Os combustíveis gasosos, líquidos e sólidos

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Os combustíveis gasosos, líquidos e sólidos
Os hidrocarbonetos de menor massa molecular utilizados como combustíveis, como o metano, CH₄, o etano, C₂H₆, o propano, C₃H₈, e o butano, C₄H₁₀, são gases nas condições PTN (pressão de 1 atm e temperatura de 0 °C). 
O mesmo se diz de hidrocarbonetos insaturados como o eteno, C₂H₄, e o etino, C₂H₂.
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Nas condições PTN esses hidrocarbonetos são gases, as distâncias médias entre as suas moléculas são grandes relativamente às suas dimensões. A justificação reside nas fracas forças intermoleculares.
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Gases ideais
A uma pressão não superior a cerca de 1 atm, qualquer gás pode ser considerado aproximadamente um gás ideal (também chamado gás perfeito).
Um gás ideal teria moléculas pontuais (sem volume) e interações moleculares nulas.
A equação dos gases ideais relaciona a pressão, o volume, a temperatura e a quantidade de matéria:
p V = n R T
R – Constante universal dos gases
R = 0,0821 atm dm3 K–1 mol–1 = 8,31 J K–1 mol–1
Pressão dos gases
A pressão exercida por uma amostra gasosa sobre a parede interna do recipiente em que está contida é consequência das colisões moleculares contra essa parede, devidas aos movimentos caóticos das moléculas do gás. Exerce-se, portanto, em todas as direções e sentidos.
A atmosfera onde estamos mergulhados é uma mistura de gases que exerce pressão sobre qualquer superfície. Considerando uma superfície vertical, a pressão que é exercida de um lado é equilibrada pela pressão que é exercida do outro lado.
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Pressão dos gases – barómetro de Torricelli
Vácuo
Mercúrio
Pressão atmosférica
760 mm
Para condições de pressão atmosférica normal, nomeadamente ao nível do mar, a altura da coluna de mercúrio é 760 mm. Isto é, uma coluna cilíndrica de 760 mm pesa tanto como uma coluna de ar de igual área de secção, por exemplo 1 cm². Assim, diz-se que a pressão atmosférica normal é 760 mm Hg, ou 760 torr.
Apesar de o peso ser uma força vertical, com sentido de cima para baixo, a pressão atmosférica exerce-se em todas as direções e sentidos, graças à mobilidade molecular característica dos fluidos.
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Barómetro de Torricelli
Pressão dos gases
A unidade de pressão no Sistema Internacional (SI) é newton por metro quadrado e designa-se por pascal, Pa. Também se usam outras unidades de pressão, por exemplo o bar (aproximadamente igual a 1 atm) e o psi (pound/square inch – libra por polegada quadrada). Na tabela está a relação entre as diferentes unidades de pressão.
		1 atmosfera
	pascal (Pa)	1,01325  105 Pa
	milímetro de mercúrio (mm Hg)	760 mm Hg
	torr	760 torr
	bar (bar)	1,01325 bar
	psi	14,696 psi
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Gases reais
Os gases reais possuem um comportamento que não obedece rigorosamente à equação dos gases ideais.
Um gás real afasta-se do comportamento ideal à medida que a pressão aumenta ou a temperatura diminui.
Também para interpretar propriedades nos estados condensados da matéria não se pode desprezar nem o tamanho das unidades estruturais nem as interações entre elas.
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Massa volúmica de um gás ideal
Como na equação dos gases ideais n se relaciona com a massa da amostra de gás, m, e a respetiva massa molar, M,
conhecendo m, p, V e T pode calcular-se a massa molar:
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Massa volúmica de um gás ideal
Pode-se determinar a massa volúmica de um gás, ρ (também designada por densidade), não por medição direta da massa e volume, mas utilizando a expressão:
Para uma mesma pressão e uma mesma temperatura, a massa volúmica é proporcional à massa molar M.
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Amostras de gases diferentes com o mesmo volume e o mesmo número de moléculas têm massas diferentes
Propriedades físicas dos alcanos
Nos gases ideais, as ligações intermoleculares são consideradas nulas, mas nos gases reais não são desprezáveis e podem ser determinantes de muitas propriedades, como acontece, por exemplo, com os hidrocarbonetos gasosos.
As moléculas dos hidrocarbonetos, como por exemplo o metano, não possuem momento dipolar.
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A estrutura tetraédrica do metano é responsável pelo seu momento dipolar nulo
Propriedades físicas dos alcanos
Quando duas moléculas de metano se aproximam, e porque as suas nuvens eletrónicas não são um volume rígido de carga negativa, pode gerar-se um dipolo instantâneo. 
Tal sucede porque os eletrões, que estão sempre em movimento, podem momentaneamente, acumular-se de um lado em prejuízo do outro. 
Nesse momento ocorre, então, um dipolo elétrico instantâneo, que logo se desfaz para, eventualmente, se formar com outra orientação.
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Dipolos elétricos instantâneos
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O polo positivo do dipolo instantâneo de uma molécula atrai eletrões de outra molécula, fazendo surgir nela um dipolo induzido. A molécula fica então momentaneamente polarizada e estes dois dipolos instantâneos atraem-se.
Propriedades físicas dos alcanos
A primeira teoria sobre estas interações data de 1930 e deve-se ao físico alemão Fritz London (1900-1954).
As interações dipolo instantâneo-dipolo induzido designam-se por forças de dispersão de London ou, simplesmente, forças de London. 
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Fritz London
Propriedades físicas dos alcanos
As forças de London justificam os diferentes pontos de ebulição dos alcanos.
	Substância	Fórmula	Ponto de ebulição / ˚C	Estado físico (PTN)
	Metano	CH4	–162	Gás
	Butano	C4H10	–0,5	Gás
	Hexano	C6H14	69	Líquido
	Octano	C8H18	126	Líquido
	Icosano	C20H42	344	Sólido
O ponto de ebulição e o ponto de fusão dos alcanos – e, por isso, o seu estado físico – estão relacionados com a intensidade das ligações intermoleculares, que dependem do tamanho e forma das moléculas.
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Para dois isómeros com formas geométricas diferentes, o contacto entre as nuvens no caso de uma forma alongada é mais extenso do que no caso de uma forma esférica, justificando a ocorrência de ligações intermoleculares mais fortes nesse primeiro caso.
Propriedades físicas dos alcanos
A forma das moléculas pode ter influência no ponto de ebulição, pois a aproximação entre as nuvens eletrónicas depende dessa forma. 
Pentano (p. e. = 36 °C)
Dimetilpropano (p. e. = 10 °C)
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Propriedades dos combustíveis
O propano e o butano, quando armazenados em garrafas para uso doméstico ou em tanques para fornecimento a edifícios, encontram-se no estado líquido, pois estão sob pressão elevada nesses contentores. Dado o baixo ponto de ebulição destes hidrocarbonetos, o líquido passa de imediato a gás quando fica à pressão atmosférica.
	Substância	Massa volúmica a 25 ˚C / g cm–3 	Ponto de ebulição / ˚C
	Metano	0,65	–162
	Etano	1,23	–89
	Propano	1,80	–42
	Butano	2,37	–0,5
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Propriedades dos combustíveis
O transporte, armazenamento e utilização dos combustíveis, incluindo medidas de segurança, têm em consideração as respetivas características (estado físico, ponto de ebulição e massa volúmica).
O propano, M(C₃H₈) = 44,1 g mol–1, é mais denso que o ar e o metano,
 M(CH₄) = 16,1 g mol–1, é menos denso do que o ar. O propano tende a acumular-se em locais baixos e por esse motivo não deve ser guardado em caves e as zonas de armazenamento devem ter grelhas de ventilação ao nível do solo.
Para o gás natural, constituído principalmente por metano, usam-se grelhas de ventilação ao nível do teto, pois o metano é menos denso do que o ar.
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Propriedades dos combustíveis
Os combustíveis gasolina, queroseno e gasóleo, em condições PTN, apresentam- se no estado líquido. São combustíveis menos perigosos do ponto de vista de armazenamento do que os gases referidos anteriormente.Os respetivos pontos de ebulição aumentam com o aumento das massas volúmicas.
	Combustível	Massa volúmica / g cm–3	Ponto de ebulição / ˚C	Estado físico (PTN)
	Gasolina	0,720 a 0,750	> 30	Líquido
	Queroseno	0,775 a 0,840	> 140	Líquido
	Gasóleo	0,820 a 0,845	> 170	Líquido
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Alternativas aos combustíveis fósseis
Há muito que se procuram alternativas viáveis para os combustíveis fósseis.
O Brasil foi o primeiro país a usar, em larga escala, um combustível para automóveis alternativo aos combustíveis fósseis: o etanol, que é obtido por fermentação da cana-de-açúcar.
Cultivo de cana-de-açúcar
Como o etanol assim produzido resulta de uma planta, diz-se que é um biocombustível – o bioetanol.
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A investigação em química tem contribuído para a otimização da produção de combustíveis alternativos e para a procura dos combustíveis do futuro.
Alternativas aos combustíveis fósseis
O biogás é uma mistura rica em metano e é produzido em processos de digestão anaeróbia de resíduos e de efluentes. Em instalações agropecuárias pode ser obtido a partir dos excrementos de animais. 
Em Portugal existe aproveitamento de biogás em alguns aterros sanitários e estações de tratamento de águas.
Instalações de recolha de biogás
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Apesar de estes combustíveis emitirem CO₂ para a atmosfera, existe um ciclo no qual o CO₂ é absorvido da atmosfera numa quantidade equivalente em que é emitido durante a utilização do combustível.
Alternativas aos combustíveis fósseis
O hidrogénio é o combustível menos poluente, pois o único produto da sua combustão é água.
A utilização do hidrogénio como combustível acarreta alguns problemas, por este ser difícil de obter em condições economicamente favoráveis e difícil de armazenar .
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Alternativas aos combustíveis fósseis
	Combustível	Componente principal	Obtenção
	Bioetanol	Etanol	Fermentação de plantas ricas
em açúcares e amido (cana-de-
-açúcar, beterraba, milho)
	Biodiesel	Ésteres de ácidos gordos	Reação de óleos e gorduras, de
origem animal ou vegetal, com
álcoois (metanol e etanol)
	Biogás	Metano	Fermentação de matéria
orgânica na ausência de oxigénio
(em aterros sanitários, ETAR,
explorações agrícolas)
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Alternativas aos combustíveis fósseis
	Combustível	Vantagens	Desvantagens
	Bioetanol	• Emissões não poluentes (produz apenas CO₂ e H₂O)
• Diminuição das emissões de CO₂ em relação à gasolina
• Maior poder antidetonante do que a gasolina
• Recurso renovável	• Maior desgaste dos metais com que contacta do que a gasolina
• Menor eficiência energética do que a gasolina
• Ocupação de áreas destinadas a culturas alimentares
• Desflorestação
• Poderá provocar pressão sobre os preços dos bens alimentares
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Alternativas aos combustíveis fósseis
	Combustível	Vantagens	Desvantagens
	Biodiesel	• Menos emissões do que o gasóleo (CO, hidrocarbonetos e material particulado)
• Menor contributo para o efeito de estufa
• Recurso renovável
• Sem emissões de óxidos de enxofre	• Aumento em 10% das emissões de NOx em relação ao gasóleo
• Maior desgaste de tubos e vedantes do sistema de admissão de combustível
• Ocupação de áreas destinadas a culturas alimentares
• Desflorestação
• Pressão sobre os preços dos bens alimentares
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Alternativas aos combustíveis fósseis
	Combustível	Vantagens	Desvantagens
	Biogás	• Emissões não poluentes (produz apenas CO₂ e H₂O)
• O aproveitamento do biogás contribui para minorar o efeito de estufa (o CH₄ tem um contributo 21 vezes maior para o efeito de estufa que o CO₂)	• Emissões de H₂S, que é um gás tóxico
• Risco elevado de explosão
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Questões
1. Determine a massa volúmica do butano, nas condições PTN.
2. Determine o volume ocupado por 3,4 mol de butano a 1,5 atm e a 80 ˚C considerando que se comporta como gás ideal. 
Questões (Resolução)
1. Determine a massa volúmica do butano, nas condições PTN.
2. Determine o volume ocupado por 3,4 mol de butano a 1,5 atm e a 80 ˚C considerando que se comporta como gás ideal.