Questão 2.8: O mercado brasileiro de combustível disponibiliza aos consumidores três tipos de combustíveis: I - Gasolina, II - Etanol; III - Mistura [Gasolina (75%) + Etanol
(25%)]. Pede-se: a) o balanço estequiométrico para cada combustível utilizado no mercado brasileiro, b) Com os dados obtidos, determine a composição dos gases dos produtos de combustão para os três combustíveis utilizados no mercado brasileiro, c) avalie as vantagens e desvantagens de cada combustível disponível no mercado brasileiro.

Passo 1

Resumindo, o enunciado pede três coisas para os combustíveis do mercado brasileiro (gasolina, etanol e mistura 75 %/25 %):
  1. o balanço estequiométrico da combustão completa, isto é, a reação química balanceada com ar puro;
  2. a composição dos gases de escape em condição estequiométrica (supondo ar com 21\% de \mathrm{O_2} e 79\% de \mathrm{N_2} em mol);
  3. as vantagens e desvantagens de cada combustível.
    Vamos usar conceitos de estequiometria de combustão e proporções molares de ar e produtos.

Passo 2

Para cada combustível, escrevemos a reação genérica de combustão completa com ar (apenas \mathrm{O_2} participa, o \mathrm{N_2} fica inerte):
Gasolina (aproximada por octano, \mathrm{C_8H_{18}}):
\mathrm{C_8H_{18}} + a\,\mathrm{O_2} \to 8\,\mathrm{CO_2} + 9\,\mathrm{H_2O}.
Balanceando o oxigênio: do lado direito há 8\times2 + 9\times1 = 25 átomos de O, logo a = 25/2 = 12{,}5.
\mathrm{C_8H_{18}} + 12{,}5\,\mathrm{O_2} \to 8\,\mathrm{CO_2} + 9\,\mathrm{H_2O}.
Etanol \mathrm{C_2H_6O}:
\mathrm{C_2H_6O} + b\,\mathrm{O_2} \to 2\,\mathrm{CO_2} + 3\,\mathrm{H_2O}.
Oxigênio: 2\times2+3\times1=7 átomos, logo b=7/2=3{,}5.
\mathrm{C_2H_6O} + 3{,}5\,\mathrm{O_2} \to 2\,\mathrm{CO_2} + 3\,\mathrm{H_2O}.
Mistura (por mol: 0,75 mol \mathrm{C_8H_{18}} + 0,25 mol \mathrm{C_2H_6O}):
oxigênio total =0,75\times12{,}5 + 0,25\times3{,}5 = 9{,}375+0{,}875 = 10{,}25.
Produtos de \mathrm{CO_2} =0,75\times8 +0,25\times2 =6{,}5 mol
e de \mathrm{H_2O}=0,75\times9+0,25\times3=7{,}5 mol.
0,75\,\mathrm{C_8H_{18}} + 0,25\,\mathrm{C_2H_6O} + 10{,}25\,\mathrm{O_2} \to 6{,}5\,\mathrm{CO_2} + 7{,}5\,\mathrm{H_2O}.

Passo 3

Agora incluo o \mathrm{N_2} do ar em cada caso, usando a razão \tfrac{79}{21} mol \mathrm{N_2} por mol de \mathrm{O_2}:
Gasolina: \mathrm{O_2}=12{,}5 mol ⇒ \mathrm{N_2}=12{,}5\times\frac{79}{21}\approx47{,}0 mol.
Total de produtos =8+9+47{,}0=64{,}0 mol.
Frações molares
y_{\mathrm{CO_2}}=\frac{8}{64}=0{,}125,\quad y_{\mathrm{H_2O}}=\frac{9}{64}=0{,}141,\quad y_{\mathrm{N_2}}=\frac{47}{64}=0{,}734.
Etanol: \mathrm{O_2}=3{,}5 mol ⇒ \mathrm{N_2}=3{,}5\times\frac{79}{21}\approx13{,}17 mol.
Total =2+3+13{,}17=18{,}17 mol.
y_{\mathrm{CO_2}}=\frac{2}{18{,}17}=0{,}110,\quad y_{\mathrm{H_2O}}=\frac{3}{18{,}17}=0{,}165,\quad y_{\mathrm{N_2}}=\frac{13{,}17}{18{,}17}=0{,}725.
Mistura: \mathrm{O_2}=10{,}25 mol ⇒ \mathrm{N_2}=10{,}25\times\frac{79}{21}\approx38{,}58 mol.
Total =6{,}5+7{,}5+38{,}58=52{,}58 mol.
y_{\mathrm{CO_2}}=\frac{6{,}5}{52{,}58}=0{,}124,\quad y_{\mathrm{H_2O}}=\frac{7{,}5}{52{,}58}=0{,}143,\quad y_{\mathrm{N_2}}=\frac{38{,}58}{52{,}58}=0{,}733.

Passo 4

Vamos discutir prós e contras de cada um:
Gasolina
– Vantagens: alta densidade energética, infraestrutura e motores otimizados para ela.
– Desvantagens: derivada de petróleo (emissões de C O_{2} e poluentes), combustível fóssil.
Etanol
– Vantagens: renovável (derivado da cana), maior número de octanas (menos detonação), menor emissão líquida de C O_{2}.
– Desvantagens: menor densidade energética (~30 % menos que gasolina), higroscópico (absorve água), pode demandar adaptações em motores antigos.
Mistura 75 %GS/25 %ET
– Vantagens: compromissos entre energia e octanas, menor emissão que gasolina pura e sem necessidade de tanques e motores específicos (flex).
– Desvantagens: energia inferior à gasolina pura e desempenho ligeiramente reduzido, ainda depende parcialmente de petróleo.

Resposta

a) Balanços estequiométricos:
\mathrm{C_8H_{18}} + 12{,}5\,\mathrm{O_2} \to 8\,\mathrm{CO_2} + 9\,\mathrm{H_2O},
\mathrm{C_2H_6O} + 3{,}5\,\mathrm{O_2} \to 2\,\mathrm{CO_2} + 3\,\mathrm{H_2O},
0,75\,\mathrm{C_8H_{18}} + 0,25\,\mathrm{C_2H_6O} + 10{,}25\,\mathrm{O_2} \to 6{,}5\,\mathrm{CO_2} + 7{,}5\,\mathrm{H_2O}.
b) Composição dos gases de escape (frações molares):
Gasolina: y_{\mathrm{CO_2}}=0{,}125, y_{\mathrm{H_2O}}=0{,}141, y_{\mathrm{N_2}}=0{,}734.
Etanol: y_{\mathrm{CO_2}}=0{,}110, y_{\mathrm{H_2O}}=0{,}165, y_{\mathrm{N_2}}=0{,}725.
Mistura: y_{\mathrm{CO_2}}=0{,}124, y_{\mathrm{H_2O}}=0{,}143, y_{\mathrm{N_2}}=0{,}733.
c) Vantagens e desvantagens:
Gasolina: alta energia e maturidade tecnológica, mas poluente e fóssil.
Etanol: renovável e antidetonante, mas menos energético e higroscópico.
Mistura: bom meio-termo, motores flex, porém rendimento e energia intermediários.

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