Combustão

Uma combustão se caracteriza pela oxidação, completa ou incompleta, de um combustível por ação de um comburente, com liberação de energia na forma de calor. O combustível é a substância utilizada para produzir a energia térmica, enquanto o comburente é a substância oxidante. Entre os principais combustíveis estão o carbono (e substâncias orgânicas), o hidrogênio e o enxofre. Já o oxigênio e o ar são os principais comburentes.

A combustão foi essencial para diversos processos históricos, como a combustão do carvão na Primeira Revolução Industrial, assim como a utilização de motores de combustão interna na Segunda Revolução Industrial. Até hoje diversas máquinas e usinas funcionam graças à energia gerada em reações de combustão.

Leia também: Funcionamento do motor de combustão interna — o motor que normalmente equipa os automóveis movidos a gasolina

Resumo sobre combustão

• Em uma combustão, um combustível é oxidado totalmente ou parcialmente por um comburente com liberação de energia térmica.

• Uma combustão pode ser completa ou incompleta.

• O combustível é, em geral, uma substância de carbono, hidrogênio ou enxofre.

• O comburente é, em geral, ar ou oxigênio.

• Uma combustão necessita de uma energia de ativação para ocorrer, sendo que não há reação a partir do simples contato entre os reagentes.

• A combustão apresenta três pontos cruciais:

  1. Ponto de fulgor: a temperatura mais baixa na qual um composto se vaporiza em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamável com o ar.

  2. Ponto de combustão: temperatura na qual os vapores de combustível queimam ao contato de uma chama e continuam a queimar na ausência desta.

  3. Ponto de ignição: temperatura na qual o combustível entra em combustão, mesmo sem a presença de uma chama, apenas com um comburente.

• A combustão está presente em nosso dia a dia, seja na geração de energia elétrica, nos nossos automóveis ou em nossas cozinhas.

Videoaula sobre combustão

Tipos de combustão

A combustão ocorre quando o combustível (substância de potencial energético) é oxidado pela ação do comburente (geralmente ar atmosférico ou gás oxigênio), produzindo energia na forma de calor. Classifica-se uma reação de combustão de acordo com a extensão da oxidação do combustível, o que significa que ele pode ser oxidado por completo ou não.

Quando o combustível é oxidado por completo, diz-se que ocorreu uma combustão completa. Por exemplo, a combustão completa de substâncias orgânicas sempre gera como produtos dióxido de carbono (CO₂) e água (H₂O).

• Ex.: Combustão do metano

CH₄ (g) + 2 O₂ (g) → CO₂ (g) + 2 H₂O (l)

Nesse caso, é interessante perceber que o número de oxidação do carbono variou de -4, no metano, para +4, no dióxido de carbono, confirmando um processo de oxidação. Veja nos cálculos a seguir:

• Equação para o cálculo do NOx do carbono no metano:

NOx_C + 4 · NOx_H = 0

Vale lembrar que o hidrogênio possui NOx igual a +1 nesses casos (exceto na classe dos hidretos, em que seu NOx varia para -1). Assim:

NOx_C + 4 · (+1) = 0

NOx_C = -4

• Equação para o cálculo do NOx do carbono no dióxido de carbono:

NOx_C + 2 · NOx_O = 0

Por ser um óxido, o NOx do oxigênio nesse composto é igual a -2. Dessa forma:

NOx_C + 2 · (-2) = 0

NOx_C = +4

Se o combustível é parcialmente oxidado, diz-se que ocorreu uma combustão incompleta. Quando o processo é incompleto, intermediários são formados. Por exemplo, no caso de substâncias orgânicas, o carbono não se oxida até NOx +4 (do dióxido de carbono), mas sim até intermediários como a fuligem (C, NOx zero pelo fato de ser uma substância simples) ou monóxido de carbono (CO, NOx +2).

• Ex.: Combustão incompleta da gasolina (octano, C₈H₁₈)

Tendo fuligem (C) como produto:

C₈H₁₈ (l) + 9/2 O₂ (g) → 8 C (s) + 9 H₂O (l)

Tendo monóxido de carbono (CO) como produto:

C₈H₁₈ (l) + 17/2 O₂ (g) → 8 CO (g) + 9 H₂O (l)

Para o cálculo do NOx do carbono no monóxido de carbono, lembre-se que ele também é um óxido. Assim, o NOx do oxigênio é igual a -2. Logo:

NOx_C + Nox_O = 0

NOx_C -2 = 0

NOx_C = +2

Como ocorre a reação de combustão?

Excetuando-se a ignição, apenas o contato entre o combustível e o comburente não é suficiente para desencadear uma reação de combustão. Para que ela inicie, é necessário que o combustível supere a energia de ativação do processo. Essa energia de ativação é, na maioria das vezes, fornecida por uma fonte externa, como uma chama ou uma faísca.

Além disso, caso o combustível seja líquido, é necessário que primeiro este se vaporize e que a quantidade de gás combustível gerado seja suficiente para possibilitar a reação de combustão. Contudo, o desenvolvimento da combustão apresenta três pontos cruciais: o ponto de fulgor, o ponto de combustão e o ponto de ignição.

• Ponto de fulgor: também conhecido como flash point, é a temperatura mais baixa na qual um composto se vaporiza em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamável com o ar, na presença de uma chama. Porém, a combustão não procede, pois não há gases em quantidade suficiente para tal.

• Ponto de combustão: é a temperatura na qual os vapores de combustível queimam ao contato de uma chama e continuam a queimar em sua ausência, pois a vaporização já ocorre em uma extensão suficiente para alimentar a combustão.

• Ponto de ignição: é a temperatura na qual o combustível entra em combustão, mesmo sem a presença de uma chama, apenas com a de comburente.

Acesse também: Termoquímica — área que estuda as reações químicas e os processos físicos que envolvem trocas de calor

Entalpia de combustão

A entalpia é uma ferramenta termodinâmica para o cálculo do calor envolvido em um processo químico. Sua variação é numericamente igual à variação da quantidade de calor do processo. Assim, a entalpia de combustão é uma ferramenta para o cálculo do calor liberado por um mol de combustível em um processo de combustão completa, à pressão constante.

Por vezes, as tabelas colocam os valores de entalpia de combustão em condição padrão, 25 °C e 1 atm de pressão, representados por ΔH°_C. A tabela a seguir lista valores de entalpia de combustão em condição padrão para vários combustíveis.

Combustão no cotidiano

A combustão é uma forma convencional de obtenção de energia. Na indústria, mais especificamente nas usinas termelétricas, o carvão é queimado como forma de obtenção de energia elétrica. Embora esse processo seja altamente poluente, alguns países ainda dependem da energia gerada por esse tipo de usina.

Os combustíveis são, muitas vezes, de origem orgânica, podendo ser fósseis ou renováveis. Os combustíveis fósseis são amplamente conhecidos e difundidos, destacando-se:

• a gasolina;

• o metano (componente do gás natural e do gás natural veicular);

• o gás liquefeito de petróleo (GLP, uma mistura de propano e butano);

• o diesel;

• combustíveis para aviação e navegação.

Já entre os combustíveis orgânicos renováveis, tem-se como maiores exemplos:

• o etanol;

• o biodiesel;

• a biomassa.

Praticamente todos os veículos automotores do planeta utilizam combustíveis fósseis, sendo eles gasolina ou diesel. Contudo, no Brasil há grande difusão do gás natural e do etanol como combustíveis, os quais são menos poluentes. Nos motores desses veículos, a substância entra em combustão dentro da câmara do motor, cuja energia de ativação ocorre por ação de uma vela de ignição (no caso de gasolina, gás ou etanol) ou incandescente (no caso de diesel). A energia gerada é utilizada para mover os pistões, fazendo o virabrequim girar e, assim, levar energia até o sistema de transmissão por meio de um sistema de correntes.

A grande poluição causada pela combustão dos combustíveis de origem orgânica incentiva a pesquisa em combustíveis alternativos para os carros à combustão. Um deles é o gás hidrogênio, pois sua combustão gera apenas água.

H₂ (g) + ½ O₂ (g) → H₂O (l)

Dados termodinâmicos obtidos experimentalmente apontam que a combustão completa de 1 g de gás hidrogênio é capaz de gerar 143 kJ de energia, enquanto a combustão completa de 1 g de gasolina (C8H18) é capaz de produzir apenas 48 kJ de energia. Isso significa que 1 g de hidrogênio gera cerca de três vezes mais energia que 1 g de gasolina.

A combustão também é importante no nosso dia a dia. Seja a lenha ou a gás, o forno e o fogão  usam a energia gerada para cozinhar os nossos alimentos. Muitas casas também utilizam aparelhos de gás natural para o aquecimento da água como alternativa aos chuveiros elétricos.

Saiba mais: Petróleo — um dos mais importantes combustíveis fósseis existentes

Combustão espontânea

Destacou-se anteriormente o ponto de ignição, temperatura em que a combustão pode ocorrer de forma espontânea, sem a presença de chama ou faísca para prover energia de ativação. Nessa situação, a temperatura é tão elevada que o simples contato entre as moléculas do combustível e do comburente já é suficiente para o desencadeamento da reação de combustão.

A tabela a seguir traz alguns valores de temperaturas de autoignição.

Exercícios resolvidos sobre combustão

Questão 1

(Enem 2011) Considera-se combustível aquele material que, quando em combustão, consegue gerar energia. No caso dos biocombustíveis, suas principais vantagens de uso são a de serem oriundos de fontes renováveis e a de serem menos poluentes que os derivados de combustíveis fósseis. Por isso, no Brasil, tem-se estimulado o plantio e a industrialização de sementes oleaginosas para produção de biocombustíveis.

No quadro, estão os valores referentes à energia produzida pela combustão de alguns biocombustíveis:

Disponível em: http://www.biodieselecooleo.com.br. Acesso em: 8 set. 2010 (adaptado).

Entre os diversos tipos de biocombustíveis apresentados no quadro, aquele que apresenta melhor rendimento energético em massa é proveniente

a) da soja.

b) do dendê.

c) do babaçu.

d) da mamona.

e) da cana-de-açúcar.

Resolução:

Alternativa A

O melhor rendimento energético é aquele que possui maior energia produzida na combustão por unidade de massa, significando que, quanto maior a razão kcal/kg, maior a energia produzida por um quilograma do biocombustível.

Dessa forma, o biocombustível de melhor rendimento energético é o proveniente da soja, uma vez que apresenta o maior valor de combustão para uma mesma unidade de massa.

Questão 2

(Enem 2014) A escolha de uma determinada substância para ser utilizada como combustível passa pela análise da poluição que ela causa ao ambiente e pela quantidade de energia liberada em sua combustão completa. O quadro apresenta a entalpia de combustão de algumas substâncias. As massas molares dos elementos H, C e O são, respectivamente, iguais a 1 g/mol, 12 g/mol e 16 g/mol.

Levando-se em conta somente o aspecto energético, a substância mais eficiente para a obtenção de energia, na combustão de 1 kg de combustível, é o

a) etano.

b) etanol.

c) metanol.

d) acetileno.

e) hidrogênio.

Resolução:

Alternativa E

Nesse caso, a questão exige conhecer a substância mais eficiente na combustão de 1 kg de combustível, ou seja, aquela que libera maior quantidade de energia por kg de combustível.

A tabela informa os valores de entalpia de combustão em kJ/mol, o que significa que os valores devem ser convertidos para kJ/kg. Para facilitar nossas contas, como kg e g são unidades de massa proporcionais, faremos a conversão para kJ/g, cuja interpretação é idêntica à utilizada para kJ/kg.

Para converter de kJ/mol para kJ/g, deve-se converter o denominador de mol para grama. Essa conversão é possível se utilizarmos a massa molar de cada combustível, a partir das massas molares dos elementos informados pela questão.

Acetileno (C₂H₂): 26 g/mol

Etano (C₂H₆): 30 g/mol

Etanol (C₂H₆O): 46 g/mol

Hidrogênio (H₂): 2 g/mol

Metanol (CH₄O): 32 g/mol

Assim, os valores de kJ/mol serão convertidos para kJ/g se calcularmos:

\(Acetileno=\frac{-1298kJ}{26g}=-50{kJ}/{g}\)

\(Etano=\frac{-1558kJ}{30g}=-52{kJ}/{g}\)

\(Etanol=\frac{-1366kJ}{46g}=-30{kJ}/{g}\)

\(Hidrogênio=\frac{-242kJ}{2g}=-121{kJ}/{g}\)

\(Metanol=\frac{-558kJ}{32g}=-17{kJ}/{g}\)

Ao analisar os valores, percebe-se que o combustível que libera mais energia por unidade de massa é o hidrogênio.