Questão de Química - UNICAMP 2021 - Um dos grandes desafios para a consolidação de uso do hidrogênio como combustível

Um dos grandes desafios para a consolidação de uso do hidrogênio como combustível é seu armazenamento seguro e em grande quantidade. O hidrogênio pode ser armazenado puro, como gás ou líquido. Atualmente, parece mais adequado armazenar o hidrogênio na forma de hidretos metálicos ou adsorvido em materiais porosos nanoestruturados. Para que o armazenamento seja considerado eficiente, o material deve apresentar capacidade de armazenamento máxima em pressão constante e boa reversibilidade; ou seja, o armazenamento (adsorção) e a liberação (dessorção) devem ocorrer em condições similares. Essas características do armazenamento podem ser observadas em um gráfico denominado “isoterma de adsorção”, que é uma curva de composição de hidrogênio no material (C, kg de H2/kg de material) em função da pressão. 

a) A figura ao lado mostra a isoterma de três materiais que poderiam ser empregados para armazenar H2. Qual curva (A, B ou C) representa o melhor material para se armazenar o hidrogênio? Justifique sua escolha. 

b) Um carro com motor a combustão interna consome 24 kg de gasolina (d = 700 kg m-³ ) ou 8 kg de hidrogênio para percorrer uma distância de 400 km, adsorvido em um material intermetálico do tipo Mg2Ni. Considerando que a massa e o volume de um carro médio são aproximadamente de 6 m³ e 1.000 kg, respectivamente, uma possível desvantagem desta tecnologia alternativa estaria relacionada à massa ou ao volume relativamente ocupado pelo Mg2Ni? Justifique.

Dados do Mg2Ni: capacidade de armazenamento de H2 = 3,6 kg de H2 por 100 kg de Mg2Ni; densidade = 3.400 kg m-³ .

RESPOSTA:

a) A curva B representa o melhor material para se armazenar o hidrogênio. Pelas informações do texto, um armazenamento eficiente requer um material com máxima capacidade de armazenamento e boa reversibilidade ao mesmo tempo. 

Pelo gráfico, nota-se que para uma pressão constante, B e C apresentam maior capacidade de armazenamento (até aproximadamente 0,85kg de H2/kg de material) do que A (até cerca de 0,6kg de H2/kg de material). Porém, a curva B possui melhor reversibilidade, pois a adsorção e a dessorção ocorrem em condições mais similares quando comparadas a C. 

b) Cálculo do volume de gasolina (d = 700kg/m³) necessário para percorrer uma distância de 400km: 

700kg –––––––– 1m³ 24kg –––––––– V ≅ 0,034m³ 

Desta forma, observa-se que o volume de gasolina (0,034m³) é muito pequeno em relação ao volume do veículo (6m³). O mesmo ocorre confrontando os dados de massa: 24kg é um valor baixo em relação à massa total do veículo (1000kg). Cálculo da massa de Mg2Ni para 8kg de H2, necessários para percorrer os mesmos 400km: 

3,6kg de H2 –––––––– 100kg de Mg2Ni 8kg –––––––– m ≅ 222,2kg 

Cálculo do volume de Mg2Ni (d = 3400kg/m³), relativos à massa de 222,2kg: 

3400kg –––––––– 1m³ 222,2kg –––––––– V ≅ 0,065m³ 

Analisando os dados de massa e o volume de hidro gênio armazenado na forma de Mg2Ni, observa-se que o volume ocupado (0,065m³) é pequeno em relação ao volume do veículo (6m³); no entanto, a massa de 222,2kg é consideravelmente alta, quando comparada à massa de gasolina, em relação aos 1000kg do veículo (mais de 22% da massa do veículo), o que pode representar uma possível desvantagem dessa tecnologia alternativa.