 2100 dólares por kg [20]. E o tanque será
enorme – em 5000psi, o tanque pode ter 10 vezes mais volume do que um tanque
de gasolina que contém a mesma quantidade de energia.


Células a combustível são pesadas. De acordo com Rosa Young, física e
vice-presidente de desenvolvimento de materiais avançados no Energy
Conversion Devices, em Troy, Michigan: “Um sistema de estocagem por hidretos
metálicos pode conter 5 kg de hidrogênio, incluindo a liga, o container, os
trocadores de calor, o peso será de aproximadamente 300 kg, o que irá
diminuir a eficiência do veículo.” [21]

Células a combustível são caras. Em 2003, elas custavam 1 milhão de dólares
ou mais. Neste estágio, elas tem baixa confiabilidade, precisam de um
catalisador mais barato do que a platina, podem perder força se existirem
impurezas no hidrogênio, não duram mais do que 1000 horas, e ainda precisam
ter uma autonomia de mais de 160km, e não conseguem competir com veículos
elétricos híbridos como o Toyota Prius, que já é mais eficiente e de baixa
emissão de CO2 do que as células a combustível até então projetadas [22].



Hidrogênio é o Houdini dos elementos. Tão logo quando você armazenou em um
container, ele quer escapar, e já que é o mais leve dos gases, é necessário um
grande esforço para impedir que vaze. Sistemas de estocagem precisam de um
complexo conjunto de juntas, vedações e válvulas. Tanques de hidrogênio para
veículos terão uma perda de 3 a 4% por dia [23].

O hidrogênio também tende a deixar os metais mais quebradiços [24]. Um metal
quebradiço pode resultar em vazamentos. Em encanamentos isso pode causar
rachaduras ou fissuras, que podem resultar em uma potencial falha catastrófica
[25]. Fazer um metal forte o suficiente para resistir ao hidrogênio irá causar
aumento de peso e custos. Os vazamentos também são mais intensos quando se
aumenta a pressão. Pode vazar de conexões não soldadas, de vedações não
metálicas, roscas e anéis de vedação. Um motor a célula a combustível pode ter
milhares de vedações [26]. O hidrogênio tem o menor ponto de ignição do que
qualquer combustível, é 20 vezes menor do que a gasolina. Então se vazar, pode
ser incendiado por um sem número de fontes [27]. Pior, os vazamentos são
invisíveis – algumas vezes o único modo de perceber um vazamento é a
diminuição no desempenho.



Transporte

Caminhões-tanque (250.000 dólares cada) podem transportar combustível
suficiente para 60 carros [28]. Estes caminhões pesam 40.000 kg, mas
transportam somente 400 kg de hidrogênio. Para uma entrega a uma distância de
240 km, a energia usada é aproximadamente 20% da energia disponível no
hidrogênio transportado. Em 480 km, seria 40%. O mesmo caminhão de transporte
entrega 38000 litros de combustível, o suficiente para abastecer em torno de
800 carros [29].

Outra alternativa é o transporte por dutos. O custo médio de dutos de gás
natural é de 1 milhão de dólares por 1,6km, e existem mais de 322000 km de
dutos de gás natural (nos EUA), que não podem ser utilizados para hidrogênio,
pois o metal deles se tornaria quebradiço e vazaria, bem como tem um diâmetro
inadequado para maximizar o transporte de hidrogênio

Se fossemos construir uma infraestrutura similar para transportar hidrogênio
teríamos um custo de 200 bilhões de dólares. O maior custo de operação de
dutos de hidrogênio seria na compressão e manutenção [30]. Os compressores nos
dutos mantém o gás em movimento, usando a energia do hidrogênio para mover o
próprio gás. Após 992 km, 8% do hidrogênio seria usado para mover o próprio
gás pelos dutos [31].





Conclusão

Em algum ponto da cadeia de produção, armazenamento, estocagem e transporte do
hidrogênio, teríamos usado mais energia do que poderíamos obter de volta, e
isto não inclui a energia necessária para construir as células a combustível,
tanques de armazenamento, sistemas de transporte, e veículos [32]. Quando a
fusão possa gerar hidrogênio barato (pela eletrólise da água), quando
eficientes células a combustível a base de nanotubos existirem, e quando
existirem tanques de estocagem leves a prova de vazamentos de fibra de carbono
e dutos baratos, somente assim podemos considerar a construção de uma
infraestrutura de uma economia baseada em hidrogênio. Até la, é vaporware
[algo infindável]. Todos esses obstáculos técnicos devem ser superados para se
tornam uma realidade [33]. Enquanto isso, os Estados Unidos devem parar com os
investimentos no programa Freedom CAR, que fornece milhões de dólares em
impostos para três grandes montadoras de automóveis trabalharem em células a
combustível de hidrogênio. Em vez disso, as montadoras deveriam ser obrigadas
a aumentar a quilometragem média por litro de combustível de seus veículos –
pelo padrão Corporate Average Fuel Economy (CAFE) [34].

Em algum ponto no futuro o preço do petróleo e gás natural irá aumentar
significativamente devido a esgotamento geológico e crises políticas nos
países produtores. Pelo fato da infraestrutura do hidrogênio ser construída
usando a estrutura de petróleo já existente (isto é, veículos movidos a
combustão interna, plantas de produção de energia, fábricas, plásticos, etc),
o preço do hidrogênio também sofrerá um aumento – nunca será mais barato que
os combustíveis fósseis. Quando o esgotamento ocorre, fábricas irão fechar as
portas por causa do alto preço dos combustíveis [35,36,37] e as partes
necessárias para construir os tanques de estocagem extremamente complexos e as
células a combustível devem se tornar escassas.

As leis da física indicam que a economia baseada no hidrogênio sempre será um
sumidouro de energia.

As propriedades do hidrogênio requerem que se gaste mais energia do que se
pode obter, porque para fazê-lo é necessário romper as energias de ligação
entre hidrogênio e oxigênio, mover veículos pesados, prevenir vazamentos e
fragilidade metálica, e transportar o hidrogênio até seu destino. Não importa
se todos esses problemas sejam resolvidos, ou quanto dinheiro seja gasto. Será
necessário usar mais energia para criar, estocar, e transportar o hidrogênio
do que se conseguirá de volta. Todo deslocamento de combustíveis fósseis que
se esgotam para uma economia do hidrogênio irá subtrair energia de outros usos
possíveis, como a planta, colheita, transporte, e cozimento de alimento,
aquecimento de casas, e outras atividades essenciais. De acordo com Joseph
Romm, do Department of Energy que revisou a pesquisa em hidrogênio e
transporte por células a combustível, durante a administração Clinton: “Os
problemas ambientais e energéticos que o mundo e a nação enfrentam,
especialmente o aquecimento global, são muito sérios para arriscar em erros
estratégicos que deslocariam os escaços recursos”. [38]



Referências


  1. Thomas, S. and Zalbowitz, M. 1999. Fuel cells — Green
    power
    . Department of Energy, Los Alamos National Laboratory, 5.
  2. Pinkerton, F. E. and Wicke, B.G. 2004. “Bottling the Hydrogen Genie,”
    The Industry Physicist, Feb/Mar: 20–23.
  3. Jacobson, M. F. September 8, 2004. “Waiter, Please Hold the Hydrogen.”
    San Francisco Chronicle, 9(B).
  4. Hoffert, M. I., et al. November 1, 2002. “Advanced Technology Paths to
    Global Climate Stability: Energy for a Greenhouse Planet.”
    Science, 298, 981–987.
  5. Union of Concerned Scientists. How Natural Gas Works.
    www.ucsusa.org/clean_energy/renewable_energy/page.cfm?pageID=84
  6. Kruglinski, S. 2004. “What’s in a Gallon of Gas?”
    Discover, April, 11.
    http://discovermagazine.com/2004/apr/discover-data/
  7. Fisher, D. E. and Fisher, M. J. 2001. “The Nitrogen Bomb.”
    Discover, April, 52–57.
  8. Smil, V. 1997. “Global Population and the Nitrogen Cycle.”
    Scientific American, July, 76–81.
  9. Darley, J. 2004. High Noon for Natural Gas: The New Energy
    Crisis
    . Chelsea Green Publishing.
  10. Romm, J. J. 2004. The Hype About Hydrogen: Fact and Fiction
    in the Race to Save the Climate
    . Island Press, 154.
  11. Ibid., 75.
  12. Hayden, H. C. 2001. The Solar Fraud: Why Solar Energy Won’t
    Run the World
    . Vales Lake Publishing.
  13. Simbeck, D. R., and Chang, E. 2002. Hydrogen Supply: Cost
    Estimate for Hydrogen Pathways — Scoping Analysis
    . Golden, Colorado:
    NREL/SR-540-32525, Prepared by SFA Pacific, Inc. for the National
    Renewable Energy Laboratory (NREL), DOE, and the International Hydrogen
    Infrastructure Group (IHIG), July, 13.
    www.nrel.gov/docs/fy03osti/32525.pdf
  14. Ibid., 14.
  15. Romm, 2004, 20.
  16. Ibid., 94–95.
  17. Phillips, T. and Price, S. 2003. “Rocks in your Gas Tank.” April 17.
    Science at NASA.
    http://science.nasa.gov/headlines/y2003/17apr_zeolite.htm
  18. Simbeck and Chang, 2002, 41.
  19. Amos, W. A. 1998. Costs of Storing and Transporting
    Hydrogen
    . National Renewable Energy Laboratory, U.S. Department of
    Energy, 20.
    www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/25106.pdf
  20. Simbeck and Chang, 2002, 14.
  21. Valenti, M. 2002. “Fill’er up — With Hydrogen.” Mechanical
    Engineering Magazine
    , Feb 2.

  22. Romm, 2004, 7, 20, 122.
  23. Ibid., 95, 122.
  24. El kebir, O. A. and Szummer, A. 2002. “Comparison of Hydrogen
    Embrittlement of Stainless Steels and Nickel-base Alloys.”
    International Journal of Hydrogen Energy #27, July/August
    7–8, 793–800.
  25. Romm, 2004, 107.
  26. Fuel Cell Engine Safety. December 2001. College of the
    Desert
    www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm06r0.pdf
  27. Romm, J. J. 2004. Testimony for the Hearing Reviewing the
    Hydrogen Fuel and FreedomCAR Initiatives Submitted to the House Science
    Committee
    . March 3.
  28. Romm, 2004. The Hype About Hydrogen, 103.
  29. Ibid., 104.
  30. Ibid., 101–102.
  31. Bossel, U. and Eliasson, B. 2003. “Energy and the Hydrogen Economy.” Jan
    8.
    www.methanol.org/pdf/HydrogenEconomyReport2003.pdf
  32. Ibid.
  33. National Hydrogen Energy Roadmap Production, Delivery,
    Storage, Conversion, Applications, Public Education and Outreach
    .
    November 2002. U.S. Department of Energy.
    www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/national_h2_roadmap.pdf
  34. Neil, D. 2003. “Rumble Seat: Toyota’s Spark of Genius.” Los
    Angeles Times
    . October 15.
    www.latimes.com/la-danneil-101503-pulitzer,0,7911314.story
  35. Associated Press, 2004. “Oil Prices Raising Costs of Offshoots.” July 2.
    www.tdn.com/articles/2004/07/02/biz/news03.prt
  36. Abbott, C. 2004. “Soaring Energy Prices Dog Rosy U.S. Farm Economy.”
    Forbes, Reuters News Service. May 24.
  37. Schneider, G. 2004. “Chemical Industry in Crisis: Natural Gas Prices Are
    Up, Factories Are Closing, And Jobs Are Vanishing.”
    Washington Post, 1(E). March 17.
    www.marshall.edu/cber/media/040317-WP-chemical.pdf

  38. Romm, 2004. The Hype About Hydrogen, 8.


** Traduzido por Luís Roberto Brudna. Com autorização de Michael Shermer (editor da Skeptic). Original disponível em inglês



Tetris químico


O Roberto Takata deixou um comentário, no texto sobre a mesa em formato de tabela periódica, sobre a existência de um jogo parecido com o Tetris, só que com elementos da tabela.
O jogo está disponível em
http://www.echalk.co.uk/tasters/taster4/taster.html
Atenção! O jogo está organizado em uma antiga numeração de grupos. Os grupos de 1 a 8, que aparecem no jogo, são os grupos A. Atualmente a tabela tem a numeração de grupos de 1 até 18.
O jogo serve mais como curiosidade da criatividade em tentar ensinar química ou para perder alguns minutos tentando lembrar a posição dos elementos.

Veja também
Tetris em um microscópio

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.

Tecnologia de hidrogênio caseira

michael mostrando os equipamentos
O americano Michael Strizki conseguiu montar toda uma estrutura alternativa de energia para sustentar os gastos de sua casa.
O sistema que ele arquitetou é composto de painéis solares para coletar energia em dias ensolarados. Essa energia coletada é parcialmente armazenada em um sistema de baterias e o restante empregado na eletrólise da água para conseguir reservas de hidrogênio.
As sobras de hidrogênios são armazenadas em grandes tanques de estoques.
No inverno, ou em períodos longos sem grande quantidade de luminosidade solar, o hidrogênio é utilizado para gerar energia por meio de células a combustível.
Michael afirma que nunca mais precisou utilizar energia da rede de abastecimento. A casa é totalmente sustentada pela sua criação.
A estrutura não é barata e ele só conseguiu construir tudo com bastante dedicação e patrocínio de algumas empresas ligadas ao setor de energias alternativas.
No vídeo ele explica mais alguns detalhes.
[atualização outubro de 2017: infelizmente o vídeo foi removido do YouTube]

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.