Fontes de energia, combustão e combustíveis (II)

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Os dois compostos envolvidos nas reações de combustão são o combustível (composto/ agente redutor) e o comburente (composto/ agente oxidante). Geralmente, o oxigênio atmosférico é o comburente, ou, em alguns casos, o oxigênio puro, por ser mais eficiente. Durante a combustão, luz e calor são liberados. Calor é uma forma de energia, sendo que quase toda a energia consumida no mundo provém da queima de combustíveis fósseis e de biomassa.

O combustível contém as substâncias que sofrem oxidação, geralmente os elementos redutores Carbono (o principal elemento presente entre os combustíveis industriais), Hidrogênio e Enxofre, que é uma impureza indesejável. As características esperadas de um combustível são a possibilidade de controle de reação (para que não ocorram explosões), abundância na natureza e exploração economicamente viável. Na compra de um combustível, levam-se em conta o preço por unidade de massa/volume e o poder calorífico, que é a quantidade de calor (em Kcal/kg ou Kcal/m³) para cada unidade de massa/volume. Com a nova visão de preservação ambiental que surgiu nos últimos anos, a produção reduzida de gases poluentes e isenção de gases letais ou tóxicos, entraram no rol das características fundamentais para um bom combustível.

A velocidade das reações de combustão está diretamente envolvida à liberação de calor, definindo tais reações como lentas, rápidas ou instantâneas. As combustões lentas, também chamadas de corrosões, possuem velocidade baixa de liberação de calor que não propicia a liberação de luz. Exemplo:

4Fe + 3O₂ Þ 2Fe₂O₃

As combustões rápidas, as quais chamamos simplesmente de combustões, são mais rápidas e visíveis devido à liberação de luz. O fenômeno da incandescência foi um dos motivos do uso de combustíveis, antes do advento de outras formas de iluminação que usam energia elétrica. Um exemplo é a combustão do metano:

CH₄ + 2O₂ Þ CO₂ + 2H₂O

As combustões instantâneas são aquelas muito rápidas, que geram fortes impactos, sendo usadas em conflitos armados e na demolição de edifícios antigos ou condenados, por exemplo. Uma reação de explosão:

Trinitrotolueno + O₂ Þ CO₂ + H₂O + NO.

Os chamados fumos ou gases de combustão são gerados após a queima de qualquer combustível, possuindo composição variável, que pode conter: gás carbônico ou dióxido de carbono (CO₂), vapor de água, óxidos de enxofre (SO₂ e SO₃), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NO e NO₂), entre outros. Além destes gases, na queima de combustíveis sólidos e líquidos são formados resíduos sólidos como cinzas e fuligem. As cinzas são compostos inorgânicos presentes nos combustíveis, formados em sua maioria por óxidos como: Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, CaO, SiO₂, TiO₂, etc. A fuligem é resultante da combustão incompleta, sendo composta basicamente pelo elemento de Carbono. Cinzas e fuligem formam os compostos particulados, que são arrastados pelos gases de combustão.

A temperatura externa também define cada combustível, sendo importante conhecê-la ao estocar qualquer um deles. Há três valores notáveis para esta temperatura, quais sejam: ponto de fulgor, ponto de combustão e ponto de ignição. Ponto de fulgor (Flash point) é a menor temperatura em que os vapores do combustível em mistura com o ar inflamam-se com a presença de uma chama ou centelha. Ao afastar esta chama, cessa a cintilância. Ponto de combustão é a menor temperatura em que gases ou vapores de um combustível, ao aproximar de uma chama, a mantém mesmo após a faísca/chama inicial ser afastada. Ponto de ignição é a menor temperatura em que os vapores do combustível entram em combustão sem a necessidade de chama externa ou faísca. Após o ponto de ignição, as velocidades de formação e dissipação de calor são igualadas, o que promove a combustão espontânea. Além da elevação à temperatura do ponto de ignição, a combustão espontânea pode ser feita através da compressão da mistura de ar e combustível, igualmente sem a necessidade de chama externa, o que chamamos detonação. Este método é usado nos motores movidos a diesel.

A combustão espontânea é um fenômeno que precisa ser controlado durante a estocagem de combustíveis. Mesmo à temperatura ambiente, alguns combustíveis se aquecem até o ponto de ignição, devido à oxidação lenta e à dificuldade em dissipar o calor gerado pela reação. E, quanto maior a temperatura, mais rápidas as reações (em alguns casos, um aumento de 10ºC dobra a velocidade de reação).

Alguns exemplos de combustão espontânea:

1 – O carvão mineral contém pirita (FeS), que se oxida liberando calor, acelerando as demais oxidações até o ponto de ignição (435ºC), segundo a reação:

4FeS + 7O₂ Þ 2Fe₂O₃ + 2SO₂ + Calor.

2 – O algodão bruto é passível de combustão espontânea, no qual o óleo pode oxidar pela ação de bactérias e outros microrganismos, bem como por oxidação direta com o ar atmosférico.

3 – Tapetes, principalmente de cozinha, impregnados de óleos, ceras e outras substâncias voláteis, são altamente passíveis de autoignição quando estocados, ao menos que sejam bem lavados, amarrados com cintas metálicas ou embalados em recipientes metálicos.

4 – O feno precisa estar bem seco antes de ser estocado em silos, pois microrganismos oxidam o feno úmido e geram calor até o ponto de ignição.

5 – O ponto de ignição do elemento químico Fósforo sofre ignição à temperatura ambiente, em contato com o ar. Assim, é estocado dentro da água.

Uma combustão pode ser completa ou incompleta. No primeiro caso, todos os elementos redutores presentes no(s) combustível(is), são transformados em sua totalidade em seus óxidos de maior número de oxidação (N_OX) possível. O Carbono passa a compor o Dióxido de Carbono (CO₂), o Hidrogênio forma água e o enxofre forma SO₂. Quando nem todos os átomos dos elementos oxidáveis se convertem aos seus óxidos de maior número de oxidação, formam-se monóxido de carbono (CO), fuligem (Carbono que não reagiu com o Oxigênio), cadeias de hidrocarbonetos não reagidos que podem ser polinucleados, dioxinas, compostos organoclorados.

Em breve, veja mais sobre este assunto neste blog, e saiba mais sobre partes de uma chama, propriedades dos combustíveis, poder calorífico e análises dos gases de combustão, com métodos de cálculo. □ 

Veja também: (Mensagens e poesias) Os Retratos, de Mário Quintana.