Por que o gás natural é chamado de combustível fóssil “mais limpo”? De onde vem a gasolina que abastece o carro? E por que as siderúrgicas precisam de carvão para fazer aço? Todas essas perguntas têm a ver com a energia química guardada nas ligações dos combustíveis. Neste resumo você revisa petróleo, gás natural e carvão, entende a diferença entre madeira e hulha e aprende a reconhecer esses temas nas questões do ENEM.
1. Energia química e combustão
Os combustíveis guardam energia nas ligações químicas. Na combustão, um combustível reage com um comburente (quase sempre o O2 do ar), depois de receber uma energia de ativação (faísca ou chama). A reação é exotérmica: libera calor, por isso o ΔH é negativo. Para revisar o conceito, leia Entalpia: energia térmica em processos químicos.
- Combustão completa: há oxigênio suficiente; o carbono vira CO2 e o hidrogênio vira H2O.
- Combustão incompleta: falta oxigênio; formam-se CO (monóxido de carbono, tóxico) e fuligem (carbono). A chama fica amarelada.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O ΔH ≈ −890 kJ/mol
CH4 + 3/2 O2 → CO + 2 H2O (combustão incompleta)
Dica para balancear: acerte primeiro o carbono (CO2), depois o hidrogênio (H2O) e por último o oxigênio. Frações como 25/2 são permitidas: C8H18 + 25/2 O2 → 8 CO2 + 9 H2O.
2. Petróleo
O que é e como se formou
O petróleo é uma mistura complexa de hidrocarbonetos (alcanos, cicloalcanos e aromáticos), com pequenas quantidades de compostos de enxofre, nitrogênio e oxigênio. Ele se formou ao longo de milhões de anos: plâncton e restos orgânicos se acumularam no fundo de mares e lagos, foram cobertos por sedimentos e, sem oxigênio e sob pressão e calor, transformaram-se em querogênio e depois em petróleo e gás. Esses fluidos migram por rochas porosas e ficam presos sob uma rocha impermeável, formando as jazidas. No pré-sal brasileiro, a rocha selante é uma camada de sal. Veja também Nossos hidrocarbonetos do dia a dia.
Refino: destilação fracionada
O petróleo bruto é aquecido a cerca de 400 °C e enviado a uma torre. Os vapores sobem, esfriam e cada fração se condensa na altura em que a temperatura fica abaixo do seu ponto de ebulição. Quanto maior a cadeia carbônica, mais fortes as forças intermoleculares e maior a temperatura de ebulição.
| Fração | Carbonos | Ebulição (aprox.) | Usos |
|---|---|---|---|
| Gases (GLP) | C1–C4 | abaixo de 30 °C | gás de cozinha, petroquímica |
| Gasolina e nafta | C5–C10 | 30–180 °C | automóveis, plásticos |
| Querosene | C10–C16 | 150–250 °C | aviação |
| Óleo diesel | C14–C20 | 250–350 °C | caminhões, ônibus |
| Lubrificantes e óleo combustível | C20–C40 | 350–400 °C | máquinas, navios |
| Resíduo (asfalto) | acima de C40 | acima de 400 °C | pavimentação |
Craqueamento e octanagem
A destilação não fornece gasolina suficiente. Por isso as refinarias usam o craqueamento, que quebra cadeias longas em moléculas menores, com calor e catalisadores:
C16H34 → C8H18 + C8H16
A qualidade da gasolina é medida pela octanagem, a resistência à detonação no motor. Por convenção, o isoctano (2,2,4-trimetilpentano) vale 100 e o n-heptano vale 0. Uma gasolina 87 se comporta como uma mistura de 87% de isoctano e 13% de n-heptano. Saiba mais em O octano e a octanagem da gasolina.
3. Gás natural
O gás natural se forma como o petróleo e é composto principalmente por metano (CH4), com etano e propano em menor quantidade. É usado como GNV, na indústria e em termelétricas. Entre os fósseis, é o de queima mais limpa: quase não tem enxofre e libera mais energia por mol de CO2 emitido.
| Gás natural | GLP (gás de cozinha) | |
|---|---|---|
| Composição | principalmente metano | propano e butano |
| Origem | jazidas, com ou sem petróleo | refino do petróleo |
| Armazenamento | gasodutos ou comprimido (GNV) | liquefeito em botijões |
Pegadinha clássica: GLP não é gás natural. O GLP vem do petróleo e é propano + butano; o gás natural é quase todo metano.
4. Carvão mineral: da turfa ao antracito
O carvão mineral vem de florestas soterradas há centenas de milhões de anos. Com tempo, pressão e calor, a matéria vegetal perde água e compostos voláteis e concentra carbono. Esse processo é a carbonificação:
| Tipo | Carbono (aprox.) | Características |
|---|---|---|
| Turfa | 55–60% | mais jovem, muita umidade |
| Linhito | 65–70% | baixo poder calorífico |
| Hulha (carvão betuminoso) | 75–90% | termelétricas e produção de coque |
| Antracito | 90–95% | maior poder calorífico |
O carvão brasileiro, do Rio Grande do Sul e de Santa Catarina, tem muita cinza e enxofre. Na queima, o enxofre forma SO2, que causa chuva ácida.
5. Madeira e hulha
A madeira é biomassa: formada por celulose, (C6H10O5)n, e lignina, tem cerca de 50% de carbono e libera em torno de 16 kJ/g como lenha. É renovável quando vem de manejo ou reflorestamento. A hulha é combustível fóssil, não renovável, com 75% a 90% de carbono e 25 a 35 kJ/g. A madeira libera menos energia por grama porque tem menos carbono e já contém muito oxigênio e água.
Pirólise: aquecer sem ar
Quando madeira ou hulha são aquecidas sem oxigênio, não queimam: decompõem-se em sólido, líquidos e gases.
| Carbonização da madeira | Destilação seca da hulha | |
|---|---|---|
| Temperatura | 400–500 °C, pouco ar | cerca de 1000 °C, sem ar |
| Sólido | carvão vegetal | coque |
| Gases | CO, CO2, CH4, H2 | gás de hulha (H2, CH4, CO) |
| Líquidos | líquido pirolenhoso, alcatrão vegetal | alcatrão (benzeno, tolueno, naftaleno) e águas amoniacais |
O alto-forno
Na siderurgia, o coque (ou o carvão vegetal) fornece calor e gera CO, que retira o oxigênio do minério de ferro. O calcário atua como fundente e remove a sílica na forma de escória.
C + CO2 → 2 CO
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2
6. Comparando os combustíveis
| Combustível | Poder calorífico (aprox.) | Energia por mol de CO2 |
|---|---|---|
| Metano (gás natural) | 55 kJ/g | 890 kJ |
| Gasolina (octano) | 47 kJ/g | ≈ 684 kJ |
| Hulha (carbono) | ≈ 30 kJ/g | 394 kJ |
| Lenha seca | ≈ 16 kJ/g | — |
Quanto mais hidrogênio por carbono, mais energia vem da formação de água, que não é gás de efeito estufa. Por isso, para gerar a mesma energia, o gás natural emite cerca de 56% menos CO2 que o carvão.
7. Impactos ambientais
- Efeito estufa intensificado: a queima libera CO2 que estava fora do ciclo do carbono há milhões de anos.
- Chuva ácida: S + O2 → SO2; 2 SO2 + O2 → 2 SO3; SO3 + H2O → H2SO4. Chuva com pH abaixo de 5,6 é ácida.
- Smog e CO: NOx e hidrocarbonetos formam ozônio perto do solo; o CO é tóxico.
- Soluções: catalisadores automotivos, dessulfurização (CaO + SO2 → CaSO3), filtros e fontes renováveis.
Veja também Os 6 poluentes mais perigosos na Química.
Questões resolvidas
1. Uma termelétrica troca carvão (carbono puro) por gás natural (metano), mantendo a energia gerada. Qual a redução na emissão de CO2? Use ΔHcomb CH4 = −890 kJ/mol e C = −394 kJ/mol.
Resolução: cada fonte emite 1 mol de CO2 por mol queimado. Para 890 kJ, o metano emite 1 mol de CO2; o carbono precisa de 890 ÷ 394 ≈ 2,26 mol. Redução = (2,26 − 1) ÷ 2,26 ≈ 56%.
2. Por que a destilação seca da hulha precisa ser feita sem ar?
Resolução: com oxigênio, a hulha simplesmente queimaria, virando CO2 e cinzas. Sem ar, ela se decompõe e fornece coque, gás de hulha, alcatrão e águas amoniacais.
Resumo rápido
- Combustão é exotérmica; completa forma CO2 + H2O, incompleta forma CO e fuligem.
- Petróleo é mistura de hidrocarbonetos; a destilação fracionada separa por ponto de ebulição.
- Craqueamento quebra cadeias longas; octanagem compara com isoctano (100) e n-heptano (0).
- Gás natural é metano; GLP é propano + butano.
- Carbonificação: turfa → linhito → hulha → antracito.
- Madeira → carvão vegetal; hulha → coque. Ambos por aquecimento sem ar.
- No alto-forno: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2.
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