(UFRGS-RS) O carvão é um combustível constituído de uma mistura de compostos ricos em carbono. Qual é a situação em que a forma de apresentação do combustível, do comburente e a temperatura utilizada favorecerão a combustão do carbono com maior velocidade?
Combustível
Comburente
Temperatura
a)
carvão em pedaços
ar atmosférico
0
b)
carvão pulverizado
ar atmosférico
30
c)
carvão em pedaços
oxigênio puro
20
d)
carvão pulverizado
oxigênio puro
100
e)
carvão em pedaços
oxigênio liquefeito
50
| Combustível | Comburente | Temperatura
|
|
| a) | carvão em pedaços | ar atmosférico | 0 |
| b) | carvão pulverizado | ar atmosférico | 30 |
| c) | carvão em pedaços | oxigênio puro | 20 |
| d) | carvão pulverizado | oxigênio puro | 100 |
| e) | carvão em pedaços | oxigênio liquefeito | 50 |
Passo 1
O enunciado pergunta: em qual das situações descritas a combustão do carbono (carvão) ocorrerá com maior velocidade?\n
Informações dadas (cada alternativa traz: combustível / comburente / temperatura):\n
a) carvão em pedaços / ar atmosférico / \n
b) carvão pulverizado / ar atmosférico / \n
c) carvão em pedaços / oxigênio puro / \n
d) carvão pulverizado / oxigênio puro / \n
e) carvão em pedaços / oxigênio liquefeito / \n
O objetivo é comparar essas situações e identificar qual favorece maior velocidade de combustão do carbono.
Informações dadas (cada alternativa traz: combustível / comburente / temperatura):\n
a) carvão em pedaços / ar atmosférico /
b) carvão pulverizado / ar atmosférico /
c) carvão em pedaços / oxigênio puro /
d) carvão pulverizado / oxigênio puro /
e) carvão em pedaços / oxigênio liquefeito /
O objetivo é comparar essas situações e identificar qual favorece maior velocidade de combustão do carbono.
Passo 2
Entender o papel da forma do combustível (pedaços vs pulverizado).\n
Conceito: a velocidade de reação entre sólido (carvão) e gás (O2) depende fortemente da área de contato entre eles. Quanto maior a área superficial exposta do combustível, mais átomos de carbono ficam disponíveis para reagir por unidade de tempo.\n
Modelo simples e didático: suponha que o carvão seja aproximadamente esférico. Considere uma esfera grande de raio (um pedaço) que tenha o mesmo volume total de muitas pequenas esferas de raio
(pulverizado).\n
Volume da esfera grande: .\n
Conceito: a velocidade de reação entre sólido (carvão) e gás (O2) depende fortemente da área de contato entre eles. Quanto maior a área superficial exposta do combustível, mais átomos de carbono ficam disponíveis para reagir por unidade de tempo.\n
Modelo simples e didático: suponha que o carvão seja aproximadamente esférico. Considere uma esfera grande de raio
Volume da esfera grande:
Se houver
pequenas esferas, cada uma tem volume
, então\n
\n
Área superficial total das pequenas esferas:\n
\n
Área da esfera grande (um pedaço):
\n
Razão entre áreas (pulverizado / pedaço):\n
\n
Interpretação prática: se as partículas forem 10 vezes menores em raio (
), a área total aumenta 10 vezes; partículas muito pequenas elevam enormemente a área. Conclusão: carvão pulverizado favorece muito maior velocidade de combustão que carvão em pedaços.
Passo 3
Entender o papel do comburente (ar atmosférico vs oxigênio puro vs oxigênio liquefeito).\n
Conceito: a velocidade de uma reação gasosa depende da concentração (ou pressão parcial) do reagente gasoso. No caso da combustão, a presença de oxigênio disponível por unidade de volume/tempo aumenta a frequência de colisões eficazes entre moléculas de O e a superfície do carbono.\n
Conceito: a velocidade de uma reação gasosa depende da concentração (ou pressão parcial) do reagente gasoso. No caso da combustão, a presença de oxigênio disponível por unidade de volume/tempo aumenta a frequência de colisões eficazes entre moléculas de O
- Ar atmosférico contém cerca de
de em volume. Portanto, a pressão parcial de em ar é cerca de da pressão total.\n - Oxigênio puro fornece uma pressão parcial de oxigênio muito maior (próxima da pressão total), de modo que, para mesma pressão total, há ≈5 vezes mais
que no ar. Logo, tudo igual, combustão em oxigênio puro tende a ser bem mais rápida que em ar.\n - Oxigênio liquefeito é apenas
numa fase líquida a baixíssima temperatura; como comburente gasoso, o importante é a disponibilidade de gasoso e sua pressão parcial na interface. Em termos práticos e assumindo que há grande disponibilidade de , o oxigênio puro gasoso e o oxigênio derivado de LOX podem gerar altas velocidades, mas a vantagem prática principal é a alta concentração de em relação ao ar.
Passo 4
Entender o papel da temperatura.\n
Conceito (qualitativo): reações químicas têm uma barreira de energia chamada energia de ativação
. A teoria de Arrhenius diz que a constante de velocidade
depende da temperatura
(em kelvin) como\n
\n
onde
é um fator pré-exponencial e
é a constante universal dos gases. Isso significa que, ao aumentar
, o fator exponencial cresce e a taxa de reação aumenta, muitas vezes de forma bastante sensível.\n
Interpretação prática: comparando (
K) com
(
K), a taxa pode aumentar por um fator significativo (pelo menos alguns vezes) dependendo de
. Portanto, temperaturas maiores favorecem maior velocidade de combustão, tudo mais constante.
Interpretação prática: comparando
Passo 5
Combinar os fatores (forma do combustível, comburente, temperatura) e analisar cada alternativa rapidamente.\n
Critérios para favorecer maior velocidade: (i) máxima área superficial (pulverizado), (ii) maior concentração/pressão parcial de (oxigênio puro melhor que ar), (iii) maior temperatura.\n
Avaliação das alternativas:\n
a) pedaços / ar / : pouca área, baixo
relativo e temperatura muito baixa → velocidade pequena.\n
b) pulverizado / ar / : boa área (pulverizado), mas comburente é ar (menor
), temperatura só ligeiramente acima de
→ melhor que (a) por área, mas limitada pelo ar.\n
c) pedaços / oxigênio puro / : alta concentração de
, mas pouca área (pedaços) e temperatura moderada → velocidade intermediária.\n
d) pulverizado / oxigênio puro / : alta área (pulverizado), alta concentração de
(puro) e temperatura alta → todos os fatores favorecem aumento da taxa. Esta alternativa combina os três fatores favoráveis.\n
e) pedaços / oxigênio liquefeito / : embora o comburente seja
em grande quantidade (se considerarmos disponibilidade), o combustível está em pedaços (baixa área) e a temperatura é menor que em (d). Além disso, o enunciado dá
(menor que
), então, combinando fatores, (e) fica atrás de (d).\n
Comparando objetivamente, a alternativa que maximiza simultaneamente área, concentração de oxigênio e temperatura é a alternativa d).
Critérios para favorecer maior velocidade: (i) máxima área superficial (pulverizado), (ii) maior concentração/pressão parcial de
Avaliação das alternativas:\n
a) pedaços / ar /
b) pulverizado / ar /
c) pedaços / oxigênio puro /
d) pulverizado / oxigênio puro /
e) pedaços / oxigênio liquefeito /
Comparando objetivamente, a alternativa que maximiza simultaneamente área, concentração de oxigênio e temperatura é a alternativa d).
Passo 6
Comentário final de estratégia para prova (rápido e prático): ao escolher entre alternativas, prefira sempre a que tem combustível pulverizado (maior área), comburente com maior fração de oxigênio (oxigênio puro melhor que ar) e a maior temperatura disponível — esses três fatores aumentam a velocidade da combustão.
Resposta
d)