Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12

14A combustão: combustíveis, produtos e gases de efeito estufa

Uma família dorme num apartamento cujo aquecedor a gás está com a chaminé entupida. A chama, sem ar suficiente, queima mal, e um gás invisível e sem cheiro vai enchendo devagar os cômodos. Às duas da manhã, uma caixinha na parede começa a apitar: o detector de monóxido de carbono. Todo mundo sai a tempo. O mesmo combustível, queimando bem, só dá dióxido de carbono e água — e esse dióxido de carbono tem a sua própria história, escrita no ar do planeta inteiro.

O que você já sabe

Uma queima, ou combustão, precisa de um combustível, de oxigênio e de calor, e fabrica substâncias novas (Capítulo 5). O ar tem cerca de um quinto de oxigênio (Capítulo 4). Uma equação está balanceada quando cada tipo de átomo aparece o mesmo número de vezes dos dois lados (Capítulo 13).

14.1 A queima do carbono e do metano

Exemplo 14.1 (Duas combustões)

O carbono (carvão vegetal, carvão mineral) queima e dá dióxido de carbono:

\ce{C(s) + O2(g) -> CO2(g)}.

O metano, a parte principal do gás natural, queima e dá dióxido de carbono e água:

\ce{CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(l)}.

Nos dois casos, a água de cal fica leitosa com o gás formado; com o metano, um copo frio também fica embaçado.

Método 14.2 (Escrever a combustão de um combustível feito de carbono e hidrogênio)

Para um combustível cujas moléculas contêm só carbono e hidrogênio:

os produtos são o dióxido de carbono e a água;
balanceie o carbono com $\ce{CO2}$ , depois o hidrogênio com $\ce{H2O}$ ;
conte os átomos de oxigênio à direita e balanceie-os com $\ce{O2}$ ; dobre tudo se aparecer uma metade.

Para o butano: $\ce{2C4H10 + 13O2 -> 8CO2 + 10H2O}$ .

14.2 Combustão completa e incompleta

Definição 14.3 (Combustão completa e incompleta)

Uma combustão completa acontece com oxigênio suficiente: todo o carbono do combustível vira dióxido de carbono. Uma combustão incompleta acontece com pouco oxigênio: uma parte do carbono vira monóxido de carbono, $\ce{CO}$ , ou fuligem, que é carbono, $\ce{C}$ .

Exemplo 14.4 (O metano com falta de oxigênio)

Com pouco ar, o metano pode queimar dando monóxido de carbono ou fuligem:

\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}, \qquad \ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}.

Proposição 14.5 (Ler uma chama)

Um bico de Bunsen com a entrada de ar aberta mistura ar ao gás antes de ele queimar: a chama é azul e quase invisível, a combustão é completa. Com a entrada de ar fechada, o gás encontra pouco oxigênio: a chama é amarela, fumacenta, e escurece de fuligem um objeto frio colocado nela — a combustão é incompleta.

Um bico de Bunsen. O ar que entra por baixo dá uma chama azul e uma combustão completa; sem ele, a chama é amarela e fumacenta.

Uma colher fria segurada na chama amarela de uma vela fica preta de fuligem: a combustão é incompleta.

14.3 O monóxido de carbono, um perigo silencioso

Proposição 14.6 (Por que o monóxido de carbono mata)

O monóxido de carbono não tem cor, nem cheiro, nem gosto. Inspirado, ele toma o lugar do oxigênio no sangue (o livro de biologia explica como), provocando dor de cabeça, sonolência e, num cômodo fechado, perda de consciência e morte. Ele é produzido por qualquer combustível que queima com falta de ar: uma caldeira ou um aquecedor a gás com manutenção ruim ou com a chaminé entupida, um fogareiro numa barraca fechada, uma churrasqueira ou um gerador usados dentro de casa.

Segurança

Monóxido de carbono: gás extremamente inflamável (GHS02), fornecido sob pressão (GHS04); tóxico se inalado (GHS06); afeta os órgãos por exposição repetida e pode prejudicar o feto (GHS08).

Observação 14.7 (Prevenir a intoxicação)

Os aparelhos a gás passam por manutenção regular feita por um profissional, as chaminés e as aberturas de ventilação nunca são obstruídas, as churrasqueiras e os geradores só são usados ao ar livre, e um detector de monóxido de carbono é instalado perto de qualquer queimador.

Uma caldeira a gás e, ao lado dela, um detector de monóxido de carbono.

14.4 O dióxido de carbono e o efeito estufa

Definição 14.8 (Gás de efeito estufa)

Um gás de efeito estufa é um gás do ar que deixa passar a luz do Sol, mas retém uma parte do calor que a superfície da Terra devolve para o espaço, e assim aquece a parte baixa da atmosfera. O vapor de água, o dióxido de carbono e o metano são gases de efeito estufa; o nitrogênio e o oxigênio não são. (Como isso acontece é explicado no livro de física.)

Proposição 14.9 (O dióxido de carbono do ar está aumentando)

A quantidade de dióxido de carbono no ar é medida sem interrupção desde 1959 num observatório no alto de uma montanha, no meio do oceano Pacífico. Ela era de 316 partes por milhão (ppm) de ar em 1959 e de 427 ppm em 2025: um aumento de cerca de $35\,\%$ no tempo de uma vida humana, causado principalmente pela queima de carvão, petróleo e gás natural. O dióxido de carbono a mais reforça o efeito estufa e aquece o clima.

Média anual do dióxido de carbono no ar, medida desde 1959 (dados do NOAA Global Monitoring Laboratory; antes de 1974, da Scripps Institution of Oceanography).

14.5 Combustíveis fósseis e renováveis

Definição 14.10 (Combustíveis fósseis e renováveis)

Um combustível fóssil — o carvão mineral, o petróleo, o gás natural — se formou no subsolo ao longo de milhões de anos, a partir dos restos de plantas e de organismos marinhos antigos. Um combustível renovável é produzido a partir de plantas cultivadas hoje, ou de resíduos: a lenha, o biogás de esterco e de restos de comida, o etanol feito de beterraba ou de cana-de-açúcar.

Proposição 14.11 (De onde vem o carbono)

As plantas tiram dióxido de carbono do ar para crescer. Queimar um combustível renovável devolve o dióxido de carbono que as plantas dele tiraram do ar há poucos anos. Queimar um combustível fóssil libera um carbono que estava guardado no subsolo havia milhões de anos: isso acrescenta dióxido de carbono ao ar.

Os combustíveis renováveis devolvem ao ar o carbono que as plantas deles tiraram dele; os combustíveis fósseis acrescentam um carbono que estava guardado no subsolo.

14.6 Exercícios

Exercício 14.1 ★

Escreva a equação balanceada da combustão completa do carbono.

Solução

Solução de Exercício 14.1.

$\ce{C + O2 -> CO2}$ .

Exercício 14.2 ★

Qual é a diferença entre uma combustão completa e uma combustão incompleta?

Solução

Solução de Exercício 14.2.

Com oxigênio suficiente, todo o carbono vira dióxido de carbono (completa). Com pouco oxigênio, uma parte vira monóxido de carbono ou fuligem (incompleta).

Exercício 14.3 ★

Por que o monóxido de carbono é chamado de perigo silencioso?

Solução

Solução de Exercício 14.3.

Ele não tem cor, nem cheiro, nem gosto: ninguém o percebe, e mesmo assim ele é tóxico.

Exercício 14.4 ★

Fóssil ou renovável: carvão mineral, lenha, gás natural, biogás, gasolina, etanol de beterraba?

Solução

Solução de Exercício 14.4.

Fósseis: carvão mineral, gás natural, gasolina. Renováveis: lenha, biogás, etanol de beterraba.

Exercício 14.5 ★★

Escreva a equação balanceada da combustão completa do propano, $\ce{C3H8}$ .

Solução

Solução de Exercício 14.5.

$\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$ .

Exercício 14.6 ★★

O etanol, $\ce{C2H6O}$ , queima completamente no oxigênio. Balanceie $\ce{C2H6O + O2 -> CO2 + H2O}$ .

Solução

Solução de Exercício 14.6.

Carbono: 2 $\ce{CO2}$ ; hidrogênio: 3 $\ce{H2O}$ ; oxigênio à direita $4 + 3 = 7$ , dos quais 1 vem do etanol, então 3 $\ce{O2}$ : $\ce{C2H6O + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O}$ .

Exercício 14.7 ★★

Uma panela colocada sobre uma chama amarela fica preta por baixo. Qual é a substância preta? O que ela nos diz sobre a combustão?

Solução

Solução de Exercício 14.7.

Fuligem, isto é, carbono. A combustão é incompleta: falta oxigênio à chama.

Exercício 14.8 ★★

Leia a curva do dióxido de carbono: mais ou menos quanto dióxido de carbono o ar continha em 1980 e em 2000? Quantos ppm ele subiu nesses vinte anos?

Solução

Solução de Exercício 14.8.

Cerca de 339 ppm em 1980 e cerca de 370 ppm em 2000: um aumento de cerca de 30 ppm.

Exercício 14.9 ★★

Por que queimar lenha acrescenta menos dióxido de carbono ao ar, ao longo dos anos, do que queimar carvão mineral, embora os dois deem dióxido de carbono?

Solução

Solução de Exercício 14.9.

O carbono da lenha foi tirado do ar pela árvore há poucos anos ou décadas: queimá-la devolve esse dióxido de carbono. O carbono do carvão mineral estava guardado no subsolo havia milhões de anos: queimá-lo acrescenta dióxido de carbono novo ao ar.

Exercício 14.10 ★★

Balanceie a combustão incompleta do carbono em monóxido de carbono, $\ce{C + O2 -> CO}$ .

Solução

Solução de Exercício 14.10.

$\ce{2C + O2 -> 2CO}$ .

Exercício 14.11 ★★★

De 1959 (316 ppm) a 2025 (427 ppm), em que porcentagem o dióxido de carbono do ar aumentou? Arredonde para o número inteiro mais próximo.

Solução

Solução de Exercício 14.11.

$(427 - 316)/316 = 111/316 \approx 0.35$ : cerca de $35\,\%$ .

Exercício 14.12 ★★★

Um aquecedor a gás é usado num quarto pequeno com a janela fechada. Explique, usando duas equações deste capítulo, como a combustão pode passar de completa a incompleta com o tempo, e por que isso é perigoso.

Solução

Solução de Exercício 14.12.

No começo há oxigênio suficiente: $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ . À medida que o oxigênio do quarto fechado é consumido, a chama passa a queimar com falta de ar: $\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}$ . O monóxido de carbono, sem cheiro e tóxico, vai se acumulando no quarto.

14.7 Problema: o fogareiro na barraca

Problema 14.1

Problema de fim de semana — um fogareiro de camping, o gás que ele queima, o que ele produz e por que ele nunca entra numa barraca

Um fogareiro de camping queima propano, $\ce{C3H8}$ , de um cartucho que contém $450\,\mathrm{g}$ dele. Ao ar livre, a chama é azul. Use estas proporções em massa, tiradas da equação balanceada: $44\,\mathrm{g}$ de propano que queimam completamente dão $132\,\mathrm{g}$ de dióxido de carbono.

Parte I — As equações.

Escreva a equação balanceada da combustão completa do propano.
Verifique-a contando os átomos de cada tipo de cada lado.
Balanceie a combustão incompleta $\ce{C3H8 + O2 -> CO + H2O}$ .
Qual das duas precisa de mais oxigênio por molécula de propano?

Parte II — Dentro de uma barraca.

Um fogareiro aceso dentro de uma barraca fechada logo passa a queimar com uma chama amarela. Explique por quê.
Que gás perigoso se forma então? Dê duas propriedades dele que o tornam difícil de perceber.
O cartucho de propano traz dois pictogramas. Dê o nome deles e diga o que cada um significa.
Dê duas regras para usar um fogareiro de camping com segurança.

Parte III — O dióxido de carbono de um cartucho.

Quantas vezes o dióxido de carbono formado é mais pesado do que o propano queimado?
De onde vêm os gramas a mais?
O propano é um combustível fóssil ou renovável? Queimá-lo acrescenta dióxido de carbono ao ar?
Calcule a massa de dióxido de carbono liberada quando um cartucho inteiro de $450\,\mathrm{g}$ queima completamente.

Solução

Solução de Problema 14.1.

1. $\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$ .

2. À esquerda: 3 C, 8 H, 10 O. À direita: 3 C, $4 \times 2 = 8$ H, $3 \times 2 + 4 = 10$ O. Balanceada.

3. $\ce{2C3H8 + 7O2 -> 6CO + 8H2O}$ .

4. A combustão completa: 5 moléculas de oxigênio por molécula de propano, contra $7/2 = 3.5$ na incompleta.

5. O ar da barraca fechada logo fica com falta de oxigênio; a chama não recebe mais o suficiente e queima de forma incompleta, amarela.

6. O monóxido de carbono: sem cor, sem cheiro (e sem gosto).

7. GHS02, a chama: extremamente inflamável. GHS04, o cilindro de gás: um gás guardado sob pressão.

8. Por exemplo: usá-lo só ao ar livre, nunca numa barraca nem num cômodo fechado; mantê-lo longe de tudo o que pode queimar; trocar o cartucho longe de qualquer chama.

9. $132 \div 44 = 3$ vezes mais pesado.

10. Do oxigênio do ar, que acaba no dióxido de carbono (e na água).

11. Um combustível fóssil (ele vem do gás natural ou do petróleo): queimá-lo acrescenta dióxido de carbono ao ar.

12. $450 \times 3 = 1350\,\mathrm{g} = 1.35\,\mathrm{kg}$ de dióxido de carbono.

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