Aula 9 - Dependência do mundo quanto ao uso de combustíveis não renováveis

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Dependência do mundo quanto ao uso de combustíveis não renováveis 
2ª série
Aula 9 – 2o bimestre
Química
Etapa Ensino Médio
Entalpia de combustão (eficiência energética). 
Recursos não renováveis (gasolina e diesel) e renováveis (biodiesel, biogás e etanol): impactos ambientais e sustentabilidade.
Materiais, combustíveis e energias alternativas (novas tecnologias). 
Analisar a dependência do mundo atual em relação aos combustíveis não renováveis. 
Conteúdos
Objetivo
EM13CNT309 – Analisar questões socioambientais, políticas e econômicas relativas à dependência do mundo atual em relação aos recursos não renováveis e discutir a necessidade de introdução de alternativas e novas tecnologias energéticas e de materiais, comparando diferentes tipos de motores e processos de produção de novos materiais.
Nuvem de palavras
A partir desta aula, estudaremos a termoquímica, iniciando pela análise da dependência do mundo atual em relação aos combustíveis não renováveis. A termoquímica é o ramo da Química que estuda as reações e os processos de mudança de estado físico que envolvem trocas de energia na forma de calor. Mas, o que é calor? Qual é a relação da termoquímica com a poluição atmosférica? Mencione um termo que você associa ao calor e outro que você associa à poluição atmosférica. Ao final, conversem sobre o resultado.
Virem e conversem
(4 minutos)
Para começar
●Sugestão de tempo: 
●Para começar: 5 min. 
●Foco no conteúdo: 25 min. 
Professor, sugerimos a utilização do recurso “Nuvem de palavras”. Dessa forma, será possível diagnosticar os conhecimentos prévios dos estudantes. Ela poderá ser analógica ou digital. Para a nuvem digital, sugerimos a utilização da plataforma: https://www.mentimeter.com/pt-BR/features/word-cloud. No caso de nuvem de palavras analógica, você poderá utilizar a lousa.
Conceituando calor e caloria
Calor: é a energia térmica transferida entre corpos que possuem temperaturas distintas.​
Caloria: representada por cal, é a unidade de calor. Uma caloria é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água em 1oC, sob pressão de uma atmosfera (1 atm). 
Também podemos quantificar a quantidade de calor com a unidade joule. 
A equivalência entre a caloria e o joule é: 1 cal = 4,184 J.
Foco no conteúdo
Representações:
Entalpia: H
Variação de entalpia:  ΔH = H(produto) – H(reagentes) 
                                       
                                           ΔH = Hp – Hr 
Entalpia
É o calor transferido para o sistema ou do sistema a pressão constante durante uma transformação desse sistema. Na Química, estudamos principalmente a energia envolvida em uma transformação, por meio da variação de entalpia. Podemos dividir esse estudo basicamente em: formação, combustão, ligação, neutralização e dissolução. 
Foco no conteúdo
(AFA-SP) Assinale a alternativa que define corretamente o conceito de calor.
Trata-se de um sinônimo de temperatura em um sistema.
É uma forma de energia contida nos sistemas.
É uma energia de trânsito, de um sistema a outro, devido à diferença de temperatura entre eles.
É uma forma de energia superabundante nos corpos quentes.
É uma forma de energia em trânsito, do corpo mais frio para o mais quente.
Na prática
(AFA-SP) Assinale a alternativa que define corretamente o conceito de calor.
Trata-se de um sinônimo de temperatura em um sistema.
É uma forma de energia contida nos sistemas.
É uma energia de trânsito, de um sistema a outro, devido à diferença de temperatura entre eles.
É uma forma de energia superabundante nos corpos quentes.
É uma forma de energia em trânsito, do corpo mais frio para o mais quente.
Correção
Na prática
A termoquímica e a poluição atmosférica
Para que uma reação química ocorra, é necessário fornecer uma quantidade mínima de energia ao sistema. Essa energia é chamada de energia de ativação (Ea). 
Se a energia dos reagentes for maior que a quantidade de energia dos produtos, essa transformação é classificada como exotérmica. Já se a energia dos reagentes for menor que a quantidade de energia dos produtos, essa transformação é classificada como endotérmica.
Foco no conteúdo
A termoquímica no cotidiano
A fotossíntese é o processo de conversão de energia luminosa em energia química. A água e os sais minerais são retirados do solo através da raiz da planta e chegam até as folhas pelo caule em forma de seiva. A luz do sol, por sua vez, também é absorvida pela folha, através da clorofila. Então, a clorofila absorve a energia luminosa necessária para que tal transformação ocorra. Essa substância é conduzida ao longo dos canais existentes na planta para todas as partes do vegetal.
6CO2(g) + 6H20(l) + calor            C6H12O6(aq) + 6O2(g)
Reação endotérmica
A fotossíntese também possui um papel importante na natureza, ao consumir o gás carbônico e liberar o gás oxigênio. 
Fotossíntese
Foco no conteúdo
A termoquímica no cotidiano
Uma reação de combustão é aquela que tem um combustível e um comburente que, na maioria das vezes, é o oxigênio presente no ar. Essas reações liberam calor, por isso são classificadas como reações exotérmicas.
C2H6O(l) + 3O2   → 2CO2 + 3H2O(l) + calor
reação exotérmica
Motor de combustão
Combustão do etanol –  
Reações de combustão são utilizadas principalmente para obter energia térmica para geração de energia mecânica, elétrica, aquecimento, entre outros.
Mas qual é a principal fonte de combustível do mundo contemporâneo?
Foco no conteúdo
Dependência do mundo atual dos combustíveis não renováveis
Mais de 80% da matriz energética vem de recursos fósseis. 
O petróleo e seus derivados, gás natural e carvão mineral movimentam o mundo. Porém, causam uma grande poluição ambiental, impactando toda a vida. Além disso, não são recursos renováveis, ou seja, um dia vão se esgotar. 
Foco no conteúdo
Impactos dos combustíveis não renováveis
A dependência global de uma matriz energética de fontes não renováveis é responsável pela emissão de grande quantidade de gases de efeito estufa (GEE), o que tem impactado o aquecimento global. Além disso, alguns desses gases também são responsáveis pelo fenômeno da chuva ácida. Por esse motivo, diversos acordos já foram estabelecidos, como o Protocolo de Kyoto e o Acordo de Paris. Eles buscam alternativas para a substituição dos combustíveis fósseis para produção de energia e para conservação do meio ambiente.
Foco no conteúdo
A “cal extinta” [Ca(OH)2] pode ser obtida pela reação entre óxido de cálcio (CaO) e água, com consequente liberação de energia. O óxido de cálcio, ou “cal viva”, por sua vez, é obtido por forte aquecimento de carbonato de cálcio (CaCO3). As equações referentes às reações são:
I. CaO + H2O → Ca(OH)2 + calor
II. CaCO3 + calor → CaO + CO2
Identifique a afirmativa correta:
A reação II é endotérmica.
A reação I é uma reação endotérmica.
Ambas são reações de combustão.
Na prática
A “cal extinta” [Ca(OH)2] pode ser obtida pela reação entre óxido de cálcio (CaO) e água, com consequente liberação de energia. O óxido de cálcio, ou “cal viva”, por sua vez, é obtido por forte aquecimento de carbonato de cálcio (CaCO3). As equações referentes às reações são:
I. CaO + H2O → Ca(OH)2 + calor
II. CaCO3 + calor → CaO + CO2
Identifique a afirmativa correta:
A reação II é endotérmica.
A reação I é uma reação endotérmica.
Ambas são reações de combustão.
Correção
Na prática
LEMOV, D. Aula nota 10 3.0: 63 técnicas para melhorar a gestão da sala de aula. Porto Alegre: Penso, 2023. 
SÃO PAULO (Estado). Currículo em Ação: Caderno do Professor – Química – Ensino Médio – 2ª série – Volume 2. 2º bimestre. São Paulo: Seduc-SP, 2023. Disponível em: https://efape.educacao.sp.gov.br/
curriculopaulista/wp-content/uploads/2022/04/EM_CNT_CP_2%C2%AA-s%C3%A9rie_V2_Web_11-04.pdf. Acesso em: 5 abr. 2023.
Referências
Petróleo
Será que todos os combustíveis são iguais? Quais combustíveis não são renováveis?
Quais diferenças existem entre eles?
Todo combustível produz a mesma quantidade deenergia?
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(4 minutos)
Para começar
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● Foco no conteúdo: 25 min. 
Vamos investigar alguns tipos de combustíveis
Carvão
O carvão mineral, fonte não renovável, é utilizado para obtenção de energia em usinas termelétricas. Sua combustão aquece a água de uma caldeira, transformando-a no vapor que move as pás das turbinas. Esse processo de conversão de energia térmica em elétrica possui muitos impactos ambientais, devido aos poluentes produzidos durante o processo.
C(s) + O2(g) → CO2(g)  ΔH0combustão = – 393,5 kJ/mol
O sinal negativo significa que a reação é exotérmica
Foco no conteúdo
Vamos investigar alguns tipos de combustíveis
C(s) + O2(g) → CO2(g)  ΔH0combustão = –393,5 kJ/mol
Entalpia/kJ / mol
C(s) + O2(g)
CO2(g)
Reação exotérmica
∆H = –393 kJ
Foco no conteúdo
Vamos investigar alguns tipos de combustíveis
Gás natural
Gás natural, fonte não renovável, é uma substância composta essencialmente por metano (CH4), com teores acima de 70%. É utilizado para gerar calor e eletricidade em indústrias e termoelétricas, como combustível de alguns veículos e para o abastecimento encanado de residências.
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ΔHo = –802 kJ/mol
Foco no conteúdo
(UFSM-RS) De acordo com o diagrama abaixo, indique a opção que completa, respectivamente, as lacunas da frase a seguir:
“A variação da entalpia, ΔH, é ........; a reação é .......... porque se processa ............... calor.”
a) positiva, exotérmica, liberando
b) positiva, endotérmica, absorvendo
c) negativa, endotérmica, absorvendo
d) negativa, exotérmica, liberando
Na prática
(UFSM-RS) De acordo com o diagrama abaixo, indique a opção que completa, respectivamente, as lacunas da frase a seguir:
“A variação da entalpia, ΔH, é ........; a reação é .......... porque se processa ............... calor.”
a) positiva, exotérmica, liberando
b) positiva, endotérmica, absorvendo
c) negativa, endotérmica, absorvendo
d) negativa, exotérmica, liberando
Correção
Na prática
Por que precisamos de alternativas mais sustentáveis de combustíveis? 
Os combustíveis fósseis são formados por compostos orgânicos que, ao serem queimados, liberam água (exceto o carvão) e gás carbônico, em combustões completas. O excesso da emissão do gás carbônico tem impactado no aquecimento global. Outro problema ambiental é a poluição atmosférica causada pela emissão de gases como óxidos de enxofre e nitrogênio, ocasionando o fenômeno da chuva ácida.
Foco no conteúdo
Gasolina × etanol × hidrogênio
Qual desses combustíveis libera mais energia na combustão?
1 C2H6O(l)+ 3O2 → 2CO2(g) + 3H2O ΔH0combustão = –1.368 kJ/mol
C8H18(l) + 25/2O2(g) → 8CO2(g) + 9H2O(l)     ΔH0combustão = –5.471 kJ/mol
H2(g) + ½O2(g) → H2O(g) ΔH0combustão = –286 kJ/mol
Etanol
Octano (principal constituinte da gasolina)
Hidrogênio
Isso significa que o hidrogênio libera menos energia na combustão?
Foco no conteúdo
Não! Vejamos:
Qual desses combustíveis libera mais energia na combustão?
1C2H6O(l)+ 3O2 → 2CO2(g) + 3H2O   ΔH0combustão = –1.368 kJ/mol
Etanol
C2H6O(l)   
C2H6O(l)  
C = 12 u
H = 1 u
O = 16 u
M = 12(2) + 1(6) + 16(1)
M = 46 g/mol
46 g
1.368 kJ/mol
C2H6O(l)   
1 g
X
X = 29,74 kJ/g
Foco no conteúdo
Não! Vejamos:
Qual desses combustíveis libera mais energia na combustão?
C8H18(l)   
C8H18(l)  
C = 12 u
H = 1 u
M = 12(8) + 1(18) 
M = 114 g/mol
114 g
–5.471 kJ/mol
1 g
X
X = 48 kJ/g
C8H18(l) + 25/2O2(g) → 8CO2(g) + 9H2O(l)      ΔH0combustão = –5.471 kJ/mol
Octano (principal constituinte da gasolina)
C8H18(l)   
Foco no conteúdo
Não! Vejamos:
Qual desses combustíveis libera mais energia na combustão?
H2(g)   
H2(g)  
H = 1 u
M = 1(2) 
M = 2 g/mol
2 g
–286 kJ/mol
1 g
X
X = 143 kJ/g
H2(g)   
H2(g) + ½O2(g)  →  H2O(g)   ΔH0combustão = –286 kJ/mol
Hidrogênio
Foco no conteúdo
1 g de octano C8H18(l) 
1 g de etanol C2H6O(l)
1 g de H2(g) 
143 kJ​
48 kJ​
29,74 kJ​
É possível observar que, em uma mesma quantidade de combustível, a gasolina produz mais energia em comparação ao etanol. Por isso, ao abastecer o veículo com etanol, notamos que seu consumo é maior.
É possível observar, ainda, que o hidrogênio, como combustível, produz praticamente o dobro de energia em comparação com a gasolina. Além disso, seu produto final é apenas água, diferentemente da gasolina, que produz gás carbônico e óxidos de nitrogênio e enxofre, que impactam o meio ambiente. 
Foco no conteúdo
(Fuvest-SP) Quando 0,500 mol de etanol líquido sofre combustão total sob pressão constante, produzindo CO2 e H2O gasosos, a energia liberada é de 148 kcal. Na combustão de 3,00 mol de etanol, nas mesmas condições, a entalpia dos produtos, em relação à dos reagentes, é:
a) 74 kcal menor.
b) 444 kcal maior.
c) 444 kcal menor.
d) 888 kcal maior.
e) 888 kcal menor.
Na prática
(Fuvest-SP) Quando 0,500 mol de etanol líquido sofre combustão total sob pressão constante, produzindo CO2 e H2O gasosos, a energia liberada é de 148 kcal. Na combustão de 3,00 mol de etanol, nas mesmas condições, a entalpia dos produtos, em relação à dos reagentes, é:
a) 74 kcal menor.
b) 444 kcal maior.
c) 444 kcal menor.
d) 888 kcal maior.
e) 888 kcal menor.
Correção
Na prática
0,500 mol ------- 148 kcal
3,00 mol ------ >ΔH
 >ΔH = 3,00 mol · 148 kcal
             0,0500 mol
>ΔH = 888 kcal.
Reflita sobre sua aprendizagem até aqui e avalie "Por que é importante o incentivo de combustíveis alternativos e mais sustentáveis". Escreva um pequeno texto argumentativo e apresente aos seus colegas.
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Slide 9 – https://pixabay.com/pt/photos/fotoss%c3%adntese-verde-cor-f%c3%a9rias-391447/ 
Slide 10 – https://gifer.com/pt/77QM 
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