Química do automóvel

Estudo estequiométrico dos combustíveis

Lais Carpani; Matheus Stelmastchuk; Raiane Alves

Orientador: Profa. Rebeca Piumbato Chaparro

FACULDADES OSWALDO CRUZ

Bacharelado e Licenciatura em Química

RESUMO: O objetivo do presente trabalho é abordar a relação estequiométrica presente em uma reação de combustão, considerando dados dos combustíveis mais utilizados no Brasil. Todo automóvel possui um motor a explosão que é uma máquina térmica, ou seja, transforma calor em trabalho e obedece às equações da física que descrevem como os gases aumentam sua pressão e se expandem quando aquecidos. A estequiometria oferece as proporções e estabelece a quantidade mínima de ar necessária para fornecer a quantidade de oxigênio requerida pela queima completa dos combustíveis; está pesquisa tem como ênfase demonstrar a energia liberada no processo, e o impacto ambiental causado pelos produtos da combustão.

Palavras chaves: Combustível, gasolina, energia.

1       INTRODUÇÃO

Um combustível é qualquer substância que reage com o oxigênio (ou outro comburente) liberando energia, usualmente na forma de calor, chamas e gases.  O combustível pode conter uma porção incombustível, que não fornece calor durante a combustão, é composta de umidade, cinzas e demais impurezas. Os combustíveis podem ser classificados quanto a sua origem; (Fósseis, Naturais e Nucleares), e quanto o seu estado físico (sólido, líquido e gasoso). A composição química elementar de uma amostra de combustível é o conteúdo, em percentual de massa ou volume, dos elementos químicos do combustível, ou seja, carbono, hidrogênio, enxofre, oxigênio, nitrogênio, cinzas e umidade, sendo essa a composição técnica mais importante do combustível, ela a base para a análise dos processos de combustão, determina também o poder calorífico do combustível, além de permitir avaliar o impacto ambiental.

Este artigo tem como objetivo estudar a estequiometria das reações de combustão automotivas.

2     ESTEQUIOMETRIA E COMBUSTÃO

A combustão nada mais é que a oxidação de um combustível acompanhada pela produção de calor e a presença de gás oxigênio. A quantidade de energia química a ser obtida a partir do combustível depende também da quantidade estequiométrica do oxigênio. O oxigênio estequiométrico deve ser suficiente para converter todo o carbono do combustível em CO₂ e todo o hidrogênio em H₂O.

A gasolina, combustível amplamente utilizado no cotidiano como principal combustível de veículos de passeio, é uma mistura de vários hidrocarbonetos, que normalmente, pode ser representada pelo octano C₈H₁₈. Na Equação 1, observa-se a estequiometria da combustão completa da gasolina.

C₈H₁₈ +  O₂  8 CO₂ + 9 H₂O (Equação 1)

A combustão completa de um combustível torna-se possível somente com uma quantidade adequada de comburente. Nas reações que ocorrem nos motores à combustão a maior fonte de oxigênio é o ar atmosférico, pois, o oxigênio contido nele corresponde a quase 21% de sua composição. O processo estequiométrico da combustão é relativamente simples e busca relacionar as proporções exatas de cada item participante da reação, sendo assim a passagem do nível molecular para o nível macroscópico se faz necessário para que haja uma correta tomada de decisão sobre a eficiência do processo,  desta forma realizando-se os cálculos abaixo é possível determinar o quanto de energia e produtos pode ser gerado para uma certa quantidade de reagentes (combustível e comburente),conforme esquematizado abaixo.

Multiplicando as quantidades moleculares por seus respectivos números de massa atômica, e considerando a densidade da gasolina para 1L, podem-se observar as proporções estequiométricas da mistura combustível-ar para a gasolina (octano).

                                   1ml C₈H₁₈                               0,7g C₈H₁₈

      1000ml C₈H₁₈                   X g C₈H₁₈

                   

                   

Assim, com as devidas proporções e considerando-se as condições padrão de temperatura e pressão (CPTP), é possível saber a quantidade teórica de CO₂ liberado nesse processo.

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São liberados aproximadamente 1100L CO2 para cada 1L de C8H18  na (CPTP)

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Portanto, teoricamente para cada litro de gasolina, temos aproximadamente 2,2kg ou 1100L de CO₂ na CPTP. A analise desse processo de combustão é capaz de demonstrar a quantidade de energia dessa reação, e da mesma forma é possível aplicar este cálculo em outros combustíveis, principalmente os utilizados nos principais meios de transporte, a Tabela 1, ilustra essas proporções teóricas confrontando dados e comprovando a eficácia enérgica de cada combustível e também o seu poder de poluição.

Analise teórica de proporções de combustíveis
Combustível	Fórmula Química	ΔH° (kJ/mol)	kg CO2/L	Densidade g/mL
Metano	CH4	-890	1,5	0,55
Etanol	C2H5OH	-1.364	1,5	0,8
Gasolina (octano)	C8H18	-5.471	2,2	0,7
Hidrogênio	H2	-286	0,0	0,7

Tabela 1: Proporção estequiométrica dos combustíveis (2015)

3 CONCLUSÃO

A estequiometria nas reações de combustão revela que no processo de queima de um determinado combustível sempre ocorre a liberação de energia, representada no Sistema internacional de medidas, em kJ (quilojoules) e quando o combustível tem em sua composição átomos de carbono (C) ocorre a liberação do gás CO_2, sendo este proporcional a quantidade de carbono (C) presente na fórmula molecular, entretanto, o carbono não determina a quantidade de energia liberada pelo combustível. Desta forma podemos concluir que combustíveis com grandes cadeias carbônicas nem sempre são a melhor opção como combustível, pois ocorre uma grande liberação de gases tóxicos e a liberação de energia não é viável, considerando-se que cadeias carbônicas grandes tendem a ser líquidos muitos viscosos quando os compostos não são sólidos.

4 REFERÊNCIAS

GLASSMAN, I. Combustion. 3ª ed. San Diego, Califórnia: Academic Press, 1997.

JOSÉ, H. J. Combustão e Combustíveis. Florianópolis: 2004.