COMPLEMENTOS DE QUÍMICA APLICADA

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COMPLEMENTOS DE QUÍMICA APLICADA
Prof. Márcio Oliveira
e-mail: marcio.oliveira@docente.unip.br 
2º semestre de 2022
São José dos Campos
ENGENHARIAS MECÂNICA E MECATRÔNICA
QUÍMICA INDUSTRIAL
• Lubrificação
• Corrosão
• Combustão
ENGENHARIAS MECÂNICA E MECATRÔNICA
 Combustão
 Combustíveis e Comburentes
Estequeometria do Processo de Combustão
PCS e PCI
 Prática 01: Determinar teor de álcool na gasolina
 Prática 02: Determinação do ponto de fulgor e inflamação 
de combustíveis líquidos.
COMPLEMENTOS DE QUÍMICA APLICADA
ENERGIA: RENOVÁVEIS E NÃO-RENOVÁVEIS
4
Fontes Renováveis
• Energia das marés
• Energia Geotérmica
• Energia Solar
• Energia de Biogás
• Energia de Biomassa
• Energia Eólica
• Gás Hidrogênio
• Energia Hidrelétrica
Fontes não renováveis
• Petróleo
• Xisto Betuminoso
• Alcatrão
• Gás Natural
• Carvões Fósseis
• Energia Nuclear 
5
2021
Fontes de energia no Brasil
Repartição da Oferta Interna de Energia – OIE 2021
6
BEN – Balanço Energético Nacional – 2022, ano base 2021
https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-675/topico-631/BEN_S%C3%ADntese_2022_PT.pdf
7
2021
8
Combustíveis 
9
O que é Combustível?
Qualquer substância que produz 
energia utilizável, seja por queima 
(gás, madeira, etc), seja por reação 
nuclear (fissão, fusão)
10
Combustíveis
Qualquer substância que reage quimicamente com 
desprendimento de calor.
Na Prática: São os materiais carbonáceos, abundantes e de fácil 
queima com o ar, gerando grande desprendimento de calor 
(controlável).
11
Combustível Fóssil
Depósito de Material orgânico 
fóssil que é suficientemente 
combustível. Exemplos:Carvão, 
petróleo, gás natural.
12
Tipos de Combustíveis 
Primários
 Carvões minerais (turfa, linhito, hulha, antracito)
 Lenha
Secundários
 Coque, carvão vegetal, coque de petróleo, resíduos 
industriais.
SÓLIDOS
13
Tipos de Combustíveis 
Turfa
Linhito
Hulha
Antracito
Tipo Potencial 
calorífico
% 
Carbono
Turfa Baixo 20 a 30
Linhito Baixo 70
Hulha Alto 75 a 90
Antracito Alto 96 14
Tipos de Combustíveis 
Primários
 Petróleo cru
Gasolina natural
Secundários
 Gasolina, Querosene, Óleo diesel
Hidrocarbonetos, Álcoois
LÍQUIDO
15
Tipos de Combustíveis 
Primário
 Gás Natural
Secundários
 Gás de hulha, gás de alto-forno
 Gases de refino do petróleo
GASOSOS
16
RENOVÁVEIS
NÃO-
RENOVÁVEIS
Biodiesel
Bioetanol
Hidrogênio
Gasolina
Diesel
GNV
Tipos de Combustíveis 
17
Combustão 
18
Genericamente pode-se representar a reação de combustão da seguinte forma:
Combustão 
Combustível + Comburente
e- 
Condições
adequadas
Fumos + Cinza + Calor
C+4O2-2Cº + O2º
4e- 
redutor oxidante
EXEMPLO:
19
 Combustão é uma reação química, mais especificamente como sendo uma reação de 
oxidação a alta temperatura, e assim sendo, necessita-se de uma energia de ativação, 
obtida normalmente pela elevação de temperatura em um ponto de combustível;
 Para que ocorra uma reação de combustão, devem estar presentes simultaneamente, o 
combustível, o comburente e a energia de ativação;
 O calor liberado pela reação em um ponto do combustível serve como energia de 
ativação e o processo se torna auto–ativante e continua até o término de todo o 
combustível;
 Toda combustão é uma reação de oxidação-redução (transferência de elétrons);
 O combustível atua sempre como fonte de elétrons;
 O comburente recebe e fixa os elétrons cedidos pelo combustível, agindo como 
oxidante.
Combustão 
20
Combustão
Combustível + comburente  combustão
Hidrocarbonetos + O2  Produtos 
As reações de combustão são exotérmicas, liberam grandes quantidades 
de energia (na forma de luz ou calor), que possui várias aplicações: 
iluminação, funcionamento de motores, cozimento dos alimentos, etc.
Os produtos dependem do tipo de combustão que ocorre.
21
Reação de combustão
22
Tudo depende da velocidade da reação:
- Reação lenta: corrosão
- Reações rápidas: combustão (processo 
controlável)
-Reações muito rápidas: explosão 
(processo não controlável)
Reação de Combustão
23
 De forma geral, a reação de combustão se dá em fase gasosa. 
 Combustíveis líquidos são previamente vaporizados. A reação de combustão se 
dá entre o vapor do líquido e o oxigênio intimamente misturado. 
 No caso de combustíveis sólidos existe um certo grau de dificuldade, pelo fato de 
a reação ocorrer na interface sólido - gás.
 É necessária a difusão do oxigênio através dos gases produzidos na combustão 
(os quais envolvem o sólido), para atingir a superfície do combustível;
 Além disso, a superfície fica normalmente recoberta de cinzas, o que representa 
mais uma dificuldade para o contato combustível - comburente. 
Importante 
24
Processo de Combustão:
Reação de combustão 
CÂMARA DE 
COMBUSTÃO
COMBUSTÍVEL
COMBURENTE
FUMOS
CINZAS (outros resíduos)
25
Reação de combustão
Combustível
C + HC + S + H2 + N
Comburente
Ar atmosférico
 (O2 + N2)
CO2 (g)
CO (g)
N2 (g)
O2 (g)
SO2 (g)
NO
X
 (g)
H2O (v)
Partículas sólidas
(poeira)
+
Hidrocarbonetos
pesados
COMBUSTÃO
C + O2 → CO2
H2 + ½ O2 → H2O
Gases residuais
(fumos)
Gases residuais
(comb. sólidos)
Tipos de combustão 
COMBUSTÃO 
COMPLETA
COMBUSTÃO 
INCOMPLETA
27
Tipos de combustão
Depende da relação (combustível/O2)
Incompleta CH4 + 3/2O2 → CO + 2H2O Insuficiência de O2
 CH4 + O2 → C + 2H2O
Teoricamente CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O Quantidade 
completa estequiométrica de O2 
Praticamente CH4 + 3O2 → CO2 + 2H2O + O2 Excesso de O2 
completa
28
• Dependendo das quantidades relativas combustíveis e comburentes alimentadas no processo, podem ocorrer 
três tipos de combustão:
• Incompletas: quando a quantidade de oxigênio alimentada é menor que quantidade estequiometricamente 
necessária, para oxidar totalmente todas as frações do combustível. Formação de carbono na forma de 
fuligem (C) e água.
• Teoricamente completa: quando a alimentação de oxigênio é feita com a quantidade estequiométrica 
necessária, para oxidar totalmente todas as frações do combustível. Formação de dióxido de carbono (CO2) e 
água (H2O)
• Completas: quando se alimenta uma quantidade de oxigênio maior que a quantidade estequiométrica 
necessária para oxidar totalmente todas as frações do combustível. Produz gás carbônico (CO2) e água na 
forma de vapor (H2O).
• A composição dos fumos varia de acordo com o tipo de combustão, permitindo ter uma indicação da 
combustão obtida.
• Nas combustões teoricamente completas verifica-se a presença de pequena quantidade de CO nos fumos e 
quantidade desprezível (ou nula) de oxigênio. 
• Em combustões completas haverá a presença de oxigênio nos fumos, em maior ou menor quantidade 
(dependendo do combustível queimado e do excesso empregado) e quantidade desprezível (ou nula) de CO. 
Tipos de combustão 
29
Reação de combustão 
CxHy + O2
CO2 + H2O (completa ou total)
CO + H2O
C(s) + H2O
Incompleta ou 
Parcial
 + NO → NO2
Reação com S do 
combustível
+ SO2 → SO3
 + CxHy
COMBUSTÍVEL FÓSSIL
ETANOL
C2H5OH + O2 
S
CO2 + H2O (completa ou total)
CO + H2O
C(s) + H2O
Incompleta ou 
Parcial
 + NO → NO2
 + C2H4
N2
Reação com N do ar
30
N2
Reação de combustão
Principais reações e energias envolvidas
C(grafite) + O2 → CO2 + 94,03 kcal/mol
H2 (gás) + ½O2 → H2O (gás) + 57,80 kcal/mol
H2 (gás) + ½O2 → H2O (líquido) + 68,32 kcal/mol
31
Reação de combustão
Combustível com enxofre
Combustão incompleta (falta de O
2
)
S(sólido) + O2 → SO2 + 72,00 kcal/mol
S(sólido) + 3/2O2 → SO3 + 105,5 kcal/mol
C(grafite) + CO2 (gás) → 2CO (gás) ‒ 40,79 kcal/mol
CO(gás) + ½O2 → CO2 (gás)+69,91 kcal/mol
Se adicionar mais AR (excesso de O
2
)
32
Composição química dos combustíveis 
33
Composição dos combustíveis:
Elementos essenciais: Carbono e hidrogênio.
Reações de combustão: carbono
C(grafite) + O2 → CO2 + 94 kcal (reação completa)
C(grafite) + CO2 → 2 CO + 40,8 kcal (reação parcial pela falta de O - endotérmica)
C(grafite) + ½ O2 → CO + 26,6 kcal (reação incompleta)
Reações de combustão: hidrogênio
H2(gás) + ½ O2 → H2O (vapor) + 57,8 kcal
H2(gás) + ½ O2 → H2O (líquido) + 68,3 kcal 34
Composição dos combustíveis:
Elementos essenciais: Carbono e hidrogênio.
• São muito frequentes na composição dos combustíveis respondendo pela geração de 
calor e pela função redutora;
• Podem estar presentes na forma isoladas (substância simples) ou combinados na 
forma de hidrocarbonetos (Ex; GLP, CH4 etc);
Reações de combustão: carbono
C(grafite) + O2 → CO2 + 94 kcal (reação completa)
C(grafite) + CO2 → 2 CO + 40,8 kcal (reação parcial pela falta de O - endotérmica)
C(grafite) + ½ O2 → CO + 26,6 kcal (reação incompleta)
Reações de combustão: hidrogênio
H2(gás) + ½ O2 → H2O (vapor) + 57,8 kcal
H2(gás) + ½ O2 → H2O (líquido) + 68,3 kcal 35
Composição dos combustíveis:
Elementos Secundários: O, N, S e P.
Reações de combustão: Oxigênio
C + O2 → CO2 + 94 kcal (reação completa)
CO + ½ O2 → CO2 + 69,9 kcal
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + 200 kcal
CH4O + 3/2 O2 → CO2 + 2 H2O + 160 kcal
36
Composição dos combustíveis:
Elementos Secundários: O, N, S e P.
Reações de combustão: Oxigênio
• A presença de oxigênio nos combustíveis acarreta sistematicamente uma redução na geração de 
calor;
• Combustíveis oxigenados geram menos quantidade de calor;
• Em suma, é indesejável e desvantajosa a presença desse elemento na constituição dos 
combustíveis.
C + O2 → CO2 + 94 kcal (reação completa)
CO + ½ O2 → CO2 + 69,9 kcal
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + 200 kcal
CH4O + 3/2 O2 → CO2 + 2 H2O + 160 kcal
Admite-se que o oxigênio presente em um combustível, anule por oxidação parcial, preferencialmente o 
hidrogênio em lugar do carbono; ou como se a parte do C e do H2 do combustível tivesse sido queimada 
previamente pelo O2 de constituição 37
Composição dos combustíveis:
Elementos Secundários: O, N, S e P.
Reações de combustão: Nitrogênio
• Apresenta grande inércia química caracterizada por uma baixa tendência de 
combinação;
• O Nitrogênio presente num combustível não se oxida no processo de combustão, e 
assim, em nada contribui para a geração de calor.
• Entretanto, o Nitrogênio possui massa, aumentando a massa total do combustível e 
assim diminuindo o Poder Calorífico do combustível
38
Reações de combustão: enxofre
Durante uma combustão, o enxofre presente em um combustível, se oxida de acordo com as 
reações:
S + O2 → SO2 + 72 kcal 
S + 3/2 O2 → SO3 + 105,5 kcal 
 Então, sob o aspecto energético, não há dúvida que a presença de enxofre apresenta interesse, 
porém, paralelamente, há um aspecto altamente negativo que anula esta vantagem e torna a 
presença desse elemento inconveniente. São os produtos da sua oxidação;
 Tanto o SO2 como o SO3 são substâncias extremamente tóxicas e corrosivas, constituindo-se 
em poderosos agentes poluentes;
 Mesmo sob condições favoráveis de umidade do ar externo o SO2 reage com a água presente 
nos produtos da combustão, formando o ácido sulfuroso (H2SO3). O SO3 dá origem ao ácido 
sulfúrico (H2SO4). 
SO2 + H2O → H2SO3 
SO3 + H2O → H2SO4 39
Reações de combustão: fósforo
 O fósforo presente no combustível se oxida de acordo com a reação:
P4 + 5 O2 → P4O10 + 360 kcal 
 O produto formado em contato com a umidade do ar externo, forma o ácido 
fosfórico (H3P04) que sendo corrosivo, torna indesejável a presença de fósforo no 
combustível.
 
 P4O10 + 6 H2O → 4 H3PO4
40
Cálculo das frações dos elementos combustíveis 
no processo de combustão 
41
Assim, deve-se subtrair da quantidade total de hidrogênio a parcela já queimada, chamando de:
Convenção:
 HT (hidrogênio total) a quantidade total de hidrogênio presente no combustível;
 HC (hidrogênio combinado) a parcela oxidada pelo oxigênio do combustível; e
 HL (hidrogênio livre) a quantidade de hidrogênio útil para o processo de combustão.
A quantidade de hidrogênio de um combustível pode ser representado por:
 O cálculo das quantidades de hidrogênio livre e combinado num combustível é feito pela 
fórmula e na reação da água que é produto formado na oxidação do hidrogênio.
Combustíveis 
42
LCT H+H=H
Mol (quantidade de matéria):
 Por definição é quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades 
elementares (partículas = átomos, moléculas, íons, elétrons entre outras partículas) 
quantos átomos existentes em um elemento químico.
Onde m é a massa em gramas e M.M é a massa molar em g/mol.
Massa molar do: H2 = 2
 O2 =32 
 S = 32
 H2O = 18
Combustíveis 
43
n=
m [ g ]
M .M .[ g /mol ]
Assim para efeito de geração de calor na combustão, considera-se que cada átomo de O presente 
na fórmula do combustível anule 2 átomos de H, então a relação fica:
Em massa: 
Pela reação: H2 + ½ O2 → H2O
Pode-se observar que 2g de hidrogênio combinado com 16g de oxigênio, desta forma:
m
O2
 a massa de oxigênio presente no combustível;
m
H2 C 
a massa de hidrogênio combinado;
m
H2 L 
a massa de hidrogênio livre (útil para o processo);
m
H2 T 
a massa de hidrogênio total.
Combustíveis 
Podem ser deduzidas as seguintes relações:
2g H
2
 16gO
2
m
H2 C 
m
O2
assim: m
H2 C 
= m
O2
 , como H
T 
= H
C
+H
L 
, então:
 m
H2 L 
= m
H2 T 
 ̶ m
O2
 
8
8
 
Combustíveis 
Em quantidade de matéria: 
Pela reação analisada pode-se concluir também que 1 mol de hidrogênio reage com 0,5mol 
de oxigênio. Assim, chamando-se de 
n
O2
 a quantidade de matéria de oxigênio presente no combustível;
n
H2 C 
a quantidade de matéria de hidrogênio combinado;
n
H2 L 
a quantidade de matéria de hidrogênio livre (útil para o processo);
n
H2 T 
a quantidade de matéria de hidrogênio total.
As seguintes relações podem ser escritas:
1mol H
2
 → 0,5 mol O
2
n
H2 C
 → n
O2
 assim: n
H2 C
 = 2n
O2
 
Como: H
L
 = H
T
‒ H
C
n
H2 L
 = n
H2 T 
‒ 2n
O2 45
IMPORTANTE: Como cada átomo de Oxigênio anula (reage) com dois átomos de 
Hidrogênio do próprio combustível (combinado) e o hidrogênio restante que é 
considerado útil para o processo de combustão (livre), para o cálculo da quantidade de 
água, pode-se dizer que:
H
L
 o Hidrogênio livre produzirá nos fumos, a água formada;
H
C
 o Hidrogênio combinado produzirá nos fumos, a água combinada;
H
T
 o Hidrogênio total produzirá água total presente nos fumos;
(se o combustível possui água na forma de umidade, também deve ser considerada)
Combustíveis 
H2 + ½ O2 → H2O
1 mol 1 mol 46
EXEMPLO: 
Combustível 
H2 H2 livre 
H2combinado
C
S
O2
etc
Comburente
Ar N2 79%
 O2 21%
Fumos
H2O Combinado
Formado
CO2
SO2
etc
Combustíveis 
CÂMARA DE 
COMBUSTÃO
47
EXEMPLO DE CÁLCULO:
Um combustível apresenta composição abaixo em 1000gr:
Para 1kg do combustível, pede-se calcular:
a) em quantidade de matéria e em massa, as quantidades de hidrogênio livre e 
hidrogênio combinado;
b) as massas de água formada, combinada e total nos fumos da combustão;
c) a massa de água do combustível;
d) a massa do combustível capaz de gerar calor.
Combustíveis 
Carbono Hidrogênio Oxigênio Enxofre Umidade cinza
720 70 80 48 38 44
48
Resolução:
Base de cálculo: 1000g do combustível
De acordo com a base de cálculo, o combustível possui:
70g de hidrogênio n
H2
 = 70/2 = 35 mols80g de oxigênio n
O2
 =80/32 = 2,5 mols
a) quantidades de hidrogênio:
n
H2 LIVRE 
= n
H2 TOTAL
 – 2n
O2
 = 35 – 2x 2,5 = 30 mols
n
H2 COMBINADO 
= 2n
O2
 = 2x 2,5 = 5 mols
m
H2 LIVRE 
= m
H2 TOTAL
 – m
O2
 = 70 – 80 = 60g
m
H2 COMBINADO 
= m
O2
 = 80 = 10g
8
8
8
8
49
b) cálculo das quantidades de água
Para calcular as massas de água, leva-se em conta que:
O hidrogênio livre produzirá os fumos, a água formada;
O hidrogênio combinado produzirá nos fumos, a água combinada;
O hidrogênio total produzirá água total presente nos fumos
(se o combustível possui água na forma de umidade, como neste caso, sua quantidade deve ser também 
considerada).
Pela reação de formação da água, conclui-se que um mol de H
2
 gera um mol de água.
H2 + ½ O2 → H2O
1 mol 1 mol
50
b) cálculo das quantidades de água
Assim:
n
H2O FORMADA
 = n
H2 LIVRE
 = 30 mols
n
H2O COMBINADO
 = n
H2 COMBINADO
 = 5 mols
m
H2O FORMADA
 = 30x18 = 540 g
m
H2O COMBINADO
 = 5x18 = 90 g
m
H2O TOTAL NOS FUMOS
 = m
H2O FORMADA
 + m
H2O COMBINADA
 + m
UMIDADE
m
H2O TOTAL NOS FUMOS
 = 540g + 90 + 38 = 668g 
51
m
H2O COMBUSTÍVEL
 = m
H2O COMBINADA
 + m
UMIDADE 
= 90 + 38 = 128g
c) a massa de água do combustível
d) a massa do combustível capaz de gerar calor
m
capaz de gerar calor
 = m
C
 + m
H Livre 
+m
S
m
capaz de gerar calor
 = 720 + 60 
 
+ 48 = 828g
52
Exercícios (acesse o link abaixo)
https://forms.office.com/r/XhyfrLaj1U 
https://forms.office.com/r/c7Uxxue16T 
53
https://forms.office.com/r/XhyfrLaj1U
https://forms.office.com/r/c7Uxxue16T
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