ELETRÓLISE DA ÁGUA COMO PROPOSTA DE EXPERIMENTO PARA ENSINO MULTIDISCIPLINAR DE QUÍMICA E FÍSICA
Resumo
Resumo Este trabalho apresenta uma proposta de atividade experimental multidisciplinar em química, física e matemática, desenvolvido no PIBID – UNIPAMPA, subprojeto química-física e aplicado no programa Residência Pedagógica da UNIPAMPA, subprojeto física. Aqui é proposto o fracionamento da água através da eletrólise e por meio do experimento é possível (I) verificar a previsão teórica do volume de gás produzido com o volume medido ao final do experimento. (II) Determinar a eficiência energética na produção do gás hidrogênio (H2). Esta proposta tem potencial de trabalhar vários conceitos, como: quantidades linearmente proporcionais; cálculo de volume; carga elétrica; corrente elétrica, diferença de potencial, potência elétrica; energia elétrica; poder calorífico do H2; quantidade molar; molécula; eletroquímica; balanço químico; conservação da carga, entre outros. Introdução Este experimento pode ser realizado com componentes simples e instrumental de fácil obtenção. No âmbito da química, é possível explorar a questão da afinidade eletrônica dos elementos químicos, quando é explicado o porquê do oxigênio ser oxidado no eletrodo positivo (anodo) e o hidrogênio é reduzido no eletrodo negativo (catodo), a minimização da energia para explicar a formação de moléculas (O2 e H2) em vez de elementos simples como oxigênio (O) e hidrogênio (H). Condutividade de soluções para mostrar a necessidade de adição de hidróxido de sódio (NaOH) na solução e a necessidade de se utilizar eletrodos condutores de grafite. A eletroquímica para mostrar potencial de solução. A partir da conservação da carga, podemos determinar a quantidade de moléculas de H2 e O2 produzida pela corrente elétrica. Pela equação de estado de um gás ideal (PV=NRT), podemos determinar o volume de gás produzido. E por fim, para poder comparar o volume estimado com o volume obtido, podemos usar a geometria para calcular o volume do gás produzido e confinado dentro do tubo de ensaio, por meio do cálculo do volume de um cilindro de base circular R (raio da “boca” do tubo) e altura H (coluna de gás) – área da base (πR2) pela altura (H). E a matemática é mostrada como ferramenta singular na comprovação dos modelos teóricos com os resultados experimentais.Metodologia São apresentadas algumas definições: (I) A lei dos gases ideais ou equação de estado do gás ideal (ou equação de Clapeyron), também chamado de gás perfeito. Determinada inicialmente de forma empírica por Émile Clapeyron, em 1834[1]. Relaciona pressão, P (Pa, Pascal), volume, V (m3), Fração molar, n ( número de entidades por mol), e a temperatura, T (K, graus Kelvin). Também há a necessidade de se inserir uma constante (Constante Universal dos Gases, R = 8,3144598 J/K.mol.), onde J (Joule, unidade de energia). P.V = n.R.T. (II) Corrente elétrica pode ser definida como a variação da carga elétrica ao longo do tempo, a corrente em um dado instante de tempo é dado por (i = dq/dt), onde dq é a variação infinitesimal de carga e dt a variação infinitesimal de tempo. A corrente média é dado por (I = ∆q/∆t) onde ∆q é a carga média no intervalo de tempo médio ∆t. A unidade de carga no SI (Sistema Internacional) é o Coulomb (C) e a carga de um elétron corresponde a -1,602 176 634 . 10-19 C. (III) Mole (ou mol) corresponde à unidade para quantidade de objetos, matéria neste caso, e corresponde a 6,022 140 76 . 1023 entidades (também conhecido como número ou constante de Avogadro. Um gás contendo 1 mol de moléculas (de qualquer elemento) ocupa um volume de 22,4 litros nas CNTP (condições normais de temperatura (273,15 K) e pressão (101 325 Pa)). Aproximadamente 24 litros a 20 graus Celsius. A 250 metros de altura a pressão diminui para 97%, portanto o volume incrementa de 3%, i.e. 24,7 litros. Para a determinação teórica do volume de gás produzido, é necessário determinar a quantidade de carga entregue a célula, como consideramos a aproximação de que a corrente (em ampères, A) é constante, basta multiplicar o valor médio da corrente pelo intervalo de tempo (em segundos, s) em que a corrente é fornecida a célula e obtém-se a carga em Coulomb. Esta carga é dividinda pela carga de um elétron (1,60 . 10-19) e temos a quantidade de elétrons fornecida à célula. Resultados e Discussão Como são necessários 2 elétrons para formar uma molécula de hidrogênio (H2), a metade do número de elétrons corresponde ao número de moléculas de H2, que dividido pelo mol, obtemos a fração molar de H2. Utilizando a lei dos gases ideais obtemos o volume produzido pelo H2. Para determinar a eficiência da conversão energética, calculamos a energia elétrica fornecida à célula multiplicando a potencia (tensão vezes corrente) pelo tempo e a partir de valores tabelados, é obtido a energia acumulada em um mol de gás H2. Utilizamos uma célula eletroquímica padrão de 2 eletrodos, composto de uma cuba (Béquer, copo ou garrafa PET cortada), dois eletrodos de grafite, dois tubos de ensaio, cabos elétricos para conexão elétrica, bateria, um medidor de corrente e um relógio ou cronômetro. O eletrólito era composto por uma solução aquosa de NaOH a 0,02mol/l, pois a água pura conduzir pouca corrente elétrica e desta forma (com o NaOH) diminuir a resistência elétrica da água, facilitando a quebra das moléculas. E escolhemos esta concentração (0,02mol/l) para facilitar o manuseio do experimento. Foi aplicado um potencial de 30 V e corrente de 0,03515 A por 28 minutos (1680 s). O que resultou em 59,052 C de carga transferida para a célula. Como a corrente elétrica se mantém praticamente constante, a integral da corrente ao longo do tempo se transforma numa simples multiplicação da corrente pelo tempo que o circuito fica ligado. De posse da carga, utilizando proporção simples (regra de três) obtemos a quantidade de átomos de H que foi reduzido no eletrodo negativo (o hidrogênio ionizado, H+, diluído na solução necessita de um elétron para reduzir no eletrodo negativo, portanto o número de átomos de hidrogênio (o dobro do número de moléculas de H2, N=1,8454.1020 moléculas) é igual ao número de elétrons fornecido a célula eletroquímica). Para saber o número de elétrons, basta dividir a carga total pela carga de um elétron (carga elementar, 1,60E-19C). Conclusões Assumindo que o gás produzido tem a mesma temperatura e pressão do ambiente ao redor e utilizando a equação de estado do gás ideal, podemos estimar o volume de H2 produzido, VH2 = 7,39e-6 m3 ou VH2 = 7,39 cm3. Este volume é comparado com o volume obtido no respectivo tubo de ensaio, sabendo-se que o diâmetro do tubo é de 1,175 cm e a coluna de H2 atingiu 7,2 cm, de V’H2= 7,81 cm3. Observamos que os dois volumes concordam dentro de uma margem de erros de 5%, mostrando a coerência do procedimento. Para a determinação da eficiência energética do processo, consideramos o poder calorífico do H2 (gasoso), que corresponde a 283,824 kJ / mol e a energia elétrica entregue à célula (potência x tempo) de 1771,56J. Obtemos a fração molar de 3,44 .10-4 moles para um volume medido de H2 de 7,81 cm3, que corresponde a 97,65J. Portanto a eficiência em conversão da energia resulta em 5,5%. Proposta de roteiro e resultados de aplicação em sala de aulas serão apresentados no III EnlicSul.