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Foguete 
(Propulsão a hidrogênio e oxigênio)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br  

Objetivos
- decomposição da água por eletrólise;
- captação dos gases resultantes -
hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) - no interior de uma seringa;
- combustão do hidrogênio -
(síntese da água) por meio de uma faísca elétrica (alta-tensão);
- lançamento do êmbolo da seringa a uma distância considerável
(conversão de energia térmica em trabalho mecânico).

Este texto do autor foi originalmente publicado no Manual das Feiras de Ciências e Trabalhos Escolares (Vol.2). São Paulo, Editora CERED, 1994.
 

Material
cuba de vidro,
fonte de tensão de 6 a 12 VDC,
tubo de vidro ou plástico em U,
mangueira de látex ("tripa-de-mico"),
torneira de aquário,
seringa descartável de 50 ou 100 ml,
fonte de alta tensão 5.000 a 10.000 VAC (vide notas),
figura de papelão, suporte, água, gotas de ácido (vide notas),
fios rígidos encapados com 1,0 mm² de bitola (50 cm de comprimento).

Apresentação
Deve ser providenciado para esse trabalho, uma montagem própria para Feiras de Ciências, devido ao dinamismo das demonstrações e à quantidade de conceitos envolvidos na sua realização. Os experimentos envolvendo o voltâmetro (para a eletrólise da água), já tradicionais, evidenciam a decomposição da água mediante o reconhecimento dos gases formados nos tubos de ensaio (o que pode ser feito mediante o uso de um palito de fósforo em brasa), mas geralmente param por aí. Dificilmente se vê, em Feiras de Ciências, a síntese da água (reconstrução da molécula de água a partir dos gases H2 e O2) por meio de uma faísca elétrica. Talvez isso se dê pelo desmedido temor que a expressão "alta-tensão" costuma causar.

Montagem
O aparato para a realização do experimento consiste basicamente de três partes, a saber:

a) um voltâmetro, montado de modo que seja possível recolher os gases formados na eletrólise da água e reuni-los, para a etapa seguinte;

b) uma seringa plástica descartável, (dotada de dois eletrodos convenientemente adaptados), que receberá a mistura de gases e no interior da qual ocorrerá a faísca para sintetizar a água;

c) o êmbolo da mesma seringa do item anterior (na qual pode-se fixar uma figura de papelão, como um pequeno foguete, por exemplo) que será arremessado pela força oriunda da expansão térmica.

O voltâmetro
Trata-se de uma cuba de vidro contendo água levemente acidulada (algumas gotas de ácido sulfúrico ou nítrico), dois eletrodos de platina ou de carvão (grafite de lápis preto), fios de cobre recobertos com suas capas plásticas e um tubo de vidro (ou plástico) em forma de U invertido ligado a uma torneira de aquário.

A fonte de tensão para a etapa da eletrólise deve fornecer de 6 a 12 volts (corrente contínua).

Essa etapa do experimento permite, se trocarmos o tubo em U invertido por dois tubos de ensaio, como na figura da direita, mostrar a decomposição da água evidenciando os gases resultantes da eletrólise: no tubo que contém gás hidrogênio, a chama de um palito de fósforo, por exemplo, ocasiona uma pequena explosão - ploc!; no tubo que contém o oxigênio, ressurgem chamas em um palito em brasa.

Desafio
Você saberia dizer por que é necessário acidular a água para eletrolisá-la? [Clique no destaque para saber mais sobre a eletrólise]
E por que utilizar o ácido sulfúrico (ou nítrico) e não o ácido clorídrico?

Nota: a fonte de tensão pode ser conseguida por associações de pilhas em série (4 pilhas = 6 volts, 8 pilhas = 12 volts) ou usando um eliminador de pilhas (muito comum nas residências, usado normalmente para fazer funcionar rádios ou tevês portáteis), ou um carregador de baterias, (como os das lanternas de acampamento com baterias de niquel-cádmio). De modo geral, qualquer eliminador de pilha que exista em sua residência servirá.

Como já expusemos em outra de nossas montagens, o gerador de Van de Graaff, tensões momentâneas de até 10.000 VAC podem ser obtidos com material muito simples, praticamente sem qualquer perigo para o ser humano. A síntese da água pela combustão do hidrogênio gera calor suficiente para determinar uma brusca expansão térmica - sob controle, nas condições do experimento, mas suficiente para ejetar um objeto de pequena massa a uma dezena de metros de distância.

Seringa plástica
A seringa na qual ocorrerá a síntese da água deve ser preparada de antemão. Bem próximo ao "bico" da seringa devem ser praticados dois pequenos orifícios, diametralmente opostos, pelos quais passarão (justas) as pontas dos fios de cobre que formarão o centelhador (faiscador). Dentro da seringa, o afastamento entre essas pontas deve ser de cerca de 1,0 mm. A perfeita vedação e a fixação dessas pontas de fio, no corpo da seringa, podem ser obtidas mediante aplicação de adesivo ou massa à base de epóxi (araldite ou durepóxi). É entre essas pontas que ocorrerá a faísca necessária para que os gases hidrogênio e oxigênio reajam quimicamente (combustão do hidrogênio) para formar a água. O "bico" da seringa deve ser ligado ao tubo em U invertido por uma mangueirinha de borracha (conhecida como "tripa-de-mico"). A tensão necessária para que salte a faísca entre essas pontas dentro da seringa é da ordem dos 10.000 volts.

Nota: essa alta tensão alternada pode ser conseguida diretamente com um transformador para lâmpada néon. Qualquer modelo com tensões entre 2 000 e 10 000 V servirá. Esse transformador apresenta dois terminais para a entrada dos 110 volts da rede domiciliar e outros dois terminais robustos para a alta tensão (aos quais seria ligada a lâmpada).
Um outro recurso para obter momentaneamente esses 10.000 volts é usar uma bobina de ignição para automóveis, alimentada por uma bateria de 12V. Essas bobinas (classificadas como auto-transformadores) são dotadas de três terminais, dois na face plana superior da bobina e um terminal elevado no topo (onde seria ligado o cabo de vela para o distribuidor). A carcaça da bobina é
fixada no chassis do veículo.
Obviamente há outras opções para se conseguir a faísca entre os eletrodos, uma delas, bem simples, é usar o faiscador piezelétrico dos acendedores de fogão a gás; outra é usar uma ´usina´ comum nos fogões que tem acendimento elétrico (usina é o nome pelos quais essas fontes de altas tensões são conhecidas nas lojas de peças para fogões a gás); outra é usar gerador de alta tensão como os indicados na Sala 03.

 Veja na ilustração acima como se deve interligar tudo isso.

Atenção: No caso da bobina de ignição, a faísca só irá saltar nos momentos em que um dos fios que vão da bobina à bateria for desligado. Que é o que fazia o antigo platinado.

Êmbolo e complementação
O foguete de papelão colado ao êmbolo da seringa plástica de 50ml (material descartável) será impulsionado por uma mistura gasosa explosiva, na qual o hidrogênio é o combustível, e o oxigênio, o comburente.

As três partes devem ser ajustadas para o procedimento final.

Procedimento
Uma vez efetuada a montagem final, como se ilustra, preparamos o funcionamento.

1) com a mangueira de látex desligada da seringa, levar o êmbolo da seringa até o fundo (sem danificar os eletrodos);

2) com a extremidade livre dessa mangueira na boca, aspiramos o ar contido no tubo em U, fazendo com que o nível da água suba no tubo em U até próximo à torneira;

3) fechar a torneira T e ligar a tripa de mico na seringa;

4) ligar a fonte de baixa tensão (6 a 12 VCC) e iniciar a eletrólise da água nessa fase, os gases hidrogênio e oxigênio vão sendo liberados e o nível de água no tubo em U começa a baixar;

5) desligar a fonte de baixa tensão quando se observar um abaixamento do nível da água de cerca de 3 cm3;

6) abrir a torneira T e puxar o êmbolo da seringa cerca de 1 cm;

7) fechar a torneira T;

8) ligar a alta-tensão para que a faísca salte entre os eletrodos.

Ocorrida a pequena explosão, o êmbolo e a figura de papelão serão jogados longe.

Reiniciar
a) Se ainda houver mistura de gases no tubo em U: desligar a tripa-de-mico da seringa, recolocar o êmbolo no corpo da seringa até o final (bem próximo aos eletrodos), re-conectar a mangueira na seringa, abrir a torneira T, puxar o êmbolo cerca de 1 cm, fechar a torneira, ligar a alta-tensão.

b) Se não houver mais mistura no tubo em U: reiniciar a partir do item 4.

Dicas e lembretes:

1) A acidez da água (para facilitar a condução elétrica) pode ser obtida com algumas gotas de ácido sulfúrico.

2) A tensão de 12 VCC para realizar a eletrólise pode ser proveniente de uma bateria de automóvel, ou de uma fonte de alimentação 110 VAC/ 12 VCC, para 1 A (também denominada "eliminador de pilhas").

3) Para que não ocorram reações secundárias na fase da eletrólise (mascarando a proporção esperada de 2:1), deve-se usar eletrodos de platina (ou carvão - grafite de lápis). Os fios ligados aos eletrodos devem estar encapados com plástico (fio 1,0 mm² rígido para instalações elétricas domiciliares).

4) A torneira T é uma torneira típica para aquários; a mangueira utilizada deve ser bem flexível (por isso indicamos tripa-de-mico) e os eletrodos (que devem ser inseridos a quente na seringa e selados com araldite ou durepóxi) devem ser dois pequenos fios de cobre (fio 1,0 mm²) rígido.

Nota: Nenhum produto comercial citado nos experimentos deve ser tomados como propaganda (merchandising) ou indicação do autor como sendo o de melhor qualidade. 

5) A ignição pode ser obtida de um circuito oscilador transistorizado (visite a Sala de Eletrônica de nossa Feiras de Ciências, recorra a artigos relativos em revistas de eletrônica ou, ainda, envie um e.mail para o autor) podendo-se usar um flyback qualquer (tevê branco e preto ou em cores). Na falta deste, utilizar um transformador elevador de tensão para néon (110 VAC / 7.500 VAC, 15 mA) ou ainda a técnica da bobina de ignição e bateria para carro.

6) Qualquer seringa descartável (cujo êmbolo se desloque sem dificuldade) serve. Tais seringas são facilmente obtidas nas farmácias. Deve ser previsto um suporte rígido para fixar o corpo da seringa.

Bom sucesso! Relate-nos seus acertos e erros ... a publicação deles será útil a todos!


 

 

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