Química dos Biocombustíveis

Química dos Biocombustíveis

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Química de Bicombustíveis

Química Orgânica é o ramo da Química que estuda os compostos que contêm carbono, chamados de compostos orgânicos.

Essa parte da Química, além de estudar a estrutura, propriedades, composição, reações e síntese de compostos orgânicos que, por definição, contenham carbono, pode também conter outros elementos como o oxigênio e o hidrogênio. Muitos deles contêm nitrogênio, halogênios e, mais raramente, fósforo e enxofre.

Nomenclatura dos compostos orgânicos

Na química orgânica, compostos orgânicos são nomeados de acordo com: Hidrocarbonetos[apresentam somente carbono e hidrogênio em sua fórmula molecular]:

Prefixo

Nomenclatura dos Alcanos Lineares: nº de Carbonos , Nome:

  • 1  : Met

  • 2  : Et

  • 3  : Prop

  • 4  : But

  • 5  : Pent

  • 6  : Hex

  • 7  : Hept

  • 8  : Oct

  • 9  : Non

  • 10  : Dec

Intermediário

É indicado pela classificação da cadeia quanto à saturação:

Saturada (an): Aquelas que possuem apenas ligações simples entre carbonos.

Insaturada: aquelas que possuem ligações duplas ou triplas entre carbonos.

1 ligação dupla ---> EN

2 ligações duplas ---> DIEN

3 ligações duplas ---> TRIEN

1 ligação tripla ---> IN

2 ligações triplas---> DIIN

3 ligações triplas---> TRIIN

1 ligação dupla e uma ligação tripla -> ENIN

Sufixo

HIDROCARBONETOS ---> OÁC. CARBOXÍLICOS --> ácido ÓICOCETONA ------------> ONAALDEIDO -----------> ALÁLCOOL ------------> OLÉSTER -------------> hidrocarboneto+ATO de ILA

ÉTER --------------> Prefixo do hidrocarboneto menor+oxi+nome do hidrocarboneto maior ex:metoxietano.

  • Hidrocarbonetos

Os hidrocarbonetos são todos os compostos químicos formados apenas por Carbonos e Hidrogênio. A partir dele é possível produzir uma grande variedade de produtos que utilizamos no dia-a-dia, como:- Velas (parafina)- Plásticos- Borracha- Combustíveis (gasolina, diesel, etc)e muitos outros. As fontes de hidrocarbonetos são os chamados combustíveis fósseis, aqueles que levaram milhões de anos para se formar, como o petróleo, gás natural, carvão, etc. Os hidrocarbonetos podem ser oxidados com uma grande facilidade, liberando muita energia e calor, por isso são utilizados como combustíveis.

O metano é um gás incolor, sua molécula é tetraédrica e apolar (CH4), de pouca solubilidade na água e, quando adicionado ao ar se transforma em mistura de alto teor inflamável. É o mais simples dos hidrocarbonetos.

As principais fontes do gás metano são:

60% da emissão de metano no mundo é produto da ação humana, vindo principalmente da agricultura. Durante os últimos 200 anos, a concentração deste gás na atmosfera aumentou de 0,8 para 1,7 ppm. O metano é também chamado de biogás, pois pode ser produzido pela digestão anaeróbica de matéria orgânica, como lixo e esgoto, através de microorganismos chamados archaea.

  • Alcoóis

O álcool usado como combustível automotivo no Brasil e presente nas bebidas alcoólicas, perfumarias e também usado para limpeza doméstica é o etanol.

Álcool etílico: uma das mais importantes fontes de energia renovável, pertence à classe dos alcoóis (compostos orgânicos que possuem grupo hidroxila O-H ligado a carbono saturado). A fórmula do álcool etílico é C2H5OH.

O nome popular para o composto é Etanol, este se tornou o principal biocombustível de nosso país, a explicação vem do fato de que é uma fonte de energia renovável.

Sabe-se que o petróleo usado para se obter combustíveis como a gasolina, por exemplo, é uma fonte não renovável. Como o próprio nome “combustível fóssil” já diz, provém de animais e vegetais mortos, ou seja, são necessários milhares de anos para que as jazidas de petróleo se formem. Já o etanol pode ser produzido através da cana-de-açúcar, que mantém um ciclo de produção (corte e plantio), constituindo enormes plantações em todo o Brasil. Daí o porquê deste combustível ser tão importante em nosso país.

A combustão do etanol é análoga à de um hidrocarboneto, podendo ser completa ou incompleta:

C2H6O + 3O2 → 2CO2 + 3H2O

C2H6O + 2O2 → 2CO + 3H2O

C2H6O + O2 → 2C + 3H2O

Álcool Metílico: ele pode ser usado para desnaturar o etanol e é encontrado em solventes, removedores de tintas e anticongelantes. A dose tóxica pode ser tão pequena quanto 20 ml. Quando ingerido, o álcool metílico causa edema em placas e hemorragia nos tecidos pulmonares, principalmente nas regiões subpleurais. Entretanto, exerce o seu efeito tóxico principal após a absorção por causa da sua oxidação em formaldeído e ácido fórmico. Esses produtos são amplamente distribuídos no corpo proporcionalmente ao conteúdo de água dos vários tecidos. Em quantidades suficientes, os metabólitos tóxicos inibem a atividade da hexoquinase, ao mesmo tempo, o metabolismo da glicose perturbado causa uma degeneração das células receptoras da retina, com a degeneração associada ao disco e nervo ópticos. As alterações neuronais degenerativas, com edema do cérebro e do tronco cerebral, podem surgir em 12 a 24 horas, causando graus variáveis de depressão do sistema nervoso central até o coma. A retina é o principal alvo da toxicidade do metanol. As alterações tanto cerebrais quanto oculares são reversíveis com a cessação da exposição, se a lesão for leve.

Ele é obtido do petróleo e do carvão mineral por meio de transformações químicas feitas na indústria.

  • Carvão incandescente reage com água no estado gasoso:

C(carvão) + H2O(gasosa)  CO + H2 (gás de síntese)

CO + 2H2 → CH3OH (metanol)

  • Petróleo:

CH4 + H2O(gasosa)  CO + 3H2 (gás de síntese); T = 850ºC

CO + 2H2 → CH3OH (metanol); T = 250ºC

  • Tem também o álcool fenol. Sua fórmula química é C6H6O.

  • Álcool anidro é um álcool com até 1% de água (já que é difícil a obtenção de álcool totalmente puro), e pode ser adicionado à gasolina para aumento da octanagem, atuando como "antidetonante", para que a gasolina possa ser comprimida no pistão do motor carburante ao máximo e não entre em combustão antes de acionada a vela do motor.

  • O álcool bornílico é obtido ligado com o hidroterpendio que corresponde a cânfora.

  • O álcool desnaturado é uma composição com o metileno.

  • O álcool natural é obtido pela fermentação e destilação de produtos agrícolas e naturais.

  • O álcool é uma droga depressora do Sistema Nervoso Central.

  • Ácidos Carboxílicos

A denominação começa com a palavra ácido e sufixo óico.

Os ácidos carboxílicos formam ligações de hidrogênio mais fortes que as dos alcoóis uma vez que as suas ligações O-H estão mais polarizadas e o átomo de hidrogênio que serve de ponte pode-se unir a um oxigênio carbonílico, que está carregado muito mais negativamente que o oxigênio do outro grupo hidroxilo, como no caso dos alcoóis. Por este motivo, os ácidos carboxílicos existem na forma de dímeros cíclicos no estado sólido e líquido:

  • Éteres

Formalmente, os éteres (ROR') derivam da substituição dos dois hidrogênios da água por grupos alquilo ou arilo.

    Os éteres numeram-se indicando em primeiro lugar os dois grupos hidrocarbonados unidos ao oxigênio e acrescenta-se a palavra éter. Assim, o composto  CH3 - CH2 - O - CH2 - CH3  denomina-se dietiléter ou éter dietílico.

O termo mais importante da série é o éter etílico, que se obtêm desidratando o etanol com ácido sulfúrico. É um líquido incolor, muito volátil e inflamável. Os seus vapores ardem com violência explosiva. Utiliza-se como solvente e anestésico.

  • Ésteres

Os ésteres são compostos que se obtêm da reação de um ácido carboxílico com um álcool:

    Este tipo de reação recebe o nome de esterificação.

    Os ésteres designam-se como se fossem sais de alquilo ou de arilo dos sais ácidos carboxílicos. Assim, por exemplo, o éster  CH3 - COO - CH3  chamar-se-á acetato de metilo. Os ésteres, nas condições ambientes, se apresentam como líquidos ou sólidos, dependendo da quantidade de carbono. Os primeiros membros da série, os que apresentam baixa massa molecular, são líquidos incolores, de cheiro agradável. No entanto, à medida que se aumenta a massa molecular, vão se tornando líquidos xaroposos, viscosos e gordurosos, até se tornarem sólidos (aspecto de cera), daí ocorre a perda de cheiro agradável. São compostos insolúveis em água, porém são solúveis em álcool, éter e clorofórmio. Como não apresentam pontes de hidrogênio, os ésteres têm ponto de ebulição menor que o dos álcoois e ácidos de mesma massa molecular. Os sabões e os detergentes são formados por moléculas que contêm grupos hidrocarbonados repelentes de água (hidrófobos) e um ou vários grupos polares afins de água (hidrófilos). As partes não polares destas moléculas dissolvem-se nas gorduras ou óleos e as partes polares dissolvem-se na água. A ação de limpeza dos sabões baseia-se na sua capacidade para formar emulsões com as substâncias solúveis nas gorduras, naquelas em que as moléculas de sabão ou do detergente rodeiam a sujidade até incluí-la num invólucro solúvel em água, dispersando na emulsão as partículas sólidas da sujidade.

Vejamos para que são utilizadas cada uma dessas formas: Essências: são usadas para imitar o sabor e o aroma de algumas frutas, são também chamadas de flavorizantes ou aromatizantes e muito usadas em indústria de alimentos para dar cheiro e sabor aos produtos. Exemplo: o flavorizante acetato de pentila é um ingrediente do grupo dos ésteres, e é usado para dar sabor artificial de banana em alimentos. Óleos e gorduras: são os ésteres mais usados em nosso dia-a-dia, são encontrados em produtos como óleo de soja, margarina e azeite de oliva. Ceras: usadas na fabricação de graxas para sapatos, cera para dar brilho a pisos, papel manteiga, velas, etc. A cera de abelha e a cera de carnaúba também fazem parte da classe de ésteres.

A esterificação é uma das reações utilizadas para a obtenção do biodiesel que consiste na reação entre os ácidos carboxílicos, encontrados nos óleos vegetais, com metanol ou etanol para formar ésteres metílicos ou etílicos, respectivamente e água. No entanto, há uma grande dificuldade de encontrar, na literatura, os dados termodinâmicos das substâncias envolvidas, que permitam identificar os principais parâmetros que influem nessa reação.

Assim, buscou-se estimar esses dados termodinâmicos e simular a conversão no equilíbrio para a molécula de ácido oléico com metanol e etanol, comparando-a com dados experimentais de sistemas mais simples.

Substituição de combustíveis fósseis: aspectos ambientais

  • Alternativas para os combustíveis fósseis;

  • Todas as fontes de energia afetam o meio ambiente;

  • Energias renováveis impõe danos mais leves do que energia convencional;

  • Como optar por energias mais “limpas“?

Impactos ambientais dos combustíveis fósseis

  • Poluicao do ar

A queima de combustíveis fósseis libera gases e partículas no ar:

  • Óxidos de enxofre e nitrogênio;

  • Monóxido de carbono;

  • Pequenas quantidades de metais tóxicos;

  • Material particulado;

    • Chuva ácida

Além de riscos a saúde humana, os composto de enxofre e nitrogênio liberados pela queima de combustíveis fósseis causam danos aos ecossistemas e construções quando estes retornam a superfície da terra em forma de chuva ácida.

  • Alterações no ciclo do nitrogênio

  • Efeitos da precipitação de compostos de nitrogênio:

  • No solo: contribui para reduzir o nível de nutrientes no solo (cálcio, magnésio, potássio) limitando o crescimento das plantas.

  • Nos lagos e estuários: causa um explosivo crescimento de algas (eutrofizacao).

    • Abrangência da poluição para além das fronteiras que a originaram;

    • Mudanca climática e aquecimento global

  • Efeito Estufa

  • Dióxido de carbono (CO2) representa o mais importante gás causador do efeito estufa.

  • Dióxido de carbono é em grande parte gerado pela queima de combustíveis fósseis e no Brasil, pelo desmatamento de florestas.

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