Combustão

Combustão é uma reação química rápida entre um combustível e o oxigênio, que atua como comburente, resultando na liberação de energia na forma de calor e luz. Na essência, a combustão é uma reação de oxirredução, em que o oxigênio age como agente oxidante, aceitando elétrons do combustível. Esse processo é fundamental em diversas áreas, desde o funcionamento de motores até a geração de eletricidade.

A reação de combustão é muito comum no nosso dia a dia, como quando acendemos uma vela ou queimamos madeira em uma fogueira. Porém, essa reação teve uma grande importância em marcos históricos, como a descoberta do fogo e a revolução industrial, modificando completamente a forma como o homem se relaciona com o ambiente e acelerando o desenvolvimento social. 

Leia também: Diferença entre fenômenos físicos e químicos

Resumo sobre combustão

• A combustão é uma reação de oxidação entre um combustível e um comburente, que libera energia na forma de calor e luz.
• A reação de combustão pode ser classificada em completa ou incompleta.
• A combustão espontânea ocorre quando uma substância atinge sua temperatura de ignição sem a necessidade de uma fonte externa de calor.
• O combustível reage com o gás oxigênio, formando dióxido de carbono (combustão completa) ou monóxido de carbono (combustão incompleta), além da água.
• Essa reação passa por três etapas principais: iniciação, propagação e finalização.
• A entalpia de combustão é o calor liberado na queima de 1 mol de dada substância nas condições normais de temperatura e pressão.
• A combustão é muito utilizada para cozer alimentos, no funcionamento de motores de automóveis, produção de energia em termelétricas e diversos processos industriais.
• A combustão é muito utilizada para a geração de energia, e sua importância vai desde uso doméstico até processos industriais.

Videoaula sobre combustão

O que é combustão?

A combustão é uma reação química exotérmica na qual um combustível reage com um comburente, geralmente o oxigênio do ar, liberando energia na forma de calor e luz. Essa reação envolve a oxidação do combustível, caracterizada pela perda de elétrons por parte de seus átomos, e a redução do comburente, que por sua vez ganha elétrons. Portanto, a combustão é um processo de oxirredução.

Um exemplo desse tipo de reação é a queima do gás metano (CH₄), na qual o metano é o combustível e o oxigênio atua como o comburente, como mostra a equação balanceada para essa reação:

Observe que, no metano, o carbono apresenta um estado de oxidação baixo. Durante a combustão, ele perde elétrons para o oxigênio, aumentando seu número de oxidação (Nox) de -4 para +4 no dióxido de carbono (CO₂). Essa perda de elétrons caracteriza a oxidação.

O hidrogênio, por sua vez, permanece com seu estado de oxidação inalterado (Nox = +1), mas atua como agente redutor ao reagir com o oxigênio e formando água (H₂O). O oxigênio, por sua vez, é reduzido durante a reação. Ele ganha elétrons provenientes do carbono e do hidrogênio, diminuindo seu estado de oxidação de 0, no O₂, para -2, no CO₂ e na H₂O.

Tipos de combustão

As reações de combustão são classificadas em dois tipos principais: a combustão completa e a incompleta.

• Combustão completa

A combustão completa acontece quando o combustível tem uma quantidade suficiente de oxigênio para reagir. Nesse tipo de combustão, o combustível é totalmente oxidado, o que significa que todos os átomos de carbono presentes no combustível se combinam com o oxigênio para formar dióxido de carbono (CO₂), e o hidrogênio presente se combina com o oxigênio para formar água (H₂O). Esse processo é geralmente mais eficiente e produz uma maior quantidade de energia em comparação com a combustão incompleta.

Um exemplo clássico de combustão completa é a queima de propano (C₃H₈), que ocorre em muitos aquecedores e churrasqueiras a gás. A reação química pode ser representada assim:

C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O + energia

Nessa reação, todo o carbono do propano se transforma em dióxido de carbono e todo o hidrogênio, em água. A liberação de energia é considerável, e, por isso, a combustão completa é amplamente utilizada em processos industriais e em motores de combustão interna, onde a eficiência energética é crucial.

As características da combustão completa são:

• Oxigênio suficiente: há uma oferta adequada de oxigênio, permitindo a queima total do combustível.
• Produtos finais limpos: os principais produtos da combustão completa são dióxido de carbono (CO₂) e água (H₂O).
• Eficiência energética: esse tipo de combustão libera mais energia por unidade de combustível do que a combustão incompleta.
• Chama azul: a combustão completa normalmente gera uma chama azul, o que indica uma queima eficiente e alta temperatura.

  

• Combustão incompleta

Por outro lado, a combustão incompleta ocorre quando não há oxigênio suficiente disponível para reagir com o combustível. Nesse caso, a queima não é total, e o combustível é apenas parcialmente oxidado, resultando na formação de subprodutos como monóxido de carbono (CO), fuligem (carbono sólido) e outros compostos incompletamente queimados.

Essa reação pode ser exemplificada com a queima do metano (CH₄) em um ambiente com pouco oxigênio:

2 CH₄ + 3 O₂ → 2 CO + 4 H₂O + energia

Nesse caso, em vez de produzir dióxido de carbono (CO₂), a combustão incompleta gera monóxido de carbono (CO), que é tóxico e muito perigoso para a saúde. A fuligem também pode ser formada, o que contribui para a poluição do ar e pode prejudicar a eficiência de equipamentos, como motores ou caldeiras, já que pode se acumular nas superfícies.

As características da combustão incompleta são:

• Falta de oxigênio: a quantidade de oxigênio disponível não é suficiente para oxidar completamente o combustível.
• Subprodutos perigosos: são formados monóxido de carbono (CO) e fuligem, ambos poluentes e prejudiciais à saúde e ao meio ambiente.
• Menos eficiente: a combustão incompleta libera menos energia do que a combustão completa, já que parte do combustível não é totalmente queimado.
• Chama amarela ou laranja: esse tipo de combustão geralmente gera uma chama de cor amarela ou laranja, indicando uma queima ineficiente.

Combustão espontânea

A combustão espontânea ocorre quando uma substância atinge sua temperatura de ignição sem a necessidade de uma fonte externa de calor, como uma chama ou faísca. Isso acontece devido ao acúmulo gradual de calor gerado por reações químicas internas, principalmente reações de oxidação. Quando o calor gerado não consegue se dissipar adequadamente, a substância atinge um ponto crítico e entra em combustão por conta própria.

Diversas substâncias podem sofrer combustão espontânea, sendo algumas delas comuns em processos industriais ou em situações cotidianas. Entre os exemplos mais conhecidos estão o carvão, o feno, o óleo de linhaça e o fósforo branco.

• Carvão: o carvão é uma substância altamente suscetível à combustão espontânea, especialmente quando armazenado em grandes quantidades. Isso ocorre porque o carvão pode reagir lentamente com o oxigênio do ar, gerando calor. Quando o calor produzido pela oxidação do carvão não é dissipado adequadamente, ele se acumula e pode causar a ignição espontânea do material.

A reação de oxidação do carvão pode ser descrita pela equação:

C + O₂ → CO₂ + energia

Nesse caso, o carbono (C) do carvão reage com o oxigênio (O₂) do ar, formando dióxido de carbono (CO₂) e liberando energia na forma de calor. O risco aumenta em pilhas de carvão mal ventiladas, onde o calor não consegue se dissipar, elevando a temperatura interna e, eventualmente, levando à combustão espontânea.

• Óleo de linhaça: o óleo de linhaça é frequentemente utilizado em processos de acabamento de madeiras, mas ele também tem uma alta tendência a sofrer combustão espontânea quando impregnado em materiais como estopa ou trapos. Isso acontece porque o óleo de linhaça reage com o oxigênio do ar em um processo chamado auto-oxidação, que gera calor. A reação de auto-oxidação do óleo de linhaça pode ser representada simplificadamente assim:

R-CH₂CH₂-OH + O₂ → R-CH=CH-OH + H₂O + energia

Essa reação ocorre lentamente à temperatura ambiente, mas a acumulação de calor em trapos ou tecidos embebidos com óleo pode levar à elevação da temperatura até o ponto de ignição, resultando em combustão espontânea. Por isso, trapos usados em pinturas ou tratamentos com óleo de linhaça devem ser descartados com cuidado para evitar incêndios.

• Fósforo branco: o fósforo branco é outro exemplo clássico de uma substância altamente reativa que pode sofrer combustão espontânea. Ele é extremamente instável ao ar livre e reage rapidamente com o oxigênio atmosférico, liberando calor. A combustão espontânea do fósforo branco pode ocorrer até em baixas temperaturas.

A reação de combustão espontânea do fósforo branco pode ser descrita pela equação:

4 P + 5 O₂ → 2 P₂O₅ + energia

Nesse caso, o fósforo (P) reage com o oxigênio (O₂) do ar, formando pentóxido de fósforo (P₂O₅) e liberando calor. O fósforo branco é tão reativo que deve ser armazenado sob água para evitar o contato com o ar e, consequentemente, a combustão espontânea.

A combustão espontânea também pode ocorrer como uma reação colateral de outras reações que formam produtos com baixa temperatura de ignição, além de liberar calor. Um exemplo clássico são as reações entre metais alcalinos, como o sódio (Na) e o potássio (K), com a água. Durante essa reação, esses metais liberam gás hidrogênio (H₂) e calor suficiente para provocar a combustão espontânea do hidrogênio.

Quando o sódio (Na) reage com a água, ele sofre uma reação de deslocamento, em que o metal substitui um átomo de hidrogênio na molécula de água, formando hidróxido de sódio (NaOH) e liberando gás hidrogênio, como mostra a equação química a seguir:

2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ + energia

O calor liberado pela reação eleva a temperatura da mistura de reagentes. Se a quantidade de hidrogênio acumulada for suficiente e as condições de oxigênio estiverem adequadas, o calor gerado pode atingir a temperatura de ignição do hidrogênio, que é de cerca de 500 °C, e provocar a combustão espontânea do hidrogênio:

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O + energia

Nessa segunda reação, o hidrogênio (H₂) se combina com o oxigênio (O₂) do ar para formar água (H₂O) e liberar uma grande quantidade de calor. Isso ocorre espontaneamente quando a reação inicial gera calor suficiente, o que é comum com metais alcalinos devido à sua alta reatividade.

Fórmula da combustão

A equação básica da combustão para um composto orgânico pode ser representada de maneira geral da seguinte forma:

C_xH_y + O₂ → CO₂ + H₂O + energia

Nesse caso, um hidrocarboneto genérico, representado por C_xH_y, reage com o oxigênio, produzindo dióxido de carbono (CO₂), água (H₂O) e liberando energia. A quantidade de carbono (C) e hidrogênio (H) varia de acordo com o combustível específico que está sendo queimado.

Como é o processo de combustão?

O processo de combustão pode ser dividido em três etapas principais: iniciação, propagação e finalização.

• Iniciação: nessa etapa de iniciação, é necessário que o combustível atinja o ponto de fulgor, temperatura mais baixa na qual o composto se vaporiza e forma uma mistura inflamável com o ar. Além disso, é necessária uma quantidade inicial de energia para dar início à reação. Esse estímulo é conhecido como energia de ativação e pode ser fornecido por meio de uma faísca, calor ou chama. O combustível deve ser aquecido até atingir sua temperatura de ignição, que é o ponto em que a combustão pode começar.
• Propagação: uma vez iniciada, a reação de combustão entra na fase de propagação, na qual a energia liberada pela combustão inicial aquece mais moléculas de combustível, permitindo que a reação continue por conta própria. Nesse ponto, o combustível reage de maneira contínua com o oxigênio, e a quantidade de calor liberada sustenta a reação.

• Finalização: a etapa final da combustão ocorre quando o combustível ou o oxigênio disponível é consumido. Nesse momento, a reação de combustão cessa, e a liberação de calor diminui gradualmente até parar.

Vários fatores podem afetar a eficiência e o curso do processo de combustão:

• Quantidade de oxigênio: a combustão só será completa se houver oxigênio suficiente. Em ambientes com pouco oxigênio, a combustão se torna incompleta.
• Natureza do combustível: hidrocarbonetos, como gasolina e metano, são exemplos de combustíveis que reagem facilmente com oxigênio. A estrutura química do combustível determina sua temperatura de ignição e a quantidade de energia que ele libera durante a combustão.
• Temperatura de ignição: cada substância tem uma temperatura mínima para iniciar a combustão. Abaixo dessa temperatura, mesmo na presença de oxigênio, a reação não começa.
• Pressão: em condições de alta pressão, a combustão tende a ser mais rápida e intensa, pois as moléculas de oxigênio e do combustível estão mais próximas, facilitando a reação.

Reações de combustão

A combustão está presente em diversas atividades e processos que envolvem a queima de combustíveis para gerar energia.

• Combustão da gasolina em motores de carros: nos motores de combustão interna dos veículos, a gasolina (C₈H₁₈) reage com o oxigênio do ar para produzir dióxido de carbono (CO₂), vapor de água (H₂O) e liberar energia que move o carro. A reação química completa da combustão da gasolina pode ser representada assim:

2 C₈H₁₈ + 25 O₂ → 16 CO₂ + 18 H₂O + energia

Essa reação gera a força necessária para movimentar os pistões do motor, resultando no deslocamento do veículo.

• Combustão do gás de cozinha (GLP): o gás de cozinha, conhecido como GLP (gás liquefeito de petróleo), é composto por uma mistura de propano (C₃H₈) e butano (C₄H₁₀). Quando esse gás é queimado em fogões, ele reage com o oxigênio do ar, produzindo dióxido de carbono, água e calor, que é utilizado para cozinhar. A combustão completa do propano pode ser expressa da seguinte maneira:

C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O + energia

O calor gerado por essa reação é usado para aquecer os alimentos.

• Queima de vela: a combustão de velas é um exemplo clássico de uma reação de combustão que envolve a parafina (composta principalmente por hidrocarbonetos como C₂₀H₄₂). A combustão da parafina produz calor e luz, além de dióxido de carbono e água:

C₂₀H₄₂ + 31 O₂ → 20 CO₂ + 21 H₂O + energia

Esse processo é responsável pela chama que ilumina o ambiente.

• Combustão do etanol: nos veículos movidos a álcool, o etanol (C₂H₅OH) é o combustível que reage com o oxigênio do ar. A combustão completa do etanol gera dióxido de carbono, água e energia. A equação química para a combustão do etanol é:

C₂H₅OH + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O + energia

Essa reação é semelhante à da gasolina, mas o etanol é considerado um combustível mais limpo, pois emite menos gases poluentes.

• Queima de madeira em fogueiras e lareiras: quando a madeira é queimada, a celulose (C₆H₁₀O₅), que é um polímero de glicose, reage com o oxigênio para liberar dióxido de carbono, vapor de água e calor. A reação geral pode ser representada da seguinte forma:

C₆H₁₀O₅ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 5 H₂O + energia

Essa reação de combustão é a responsável por aquecer os ambientes em lareiras ou fogueiras.

Entalpia de combustão

A entalpia de combustão é a quantidade de energia liberada na forma de calor quando 1 mol de uma substância é completamente queimado em presença de oxigênio, em condições-padrão de pressão e temperatura (geralmente 1 atm e 25 °C). Esse calor liberado corresponde à diferença de energia entre os reagentes (substância combustível e oxigênio) e os produtos da combustão (geralmente dióxido de carbono e água). Quanto mais negativa for a entalpia de combustão, maior a quantidade de energia liberada durante a reação.

A entalpia de combustão é expressa em kJ/mol (quilojoules por mol), e os valores são sempre negativos, pois a combustão é uma reação exotérmica, ou seja, libera energia.

A tabela abaixo apresenta os valores de entalpia de combustão de algumas das principais substâncias utilizadas como combustíveis no cotidiano, incluindo o hidrogênio, que é considerado um combustível do futuro por ser uma alternativa limpa:

Para saber mais sobre a entalpia de combustão, clique aqui.

Combustão no cotidiano

A combustão está presente em inúmeras situações do cotidiano, sendo uma das reações químicas mais utilizadas para a geração de energia. Sua importância vai além do uso doméstico, abrangendo desde o transporte e a produção de eletricidade até processos industriais.

Um dos maiores usos da combustão ocorre no setor de transporte, no qual veículos como carros, motos, caminhões, aviões e navios dependem de combustíveis fósseis para funcionar. Os motores a combustão interna utilizam principalmente gasolina, diesel e etanol.

A geração de eletricidade é outro setor no qual a combustão desempenha um papel crucial. Nas usinas termelétricas, combustíveis como carvão, gás natural e óleo combustível são queimados para aquecer a água e produzir vapor, que move as turbinas geradoras de eletricidade. Esse tipo de geração de energia é responsável por grande parte do abastecimento elétrico em muitos países.

A indústria utiliza a combustão em vários processos produtivos, especialmente nas indústrias de metalurgia, cimento, química e alimentos, onde a combustão é usada tanto para gerar calor quanto para alimentar máquinas e caldeiras.

A combustão está presente em atividades domésticas como cozinhar e aquecimento de ambientes. A maior parte das cozinhas e sistemas de aquecimento doméstico depende do gás de cozinha, também chamado de GLP (gás liquefeito de petróleo) ou de gás natural.

Embora a combustão de combustíveis fósseis seja predominante, há um crescente uso de biomassa como fonte de energia renovável. A biomassa envolve a queima de resíduos agrícolas, madeira, palha e outros materiais orgânicos para gerar calor ou eletricidade.

Apesar da importância da combustão para a sociedade, seu uso indiscriminado tem consequências ambientais significativas, como a emissão de gases de efeito estufa (especialmente CO₂) e poluentes como monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NOₓ). Por isso, muitos setores estão investindo em fontes de energia mais limpas, como energia solar, eólica e combustíveis alternativos, como o gás hidrogênio (H₂), buscando reduzir a dependência de processos de combustão tradicionais.

Leia também: Gasolina ou etanol: qual a melhor opção?

Importância da combustão

A reação de combustão é fundamental para uma série de processos que vão desde a queima de combustíveis fósseis para gerar eletricidade até o funcionamento de motores a combustão interna, como os de automóveis. Além disso, ela é uma das bases para a produção de calor em residências e indústrias.

No entanto, a combustão também tem impactos ambientais, especialmente devido à liberação de dióxido de carbono (CO₂), que contribui para o aquecimento global. Em combustões incompletas, a produção de monóxido de carbono (CO) e fuligem pode levar à poluição do ar e trazer sérios riscos à saúde humana.

Exercícios sobre combustão

Questão 1

(Enem 2014) A escolha de determinada substância para ser utilizada como combustível passa pela análise da poluição que ela causa ao ambiente e pela quantidade de energia liberada em sua combustão completa. O quadro apresenta a entalpia de combustão de algumas substâncias. As massas molares dos elementos H, C e O são, respectivamente, iguais a 1 g/mol, 12 g/mol e 16 g/mol.

Levando em consideração somente o aspecto energético, a substância mais eficiente para a obtenção de energia, na combustão de 1 kg de combustível, é o

a) etano.

b) etanol.

c) metanol.

d) acetileno.

e) hidrogênio.

Resolução:

Para resolver essa questão, precisamos determinar qual substância libera mais energia na combustão de 1 kg. Para isso, usaremos a entalpia de combustão (em kJ/mol) de cada substância e calcularemos a energia liberada por quilograma de combustível. A fórmula básica para essa análise é:

\(\frac{\Delta H_c}{M}\)

• ΔH_c é a entalpia de combustão (em kJ/mol).
• M é a massa molar da substância (em g/mol).

Assim, para cada substância, devemos calcular a energia liberada por unidade de massa (1 kg ou 1000 g) e determinar qual delas é mais eficiente.

• Etano (C₂H₆):
  Massa molar = 2 × 12 + 6 × 1 = 30 g/mol.

Se a entalpia de combustão for, por exemplo, −1560 kJ/mol.

Energia por \(kg = \frac {-1560}{30} = -52\ kJ/g\), ou seja, −52000 kJ/kg.

• Etanol (C₂H₅OH):

Massa molar = 2 × 12 + 6 × 1 + 1 × 16 = 46 g/mol.

Entalpia de combustão = −1368 kJ/mol.

Energia por \(kg = \frac {-1368}{46} = -29,7\ kJ/g\), ou seja, − 29700 kJ/kg.

• Metanol (CH₃OH):

Massa molar = 1 ×12 + 4 × 1 + 1 ×16 = 32 g/mol.

Entalpia de combustão = − 726 kJ/mol.

Energia por \(kg = \frac {-726}{32} = -22,7\ kJ/g\), ou seja, − 22700 kJ/kg.

• Acetileno (C₂H₂):

Massa molar = 2 ×12 + 2 × 1 = 26 g/mol.

Entalpia de combustão = −1300 kJ/mol.

Energia por \(kg = \frac {-1300}{26} = -50\ kJ/g\), ou seja, − 50000 kJ/kg.

• Hidrogênio (H₂):

Massa molar = 2 ×1 = 2 g/mol.

Entalpia de combustão = −286 kJ/mol.

Energia por \(kg = \frac {-286}{2} = -143\ kJ/g\), ou seja, −143000 kJ/kg.

Diante disso, o hidrogênio (alternativa e) é a substância mais eficiente em termos energéticos, pois libera 143000 kJ por kg de combustível, o que é significativamente maior do que as outras substâncias.

Questão 2

A combustão completa de hidrocarbonetos é amplamente utilizada como fonte de energia no cotidiano, como nos motores de automóveis. No entanto, em algumas situações, pode ocorrer a combustão incompleta, o que gera poluentes como o monóxido de carbono (CO). Considere a reação de combustão completa do propano (C₃H₈), um componente comum do GLP (gás liquefeito de petróleo), conforme a equação balanceada:

C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O

Com base nessas informações, assinale a alternativa correta.

a) A combustão completa de hidrocarbonetos sempre resulta na formação de monóxido de carbono (CO) e vapor d’água.
b) Na combustão incompleta, a quantidade de oxigênio disponível é insuficiente para oxidar totalmente o carbono presente no combustível.
c) O propano, ao ser queimado em excesso de oxigênio, gera monóxido de carbono e fuligem.
d) A combustão incompleta ocorre apenas em condições de alta temperatura, nas quais há quebra total das moléculas de oxigênio.
e) A quantidade de CO₂ liberada na combustão incompleta é maior do que na combustão completa, devido à maior quantidade de oxigênio disponível.

Resolução:

A alternativa correta é b). Na combustão incompleta, a quantidade de oxigênio é insuficiente para oxidar completamente o carbono, o que leva à formação de monóxido de carbono (CO) e outras substâncias, como fuligem (carbono sólido).

a) Está incorreta porque a combustão completa gera dióxido de carbono (CO₂) e água, não monóxido de carbono.

c) Está incorreta porque o monóxido de carbono e fuligem são produtos da combustão incompleta, não da combustão em excesso de oxigênio.

d) Está incorreta, pois a combustão incompleta não ocorre apenas em alta temperatura e não é caracterizada pelo consumo total de oxigênio, mas sim pela falta de oxigênio.

e) Está incorreta porque a combustão incompleta libera menos dióxido de carbono que a completa.

Fontes

• ATKINS, Peter; JONES, Loretta; Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3ª ed. Porto Alegre; Bookman; 2006.
• CHANG, Raymond. Química Geral: Conceitos Essenciais. 4ªed.; São Paulo;McGraw-Hill;2007.
• ATKINS, P. W. PAULA, J. de. Fundamentos de Físico-Química. Vol 1. 5 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003.
• USP. Combustíveis e Combustão. Disponível em: . Acesso em: 28 set. 2024.