Escape do gás hidrogênio em uma bexiga

13 de outubro, 2022 às 13:47 | Postado em Estrutura da matéria, Outros temas

Olá, professor Fernando Lang.

Espero que esteja bem.

Recentemente observei um fato curioso e busquei informações na internet e também debati com alguns amigos sobre o tema, mas a dúvida ainda persiste. O problema é o seguinte:

Em uma exposição de experimentos científicos, uma equipe de estudantes produziu o gás hidrogênio a partir da reação de decomposição da água mais o hidróxido de sódio e óxido de alumínio, tendo como produto o gás hidrogênio como um dos componentes. — Uma reação bastante conhecida em feiras de ciência! A fim de demonstrar que o gás liberado na reação seria de fato o gás hidrogênio, os estudantes armazenaram o gás em uma bexiga que foi presa à boca de uma garrafa de vidro, na qual ocorreu a reação química.

Após encher várias bexigas e deixá-las armazenadas na sala da exposição juntamente com outras bexigas que eles próprio encheram na boca, percebemos que as bexigas que continham o gás hidrogênio murcharam bem mais rápido que aquelas que eles haviam enchido na própria boca.

Minha dúvida é: por que essa diferença? O hidrogênio escapa mais rápido? O que justifica isso?

Um amigo falou que o gás escapa pelos “poros” da bexiga, a qual é feita de polímeros e que entre uma cadeia de moléculas e outra deixa um espaço por onde o gás hidrogênio (que tem moléculas menores que dióxido de carbono, oxigênio e outros gases como nitrogênio) escapa. Faz sentido isso?

Não seria os espaços do nó na boca da bexiga que permite que o gás escape, mas caso seja o nó, os gases provenientes da boca não deveriam apresentar o mesmo comportamento, já que tem dimensões muito menores, se comparados às dimensões do nó da bexiga?

Desde já, agradeço, na certeza de ser correspondido!

O questionamento me levou aos tempos de juventude quando enchia balões de festa com hidrogênio produzido a partir da reação de alumínio de velhos utensílios de cozinha e soda cáustica (hidróxido de sódio) ou ácido muriático (ácido clorídrico). O reator improvisado era  uma garrafa de vidro que às vezes trincava devido ao aquecimento consequente da reação exotérmica. A brincadeira hoje reconheço ser perigosa devido aos efeitos corrosivos da soda e do ácido. Entretanto o pior que me aconteceu então foi ter um buraco em alguma vestimenta.

Era decepcionante que de um dia para o outro os balões cheios  já estavam murchos!

A borracha das bexigas (ou balões de festa) é permeável ao hidrogênio e outros gases (vide PERMEABILITY OF RUBBER TO GASES ou The Process of Diffusion through a Rubber Membrane). Ou seja, quando uma bexiga é inflada inicia-se a difusão do gás interior para o exterior mesmo que não exista escape no nó que a fecha.

A permeabilidade da borracha ao hidrogênio é maior do que para os gases presentes no ar (nitrogênio e oxigênio) pois como indicado no questionamento, as moléculas de hidrogênio são menores do que as outras.

A perda de massa e de pressão no balão com gás por difusão através da membrana de borracha também depende da diferença entre a pressão parcial do gás interno e externo. Como a pressão total dentro do balão é apenas alguns centímetros de mercúrio maior do que no exterior (vide PRESSÃO E VOLUME EM BALÕES DE FESTA), quando o balão é pressurizado com ar, a diferença de pressão parcial interna e externa para os gases componentes é também da ordem de centímetro de mercúrio.

Quando o balão é pressurizado com hidrogênio a diferença de pressão parcial do hidrogênio interno e externo é praticamente igual à pressão total interna (cerca de 80cmHg) pois externamente não há hidrogênio mas ar. Então, além da membrana de borracha ser mais permeável ao hidrogênio do que ao ar, a perda de hidrogênio por difusão através da membrana é mais rápida do que de ar devido à maior diferença de pressão parcial.

“Docendo discimus.” (Sêneca)