Utilização do carvão mineral como fonte de energia

1. I. ENERGIA E TRANSPORTE I.1. Fontes de energia Utilização do carvão mineral como fonte de energia Carvão substituiu a Madeira como a principal fonte de energia nos Estados Unidos na década de 1890. A primeira usina alimentada a carvão foi construída em 1882, gerando vapor que alimentou um gerador de electricidade. Em 1884, Charles Parsons desenvolveu uma turbina a vapor de alta rotação, a qual é mais eficiente. Na década de 1920, a pulverização do carvão aumentou a eficiência e reduziu a quantidade de ar necessária para a combustão. O forno de ciclone de 1940 usava carvão de baixo teor e produziu menos cinzas. Recentemente a tecnologia química desenvolveu a combustão de pó-de-carvão (um resíduo da mineração do carvão) para produzir energia e diminuir a emissão ambiental. Charles Parsons Turbina a vapor (Parsons, 1907) Exploração e produção de petróleo A descoberta, em 1901, do grande campo de petróleo de Spindletop no Texas e a invenção do automóvel causaram a superação do carvão pelo petróleo como fonte principal de combustível por volta de 1951. A tecnologia química de refinação do petróleo para separar as várias frações químicas foi continuamente aperfeiçoada, começando com a simples destilação a pressão atmosférica e continuando com a destilação a vácuo (pressão reduzida), a quebra (“cracking”) térmica, e o uso de catalisadores. No processo de extração de petróleo, a química é mais evidente nas ferraments de diamante e na extração de xistos, usando uma combinação de produtos químicos e vapor. Os processos de extração secundária incluem bombeamento com gás a alta pressão (dióxido de carbono) ou soluções aquosas. Energia nuclear O primeiro reactor nuclear foi desenvolvido em 1942 para uso militar. A aplicação da tecnologia nuclear com fins pacíficos, incluindo a geração de energia elétrica, começou em 1951 com o program átomos para paz, do Presidente Eisenhower. Desde então, a química tem desempenhado papeis importantes na produção de materiais radioactivos utilizados como combustível nos reactores, nas varetas que regulam o fluxo de nêutrons no decaimento radioactivo nos reatores, no reprocessamento de varetas de combustível nuclear, no tratamento dos resíduos, na proteção ambiental e minimizando os efeitos nocivos da exposição a radiações. Fontes alternativas de energia Métodos ecológicos para a geração de energia, como eólica, hidroelétrica e geotérmica, representam menos de 1% da geração de energia total do mundo, mas eles desempenham um papel cada vez mais importante, determinado por fatores econômicos e disponibilidade. A ciência química contribuiu para o desenvolvimento de painéis solares para geração de calor e eletricidade, hélices leves de fibra de carbono para geração eólica, concreto e tubinas metalicas para centrais hidroeléctricas e materiais resistentes à corrosão para o aproveitamento de fontes geotérmicas.

2. I. ENERGIA E TRANSPORTE I.2. Armazenamento de energia elétrica e fontes de energia portáteis Pilhas descartáveis O conceito de armazenamento de energia elétrica foi desenvolvido por Alexandre Volta no fim do Século XVIII, e a química tem contribuído para os melhoramentos que se sucederam nas technologias de baterias e pilhas. A bateria de célula seca de carbono-zinco de 1890 resultou de um melhoramento no modelo anterior de célula-liquida desenvolvido por Leclanché. Essa tecnologia foi produzida comercialmente para uso em lanternas, e é usada até hoje. Em 1949, uma nova bateria alcalina substituiu a pilha tradicional aumentando a vida útil e permitindo sua miniaturização. Esta bateria alcalina rapidamente encontrou muitos usos em equipamentos eletrônicos e câmeras portáteis. Os modelos mais recentes de bateria utilizam óxido de prata, óxido de mercúrio ou lítio. Bateria a seco de carbono-zinco Baterias recarregáveis A bateria recarregável de chumbo de 1859 foi um dos primeiros exemplos de aplicação comercial do uso de uma reação química controlada para produzir electricidade. Melhorada em 1881 e continuamente aprimoradas desde então, a bateria de chumbo continua a ser a forma dominante de bateria usada em automóveis e caminhões. A bateria recarregável de níquel-cádmio, desenvolvida em 1899, era demasiado cara para competir comercialmente. Desenvolvimentos recentes teem se concentrado em lítio. Após uma tentativa fracassada para utilizar o lítio metalico nos anos 80, baterias de lítio iônico agora são comums, sendo usada em telefones celulares e laptops. Baterias recarregáveis

3. I. ENERGIA E TRANSPORTE I.3. Materiais para Rodovias e Pontes Concreto Os grandes projetos de construção do sistema nacional rodoviario americano (“Interstate Highways”) da década de 1950 dependeram fortemente da resistência e durabilidade do concreto usado em estradas e pontes. O cimento Portland, desenvolvido em 1824 e patenteado como concreto armado pelo francês Joseph Monier em 1877, endurece lentamente devido a uma reação química complexa em que a colagem do cimento preenche os vazios entre as partículas e outros reforços. Sua durabilidade e resistência dependem do controle cuidadoso do processo de fabricação do cimento. Adicionando-se certos produtos químicos à mistura inicial de concreto, pode-se reduzir sua contração e melhorar a resistência à corrosão. Asfalto Asfalto é um material de construção rodoviária muito popular devido a vantagens de custo e desempenho. O asfalto natural foi descoberto em 1595 e foi usado na pavimentação de rodovias até 1902. Betume, o resíduo sólido ou semi-solido do processo de refinaria do petróleo, rapidamente substituiu o asfalto natural na pavimentação de estradas. Recentemente, polímeros sintéticos teem sido adicionados para melhorar o desempenho e durabilidade. “Superpave” (uma sigla que em ingles significa “pavimentos de asfalto com desempenho superior”) é a técnica mais usada recentemente para fazer asfalto de qualidade superior que pode resistir a cargas pesadas e condições climáticas adversas. Metais e ligas O aço tornou-se o material estrutural primário para pontes devido a seu peso leve, resistência, durabilidade, facilidade de manutenção e construção, baixo custo e resistência às catástrofes naturais como terremotos. Novos aços de alta performance introduzidos na década de 1990 têm resistência material superior, bem como alta resistência a corrosão. Outra tecnologia de proteção do aço na construção da pontes é um processo conhecido como metalização, na qual alumínio (ou zinco) é pulverizado em uma superfície limpa de aço para formar um revestimento de proteção que dura 30 anos. Técnicas de manutenção e reparo A infra-estrutura rodoviária deve ser mantida sem deterioração significativa perante os vários tipos de condições meteorológicas e longos períodos de tempo. Inovações em materiais de construção e manutenção permitiram intervalos maiores entre a reconstrução de estradas. Adesivos para concreto, asfalto e aço são importantes para prolongar a vida das estradas. Outros materiais químicos e poliméricos funcionam como aditivos de adesão que aprimoram o desempenho do asfalto. Por exemplo, estireno-butadieno-estireno resulta em menos rachaduras e marcas no pavimento.

4. I. ENERGIA E TRANSPORTE I.4. Combustíveis Petroquímicos Produção de gasolina a partir do petróleo bruto Com a finalidade de melhorar a produção de gasolina do petróleo bruto, as refinarias inicialmente usaram o calor para quebrar as moléculas maiores contidas no petróleo pesado em moléculas menores que fazem parte da composição da gasolina, usando um processo chamado cracking térmico (1913). Como as altas temperaturas também formavam subprodutos indesejáveis, um processo de destilação a vácuo operando em temperaturas mais baixas começou a ser utilizado em 1928. A utilização de um catalisador inerte (cracking catalítico) ao invés de altas temperaturas para realizar o cracking foi desenvolvida por Eugene Houdry em 1936, introduzida comercialmente em 1937 e rapidamente revolucionou o processo de refinação de gasolina. Refinaria de petróleo Aditivos de combustíveis Os primeiros motores de automóveis faziam muito barulho sempre que uma gasolina de baixa qualidade era usada. Em 1921, o chumbo-tetraetila foi adicionado à gasolina para fazer os motores rodarem mais suave e silenciosamente. Em 1926, uma classificação de octanagem foi introduzida para medir a qualidade da gasolina (resistência a compressão). A utilização de aditivos de chumbo foi proibida nos Estados Unidos na década de 1970 devido a preocupações ambientais. Atualmente, uma pequena quantidade de produtos químicos são adicionados à gasolina para melhorar a octanagem (álcoois, éteres), melhorar desempenho da gasolina (metais desativadores), e reduzir o atrito e desgaste para estender a vida do motor (detergentes). Aditivos químicos sazonais (tais como metanol) são utilizados em algumas regiões geográficas para evitar o congelamento do combustível. Conversores Catalíticos Conversores catalíticos de duas fases foram introduzidos em 1975, para controlar emissões de monóxido de carbono e de hidrocarbonetos. Logo depois, uma terceira fase foi adicionada para controlar emissões de óxidos de nitrogenio (NO e NO2). Os conversores catalíticos funcionam por meio de uma série de reações químicas que ocorrem em todo do metal usado como catalisador, normalmente platina. Óxidos de nitrogenio são convertidos em nitrogenio e oxigenio moleculares, monóxido de carbono é convertido em dióxido de carbono e hidrocarbonetos nao-queimados na combustão são convertidos em água e dióxido de carbono. Conversor catalítico de três fases

5. I. ENERGIA E TRANSPORTE I.5. Automóveis Materiais avançados para design, conforto e segurança O automóvel do século XXI tem pouca semelhança com seus antecessores em design, conforto e segurança dos passageiros. Os faróis de alta intensidade permitem máxima iluminação noturna. Corrosão foi drasticamente reduzida com materiais e revestimentos especiais. Refrigerantes químicos circulam num sistema fechado. Vidros mais seguros contra danos foram introduzidos em 1914. Atualmente, polímeros especiais revestem os vidros para reduzir o peso e o ruído exterior e proteger contra ofuscamento e radiação ultravioleta. Inovações em segurança incluem fibras de polímero em cintos de segurança (obrigatório nos Estados Unidos na década de 1960) e em airbags (obrigatória nos EUA em 1996). Componentes de plástico Varios progressos em química possibilitaram a diminuição no peso dos automóveis por meio da substituição de metais por plásticos bem como a identificação de novos materiais de alta performance. Após a segunda guerra mundial, fabricantes de automóveis começaram a usar polímeros sintéticos baseados em produtos do petróleo em componentes estruturais devido à sua tenacidade, dureza e resistência a intemperies. Depois da crise energética da década de 1970, materiais alternativos mais leves substituiram metais com a finalidade de melhorar a eficiência energética. Aplicações em design incluem: formas mais complicadas graças à moldagem de injeção, pára-choques termoplásticos, fibras de polipropileno que manteem a cor e sao estáveis contra raios ultravioleta, e tintas, revestimentos e adesivos especiais. Fibras de Polipropileno Tecnologia de pneus Produtos de borracha natural apareceram no inicio do século XIX, mas não foram usados porque amoleciam ou quebravam em clima quente ou frio. Um inventor americano, Charles Goodyear, desenvolveu o processo de vulcanização da borracha natural em 1839, o qual consiste na formação de pontes de enxofre entre cadeias poliméricas. Esse processo é usado ainda hoje mas com a adição de aceleradores e estabilizadores químicos. Em 1945, a borracha sintética começou a ser produzida comercialmente. Com o aumento na demanda de pneus, outras melhorias foram introduzidas, incluindo uma câmara-de-ar para substituir os pneus de borracha sólida, reforço com fio de tecido natural ou sintético, e o uso de pneus sem câmara-de-ar.

6. I. ENERGIA E TRANSPORTE I.6. Aeronáutica Balões de ar quente Desde de 1783, quando o primeiro homem voou em um balão movido a ar quente que subia de uma chama, inovações em balões de ar quente teem sido revolucionárias. Ar quente foi rapidamente substituído por hidrogênio, que era mais fácil de controlar. Balão de ar quente tornou-se um esporte popular nos Estados, com mais de 5000 pilotos. Química tem contribuído com o tecido de nylon (o qual é barato, durável e resistente ao calor) e a tecnologia de propano líquido utilizado para propulsão. Hélio Embora balões de hidrogênio, tais como o infame Hindenburg (1937), tivessem estruturas rígidas, o fato de que hidrogênio é altamente inflamável sempre trouxeram altos riscos. Em 1905, dois químicos descobriram hélio natural em um poço de gás no Kansas, e este elemento, até então raro, subitamente tornou-se abundante. Durante a primeira guerra mundial, tecnologias químicas permitiram a extração, o armazenamento e o transporte de grandes quantidades de hélio. Isso permitiu que os balões de hélio fossem usados na segunda guerra mundial para o transporte seguro de tropas e o abastecimento de navios nas proximidades de submarinos. Na década de 1950, hélio foi usado como atmosfera de soldagem na construção de foguetes e como propulsor para forcar a entrada do combustível nos motores dos foguetes. O desastre do Hindenburg (1937) Combustíveis de foguetes Dos foguetes de teste inicialment lançados na década de 1920, aos satélites de comunicação dos anos 50, ao ônibus espacial reutilizável dos anos 80, a expansão de humana no espaço é uma incrível proeza da engenharia. O sucesso das viagens espaciais depende de foguetes que possuam alta velocidade de impulso para superar a força gravitacional da Terra. O primeiro foguete, lançado em 1926, usou gasolina como combustível líquido e oxigênio líquido como agente oxidante. Posteriormente, outros combustíveis e agentes oxidantes teem sido utilizados tanto forma sólida como líquida. O ônibus espacial usa hidrogênio líquido como combustível, mas os motores de lançamento usam um combustível sólido a base de alumínio, com perclorato de amônio sendo usado como oxidante e aglutinante. Materiais de construção de aviões e foguetes Com a evolução no uso de madeira e tecido no design de aeronaves a materiais com engenharia sofisticada, a tecnologia química forneceu materiais que satisfizeram as exigências de design. Ligas metálicas de alumínio e titânio foram desenvolvidas para fornecer aeronaves com resistência material, peso leve, estabilidade em altas temperaturas e resistência à corrosão. Materiais para foguetes teem requisitos especiais devido às condições extremas em que operam. Um exemplo é o mosaico especial em locais estratégicos que protegem o ônibus espacial (1980) contra as altas temperaturas na reentrada. Inicialmente, foi usado um material compósito contendo zircônio, mas atualmente tem sido usado fibra de sílica, feita de areia comum.