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Combustíveis: a Termoquímica do petróleo

Que os derivados do petróleo são combustíveis todo mundo sabe! Mas por que eles são combustíveis tão bons? Quem consegue nos responder isso é a Termoquímica – um dos campeões dos assuntos do ENEM em Ciências da Natureza.

Autor Representação de uma pessoa Ana Maria Data Representação de um calendário 19/06/2019 Tempo Representação de um relógio 9min  de leitura

Hoje em dia, os derivados do petróleo são amplamente utilizados como combustíveis, para veículos, geração de energia elétrica, e até mesmo dentro de nossas casas.

Os combustíveis, na definição comum, são substâncias que utilizamos para obtenção de diversos tipos de energia. Eles passam por uma reação de combustão, liberando energia térmica e, às vezes, luminosa.

Essa energia térmica pode ser convertida em energia mecânica, como acontece nos carros, ou energia elétrica, como nas termoelétricas. Também utilizamos diretamente o calor ou a luz nas combustões, como para cozinhar alimentos, ou na chama de uma vela.

O petróleo é originário principalmente da deposição de matéria orgânica proveniente da decomposição de plantas e animais existentes a milhões de anos.

Camadas do pré-sal, principal fonte de obtenção do petróleo brasileiro

O petróleo consiste numa mistura de hidrocarbonetos de diversos comprimentos de cadeia. Ele é um líquido viscoso encontrado de centenas a milhares de metros abaixo da superfície terrestre.

Na imagem, vemos uma esquematização do pré-sal brasileiro, onde o petróleo está a mais de 7km abaixo da superfície.

Refino do Petróleo

Já sabemos que o petróleo se trata de uma mistura de hidrocarbonetos, de diversos comprimentos de cadeia. Cada tipo de molécula constituinte da mistura do petróleo tem propriedades distintas – e por isso, encontram diferentes usos na indústria e sociedade.

Porém, para uma aplicação industrial ou comercial eficiente, precisamos primeiro separar essas moléculas umas das outras. Assim, as frações do petróleo são separadas de acordo com o ponto de ebulição de cada componente, num processo chamado de destilação fracionada.

Nas torres de refino é onde acontece a destilação fracionada do petróleo. Na base da torre, o óleo cru é aquecido a 400° C, para que permaneça no estado de vapor. O que for pouco volátil (hidrocarbonetos muito pesados) e não vaporizar, se torna o betume.

Torre de refino do petróleo, com todas as frações e temperaturas obtidas pela destilação fracionada

O vapor contendo o restante dos hidrocarbonetos então começa a subir na coluna e a gradualmente resfriar. Quando atinge cerca de 350° C, a primeira fração é coletada na fase líquida. Ela é composta por hidrocarbonetos com 17 ou mais átomos de carbono, e tem aplicação comum como lubrificante.

Entre 300 e 150° C, são coletados os destilados médios (C16-C18) e os Querosenes (C12-C16). Estas frações são utilizadas como combustível para carros e aviões – o óleo diesel.

Abaixo de 150° C, os compostos mais voláteis estão presentes: hidrocarbonetos entre 1 e 12 átomos de carbono. O vapor é resfriado, e moléculas de pentano (C5H12) a dodecano (C12H26) condensam, e este líquido é a base da gasolina que utilizamos nos automóveis.

Por fim, sobram hidrocarbonetos de cadeia muito pequena, de 1 a 4 carbonos. Estes hidrocarbonetos são gases em temperatura ambiente. O butano (C4H10) é utilizado como gás de cozinha, mas os hidrocarbonetos de C1 a C3 têm pouca aplicação além de usinas de gás natural, e muitas vezes são simplesmente queimados e lançados na atmosfera.

Por que usamos derivados do petróleo como combustíveis?

Ok, que eles são combustíveis todo mundo sabe! Mas por que eles são combustíveis tão bons?

Quem consegue nos responder isso é a Termoquímica – um dos campeões dos assuntos do ENEM em Ciências da Natureza.

A energia liberada nas reações químicas vem da quebra e formação das ligações químicas. Além disso, para ser um bom combustível, uma substância deve liberar bastante energia, além de formar produtos bastante estáveis – de formação favorável.

Essa é a grande sacada das reações de combustão com os hidrocarbonetos derivados do petróleo.

As reações de combustão são reações redox irreversíveis entre um combustível e o oxigênio (comburente oxidante), que liberam CO2 e H2O. Quando este é o caso, dizemos que a combustão foi completa. Porém, nem sempre esse é o caso.

Combustões Completas e Incompletas

Veja abaixo a combustão completa do octano (C8H18), principal componente da gasolina, um derivado do petróleo:

Combustão completa do octano
Combustão completa do octano

Quando não há oxigênio suficiente para reagir com o combustível, ocorre a combustão incompleta. Por exemplo, quando o octano reage com quantidade estequiometricamente insuficiente de oxigênio, é possível que os produtos C, CO2 e CO sejam formados em diferentes proporções.

Exemplo de combustão incompleta do octano

Veja que é necessária uma grande quantidade de oxigênio para reagir com cada molécula de octano. Cada molécula de octano necessita de dez moléculas de oxigênio.

Por isso, os derivados de petróleo exigem grandes quantidades de oxigênio para sua queima, e liberam grandes volumes de CO2 e CO. Ambos são gases do efeito estufa, e este último, extremamente tóxico para animais de respiração aeróbia.

Combustão e Energia

Busca-se, atualmente, alternativas mais sustentáveis para utilização como combustíveis nos automóveis. Recentemente vem crescendo a demanda pelo álcool etílico como combustível, por ser uma opção muito mais limpa, tanto na sua obtenção quanto na sua emissão. Vamos analisar a combustão do etanol (C2H5OH ).

Perceba que muito menos oxigênio é utilizado por molécula de etanol. Considerando a quantidade de energia liberada em cada reação (ΔH, variação de entalpia) vemos que a combustão completa do octano libera quatro vezes mais energia do que a combustão do álcool etílico:

Combustão do octano, um derivado do petróleo
Combustão do octano
Combustão do etanol

Então, para se obter a mesma quantidade de energia com a queima do álcool, precisamos de quatro moléculas de C2H5OH, que estequiometricamente, reagiriam com 12 moléculas de O2. Assim, a eficiência energética de cada um dos combustíveis é bastante semelhante.

Por que então dizemos que o álcool é uma fonte de energia mais limpa? Primeiro porque dificilmente a combustão completa ocorre na prática. O álcool, como já possui um oxigênio em sua estrutura, tem maior facilidade em sofrer combustão completa, liberando produtos mais limpos. Além disso, com a combustão do etanol, é possível manter um balanço de dióxido de carbono.

O Balanço de Dióxido de Carbono

A principal fonte de etanol combustível atualmente é a cana de açúcar. Dela, os açúcares e demais fibras (carboidratos) são retirados e fermentados por micro-organismos que têm o álcool como produto metabólico.

Assim, o meio de obtenção de carbono das plantas é a fotossíntese, processo em que elas retiram CO­2 da atmosfera para síntese de seus carboidratos, e liberam o O2 que respiramos:

Reação de fotossíntese

Desta maneira, quando queimamos o etanol proveniente das plantas, estamos simplesmente devolvendo à atmosfera o CO2 que elas retiraram. Assim, o balanço de dióxido de carbono permanece constante, pois tudo que é tirado é devolvido, e nada a mais é adicionado.

Imagem mostrando o ciclo do carbono nos combustíveis. As plantas retiram CO2 do ar, o carbono é convertido a etanol, que é queimado à CO2.

Entretanto, isso não é verdade para o petróleo. Como o CO2 liberado pelos combustíveis fósseis foi retirado da atmosfera milhões de anos atrás, não existe mais equilíbrio.

Este carbono estava a centenas de metros abaixo da superfície, a sua queima acaba liberando novas moléculas de gás carbônico para o ar. Assim, observamos o aumento da sua concentração na atmosfera e contribuindo para o aumento da temperatura do planeta.

PALAVRAS-CHAVES: petróleo química termoquímica