Muito se fala sobre os feitos e a vida do famoso general francês Napoleão Bonaparte. Parte dessas histórias tem um fundo de verdade, outras, porém, não passam de mitos. Aqui mesmo, neste espaço, já contamos sobre como a vida dele pode ter sido encurtada pela tinta usada em um papel de parede (“Napoleão: morto por um papel de parede?“). Outra dessas histórias conta que a derrota do exército de Napoleão, iniciada pelo embate com soldados russos em 1812, teria se completado com o esfacelamento dos botões de estanho das fardas dos soldados franceses por conta do frio. Esta história tem tudo para ser um grande mito, pois embora o estanho realmente sofra uma transição alotrópica, deixando de ser um sólido brilhante prateado, maleável e moderadamente dúctil (estanho branco), para se tornar um sólido cinza escuro não metálico na forma de pó (estanho cinza), isso ocorre abaixo de 13,2°C (à pressão de 1 atm). Ora, no inverno europeu, temperaturas bem inferiores a essa são comuns por todo o continente, inclusive em Paris de onde saiu o exército de Napoleão, que certamente teria notado algo de estranho nos botões de seus uniformes logo de cara, não?

Mesmo sendo um provável mito, essa história ilustra a existência de substâncias como o estanho, por exemplo, que podem apresentar características metálicas ou não metálicas dependendo das condições de pressão e temperatura em que se encontram. Isso sinaliza também que, teoricamente, mesmo uma substância tipicamente não metálica como o gás hidrogênio, pode adquirir propriedades metálicas se submetida às condições apropriadas.

E é exatamente isso que uma dupla de físicos da Universidade de Harvard (EUA) alega ter conseguido. Isaac Silvera e Ranga Dias resfriaram uma pequena amostra de gás hidrogênio a cerca de -270°C em uma célula, uma espécie de caixa, feita de diamante e a submeteram progressivamente a altas pressões, chegando à incrível pressão de 495 bilhões de Pascais, cerca de 5 milhões de atmosferas! Os pesquisadores relataram que próximo de 2 milhões de atmosferas a amostra já se apresentava em estado sólido, sendo ainda transparente; a 4 milhões de atmosferas ela então se tornou escura e opaca; a cerca de 5 milhões de atmosferas, ela começou a refletir 90% da luz incidida sobre ela, o que seria uma evidência de que o hidrogênio havia adquirido propriedades metálicas!

Fotos da transformação do hidrogênio comprimido com aumento de pressão desde a forma
molecular transparente, passando para a forma molecular negra até o hidrogênio atômico metálico.
Esquema da transformação em questão. Fonte: Harvard Magazine

Essa transformação já era prevista desde 1935 pelos físicos Hillard Huntington e Eugene Wigner, mas eles haviam estimado uma pressão significativamente menor do que as usadas por Silvera e Dias. Entretanto, assim como seus antecessores, os físicos de Harvard também acreditam que o hidrogênio, ao adquirir características metálicas, deve permanecer assim, mesmo após a pressão extrema ser retirada, assim como o diamante obtido ao se submeter grafite a altas pressões e altas temperaturas. Será? Ainda não se sabe. Mas por que isso é importante?

Com as propriedades típicas de um metal, o agora hidrogênio metálico poderia ser usado como um material supercondutor, já que praticamente não apresentaria resistência, afinal cada átomo de hidrogênio contém apenas um próton e um elétron. Outra aplicação possível baseada na supercondutibilidade seria na levitação magnética de trens de alta velocidade, o que revolucionaria completamente o setor de transportes. Ainda seria possível também utilizar o hidrogênio metálico como combustível para foguetes, razão pela qual a NASA financiou parte da pesquisa de Harvard. A energia teórica que poderia ser fornecida pelo hidrogênio metálico o coloca como o propelente de foguetes mais poderoso já conhecido, cerca de quatro vezes mais potente que o hidrogênio molecular (!), que é atualmente o mais eficiente dos combustíveis de foguete.

Todo esse espectro de utilização, no entanto, deve aguardar a caracterização mais precisa do material que, por enquanto, permanece dentro da prensa de diamante sob altíssima pressão no laboratório de Harvard. Além da caracterização, é preciso a confirmação fundamental de que o hidrogênio metálico permanecerá estável quando estiver submetido a condições ambientes de temperatura e pressão. Mas se isso acontecer, prepare-se: uma tremenda revolução energética se apresenta no horizonte!

Perguntas

1-) A transformação mencionada no texto é uma mudança alotrópica do hidrogênio, conduzida de forma extrema, com o auxílio de altas pressões e baixas temperaturas. Que outras transições alotrópicas são citadas no texto? E em que condições elas ocorrem?

2-) Nas fases condensadas, líquida e sólida, qual a principal força intermolecular no hidrogênio molecular? Qual a relação entre esse tipo de interação e a tendência do hidrogênio molecular de se apresentar na forma de gás em condições comuns de temperatura e pressão?

3-) O hidrogênio molecular vem sendo utilizado não só como propelente de foguetes, por meio de sua combustão, mas também em células de combustível a hidrogênio, por meio de sua oxidação controlada. Qual a principal vantagem em se utilizar o hidrogênio para geração de energia?

a) Sua oxidação controlada nas células de combustível converte a energia acumulada nas moléculas de água do sistema em energia química, sem emissão de gases poluentes.
b) Tanto a sua queima quanto a sua oxidação controlada gera apenas como produto a água, portanto, não causa danos ao meio ambiente.
c) Sua combustão produz vapor de água que pode ser reaproveitado na combustão do diesel em motores de caminhões e ônibus.
d) Tanto a sua queima quanto a sua oxidação consomem gás carbônico, diminuindo a concentração desse gás na atmosfera, o que minimiza o problema do aquecimento global.
e) Sua oxidação controlada nas células de combustível converte a energia elétrica oriunda dos combustíveis fósseis em energia química contida nos gases poluentes gerados no processo.

Respostas

1-) São citadas também no texto a transição alotrópica do estanho branco para o estanho cinza, que ocorre em temperatura abaixo de 13,2°C à pressão de 1 atm e a transformação do grafite em diamante, sob altas pressões e temperaturas.

2-) A principal força intermolecular do hidrogênio molecular nas formas condensadas é o dipolo instantâneo-dipolo induzido, já que o hidrogênio é formado por moléculas apolares. Como a intensidade desse tipo de interação depende do tamanho da nuvem eletrônica da molécula, ela é particularmente fraca para a molécula de hidrogênio que apresenta apenas dois elétrons. Assim, suas moléculas interagem fracamente umas com as outras em condições comuns de temperatura e pressão e a substância tende a se apresentar na forma gasosa.

3-) Alternativa B. Tanto na combustão quanto na oxidação controlada do hidrogênio, a reação em questão é: 2 H2 + O2  2 H2O. Portanto, o único produto formado é água, que não causa impactos ambientais.

Escrito pelos autores Emiliano Chemello, Luís Fernando Pereira Patrícia Proti. Todos são autores, juntamente com Alberto Ciscato, da coleção QUÍMICA, da Editora Moderna, inscrita no PNLD 2018.

Emiliano Chemello é Licenciado em Química e Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais pela UCS. Professor de química no Ensino Médio e cursos Pré-Vestibulares.

Luís Fernando Pereira é químico industrial formado e licenciado pela USP. Leciona no Curso Intergraus desde 1995. É o químico consultor do programa Bem Estar, da Rede Globo.

Patrícia Proti é bacharel e licenciada em Química pelo IQ-USP. Bolsista FAPESP de Iniciação Científica e Doutorado Direto com projetos desenvolvidos no Laboratório de Química de Peptídeos do IQ-USP. Atualmente leciona na Escola Móbile e no Cursinho Intergraus.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

FIORUCCI, A. R.; BENEDETTI FILHO, E.; OLIVEIRA, N. Os Alótropos do Estanho: Ocorrências do Estanho α e as Novas Soldas sem Chumbo Usadas em Eletrônicos. Química Nova na Escola, Vol. 34, N° 3, p. 124-130, agosto 2012. Disponível em <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc34_3/04-AQ-45-11.pdf>. Acesso em fev. 2017.

SHAW, J. A Breakthrough in High-Pressure Physics? Harvard Magazine, 26-01-2017. Disponível em <http://www.harvardmagazine.com/2017/01/metallic-hydrogen>. Acesso em fev. 2017.

CHANG, R., GOLDSBY, K. QuFAPESP na Mídia. O hidrogênio, um novo metal. 19-04-1996. Disponível em <http://www.bv.fapesp.br/namidia/noticia/20876/hidrogenio-metal/>. Acesso em fev. 2017.

BAIMA, C. Anúncio da fabricação de hidrogênio metálico atrai expectativa e ceticismo. Dupla de Harvard afirma ter tido sucesso na produção de material que pode revolucionar o mundo, O Globo, 28-01-2017. Disponível em <http://oglobo.globo.com/sociedade/ciencia/anuncio-da-fabricacao-de-hidrogenio-metalico-atrai-expectativa-ceticismo-20837432>. Acesso em fev. 2017.

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