Estudo estequiométrico da combustão do etanol

Ana Carolina Nogueira; Ariana Gusmão; Juliana Alves; Lays Nunes; Paloma de Araújo

Orientador: Profa Rebeca Piumbato Chaparro

FACULDADES OSWALDO CRUZ

Bacharelado em Química

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Resumo: desde o Brasil Colônia, a cana-de-açúcar teve um papel importante para a economia e desenvolvimento do país, sendo que, no século 21 não é diferente. Este trabalho apresenta uma análise e discussão do estudo estequiométrico do etanol com base em artigos e trabalhos realizados sobre esse combustível. A produção de etanol ocorre pela cana-de-açúcar, a qual sintetiza a sacarose (C₁₂H₂₂O₁₁) cuja combustão gera o etanol (C₂H₆O) e o gás carbônico (CO₂). No tópico em que é apresentado a combustão do etanol, foram realizado cálculos estequiométricos para demonstrar os produtos gerados nessa produção. Neste trabalho também se fez uma comparação, demonstrada pela estequiometria dos produtos gerados pela gasolina (C₈H₁₈) e pelo etanol. Portanto, conclui-se através de toda a pesquisa realizada, que o etanol é hoje uma das melhores alternativas para ser utilizado como combustível.

Palavras Chave: Estequiometria; Produção do etanol hidratado; Combustível.

1.   Introdução

Pode-se definir como combustível a substância que quando combinada com outra, geralmente o oxigênio, ocorre a liberação de calor ou gases. Biocombustíveis segundo a ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) “são derivados de biomassa renovável que podem substituir, parcial ou totalmente, combustíveis derivados de petróleo e gás natural em motores a combustão ou em outro tipo de geração de energia.”

Apesar de não ser o mais utilizado no mundo, o etanol é o segundo combustível mais utilizado do Brasil sendo um dos principais biocombustíveis líquidos já produzidos no país.

Esse trabalho tem como principal objetivo apresentar a aplicação da estequiometria no processo de combustão do etanol além de demonstrar a reação envolvida nesse processo, explicando também sobre a sua produção e aplicações como combustível, sendo puro ou misturado a gasolina.

2.   Produção do etanol

O etanol surgiu no Brasil em 1933, durante o governo de Getúlio Vargas, por duas razões: a necessidade de amenizar as sucessivas crises do setor açucareiro e a tentativa de reduzir a dependência do petróleo importado, que era muito caro e inviável para o Brasil comprar.

Apesar de se ter reduzido seu uso, o etanol passou a ser o segundo combustível mais utilizado do Brasil, perdendo apenas para o petróleo que lidera até hoje a matriz energética mundial, como pode ser visto na Figura 1.

Figura 1: Matriz Energética Nacional

A cana de açúcar produz a sacarose (C₁₂H₂₂O₁₁) que ao passar por processos de fermentação gera o etanol (C₂H₆O) e gás carbônico (CO₂), Segundo os dados do Canal Nova Cana, em média 24,8 kg de sacarose são extraídos por hectar. Portanto, é possível descobrir a quantidade de etanol produzido por hectar.

C₁₂H₂₂O_{11 (s)}  +  H₂O _(l)  à  4C₂H₆O _(aq)  +  4CO_{2 (g)}

  4 . 46 g de etanol ___________  342 g de sacarose

                                                     x        _____________ 24.800 g de sacarose

                                  x= aproximadamente 13. 343 g de etanol por hectar.

                                  x= aproximadamente 13, 343 kg de etanol por hectar.

Para descobrir o equivalente da massa (g) de etanol em volume (L) de etanol, é necessário utilizar o dado da densidade do etanol, que segundo o site da INMETRO equivale a 0,789 kg/L, para realizar uma proporção.

0, 789 kg ______________ 1L

13, 343 kg_______________ x

x = aproximadamente 16, 911 L de etanol por hectar.

3.   Combustão do etanol

Com mais de 30% da produção mundial, o Brasil é o segundo maior produtor de etanol do planeta, atrás apenas dos EUA. O país produziu mais de 37 bilhões de litros na safra 2013/2014. A ANP estima que este ano sejam produzidos 26 bilhões de litros, uma quantidade menor se comparada ao ano anterior. Isso é devido à preferência das pessoas pela gasolina, especialmente na época do frio, pois o etanol não consegue atingir uma temperatura suficientemente alta como a gasolina para a combustão no motor. Segundo o site Canal Rural, só em Abril/2015 foram consumidos 1,50 bilhões de litros de etanol. Entretanto para descobrir a quantidade de etanol consumido em massa é necessário conhecer o valor de sua densidade para que se possa fazer uma proporção, conforme mostram os cálculos.

Dados:

Densidade do etanol= 0, 789 kg/L

Volume de etanol= 1, 50 . 10⁹­­­ L

   0, 789 kg de etanol___________     1 L

                            x            ___________ 1, 50 .10⁹ ­­­L

          x= 1, 18 . 10⁹ kg de etanol

          x= 1, 18 . 10¹² g de etanol

Agora é possível descobrir as proporções estequiométricas dos produtos gerados na combustão do etanol, o gás carbônico (CO₂) e água (H₂O), nas Condições Padrão de Temperatura e Pressão (1 atm; 0ºC), conforme mostram os cálculos.

C₂H₆O _(aq)  +  3O_{2 (g)} à 2CO_{2 (g)}  +  3H₂O _(l)

                   46 g de etanol       ___________ 2 . 22,4 L de gás carbônico nas CPTP

                       1, 18 . 10¹² g de etanol ___________            y

                               y= aproximadamente 1, 15 . 10¹² L de gás carbônico produzido

                                             46 g de etanol   ___________ 18 . 3 g de água

                                  1, 18 . 10¹² g de etanol ___________           z

                                  z= aproximadamente 1, 38 . 10¹² g de água produzida

4.   Etanol e o meio ambiente

O etanol é uma fonte mais limpa e acessível de combustível renovável, e isso pode se visto na quantidade de emissões de GEE (gases efeito estufa) que é bem mais baixa se comparado aos outros combustíveis. Por exemplo, o etanol solta gases poluentes como o gás carbônico e prejudica a biodiversidade por ocupar uma grande área para o plantio da cana, mas é menos poluente se comparado a gasolina, como mostra a Figura 2.

Figura 2: Comparação entre a gasolina e o etanol

Realizaram – se cálculos demonstrativos para comprovar que a gasolina produz mais CO₂ que o etanol. Para isso foi necessário saber a reação de combustão da gasolina, que será representada pelo octano (C₈H₁₈), e o valor de sua densidade para se conseguir a quantidade da gasolina em massa, nas Condições Padrão de Temperatura e Pressão (1 atm; 0ºC), conforme mostram os cálculos.

Densidade da gasolina = 0, 750 kg/L

Dado demonstrativo: 100 L de gasolina

0, 750 kg de gasolina__________   1L

                     x            __________ 100 L

x= 75 kg de gasolina

x= 75, 0 . 10³ g de gasolina

2C₈H_{18 (aq)}  +  25O_{2 (g)}  à  16CO_{2 (g)}  +   18H₂O _(l)

2 . 114 g de gasolina __________ 16. 22,4 L de gás carbônico nas CPTP

           75, 0 . 10³ g de gasolina ­­­­__________                   w

w= aproximadamente 118 . 10³ L de gás carbônico

Agora precisa – se comparar com o etanol, conforme mostram os cálculos.

Densidade do etanol= 0,789 kg/L

Dado demonstrativo: 100 L de etanol

    0, 789 kg de etanol __________   1L

                    x                 __________ 100 L

       x= 78,9 kg de etanol

      x= 78, 9 . 10³ g de etanol

C₂H₆O _(aq)  +  3O_{2 (g)} à 2CO_{2 (g)}  +  3H₂O _(l)

                    46 g de etanol      ____________ 2 . 22,4 L de gás carbônico nas CPTP

                       78, 9 . 10³ g de etanol ____________            y

                                   y= aproximadamente 76, 8 . 10³ L de gás carbônico produzido

Com isso comprova-se que a gasolina produz aproximadamente 1, 53 vezes (em volume) mais gás carbônico que o etanol, portanto, conclui-se que a gasolina é mais poluente que o etanol, contribuindo mais para o aquecimento global.

5. Conclusão

Conclui-se come este trabalho que foi possível observar o quanto o etanol é importante na matriz de combustíveis no Brasil. Com a realização das pesquisas pode-se observar que o etanol é utilizado em grande escala, sendo o segundo combustível mais utilizado no Brasil estando ou não misturado a gasolina, chegando a sua produção na casa dos bilhões de litros por ano. Também é importante ressaltar que esse combustível é menos poluente que os derivados do petróleo, como a gasolina, sua principal concorrente.

6. Referências

-Equipe Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, Brasília, Maio/2015. Disponível em: <http://www.anp.gov.br/?id=470>. Acesso em: 22 de set. 2015.

-ABREU, D. G., CAMPOS, M. L. A. M., FRANCELIN, R. e SANTOS, M. M. Combustão e Energia, USP - São Paulo. Disponível em: <http://www.usp.br/qambiental/combustao_energia. html>. Acesso em: 20 de set. 2015.

-FERNADES, G. W. Relatório Combustão do Etanol, PUC - São Paulo, 2012. Disponível em: <http://www.pucrio.br/pibic/relatorioresumo2012/relatorios_pdf/ctc/MEC/MECGabriel%20Werpel%20Fernandes.pdf>. Acesso em: 20 de set. 2015.

-CORTEZ, L. A. B. e LEITE, R. C. O Etanol, São Paulo, 2008. Disponível em: <http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/Repositorio/etanol3_000g7gq2cz702wx5ok0wtedt3xdrmftk.pdf>. Acesso em: 21 de set. 2015.

-Equipe Unica. Produção e uso do Etanol combustível no Brasil, Governo Federal, São Paulo, Março/2007. Disponível em: <http://www.ambiente.sp.gov.br/wpcontent/uploads/publicacoes/ etanol/producao_etanol_unica.pdf.>. Acesso em: 19 de set. 2015.

-PRESTES, J. Aumenta consumo de etanol no país, Canal Rural, São Paulo, Junho/2015. Disponível em: <http://www.canalrural.com.br/noticias/ rural-noticias/aumenta-consumo-etanol-pais-56924>. Acesso em: 22 de set. 2015.

- Equipe do INMETRO. Ficha de Informação de Segurança de Produtos Químicos – FISPQ, INMETRO, São Paulo, Dezembro/2013. Disponível em:<http://www.inmetro.gov.br/ metcientifica/MRC/FISPQ-8849.pdf>. Acesso em: 22 de set. 2015.