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domingo, 3 de maio de 2009

Aula de Física e Química - Explicação sobre combustão

Aprenda sobre combustão: Aula de física/química

Para reflexão:

* Por que quando o motor do carro está desregulado gastar mais gasolina?
* Qual dos combustíveis, a gasolina, o álcool ou o diesel produz menos CO2?
* O que seria um combustível 'limpo'?

Energia

O ser humano necessita de energia para tudo aquilo que faz, desde impulsionar o sangue para todas as partes de seu corpo, até fazer com que uma lâmpada se acenda ou que um automóvel se locomova. Mas como obter essa energia?

Para o funcionamento do corpo utilizamos a energia dos alimentos. Já para a obtenção de energia elétrica, mecânica, etc... existem outras várias fontes, dentre elas estão:

* o biocombustível (álcool proveniente da cana de açúcar, ou diesel a base de óleo vegetal como de amendoim, soja, girassol, mamona, pequi, babaçu);
* a gasolina, (obtida pela destilação fracionada do petróleo);
* energia termoelétrica (obtida pela queima do carvão ou gás natural);
* a energia eólica (resultado do movimento do vento);
* a energia solar (aquece placas especiais que transformam essa energia em elétrica)
* a energia hidroelétrica (uso da energia das quedas d'água para acionar geradores)
* energia nuclear (baseada na fissão, ou seja, na divisão do átomo);
* o biogás (metano, CH4), também conhecido como gás natural (produzido pela fermentação e decomposição da matéria orgânica por microorganismos).

A energia solar, eólica, hidroelétrica o biocombustíveis são chamadas de energias renováveis, já que os raios solares e ventos são produzidos seguidamente, a água que é utilizada para mover as turbinas em hidroelétricas pode ser renovada pela chuva que enche novamente o reservatório, e a cana-de-açúcar utilizada para produzir álcool pode ser plantada de novo. Já o petróleo, o gás natural e o carvão, são produtos limitados provenientes de fósseis de vegetais e animais que habitaram a Terra alguns milhões de anos atrás. A produção de energia nuclear depende do urânio, que também é um recurso finito. Estas são chamadas de energias não renováveis.


Combustão completa e incompleta

A combustão é uma reação de uma substância (o combustível) com o oxigênio (O2) (comburente) presente na atmosfera, com liberação de energia.

A liberação ou consumo de energia durante uma reação é conhecida como variação da entalpia (ΔH), isto é, a quantidade de energia dos produtos da reação (Hp) menos a quantidade de energia dos reagentes da reação (Hr):

ΔH = Hp - Hr

Quando ΔH > 0 isto significa que a energia do(s) produto(s) é maior que a energia do(s) reagentes(s) e a reação é endotérmica, ou seja, absorve calor do meio ambiente. Quando ΔH reação é exotérmica, ou seja, libera calor para o meio ambiente, como por exemplo, no caso da combustão da gasolina.

A combustão integral de qualquer combustível orgânico (que possui átomos de carbono) leva a formação de gás carbônico ou também chamado de dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). A respiração é um processo de combustão, de “queima de alimentos” que libera energia necessária para as atividades realizadas pelos organismos. É providencial notar que a reação inversa da respiração é a fotossíntese, que ocorre no cloroplasto das células vegetais, onde são necessários gás carbônico, água e energia (vinda da luz solar) para liberar oxigênio e produzir material orgânico (celulose) utilizado no crescimento do vegetal.

combustão/respiração

C6H12O6(s) + 6 O 2(g) ↔ 6 CO2(g) + 6 H2O (l) + energia

fotossíntese

A gasolina contém muitas impurezas contendo enxofre (S), e o diesel, ainda mais. Hoje no Brasil existe um grande investimento da Petrobrás para diminuir a concentração de enxofre no diesel e assim torná-lo menos poluente. Portanto, combustíveis que tem enxofre, ao serem queimados produzem grandes quantidades de um gás bastante tóxico e corrosivo, responsável por acidificar a atmosfera, o dióxido de enxofre (SO2). Já o álcool é um combustível que não apresenta enxofre e portanto não produz o dióxido de enxofre.

S(s)+ O2(g ) → SO2(g)

A falta de oxigênio durante a combustão leva à chamada ‘combustão incompleta’ que produz monóxido de carbono (CO). Veja que o CO tem um oxigênio a menos que o CO2, o que caracteriza a deficiência de oxigênio, ou a ineficiência da reação. Este gás é extremamente tóxico para o ser humano, pois este dificulta a função da hemoglobina, que é responsável pela renovação do oxigênio no nosso sangue. Pequenas concentrações de monóxido de carbono já provocam tonturas e dores de cabeça. Outro produto indesejável da combustão incompleta é a fuligem (C), que não tem oxigênio na sua constituição. A porção mais fina da fuligem pode impregnar nos pulmões e causar problemas respiratórios.

As equações químicas abaixo ilustram a quantidade de calor (ΔH) liberada durante a combustão completa e incompleta do gás metano (CH4). Note como a quantidade de calor liberado é menor nos casos de combustão incompleta. Portanto, além da combustão incompleta gerar compostos nocivos à saúde humana, existe também uma grande desvantagem econômica, pois com a mesma quantidade de combustível haverá menor quantidade de energia gerada! Veja as equações:

Combustão completa do metano:

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O (l) ΔH = - 802 kJ/mol (energia liberada)

Combustão incompleta do metano:

CH4(g) + 3/2 O2(g) → CO(g) + 2H2O(l) ΔH = - 520 kJ/mol

CH4(g) + O2(g) → C(s) + 2H2O(l) ΔH = - 408,5 kJ/mol

É vital saber a quantidade de calor liberada pelos combustíveis para que seja possível comparar o valor energético de cada um deles. Na Tabela 1 são mostradas as entalpias de combustão (ΔHo) para alguns combustíveis, isto é, a energia liberada na queima completa de um mol do combustível. O zero utilizado como índice superior indica que as condições iniciais dos reagentes e as finais dos produtos são 25o C e 1 atm, chamadas de condições padrão.

Tabela 1: Entalpia de combustão padrão para vários combustíveis.

COMBUSTÍVEL

FÓRMULA MOLECULAR

ΔH° (kJ/mol)

Carbono (carvão)

C(s)

- 393,5

Metano (gás natural)

CH4 (g)

- 802

Propano (componente do gás de cozinha)

C3H8 (g)

- 2.220

Butano (componente do gás de cozinha)

C4H10 (g)

- 2.878

Octano (componente da gasolina)

C8H18 (l)

- 5.471

Etino (acetileno, usado em maçarico)

C2H2 (g)

- 1.300

Etanol (álcool)

C2H5OH (l)

- 1.368

Hidrogênio

H2 (g)

- 286

Mesmo a combustão completa leva a produção de um gás indesejável, que é o dióxido de carbono, o maior responsável pelo chamado efeito estufa. Desta forma, o combustível menos poluente que se conhece é o hidrogênio, pois sua combustão gera apenas água:

H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ΔH = - 286 kJ/mol




Fonte(s) de consulta: USP

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