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Combustíveis fósseis

Estudam-se os combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural) quanto à origem e composição, os hidrocarbonetos e os grupos funcionais da química orgânica, a refinação do petróleo por destilação fracionada, e a combustão (completa e incompleta) e o poder calorífico dos combustíveis. Matéria da Unidade 2 da Química do 12.º ano (Ciências e Tecnologias), disciplina de opção sem Exame Final Nacional — avaliada por avaliação interna.

4 secções~12 min de leitura4 competênciasNível Base 1 · Padrão 2 · Aprofundamento 1

T·0444 / 7

Perfil de exame

Caracterizar os combustíveis fósseis quanto à origem, composição e utilizaçãoReconhecer e nomear hidrocarbonetos e identificar grupos funcionais orgânicosExplicar a refinação do petróleo por destilação fracionadaEscrever e acertar equações de combustão e comparar o poder calorífico de combustíveis

Operadores:caracterizaidentificanomeiaexplicaacertacomparacalcula

nível básico

Reconhecer os combustíveis fósseis, os hidrocarbonetos e a combustão completa/incompleta.

nível avançado

Nomear compostos orgânicos, explicar a destilação fracionada e acertar equações de combustão comparando o poder calorífico.

Profundidade

Texto

Conteúdo · 4 secções

Combustíveis fósseis

Os combustíveis fósseis: origem, composição e tipos#

BaseAE-quimica-12-u2-combustiveis-fosseis

Os combustíveis fósseis — carvão, petróleo bruto (crude) e gás natural — formaram-se ao longo de milhões de anos, a partir da matéria orgânica de seres vivos (plantas e plâncton) que ficou soterrada e foi submetida a pressão e temperatura elevadas, na ausência de oxigénio. Porque a sua formação é lentíssima à escala humana, consideram-se recursos não renováveis: a taxa a que os consumimos é incomparavelmente superior à taxa a que se formam (ver Fig. 1).

Os três combustíveis fósseis

Fig. 1Fig. 1 — Carvão, petróleo e gás natural: estado, composição e origem.

O carvão é um combustível sólido, constituído essencialmente por carbono, resultante da transformação de restos de plantas em ambientes pantanosos. O petróleo bruto é um líquido viscoso, uma mistura complexa de centenas de hidrocarbonetos, formado a partir de plâncton marinho. O gás natural, muitas vezes associado às jazidas de petróleo, é constituído sobretudo por metano (CH₄), o hidrocarboneto mais simples.

Do ponto de vista químico, os três são fundamentalmente compostos de carbono e hidrogénio, e é a oxidação desses elementos, na combustão, que liberta a energia aproveitada. Além de fonte de energia, o petróleo é a matéria-prima de que se obtêm plásticos, fibras, solventes e um sem-número de produtos da indústria química — o que torna o seu esgotamento uma dupla preocupação.

A dependência dos combustíveis fósseis levanta dois grandes problemas: o seu caráter finito e o impacto ambiental da sua queima, em especial a emissão de dióxido de carbono (CO₂), gás com efeito de estufa associado às alterações climáticas. Estas questões justificam a procura de fontes de energia alternativas e renováveis e o uso mais eficiente da energia, assuntos transversais a toda a unidade.

Exemplo resolvido

Por que o petróleo é um recurso não renovável

Justifica por que o petróleo é classificado como recurso não renovável, apesar de continuar a formar-se na natureza.

Como se forma
Forma-se a partir de matéria orgânica soterrada, sob pressão e temperatura, ao longo de milhões de anos.
Como o consumimos
A humanidade extrai e queima petróleo a um ritmo de milhões de barris por dia.
Comparação de escalas
A taxa de consumo é incomparavelmente superior à taxa de formação natural.

Resultado: É não renovável porque se consome muitíssimo mais depressa do que se forma: as reservas esgotam-se à escala humana.

Erros frequentes

Considerar os combustíveis fósseis renováveis: formam-se em escalas de milhões de anos, muito mais lentamente do que são consumidos.
Reduzir o petróleo a « combustível », esquecendo que é também matéria-prima de plásticos e de muitos produtos químicos.

Revisão ativa

Indica o estado físico e a composição principal do carvão, do petróleo e do gás natural, e explica por que se classificam como recursos não renováveis.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Hidrocarbonetos e funções orgânicas: nomenclatura e grupos funcionais#

AprofundamentoAE-quimica-12-u2-combustiveis-fosseis

Os hidrocarbonetos são compostos formados apenas por carbono e hidrogénio, e constituem o essencial dos combustíveis fósseis. Classificam-se pela natureza das ligações entre os átomos de carbono: os alcanos são saturados (só ligações simples C–C) e têm fórmula geral CₙH₂ₙ₊₂; os alcenos têm uma ligação dupla C=C (CₙH₂ₙ); os alcinos, uma ligação tripla C≡C (CₙH₂ₙ₋₂). A capacidade única do carbono para formar cadeias explica a imensa variedade da química orgânica (ver Fig. 2).

Estrutura do etanol

Fig. 2Fig. 2 — Etanol, CH₃CH₂OH: uma cadeia de dois carbonos com o grupo funcional hidroxilo (−OH), característico dos álcoois.

A nomenclatura IUPAC nomeia estes compostos com um prefixo que indica o número de carbonos da cadeia — met- (1), et- (2), prop- (3), but- (4), pent- (5), hex- (6)… — seguido de um sufixo que indica a família: -ano (alcano), -eno (alceno), -ino (alcino). Assim, CH₄ é o metano, C₂H₆ o etano, C₂H₄ o eteno e C₃H₈ o propano. A partir do butano, a mesma fórmula molecular pode corresponder a estruturas diferentes — os isómeros (por exemplo, o butano e o metilpropano).

Quando à cadeia de carbono se ligam outros átomos, formam-se novas funções orgânicas, identificadas pelo respetivo grupo funcional — o conjunto de átomos responsável pelas propriedades químicas caraterísticas da família (ver Fig. 3). Os principais são o grupo hidroxilo −OH (álcoois, como o etanol, CH₃CH₂OH), o grupo carbonilo C=O (aldeídos, −CHO, e cetonas), o grupo carboxilo −COOH (ácidos carboxílicos, como o ácido etanoico) e o grupo éster −COO−.

Principais funções orgânicas e grupos funcionais

Fig. 3Fig. 3 — Grupos funcionais das principais famílias da química orgânica.

Reconhecer o grupo funcional presente numa molécula permite prever o seu comportamento e nomeá-la corretamente. Esta capacidade de identificar funções e de aplicar as regras de nomenclatura é uma competência central da química orgânica e é diretamente aplicada ao estudo dos derivados do petróleo, dos biocombustíveis (como o etanol) e, mais adiante, dos polímeros.

Exemplo resolvido

Nomear e identificar funções

Escreve a fórmula molecular do butano e classifica-o; identifica o grupo funcional presente no ácido etanoico (CH₃COOH).

Butano
But- indica 4 carbonos; -ano indica alcano (saturado). Fórmula geral CₙH₂ₙ₊₂ com n = 4: C₄H₁₀.
Classificação
É um alcano de 4 carbonos, um hidrocarboneto saturado.
Ácido etanoico
Contém o grupo carboxilo −COOH: pertence à função ácido carboxílico.

Resultado: Butano: C₄H₁₀, alcano. Ácido etanoico: grupo funcional carboxilo (−COOH), função ácido carboxílico.

Erros frequentes

Confundir as fórmulas gerais: alcanos CₙH₂ₙ₊₂, alcenos CₙH₂ₙ, alcinos CₙH₂ₙ₋₂.
Trocar aldeído (−CHO, grupo terminal) com cetona (C=O no interior da cadeia), ou álcool (−OH) com ácido (−COOH).

Revisão ativa

Escreve a fórmula molecular do pentano (alcano de 5 carbonos) e do propeno (alceno de 3 carbonos), e identifica o grupo funcional presente no etanol e no ácido etanoico.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Refinação do petróleo: destilação fracionada e cracking#

PadrãoAE-quimica-12-u2-combustiveis-fosseis

O petróleo bruto, tal como sai do poço, é uma mistura de centenas de hidrocarbonetos de utilidade limitada; é preciso separá-lo nos seus componentes — a refinação. A operação central é a destilação fracionada, que separa a mistura com base nas diferentes temperaturas de ebulição dos seus constituintes: as moléculas menores (cadeias curtas) fervem a temperaturas baixas, as maiores (cadeias longas) a temperaturas altas (ver Fig. 4).

Coluna de destilação fracionada do petróleo

Fig. 4Fig. 4 — Destilação fracionada: as frações separam-se por ponto de ebulição; a base está quente e o topo frio.

Na prática, o crude é aquecido e injetado na base de uma alta coluna de fracionamento, onde a temperatura diminui de baixo para cima. Os vapores sobem e cada fração condensa à altura em que a temperatura iguala o seu ponto de ebulição: junto ao topo (mais frio) recolhem-se os gases e a gasolina; a meia altura, o querosene e o gasóleo; na base (mais quente) ficam os óleos pesados e o resíduo (betume). Assim se obtêm frações de composição e aplicações distintas a partir de uma só mistura.

As frações mais leves — em especial a gasolina — são as de maior procura, mas o crude fornece-as em quantidade insuficiente. Recorre-se então ao cracking (craqueamento): partem-se as moléculas grandes das frações pesadas em moléculas mais pequenas e mais valiosas, por ação do calor (cracking térmico) ou de catalisadores (cracking catalítico). O cracking aumenta o rendimento em gasolina e produz alcenos, matéria-prima da indústria dos plásticos.

A destilação fracionada é, portanto, uma separação física (não altera as moléculas, apenas as separa por ponto de ebulição), ao passo que o cracking é uma transformação química (quebra ligações e origina novas moléculas). Distinguir os dois processos — e reconhecer as principais frações e as suas utilizações (combustíveis, solventes, lubrificantes, asfalto) — é o essencial desta secção.

Exemplo resolvido

Separação física ou transformação química?

Classifica como separação física ou transformação química: (a) a destilação fracionada do crude; (b) o cracking do gasóleo em gasolina. Justifica.

Destilação fracionada
Separa os hidrocarbonetos pelos seus pontos de ebulição, sem alterar as moléculas: é uma separação física.
Cracking
Quebra moléculas grandes, formando moléculas mais pequenas e diferentes: há rutura de ligações — é uma transformação química.
Consequência
Só o cracking cria novas substâncias (por exemplo, alcenos); a destilação apenas reparte as já existentes.

Resultado: (a) separação física (destilação fracionada); (b) transformação química (cracking), que cria moléculas novas e mais valiosas.

Erros frequentes

Dizer que a destilação fracionada « transforma » o petróleo: apenas o separa fisicamente por pontos de ebulição.
Inverter o gradiente de temperatura da coluna: a base está quente e o topo frio, e não o contrário.

Revisão ativa

Explica por que os gases e a gasolina se recolhem no topo da coluna de destilação e o betume na base, e indica uma vantagem do cracking na obtenção de gasolina.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Combustão e poder calorífico dos combustíveis#

PadrãoAE-quimica-12-u2-combustiveis-fosseis

A combustão é a reação de um combustível com o oxigénio (o comburente), libertando energia sob a forma de calor e luz. Na combustão completa, com oxigénio suficiente, os hidrocarbonetos originam apenas dióxido de carbono e água: por exemplo, CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. É a reação que se pretende, porque liberta o máximo de energia e não deixa resíduos perigosos além do CO₂.

Quando o oxigénio é insuficiente, dá-se uma combustão incompleta, que produz também monóxido de carbono (CO) e/ou carbono (fuligem), além de água. É indesejável por duas razões: liberta menos energia (a oxidação do carbono fica a meio) e forma CO, um gás tóxico, inodoro e por isso perigoso — responsável por intoxicações com esquentadores e lareiras mal ventilados. Escrever e acertar equações de combustão, garantindo a conservação de massa, é uma competência muito pedida.

Para comparar combustíveis usa-se o poder calorífico: a energia libertada na combustão completa de uma unidade de massa (kJ/g) ou de quantidade (kJ/mol). Quanto maior o poder calorífico, mais energia se obtém por grama de combustível. O hidrogénio tem o maior poder calorífico por unidade de massa, seguido do gás natural (metano) e da gasolina; o carvão e a madeira têm valores mais baixos (ver Fig. 5). Este critério ajuda a escolher o combustível mais adequado a cada fim.

Poder calorífico de alguns combustíveis

Fig. 5Fig. 5 — Poder calorífico (kJ/g) de alguns combustíveis. O hidrogénio destaca-se por unidade de massa.

A queima dos combustíveis fósseis tem custos ambientais que vão além do CO₂ (gás com efeito de estufa). As impurezas de enxofre originam dióxido de enxofre (SO₂), e as temperaturas elevadas formam óxidos de azoto (NOx); ambos contribuem para as chuvas ácidas. Somam-se as partículas e o CO da combustão incompleta. Reduzir estes poluentes — por dessulfuração, catalisadores e melhor combustão — é um dos grandes desafios ambientais associados à energia.

\text{C}_x\text{H}_y + \left(x + \tfrac{y}{4}\right)\text{O}_2 \rightarrow x\,\text{CO}_2 + \tfrac{y}{2}\,\text{H}_2\text{O}

Combustão completa de um hidrocarboneto

Todo o carbono passa a CO₂ e todo o hidrogénio a H₂O; o número de O₂ é fixado pela conservação do oxigénio (x + y/4 moléculas de O₂).

Exemplo resolvido

Acertar a combustão do butano e calcular energia

Acerta a equação da combustão completa do butano (C₄H₁₀). Depois, com um poder calorífico de 47 kJ/g, calcula a energia libertada na queima de 10 g de butano.

Produtos
Combustão completa: C₄H₁₀ + O₂ → CO₂ + H₂O. O carbono dá CO₂ e o hidrogénio dá H₂O.
Acertar C e H
4 C → 4 CO₂; 10 H → 5 H₂O.
Acertar O
Do lado dos produtos há 4×2 + 5×1 = 13 átomos de O = 6,5 O₂. Para evitar frações, multiplica-se tudo por 2: 2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O.
Energia
E = poder calorífico × massa = 47 kJ/g × 10 g = 470 kJ.

Resultado: 2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O; a queima de 10 g de butano liberta cerca de 470 kJ.

Erros frequentes

Escrever CO em vez de CO₂ (ou não acertar a equação) numa combustão completa.
Confundir poder calorífico por massa com por mole: o hidrogénio lidera por massa (kJ/g), mas a comparação depende da unidade usada.

Revisão ativa

Acerta a equação da combustão completa do propano, C₃H₈. Sabendo que o poder calorífico do metano é 55 kJ/g, calcula a energia libertada na combustão completa de 20 g de metano.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Referências e fontes

Fontes

Direção-Geral da Educação (DGE)

Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE)

Combustíveis fósseis

4 secções~12 min de leitura4 competênciasNível Base 1 · Padrão 2 · Aprofundamento 1

Combustíveis fósseis

Pontos-chave

Por que o petróleo é um recurso não renovável

Pontos-chave

Nomear e identificar funções

Pontos-chave

Separação física ou transformação química?

Pontos-chave

Acertar a combustão do butano e calcular energia

Fontes

Combustíveis fósseis

Pontos-chave

Por que o petróleo é um recurso não renovável

Pontos-chave

Nomear e identificar funções

Pontos-chave

Separação física ou transformação química?

Pontos-chave

Acertar a combustão do butano e calcular energia

Fontes