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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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