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tito
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informe-se sobre a química
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Carvão mineral
O carvão mineral se formou ao longo de milhões de anos.
Composição do carvão mineral
O carvão mineral ou carvão de pedra é um sólido escuro, encontrado
em várias regiões do mundo. Foi formado como resultado de complexas
transformações químicas sofridas por organismos vegetais “soterrados” há
milhares de anos.
A madeira é constituída por muitas substâncias, entre as quais a celulose
[(C6H10O5)n] é uma das mais importantes. Entre os vários elementos químicos presentes na madeira, os principais são o carbono (C), o oxigênio (O) e o
hidrogênio (H), conforme mostra o esquema abaixo.
Oxigênio
44%
Carbono
50%
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Contribuição aproximada (em massa)
dos elementos na composição das
substâncias presentes na madeira.
Hidrogênio
5%
Outros
1%
Fonte: Gráfico elaborado a partir de dados
de Leinz, V. e Amaral, S. E. Geologia Geral.
9. ed. São Paulo, Nacional, 1985. p. 215.
Nas alterações sofridas, ao longo de milhões de anos, pela madeira submetida a altas pressões e temperaturas, ocorreu a produção de substâncias formadas
por moléculas pequenas (CH4, CO2, H2O etc.). Essas substâncias foram sendo
eliminadas na forma gasosa por orifícios existentes nas camadas de terra e areia,
resultando um depósito cada vez mais rico em carbono (carvão) e cada vez mais
pobre em outros elementos. Esse processo é denominado carbonização.
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Os depósitos de carvão mineral podem apresentar diferentes teores de
carbono, dependendo do tempo transcorrido (e também de outros fatores,
como a pressão e a temperatura a que se achava submetido). De acordo com
esse teor, o carvão mineral recebe diferentes nomes — turfa, linhito, hulha
(ou carvão betuminoso), antracito e grafite.
Carvão mineral como fonte de combustíveis
Uma vez que o carvão mineral possui alto teor de carbono, ele é um material bastante combustível. A combustão completa do carvão pode, de forma
simplificada, ser equacionada quimicamente como:
C (s) 1 O2 (g) # CO2 (g)
A tabela a seguir mostra que os diferentes tipos de carvão liberam diferentes quantidades de calor na combustão, o que é uma consequência
direta de seus diferentes teores de carbono. Todos eles liberam maior quantidade de energia que a madeira, o que reflete o fato de terem maior teor de
carbono que ela.
Tabela Dados sobre a madeira e variedades de carvão mineral
Aumenta
porcentagem
de carbono
Aumenta
energia
liberada na
queima
Variedade de carvão
mineral
Porcentagem
aproximada de carbono
(em massa)
Energia liberada na
queima (em 103 kcal/kg
do material seco)
Madeira
50
4,5
Turfa
55
5a6
Linhito
70
6,5
Hulha
80
7a8
Antracito
96
8,5
Fonte: Leinz, V. e Amaral, S. E. Geologia Geral. 9. ed. São Paulo, Nacional, 1985. p. 215.
O carvão mineral teve seu uso como combustível muito difundido no
século XVIII em substituição à lenha. Ele teve um papel significativo na história da humanidade como o principal combustível utilizado nas máquinas
a vapor durante a Revolução Industrial no século XIX.
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Com o advento do petróleo e seus derivados, que passaram a ser largamente empregados no século XX, o uso do carvão mineral como combustível
declinou. Ele é mais difícil de manipular que o petróleo e sua queima polui
significativamente o ar com dióxido de enxofre (SO2), resultado da combustão
do enxofre nele presente.
CH4 1 O2
GRISU
MISTURA EXPLOSIVA
Além disso, a exploração das jazidas envolve consideráveis riscos aos operários (desabamentos e doenças pulmonares são os principais) e também um
certo impacto sobre o meio ambiente. Em minas de carvão também é comum
ocorrer desprendimento de metano (combustível), que, juntamente com o
O2 do ar, forma uma mistura altamente explosiva chamada de grisu. Basta
uma faísca para provocar a explosão (combustão violenta).
Carvão mineral como fonte de matéria-prima
Assim como no caso do petróleo, o carvão mineral não é importante
apenas como combustível. Ele representa uma fonte de matéria-prima
orgânica.
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Seu aproveitamento industrial é feito por meio da destilação seca, destilação destrutiva ou pirólise, que consiste em aquecimento (de 600 °C a 1.000 °C)
na ausência de oxigênio. Formam-se substâncias líquidas e gasosas, que são
desprendidas, e resta um resíduo sólido rico em carbono:
• Gases
— A mistura gasosa obtida é aproveitada como combustível.
Constitui-se essencialmente de H2, CH4, CO, CO2, C2H6, NH3 e H2S.
• Líquidos
— Os compostos líquidos obtidos podem ser divididos em dois
grupos: as águas amoniacais e o alcatrão. O nome “águas amoniacais”
é dado a uma mistura de substâncias contendo nitrogênio usada, por
exemplo, na fabricação de fertilizantes. E o alcatrão é uma mistura de
substâncias aromáticas, de grande utilidade como matéria-prima nas
indústrias químicas. Trata-se de um líquido oleoso e escuro formado
por inúmeros compostos aromáticos.
ALCATRÃO DO CARVÃO
mistura de substâncias
aromáticas
contém, por exemplo,
CH3
OH
N
benzeno
tolueno
fenol
CH3
piridina
naftaleno
CH3
CH3
CH3
1-metil-naftaleno
orto-dimetil-benzeno
antraceno
OH
orto-metil-fenol
fenantreno
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separação dos componentes
seguida de reações apropriadas
Solventes para
colas e tintas
Plásticos, isopor,
borracha e
fórmica
Corantes para
fotografia,
imprensa e tecidos
Medicamentos
Inseticidas
Explosivos
Essências para
perfumes
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• Sólido
— O resíduo sólido contém altíssimo teor de carbono. É chamado
de coque e é aplicado principalmente no processo de obtenção de ferro
nas indústrias siderúrgicas. Por razões técnicas, entre os tipos de carvão
mineral citados, apenas a hulha se presta à obtenção de coque.
Desprendidos
Gases
H2, CH4, CO...
300 m
Combustíveis
2
Águas
amoniacais
Hulha
Fertilizantes
2,5 kg
Destilação
seca
Líquidos
1 tonelada
Indústria
química
Alcatrão
45 L
Resíduo
Sólido
Coque
Siderurgia
640 kg
Exemplo do que ocorre na pirólise da hulha em nível microscópico
N
H
O
O
O
O
pirólise
CH4 � CO �
pirólise
N
O
H2O � CO � H2 �
OH
CH3
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O
Exemplo de estrutura presente
no carvão mineral
C70H41O6N
C � 84,76%
H � 4,14%
O � 9,69%
N � 1,41%
Fonte: Elaborado a partir de G. T. Austin. Shreve’s Chemical Process Industries. 5. ed. Nova York, McGraw-Hill, 1984. p. 74.
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Carvão mineral queimando.
Indústria química que processa o alcatrão da hulha.
Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos e câncer
Há cerca de 200 anos, Percival Pott, um médico que vivia em Londres,
constatou que os meninos que limpavam chaminés tinham uma propensão
maior que o normal para adquirir câncer nos testículos.
Em 1922, foi verificado que extratos orgânicos encontrados na fuligem
são cancerígenos em animais de laboratório. No início da década de 1930
foi isolada e caracterizada uma substância presente no carvão — e, sabe-se
atualmente, também na fuligem das chaminés — denominada benzopireno.
Estudos revelaram que esse hidrocarboneto é um forte agente cancerígeno
em animais. Esfregado na pele de ratos de laboratório, desencadeava neles
câncer de pele.
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carlos humberto tdc/imaginatta
benzopireno
O benzopireno faz parte do grupo de compostos conhecidos como
hidrocarbonetos policíclicos aromáticos de anéis condensados. Trata-se de um tipo de substância reconhecido pelos cientistas como perigoso à
saúde, graças a seu potencial cancerígeno.
Os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos de anéis condensados são
produzidos, por exemplo, nas queimadas em florestas, nas erupções vulcânicas e na queima de combustíveis fósseis. Estão também presentes no
carvão mineral e sobretudo no alcatrão dele proveniente.
A alta incidência de câncer entre os trabalhadores das minas de carvão
e das indústrias que processam o alcatrão se deve à sua exposição prolongada a esses agentes cancerígenos.
O trabalho em minas de
carvão envolve vários riscos,
principalmente o de desabamentos,
o de doenças pulmonares e o de
câncer, consequência da inalação
de hidrocarbonetos policíclicos
aromáticos de anéis condensados.
A fumaça dos cigarros contém várias substâncias aromáticas, que
compõem o chamado alcatrão do cigarro. Muitas são formadas durante a
queima do fumo. Entre elas, encontram-se o benzopireno e outros hidrocarbonetos policíclicos aromáticos de anéis condensados. Essa é a razão pela
qual os fumantes estão muito mais sujeitos ao câncer de pulmão do que
os não fumantes.
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O carvão mineral no mundo
O carvão mineral é o combustível fóssil mais abundante na Terra, sendo
encontrado fundamentalmente no Hemisfério Norte, conforme mostra o
esquema a seguir. As maiores jazidas estão presentes nos Estados Unidos, na
Rússia e na China. Esses três países são responsáveis, em conjunto, por cerca
de 60% da extração mundial desse recurso natural.
As jazidas de carvão no planeta são tão abundantes que há estimativas
de que, se o consumo anual se mantivesse constante, elas poderiam durar
várias centenas de anos.
272,2
América do Norte
América Latina
Europa e Eurásia
África
Oriente Médio
Ásia e Austrália
246,1
259,3
1,4
15,0
33,4
Reservas mundiais de carvão mineral, em bilhões de toneladas.
Fonte: Statistical Review 2009, Coal Reserves, BP.
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Você entendeu a leitura?
1 (Enem-MEC) Qual das seguintes fontes de produção de energia é
a mais recomendável para a diminuição dos gases causadores do
aquecimento global?
a)Óleo diesel.
d) Gás natural.
b)Gasolina.
e) Vento.
c) Carvão mineral.
2 (UFPA) Uma termoelétrica alimentada a carvão mineral contribuirá
para o efeito estufa porque
a)essa termoelétrica usa somente matéria-prima renovável.
b)essa termoelétrica libera grandes quantidades de dióxido de
carbono.
c) o carvão contém diversas impurezas, como a umidade, que não podem sofrer combustão, e assim serão liberadas para a atmosfera.
d)o carvão libera, com a combustão, muito material particulado,
que catalisa a formação de H2SO4 a partir de SO2 (g) presente na
atmosfera.
e) essa termoelétrica necessita de madeira para obter o carvão
mineral, contribuindo para a derrubada de árvores, diminuindo
a fotossíntese e, consequentemente, reduzindo a absorção de
dióxido de carbono.
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3 (Enem-MEC) As florestas tropicais úmidas contribuem muito para a manutenção da vida no
planeta, por meio do chamado sequestro de
carbono atmosférico. Resultados de observações
sucessivas, nas últimas décadas, indicam que
a floresta amazônica é capaz de absorver até
300 milhões de toneladas de carbono por ano.
Conclui-se, portanto, que as florestas exercem
importante papel no controle
a) das chuvas ácidas, que decorrem da liberação,
na atmosfera, do dióxido de carbono resultante
dos desmatamentos por queimadas.
b)das inversões térmicas, causadas pelo acúmulo de dióxido de carbono resultante da
não dispersão dos poluentes para as regiões
mais altas da atmosfera.
c) da destruição da camada de ozônio, causada
pela liberação, na atmosfera, do dióxido de
carbono contido nos gases do grupo dos clorofluorcarbonos.
d)do efeito estufa provocado pelo acúmulo de
carbono na atmosfera, resultante da queima
de combustíveis fósseis, como carvão mineral
e petróleo.
e) da eutrofização das águas, decorrente da
dissolução, nos rios, do excesso de dióxido
de carbono presente na atmosfera.
4 (UCSal-BA) O coque obtido na destilação da
hulha é constituído principalmente de:
a)monóxido de carbono.
b)carbono grafita.
c) carbonato de sódio.
d)carbeto de sódio.
e) hidrocarbonetos.
5 (UFRGS-RS) O alcatrão da hulha é uma fonte de:
a)hidrocarbonetos alifáticos.
b)gases combustíveis.
c) óleos comestíveis.
d)compostos aromáticos.
e) hidrocarbonetos alicíclicos.
6 (ITA-SP) Qual das opções abaixo apresenta o material com maior concentração de carbono?
a)Negro de fumo.
b)Carvão. c) Alcatrão.
d)Piche.
e) Óleo diesel.
7 (UCG-GO) Julgue a afirmação em verdadeira ou
falsa:
Os combustíveis fósseis, carvão, petróleo e gás
natural são fontes de hidrocarbonetos. Uma das
operações no refino do petróleo consiste em
ferver o óleo bruto, (petróleo separado do gás
natural) e, seletivamente, condensar os vapores
entre faixas de temperatura pré-selecionadas.
Esta operação recebe o nome de destilação
fracionada.
3
tito
canto
7
8 (Enem-MEC) Diretores de uma grande indústria siderúrgica, para evitar o desmatamento
e adequar a empresa às normas de proteção
ambiental, resolveram mudar o combustível dos
fornos da indústria. O carvão vegetal foi então
substituído pelo carvão mineral. Entretanto, foram observadas alterações ecológicas graves em
um riacho das imediações, tais como a morte
dos peixes e dos vegetais ribeirinhos. Tal fato
pode ser justificado em decorrência
a)da diminuição de resíduos orgânicos na água
do riacho, reduzindo a demanda de oxigênio
na água.
b)do aquecimento da água do riacho devido ao
monóxido de carbono liberado na queima do
carvão.
c) da formação de ácido clorídrico no riacho a
partir de produtos da combustão na água,
diminuindo o pH.
d)do acúmulo de elementos no riacho, tais
como ferro, derivados do novo combustível
utilizado.
e) da formação de ácido sulfúrico no riacho a
partir dos óxidos de enxofre liberados na
combustão.
9 (Fuvest-SP) Existem vários tipos de carvão mineral, cujas composições podem variar, conforme
exemplifica a tabela a seguir.
umidade
(% em
massa)
tipo de
carvão
material carbono
outros
volátil* não volátil
constituintes**
(% em
(% em
(% em massa)
massa)
massa)
antracito
3,9
4,0
84,0
8,1
betuminoso
2,3
19,6
65,8
12,3
sub-betuminoso
22,2
32,2
40,3
5,3
lignito
36,8
27,8
30,2
5,2
semelhante a composição do material volátil para
* osConsidere
quatro tipos de carvão.
os outros constituintes, o principal composto é a pirita,
** Dentre
Fe S .
21 22
2
a)Qual desses tipos de carvão deve apresentar
menor poder calorífico (energia liberada na
combustão por unidade de massa de material)? Explique sua resposta.
b)Qual desses tipos de carvão deve liberar
maior quantidade de gás poluente (sem
considerar CO e CO2) por unidade de massa
queimada? Justifique sua resposta.
c) Escreva a equação química balanceada que
representa a formação do gás poluente a que
se refere o item b (sem considerar CO e CO2).
d)Calcule o calor liberado na combustão completa de 1,00 3 103 kg de antracito (considere apenas a porcentagem de carbono não volátil).
Dados: e
ntalpia de formação do dióxido
de carbono gasoso.......... 2400 kJ/mol
massa molar do carbono.... 12 g/mol