Carvão: Fonte de Energia e Matéria Prima

  Este composto químico existe sob a forma de carvão de pedra, ou mineral e carvão de lenha ou vegetal. O primeiro é um combustível fóssil (encontra-se no solo), formado pela acumulação de substâncias vegetais e a sua posterior decomposição e transformação, devido às altas temperaturas da crosta terrestre. Há 4 tipos de carvão: antracite, hulha, lignite e turfa. Distinguem-se pela sua composição e o seu diferente poder calorífico. O carvão vegetal é o resíduo que fica, depois de se queimar a madeira a 400º C de temperatura. O carvão formou-se na Era primária no período Carbonífero.

É um combustível fóssil formado por raízes, troncos, folhas e galhos de árvores, que têm aproximadamente 250 milhões de anos, das regiões sedimentares. Há diferentes tipos de carvão, uns de melhor qualidade como fonte de energia (possuem maior porcentagem de carbono) e outros de poder calorífero inferior. A principal base para a industrialização do mundo foi o carvão mineral, pois os países pioneiros de industrialização, como o Reino Unido, a Alemanha, os Estados Unidos e a França, possuem boas reservas carboníferas. 

Com o desenvolvimento da indústria automobilística no século XX, pouco a pouco o carvão foi cedendo lugar ao petróleo como grande fonte de energia mundial.

Em 1880, cerca de 97% da energia consumida no mundo era proveniente do carvão, mas, em 1970, somente 12% desse total provinha desse recurso natural. Após a crise do petróleo, em 1973, a elevação dos preços do óleo fez com que o carvão fosse novamente valorizado, ao menos em parte, e seu consumo voltou a subir um pouco, representando aproximadamente 23% da energia total consumida no mundo, em 2004.

Hoje o carvão mineral é bastante usado para produzir energia elétrica em usinas termelétricas e como matéria-prima para fabricar aço nas siderúrgicas. Os grandes produtores mundiais desse recurso são os Estados Unidos, China, Cazaquistão, Rússia, Polônia, Índia, Alemanha, Austrália e África do Sul. Calcula-se que essas reservas carboníferas são suficientes para gerar energia para cerca de 100 anos de consumo. Mas existem os pontos negativos desse recurso, a começar pela sua extração, que causa sérios impactos ambientais, a poluição causada por sua queima que colabora com o aquecimento global.

Origem do Carvão Fóssil

O carvão mineral é um combustível de origem fóssil resultante da transformação química do soterramento de troncos, raízes, galhos e folhas de árvores, sendo que esse processo leva milhões de anos para se desenvolver. O tempo e as condições (pouco oxigênio, pressão da terra, altas temperaturas, etc.) que esses vegetais ficam depositados, favorecem a formação de uma massa negra homogênea, denominada jazida de carvão mineral.

A partir do século XVIII, o carvão mineral passou a ser utilizado como fonte energética, substituindo, gradativamente, a lenha, que era a principal fonte de energia utilizada pelo homem. A intensificação do seu uso proporcionou subsídios para o desenvolvimento industrial, e o carvão mineral foi essencial durante a Primeira Revolução Industrial. As máquinas movidas a vapor, alimentadas pelo carvão, passaram a ser comercializadas na Inglaterra durante a segunda metade de 1700.

Até a primeira metade do século XX, ele foi a principal fonte energética primária, sendo utilizado pelas usinas termoelétricas na geração de eletricidade, entretanto, o petróleo o superou. Conforme dados divulgados em 2008, pela Agência Internacional de Energia (AIE), 26,5% da energia elétrica mundial provém do carvão mineral; o petróleo, por sua vez, é responsável por 34%.

Os maiores produtores mundiais dessa fonte de energia são a Federação Russa, Estados Unidos, China e Canadá, respectivamente. No Brasil, existem pequenas reservas de carvão mineral, que se localizam nos estados da Região Sul (Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul). Porém, por ser um combustível não renovável, o carvão irá exaurir-se na natureza e, de acordo com a AIE, caso se mantenha o ritmo de consumo das últimas décadas, esse fenômeno ocorrerá em menos de 200 anos.

Ainda hoje, o carvão mineral é bastante utilizado, e a sua queima para a obtenção de energia gera vários problemas de ordem ambiental, pois durante esse processo ocorre a liberação de dióxido de carbono, causando a poluição atmosférica, intensificando o efeito estufa e contribuindo para a ocorrência de chuvas ácidas. Outros agravantes são os descartes de resíduos sólidos, poluição térmica e os riscos durante sua exploração nas jazidas.

Carvão: fontes de substância aromáticas

O Carvão pode receber vários nomes diferentes por conta da porcentagem de Carbono que o mesmo possui em sua composição. Vamos nos basear na Hulha, que é um tipo de carvão mineral que possui uma porcentagem boa de carbono em sua composição.

Quando a madeira é soterrada, ela passa por um processo de fossilização na crosta terrestre, sendo gradativamente enriquecida em carbono. Isto ocorre porque a madeira é composta basicamente de hidrogênio (H), oxigênio (O) e carbono (C). Mas com o tempo o hidrogênio e o oxigênio são eliminados na forma de água (H₂O), dióxido de carbono (CO₂) e metano (CH₄). Desse modo, forma-se o carvão mineral ou natural, que é uma mistura de substâncias complexas ricas em carbono. A hulha é uma variedade do carvão mineral que apresenta um dos maiores índices de carbono em sua composição (veja tabela). Em relação à madeira e aos outros carvões minerais, ela fica atrás somente do Antracito (que possui 98% de carbono em sua composição).

A hulha é um composto muito utilizado pela indústria, porque ao se fazer a sua destilação seca, ela dá origem a três compostos analisados a seguir:

1. Fração gasosa: (gás de iluminação): é chamada assim porque era utilizada para iluminar ruas. Também é usado como combustível doméstico e na indústria. Composta de 49% de Hidrogênio, 34% de metano, 8% de dióxido de carbono e outros gases em menor proporção.

2. Fração Líquida: formada pelas águas amoniacais e o alcatrão de hulha

2.1- Águas amoniacais: constituídas de substâncias nitrogenadas; principalmente aminas - compostos derivados da amônia (NH3). Usado para produzir ácido nítrico e principalmente na produção de fertilizantes agrícolas. 

2.2 – Alcatrão de hulha: é a principal fonte natural de obtenção dos compostos aromáticos e ao passar por uma destilação fracionada dá origem a cinco frações, que permitem fornecer matérias-primas para inúmeros produtos químicos, como medicamentos, plásticos, tintas, produtos de limpeza, pavimentação de ruas (piche), etc. As cinco frações são:

• Óleo leve (2%) - benzeno tolueno, xileno;
• Óleo médio (12%) - fenol, cresóis, etc.;
• Óleo pesado (10%) - Naftaleno e seus derivados;
• Óleo de antraceno (25%) - antraceno, fenantreno, carbazol, criseno, etc.
• Piche (51%) - Hidrocarbonetos de massa molar elevada.

3. Fração sólida: Denominado carvão coque, é bastante utilizado em siderúrgicas para a obtenção de aço. Também é utilizado na produção de ferro e na de gasolina sintética.

Hidrocarbonetos Aromáticos

Os hidrocarbonetos são compostos orgânicos formados unicamente por carbono e hidrogênio unidos tetraedricamente por ligação covalente assim como todos os compostos orgânicos. Os hidrocarbonetos são a chave principal da química orgânica, visto que são eles que fornecem as coordenadas principais para formação de novas cadeias e posteriormente para nomenclatura de outros compostos. Praticamente todos os alcanos ocorrem naturalmente no gás natural dopetróleo, enquanto que os mais pesados, alcenos e alcinos são obtidos no processo de refinação. Podendo também ser sintetizados em laboratório.

O estado físico dos hidrocarbonetos geralmente é gasoso ou líquido, em virtude de seu baixo ponto de fusão e ebulição, por ser apolares, e unidos por forças intermoleculares fracas, são pouco solúveis em água, ou seja, seu grau de dissociação é bastante pequeno até que seja atingido o equilibrio. Os hidrocarbonetos são subdivididos em alcanos,alcenos e alcinos, podendo ser de cadeias ramificadas, cíclicos ou acíclicos, saturados e insaturados e aromáticos onde:

• Ramificadas: possuem ramificações, que são radicais ligados ao carbono.
• Cíclicos: formam ciclos representados através de formas geométricas.
• Acíclico: são hidrocarbonetos que possuem cadeias abertas
• Saturados: possuem somente ligações simples (σ) sendo saturado de hidrogênios (alcanos e cicloalcanos).
• Insaturados: possuem ligações duplas (σπ) e triplas (σππ), em função destas subtrai-se o hidrogênio (alcenos e Alcinos).
• Aromáticos: são os hidrocarbonetos que possuem o anel benzênico.

Hidrocarbonetos Aromáticos possuem a cadeia carbônica fechada e apresentam um anel benzênico. Conheça a estrutura mais simples dessa classe de compostos:

Benzeno

Para se dizer que um composto é aromático ele precisa apresentar pelo menos um destes anéis em sua estrutura molecular. Como se vê, o Benzeno de fórmula C6H6 possui apenas um anel benzênico, veja agora a estrutura da Naftalina:
 

A presença de dois anéis benzênicos caracteriza o composto de fórmula C₁₀H₈.

Repare que as ligações insaturadas (duplas ligações) nos anéis benzênicos podem ser representadas tanto por traços como por um círculo ao centro.

Petróleo: Origem

Introdução

A hipótese mais aceita leva em conta que, com o aumento da temperatura, as moléculas do querogênio começariam a ser quebradas, gerando compostos orgânicos líquidos e gasosos, num processo denominado catagênese. Para se ter uma acumulação de petróleo seria necessário que, após o processo de geração (cozinha de geração) e expulsão, ocorresse a migração do óleo e/ou gás através das camadas de rochas adjacentes e porosas, até encontrar uma rocha selante e uma estrutura geológica que detenha seu caminho, sobre a qual ocorrerá a acumulação do óleo e/ou gás em uma rocha porosa chamada rocha reservatório. É de aceitação para a maioria dos geólogos e geoquímicos, que ele se forme a partir de substâncias orgânicas procedentes da superfície terrestre (detritos orgânicos), mas esta não é a única teoria sobre a sua formação.

Uma outra hipótese, datada do século XIX, defende que o petróleo teve uma origem inorgânica, a partir dos depósitos de carbono que possivelmente foram formados com a formação da Terra.

Antiguidade

Registros históricos da utilização do petróleo remontam a 4 000 a.C. devido a exudações e afloramentos frequentes no Oriente Médio. Os povos da Mesopotâmia, do Egito, da Pérsia e da Judeia já utilizavam o betume para pavimentação de estradas, calafetação de grandes construções, aquecimento e iluminação de casas, bem como lubrificantes e até laxativo. Os chineses já perfuravam poços, usando hastes de bambu, no mínimo em 347 a.C.

 

Amiano Marcelino, historiador do período final do Império Romano, menciona o óleo da Media, usado em flechas incendiárias, e que não era apagado com água, apenas com areia; um outro óleo, mais viscoso, era produzido na Pérsia, e chamado na língua persa de nafta.

No início da era cristã, os árabes davam ao petróleo fins bélicos e de iluminação. O petróleo de Bacu, no Azerbaijão, já era produzido em escala comercial, para os padrões da época, quando Marco Polo viajou pelo norte da Pérsia, em 1271.

Origens da indústria petrolífera

A moderna indústria petrolífera data de meados do século XIX. Em 1850, James Young, na Escócia, descobriu que o petróleo podia ser extraído do carvão e xisto betuminoso, e criou processos de refinação. O primeiro poço moderno foi perfurado em Bibiheybət (Bibi-Heybat), próximo a Bacu, no Azerbaijão, no ano de 1846. O Azerbaijão foi o maior produtor de petróleo no século XIX e no final desse sua produção era de mais da metade da produção mundial. O primeiro poço comercial da Romênia foi perfurado em 1857. O primeiro poço nas Américas foi perfurado no Canadá, em 1858. Em agosto de 1859 o norte-americano Edwin Laurentine Drake perfurou o primeiro poço nos Estados Unidos para a procura do petróleo (a uma profundidade de 21 metros), no estado da Pensilvânia. O poço revelou-se produtor e a data passou a ser considerada, pelos norte-americanos, a do nascimento da moderna indústria petrolífera. A produção de óleo cru nos Estados Unidos, de dois mil barris em 1859, aumentou para aproximadamente três milhões em 1863, e para dez milhões de barris em 1874.

Atualmente

Por ser a principal fonte de energia do planeta, o petróleo já foi motivo de algumas guerras, como a Primeira Guerra do Golfo, a Guerra Irã-Iraque, a luta pela independência da Chechênia e a invasão estadunidense no Iraque, em 2003. Sem dúvida, a existência de petróleo é um sinônimo de riqueza e poder para um país. O combustível se tornou ainda mais valorizado após a criação da OPEP (Organização dos Países Exportadores de Petróleo), que nasceu com o fim de controlar preços e volumes de produção e pressionar o mercado.
Atualmente, os dez maiores produtores de petróleo do mundo são: Rússia, Estados Unidos, Arábia Saudita, Irã, Iraque, Kuwait, Emirados Árabes Unidos, Venezuela, México e Inglaterra.

Petróleo: Constituição, Processos de Extração e Meio Ambiente

O petróleo é encontrado em bolsões profundos em terra firme e abaixo do fundo do mar. Para realizar a sua exploração são necessários basicamente três passos importantes:

1º Prospecção: é a localização de bacias sedimentares por meio de análise detalhada do solo e do subsolo.

O geólogo que determina a probabilidade de haver rochas-reservatório com petróleo aprisionado pode fazê-lo de diversas maneiras, como por meio de imagens de satélites. Ele também utiliza alguns equipamentos; veja alguns deles:

• Gravímetro: detecta sutis variações na gravidade que indicam o fluxo subterrâneo do petróleo;
• Magnetômetros: mede minúsculas mudanças no campo magnético, também causadas pelo fluxo do petróleo;
• Sniffers (farejadores): narizes eletrônicos que detectam a presença de hidrocarbonetos (constituintes do petróleo);
• Sismólogos: esses aparelhos criam ondas de choque que passam pelas rochas e depois são refletidas para a superfície. Essas ondas podem ser criadas por canhões de ar comprimido, que disparam pulsos de ar na água e, por meio de hidrofones, captam as ondas refletidas. Também é possível utilizar detonações com cargas explosivas no solo ou caminhões impactadores que golpeiam chapas pesadas dispostas no solo.

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Uso de “cavalo de pau” (à esquerda) e torres de perfuração (ao fundo) para exploração do petróleo

 

2º Perfuração: uma vez descobertas as jazidas de petróleo, realiza-se a marcação com coordenadas GPS e boias marcadoras sobre a água do mar. Se for na terra, realiza-se a perfuração do solo de um primeiro poço. Se realmente existir o petróleo, outros poços são perfurados e analisa-se se a extração é viável economicamente.

Essa perfuração, que pode atingir profundidades de 800 a 6.000 metros, é feita em terra por meio de sondas de perfuração e no mar com plataformas marítimas (imagem). As torres de perfuração podem ter uma broca simples com diamantes industriais; ou um trio de brocas interligadas com dentes de aço.

 3º Extração: na terra, o petróleo é encontrado acima de água salgada e embaixo de uma camada gasosa em alta pressão. Assim, quando o poço é perfurado, o petróleo pode jorrar espontaneamente até a superfície em razão da pressão do gás. Quando essa pressão diminui é necessário o uso de equipamentos (como o “cavalo de pau” mostrado na figura a seguir) que bombardeiam o petróleo para a superfície.

 Se o petróleo for muito denso é preciso injetar vapor de água aquecido sob pressão por meio de um segundo poço cavado no reservatório. O calor do vapor diminui a viscosidade do petróleo e a pressão ajuda a empurrá-lo para cima no poço.

No mar, essa extração é mais difícil, sendo feita com a utilização de equipamentos especiais de perfuração e extração por meio de bombas em plataformas e navios-sonda. Há varios tipos de plataformas para exploração de petróleo em alto-mar, veja as principais:

 
Nas refinarias, o petróleo é submetido a uma destilação fracionada, sendo o resultado desse processo separado em grupos. Nesta destilação encontramos os seguintes componentes:

• De 20 a 60 °C → éter de petróleo.
• De 60 a 90 °C → benzina.
• De 90 a 120 °C → nafta.
• De 40 a 200 °C → gasolina.
• De 150 a 300 °C → querosene.
• De 250 a 350 °C → gasóleo (PT) ou óleo diesel (BR).
• De 300 a 400 °C → óleos lubrificantes
• Resíduos → asfalto, piche e coque.
• Subprodutos → parafina e vaselina.

Tipos de petróleo

• Petróleo Brent: petróleo produzido na região do Mar do Norte, provenientes dos sistemas de exploração petrolífera de Brent e Ninian. É o petróleo na sua forma bruta (crú) sem passar pelo sistema de refino.
• Petróleo Light: petróleo leve, sem impurezas, que já passou pelo sistema de refino.
• Petróleo Naftênico: petróleo com grande quantidade de hidrocarbonetos naftênicos.
• Petróleo Parafínico: petróleo com grande concentração de hidrocarbonetos parafínicos.
• Petróleo Aromático: com grande concentração de hidrocarbonetos aromáticos.

Petróleo & Meio Ambiente

Por se tratar de um produto com alto risco de contaminação, o petróleo provoca graves danos ao meio ambiente quando entra em contato com as águas de oceanos e mares ou com a superfície do solo. Vários acidentes ambientais envolvendo vazamento de petróleo (seja de plataformas ou navios cargueiros) já ocorreram nas últimas décadas. Quando ocorre no oceano, as consequências ambientais são drásticas, pois afeta os ecossistemas litorâneos, provocando grande quantidade de mortes entre peixes e outros animais marítimos. Nem sempre as medidas de limpeza conseguem minimizar o problema.

Química Ambiental

A Química Ambiental estuda os processos químicos que acontecem na natureza, sejam naturais ou causados pelo homem,que comprometem não só a saúde humana, mas de todo planeta. Assim o estudo destes processos químicos envolvem todas as mudanças e os danos que podem causar à humanidade.

Como essas transformações ameaçam o meio ambiente, há uma grande preocupação em entender os processos que a envolvem. Assim a química ambiental  abrange os mecanismos que definem e controlam a concentração das espécies químicas que precisam ser monitoradas. 

O trabalho do Químico Ambiental

O químico ambiental tem um amplo campo de atividades em que pode trabalhar, tais como: indústrias químicas em geral, indústrias de alimentos, indústrias metalúrgicas, indústrias de cosméticos, indústrias de mineração e várias outras. Estas se preocupam em preservar o meio ambiente a medida que se utiliza dos seus recursos para elaboração dos seus produtos.

A Química Ambiental expande os horizontes da química tradicional, ao propiciar parcerias em novos ramos como toxicologia,  engenharia sanitária e a biologia. 

Logo a química como uma ciência natural, atuando como a  ferramenta mais poderosa no resgate da importância da Química como uma das ciências que mais benefícios têm trazido ao homem.