Química do automóvel (1) - Combustão da gasolina e do álcool

Em física do automóvel, vimos que o motor a explosão que movimenta os carros é uma máquina térmica, ou seja, transforma calor em trabalho e obedece às equações da física que descrevem como os gases aumentam sua pressão e se expandem quando aquecidos.

A mecânica é a ciência do movimento e o ramo da física que explica como pressões e volumes de gases fazem os veículos andarem. Mas, o princípio de todo este processo é entendido através da química, uma vez que toda produção de trabalho requer o fornecimento de uma quantidade de energia no mínimo igual ao trabalho gerado.

Os fenômenos que tornam o automóvel uma máquina viável acontecem no pequeno mundo das moléculas.

Combustíveis

No sentido tradicional, combustíveis são materiais que emitem calor ao reagirem com o oxigênio, num processo de combustão. Esta propriedade permite que uma quantidade de massa de um combustível desempenhe o papel de reservatório de energia, capaz de armazená-la em sua estrutura química até o momento de ser usada.

A quantidade de energia, sob a forma de calor, que um combustível pode fornecer quando queimado completamente chama-se poder calorífico. No caso do automóvel, os combustíveis mais comuns são a gasolina e o álcool, cujos poderes caloríficos típicos são, respectivamente, 9600 e 6100 ^kcal/_kg.

O poder calorífico da gasolina é superior ao do álcool, portanto, carros movidos a etanol apresentam maior consumo de combustível, em comparação aos que utilizam o derivado de petróleo, estando ambos em condições idênticas de desempenho mecânico.

Poder de explosão

Além do poder calorífico, outra propriedade importante dos combustíveis é a maneira como eles explodem, ou suas características de detonação.

Para funcionar satisfatoriamente, não basta o motor a explosão ser alimentado por um combustível capaz de explodir. É indispensável que a explosão ocorra de um modo regular, no tempo e no modo projetado, para provocar o aproveitamento esperado das pressões internas, sem produzir ondas de choque que possam danificar os mecanismos.

Para garantir esta regularidade, a gasolina é aditivada com substâncias antidetonantes, que funcionam como retardadores químicos da explosão e garantem que esta só aconteça no momento certo do ciclo.

Por muito tempo, o antidetonante mais usado foi o chumbo tetraetila, um composto altamente nocivo à saúde e ao meio ambiente. Hoje, no Brasil, determinadas quantidades de álcool são adicionadas à gasolina, exercendo a função antidetonante em substituição aos compostos de chumbo.

Estequiometria

Para que a queima do combustível ocorra dentro dos padrões técnicos do ciclo e a expansão dos gases produza a pressão e o trabalho desejados, é necessário que a massa de combustível injetada no motor seja misturada a uma quantidade de ar. Forma-se assim a mistura combustível-ar, cuja dosagem é feita pela injeção eletrônica ou pelo carburador.

A gasolina é uma mistura de vários hidrocarbonetos, que, na média típica, pode ser representada por C₈H18.

Assim, a estequiometria da combustão completa da gasolina é definida na equação:

Seguindo o mesmo princípio, a combustão completa do etanol segue a equação abaixo (desconsiderada a fração de água que o caracteriza como hidratado):

Estas proporções estabelecem a quantidade mínima de ar necessária para fornecer a quantidade de oxigênio requerida pela queima completa dos combustíveis, considerando que o ar atmosférico possui 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio.

Se multiplicarmos as quantidades moleculares por seus respectivos números de massa, veremos que as proporções estequiométricas da mistura combustível-ar para gasolina e álcool são:

Ou seja, são necessárias 15 unidades de massa de ar para cada unidade de massa de gasolina injetada no motor.

Ou seja, são necessárias nove unidades de massa de ar para cada unidade de massa de álcool injetada no motor.

É importante reiterar que estes cálculos são ideais, ou seja, consideram apenas as estequiometrias das massas de combustível e de ar para uma reação de combustão completa. Normalmente, os veículos trabalham com a chamada mistura econômica, que admite um excesso de ar para aumentar a eficiência da combustão.

Reações de combustão

Quando passamos do ideal para o real, a combustão no motor é incompleta. As reações de oxidação, que deveriam combinar oxigênio e carbono, gerando dióxido de carbono (CO₂), não se completam, resultando na formação de monóxido de carbono (CO), um poluente tóxico.

Os combustíveis possuem ainda outras substâncias químicas em sua composição, que reagem na combustão formando outros compostos. Um exemplo é o enxofre, presente na gasolina, que reage com o oxigênio ou hidrogênio formando SO₂ e H₂S.

A combustão incompleta também produz óxidos de nitrogênio (NOx), hidrocarbonetos, aldeídos e particulados, além da fuligem preta típica dos motores mal regulados.

Um dos modos de checagem de injeções eletrônicas modernas é a análise da proporção de CO nos gases de escape. Quanto maior a proporção, em comparação às especificações do motor, mais incompleta é a queima e menos eficiente o processo de dosagem da mistura combustível-ar.

Há muito mais sobre a química dos automóveis do que o exposto neste breve exemplo, mas ele apresenta uma interessante mostra do quanto esta ciência nos ajuda a ir adiante, neste caso, literalmente.