Combustão e Energia

Tópicos

• Energia
• Combustão completa e incompleta
• Experimento & Questões

Para reflexão:

• Por que quando o motor do carro está desregulado este gasta mais gasolina?
• Qual dos combustíveis, a gasolina, o álcool ou o diesel produz menos SO₂?
• O que é um combustível 'limpo'?

Energia

O ser humano necessita de energia para tudo 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 tal energia? 

Para o funcionamento do corpo utilizamos a energia dos alimentos. Já para a obtenção de energia elétrica, mecânica, etc... existem 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, pois os raios solares e ventos são produzidos constantemente, a água que é utilizada para mover uma turbina em uma hidroelétrica pode ser renovada pela chuva que enche novamente o reservatório, e a cana-de-açúcar utilizada para produzir álcool pode ser plantada novamente. Já o petróleo, o gás natural e o carvão, são produtos finitos 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.

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Combustão completa e incompleta

A combustão é uma reação de uma substância (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 < 0, isto significa que a energia do(s) reagente(s) é maior que a energia do(s) produto(s) e a reação é exotérmica, ou seja, libera calor para o meio ambiente, como no caso da combustão da gasolina, por exemplo.

A combustão completa 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 interessante 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

C₆H₁₂O_6(s) + 6 O _2(g) ↔ 6 CO_2(g) + 6 H₂O _(l) + energia

fotosíntese

A gasolina possui muitas impurezas contendo enxofre (S), e o diesel, ainda mais. Hoje no Brasil existe um grande investimento por parte 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)+ O_{2(g )} → SO_2(g)

A falta de oxigênio durante a combustão leva à chamada ‘combustão incompleta’ que produz monóxido de carbono (CO). Note 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 muito 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, há 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:

CH_4(g) + 2O_2(g) → CO_2(g) + 2H_{2O (l)} ΔH = - 802 kJ/mol (energia liberada)

Combustão incompleta do metano:

CH_4(g) + 3/2 O_2(g) → CO_(g) + 2H₂O_(l) ΔH = - 520 kJ/mol

CH_4(g) + O_2(g) → C(s) + 2H₂O_(l) ΔH = - 408,5 kJ/mol

É muito importante 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 (ΔH^o) 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 25^o 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

Veremos mais tarde, na seção experimento, que 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:

H_2(g) + ½ O_2(g) → H₂O_(l) ΔH = - 286 kJ/mol

Depois da leirura, faça o experimento e as questões sobre combustão e energia.

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