Utilização do carvão como fonte de energiaO carvão substituiu a madeira como principal fonte de energia nos Estados Unidos na década de 1890. A primeira central eléctrica alimentada a carvão foi construída em 1882, gerando calor que alimentava um gerador de electricidade. Em 1884, Charles Parsons desenvolveu a mais eficiente turbina a vapor de alta velocidade. Na década de 1920, o carvão em pó 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 produzia menos cinzas. A tecnologia química recente desenvolveu a combustão de pó de carvão (resíduos da mineração do carvão), para produzir energia e diminuir o impacto ambiental.

Exploração e produção de petróleoA descoberta em 1901 do grande campo de petróleo de Spindletop no Texas e o aparecimento do automóvel levaram a que, por volta de 1951, o petróleo substituísse o carvão como fonte principal de combustível. A tecnologia química de refinação do petróleo bruto para separar as várias fracções químicas tem sido continuamente aperfeiçoada, começando com a simples destilação à pressão atmosférica e progredindo para a destilação a vácuo (pressão reduzida) até ao “cracking” térmico e ao uso de catalisadores. Para o processo de extracção primária de petróleo bruto, as contribuições da química são mais evidentes nas ferramentas de diamante, lamas de perfuração e extracção de óleo-de-xisto, usando uma combinação de produtos químicos e vapor. Os processos de extracção secundária incluem bombeamento de gás a alta pressão (dióxido de carbono) ou de soluções aquosas para a terra.

Energia nuclearO primeiro reactor nuclear foi desenvolvido em 1942 para fins militares. A aplicação da tecnologia nuclear para fins pacíficos, incluindo a geração de energia eléctrica, começou em 1951 com o programa “Atoms for Peace” (átomos para a paz) do Presidente Eisenhower. Desde então, a química tem desempenhado um papel importante na produção de materiais radioactivos usados como combustíveis nos reactores, nas barras de controlo do reactor que regulam o fluxo de neutrões do decaimento radioactivo, no reprocessamento de barras de combustível gastas, na gestão de resíduos, na protecção ambiental e na minimização dos efeitos nocivos da exposição a radiações.

Fontes alternativas de energiaOs métodos ecológicos para geração de energia, tal como eólica, hidroeléctrica e geotérmica, representam menos de 1% da geração total de energia no mundo, mas desempenham um papel cada vez mais importante, determinado por factores económicos e de disponibilidade. A química permitiu o desenvolvimento de painéis solares para geração térmica e fotovoltaica, hélices leves de fibra de carbono para geração eólica, betão e turbinas metálicas para centrais hidroeléctricas e materiais resistentes à corrosão para o aproveitamento de fontes geotérmicas.

I. ENERGIA E TRANSPORTE

I.1. Fontes de energia

Charles Parsons

Turbina a Vapor

(Parsons, 1907)

I. ENERGIA E TRANSPORTE

I.2. Armazenamento de energia elétrica e fontes de energia portáteis

Pilhas descartáveisO conceito de armazenamento de energia eléctrica foi desenvolvido por Alessandro Volta no final do século XVIII e a química tem contribuído para posteriores melhoramentos nas tecnologias de baterias e pilhas. A pilha seca de carbono-zinco de 1980 foi um avanço em relação à concepção anterior de pilha com electrólito aquoso de Leclanché. Foi produzida comercialmente para uso em lanternas e continua a ser utilizada nos dias de hoje. Em 1949, a substituição do electrólito aquoso por uma pasta húmida fortemente alcalina na pilha tradicional aumentou a sua duração e permitiu a miniaturização. Rapidamente se encontraram variadas utilizações para esta pilha alcalina em dispositivos electrónicos portáteis e máquinas fotográficas. Desde então, os modelos mais recentes de pilha têm usado óxido de prata, óxido de mercúrio ou lítio.

Pilhas recarregáveisA pilha ácida recarregável de chumbo, de 1859, foi um dos primeiros exemplos da aplicação comercial do uso de uma reacção química controlada para produzir electricidade. Aperfeiçoada em 1881 e continuamente melhorada desde então, a pilha de chumbo continua a ser a forma dominante nas baterias usadas em automóveis e camiões. A pilha recarregável de níquel- -cádmio, produzida pela primeira vez em 1899, era demasiado cara para competir comercialmente. Os desenvolvimentos recentes têm-se concentrado no lítio. Após uma tentativa falhada de usar o lítio metálico na década de 1980, as pilhas de lítio iónico são agora comuns, sendo aplicadas em telefones celulares e computadores portáteis.

Pilha seca de Carbono--zinco

Pilhas Recarregáveis

I. ENERGIA E TRANSPORTE

I.3. Materiais para estradas e pontes

BetãoOs projectos de construção em massa do sistema nacional rodoviário americano da década de 1950 dependeram fortemente da resistência e longevidade do betão usado nas estradas e pontes. O cimento Portland, desenvolvido em 1824 e patenteado em 1877como betão armado pelo francês Joseph Monier, endurece lentamente devido a uma reacção química complexa, na qual a pasta de cimento preenche os espaços entre as partículas e outros reforços. A sua durabilidade e resistência dependem do controlo cuidadoso do processo de fabrico do cimento. A adição de certos produtos químicos à mistura inicial de betão pode reduzir a sua retracção e melhorar a resistência à corrosão.

AsfaltoO asfalto é um material de construção rodoviário muito popular hoje em dia devido a vantagens de custo e desempenho. O asfalto natural foi descoberto em 1595, mas não foi ligado com alcatrão nem utilizado para pavimentar estradas até 1902. O betume, resíduo sólido ou semi-sólido do processo de refinaria do petróleo, rapidamente substituiu o asfalto para pavimentação de estradas. Recentemente, têm sido adicionados polímeros sintéticos para melhorar o desempenho e a durabilidade. “Superpave” (sigla em inglês para “Pavimentos de asfalto com desempenho superior”) é a mais recente técnica para fazer asfalto de qualidade superior, que pode suportar cargas pesadas e condições climáticas adversas.

Metais e ligasO aço tornou-se o principal material estrututal para pontes devido à sua leveza, resistência, durabilidade, facilidade de manutenção e construção, baixos custos de montagem e resistência a catástrofes naturais, tais como terramotos. Os novos aços de alto desempenho introduzidos na década de 1990 têm força e resistência à corrosão superiores. Outra tecnologia para proteger o aço na construção de pontes é um processo conhecido como metalização, em que alumínio ou zinco é pulverizado sobre uma superfície limpa de aço, formando um revestimento que protege durante 30 anos.

Técnicas de manutenção e reparoA infra-estrutura rodoviária deve ser mantida sem deterioração significativa em todos os tipos de condições meteorológicas e por longos períodos de tempo. Inovações nos materiais de construção e manutenção permitiram aumentar os intervalos entre a reconstrução de estradas. Adesivos para betão, asfalto e aço são importantes para prolongar a vida das estradas. Outros produtos químicos e poliméricos funcionam como aditivos de adesão que aumentam o desempenho do asfalto das estradas. Por exemplo, estireno-butadieno-estireno resulta em menos fendas e marcas no pavimento.

I. ENERGIA E TRANSPORTE

I.4. Combustíveis petroquímicos

Aditivos de combustíveisOs primeiros motores de automóveis “detonavam” sempre que se usava uma gasolina de baixa qualidade. Em 1921, o tetraetilchumbo a foi adicionado à gasolina para os motores funcionarem de modo mais suave e silencioso. Em 1926, foi introduzido um índice de octanas para medir a qualidade de gasolina (tolerância à compressão). O uso de aditivos de chumbo foi descontinuado na década de 1970 por razões ambientais. Actualmente, uma pequena quantidade de produtos químicos (álcoois, éteres) é adicionada à gasolina para melhorar o índice de octanas, melhorar o desempenho da gasolina (desactivadores metálicos) e reduzir o atrito e desgaste do motor, de modo a aumentar a sua vida (detergentes). Em algumas regiões são utilizados, devido a motivos geográficas, aditivos químicos sazonais, tal como o metanol, para evitar o congelamento da linha de combustível.

Produção de gasolina a partir de petróleo brutoPara melhorar a produção de gasolina a partir do petróleo bruto, as refinarias usavam, inicialmente, o calor para quebrar as moléculas maiores da fracção mais pesada do petróleo nas moléculas menores da gasolina, usando um processo chamado “cracking” térmico (1913). Como as altas temperaturas também originavam produtos indesejáveis, começou a ser usado em 1928 um processo de destilação a vácuo que funciona a temperaturas mais baixas. O uso de um catalisador inerte (cracking catalítico) em vez de altas temperaturas para realizar o cracking foi desenvolvido por Eugene Houdry em 1936, introduzido comercialmente em 1937 e rapidamente revolucionou o processo de refinação de gasolina.

Conversores catalíticosOs conversores catalíticos de duas vias foram introduzidos em 1975 para controlar as emissões de monóxido de carbono e de hidrocarbonetos. Pouco depois, foi adicionada uma terceira via para neutralizar os óxidos de nitrogénio dos gases de escape. Os conversores catalíticos funcionam por meio de uma série de reacções químicas no catalisador metálico, normalmente de platina. Os óxidos de nitrogénio são convertidos em nitrogénio e oxigénio molecular (N2 e O2), o monóxido de carbono é convertido em dióxido de carbono e os hidrocarbonetos não queimados são convertidos em água e dióxido de carbono.

Conversor catalítico de três vias

Refinaria de Petróleo

Localização típica do conversor

catalítico

I. ENERGIA E TRANSPORTE

I.5. Veículos motorizados

Materiais para concepção, conforto e segurançaO automóvel do século XXI poucas semelhanças tem com os seus antecessores em termos de concepção, conforto e segurança dos passageiros. Os faróis de alta intensidade permitem máxima iluminação nocturna. A corrosão foi drasticamente reduzida com materiais e revestimentos especiais. Refrigerantes químicos circulam num ambiente de sistema fechado. Em 1914 apareceram vidros de automóveis de segurança. Actualmente, vidros revestidos de polímeros especiais reduzem não só o peso e o ruído exterior como protegem do encandeamento e da radiação ultravioleta. Inovações a nível de segurança incluem fibras de polímeros nos cintos de segurança (obrigatório na década de 1960) e em airbags (obrigatório em 1996).

Componentes de plástico Várias conquistas na área da química permitiram reduzir o peso dos automóveis através da substituição de metais por plásticos e da identificação de novos materiais de elevado desempenho. Depois da Segunda Guerra Mundial, os fabricantes de automóveis começaram a usar polímeros sintéticos com base no petróleo em componentes estruturais rígidas devido à sua tenacidade, dureza e resistência a intempéries. Depois da crise energética da década de 1970, foram procuradas alternativas aos metais mais leves para melhorar a eficiência do combustível. Aplicações na concepção incluem: formas complexas da carroçaria fabricada por injecção em moldes, pára-choques termoplásticos, fibras de polipropileno que mantêm a cor e são estáveis contra raios ultravioleta, tintas, revestimentos e adesivos especiais.

Fibras de polipropileno

Tecnologia de pneusOs produtos de borracha natural apareceram no início do século XIX, mas não podiam ser utilizados porque amoleciam ou quebravam em climas quentes ou frios. Em 1839, um inventor americano, Charles Goodyear, desenvolveu o processo de vulcanização da borracha natural, em que se formavam ligações entre o enxofre e as ligações insaturadas do polímero. Este processo básico ainda é utilizado com a adição de aceleradores e estabilizadores químicos. Em 1945, começou a ser produzida comercialmente borracha sintética. Com o aumento da procura de pneus, foram introduzidas outros melhoramentos, que incluem a câmara-de-ar em substituição dos pneus de borracha sólida, reforço com fio de tecido natural ou sintético para a resistência, adição de materiais para redução do desgaste e o uso de pneus sem câmara-de-ar.

I. ENERGIA E TRANSPORTE

I.6. Aeronáutica

Balões de ar quenteAs inovações em balões de ar quente têm sido revolucionárias desde 1783, quando o primeiro homem voou num balão insuflado com ar aquecido por um queimador. O ar quente foi rapidamente substituído por hidrogénio, que era mais fácil de controlar. Os balões de ar quente tornaram-se, nos Estados Unidos, um desporto bastante popular com mais de 5000 pilotos. A química tem contribuído com o tecido de nylon, de baixo custo, duradouro e resistente ao calor, e com a tecnologia de propano líquido utilizada para a propulsão.

HélioEmbora os balões de hidrogénio, tal como o Hindenburg que explodiu (1937), tivessem estruturas rígidas, a inflamabilidade do hidrogénio sempre representou uma ameaça para a segurança. Em 1905, dois químicos descobriram hélio num poço de gás no Kansas e este elemento raro tornou-se de repente abundante. Durante a primeira guerra mundial, tecnologias químicas permitiram a extracção, o armazenamento e o transporte de grandes quantidades de hélio. Isso permitiu que os dirigíveis de hélio fossem usados na segunda guerra mundial para escolta segura de navios de transporte de tropas e abastecimentos nas proximidades dos submarinos. Na década de 1950, o hélio foi usado como atmosfera de soldagem na construção de foguetões e como propulsor para forçar a entrada do combustível nos motores.

Combustíveis para foguetõesDesde os primeiros testes de foguetões lançados na década de 1920 aos satélites de comunicação nos anos 50, ao vaivém espacial reutilizável dos anos 80, a expansão humana pelo espaço é um incrível feito da engenharia. O sucesso das viagens espaciais depende de os foguetões possuírem alta velocidade de impulso para vencer a força gravitacional da Terra. O primeiro foguetão, lançado em 1926, usava um combustível líquido de gasolina e um oxidante de oxigénio líquido. Posteriormente, foram utilizados diferentes combustíveis e agentes oxidantes tanto na forma líquida como na forma sólida. O vaivém espacial usa hidrogénio líquido como combustível, mas os motores de lançamento usam um combustível sólido de alumínio e o perclorato de amónio como oxidante e aglutinante.

Materiais de construção para indústria de aviação e aeroespacialÀ medida que a concepção de aeronaves evoluiu da madeira para materiais de engenharia sofisticada, a tecnologia química desenvolveu materiais que satisfizeram as exigências da concepção. Foram desenvolvidas ligas metálicas de alumínio e titânio para proporcionar resistência, peso leve, estabilidade a altas temperaturas e resistência à corrosão às aeronaves. Os foguetões têm requisitos materiais especiais devido às condições extremas em que operam. Um exemplo é o mosaico especial em locais estratégicos que protegem o vaivém espacial (1980) das altas temperaturas na reentrada. Após uma tentativa inicial de usar um exótico material compósito com zircónio, a versão final do mosaico usa fibras de sílica, feitas de areia comum.

O desastre de Hindenburg (1937)