departamento de química faculdade de ciências da ... · da mesma escola, também no ano lectivo...

Departamento de Qumica Faculdade de Cincias da Universidade do Porto

SIMULAES ON-LINE PARA O ENSINO E APRENDIZAGEM DE QUMICA

Manuel Eduardo Fernandes Salgueiro

Janeiro de 2003

Departamento de Qumica

Faculdade de Cincias da Universidade do Porto

SIMULAES ON-LINE PARA O ENSINO

E APRENDIZAGEM DE QUMICA

Tese orientada por:

Professor Doutor Joo Carlos de Matos Paiva Universidade do Porto

Professor Doutor Jorge Marques Gonalves Universidade do Porto [*-S I I I ! I IJHiVf RSIDAOl DO m

Agradecimentos

Correndo sempre o risco de cometer a injustia (de que antecipadamente me penitencio) de

me esquecer de todas as pessoas que, de alguma forma, directa ou indirectamente, me

apoiaram e contriburam para a realizao deste trabalho, gostaria de expressar os meus

sinceros agradecimentos:

Ao Professor Doutor Joo Carlos de Matos Paiva, orientador desta tese, por todo o apoio

prestado desde o seu primeiro momento, desde a escolha do tema, pela sua disponibilidade e

pelo estmulo transmitido, pelos seus comentrios e sugestes, pela leitura e reviso do texto.

Ao Professor Doutor Jorge Marques Gonalves, co-orientador, pela sua disponibilidade,

pelos seus comentrios e sugestes pertinentes, pela sua leitura e reviso do texto.

Ao Professor Doutor Duarte Costa Pereira, pela sua preciosa ajuda no que se refere ao

tratamento estatstico dos estudos realizados.

Professora Doutora Maria Gabriela Ribeiro, por me ter permitido a consulta da sua

bibliografia, em especial pela consulta actualizada do Journal of Chemical Education.

Ao Eng Ildio Martins, pela sua disponibilidade, pelos seus conhecimentos e pela sua arte

na programao das simulaes.

A todos os alunos que participaram neste trabalho, sem os quais tal no seria possvel.

Maria Jos e Rita, pela pacincia e compreenso infinitas durante todo este trabalho.

II

Lista de abreviaturas

ADN: cido desoxirribonuclico

e. g.\ exempli gratia (por exemplo)

GHz: Giga (IO9) hertz

GR: Ganho residual

GRC: Ganho residual corrigido

GRCM: Ganho residual corrigido mdio

IAC: Instruo assistida por computador

IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry

MBL: Microcomputer Based Laboratory (laboratrio computadorizado)

PC: Personal Computer (computador pessoal)

PDA: Personal Digital Assistant (computador de bolso)

PVC: poli (cloreto de vinilo)

PTN: Condies normais de presso e de temperatura (P 1 atm; / = 0o C)

SI: Sistema Internacional de unidades

TIC: Tecnologias de informao e comunicao

vs: versus

III

Resumo

Este estudo teve como objectivos principais produzir, implementar e avaliar o impacto de

simulaes computacionais on-line no ensino e aprendizagem de conceitos de Qumica.

Foram desenvolvidas vrias simulaes apoiadas por pequenos filmes vdeo on-line, que

so descritas neste trabalho.

Ao nvel do 9o ano de escolaridade, foi desenvolvido e avaliado um conjunto de simulaes

relativo polaridade / no polaridade de algumas molculas. Os sujeitos do estudo foram 37

alunos de duas turmas do 9o ano da Escola Secundria de Alij e decorreu durante o ano

lectivo 2001/2002. Os contedos foram leccionados, nas duas turmas, de forma tradicional,

tendo-se acrescentado um conjunto de simulaes em computador numa das turmas (grupo

experimental). O impacto foi avaliado atravs de um conjunto de questes includas em teste

sumativo.

No 12 ano de escolaridade, investigou-se o impacto de uma simulao acerca da ligao

dipolo instantneo - dipolo induzido. Para este estudo, foram realizadas entrevistas a alunos

da mesma escola, tambm no ano lectivo 2001/2002. Neste caso, os alunos foram

entrevistados aps ensino dos contedos, no sentido de detectar dificuldades relativamente

aos mesmos. Aps visualizao da simulao, os mesmos alunos foram novamente

entrevistados no sentido de avaliar em que medida a simulao se revelou ou no eficaz na

resoluo das dificuldades anteriormente apresentadas.

Em ambos os casos os resultados revelaram a utilidade das simulaes, no sentido de

promover uma melhor visualizao e compreenso dos fenmenos envolvidos, podendo ser

uma hiptese para um ensino mais atraente e para despertar o gosto pelo estudo da Qumica.

Sugerem-se, finalmente, hipteses de desenvolvimento futuro.

IV

Abstract

The study which follows had as main goals to produce, implement and evaluate the impact

of on-line computational simulations in Chemistry teaching and learning.

Several simulations were developed and supported by small on-line video films, which are

described in this work.

In the 9th grade, it was developed a set of simulations related to the polarity I non-polarity

of some molecules. The subjects of the study were 37 students of two classes from Alij

Secondary School during the school year of 2001/2002. The contents were taught, in both

classes, in a traditional way, having been added a set of simulations with a computer in one of

the classes (the experimental group). The impact was evaluated through a set of questions

included in a summative test.

In the 12th grade, it was researched the impact of a simulation about the instant dipole -

- induced dipole intermolecular bonds. For this study, interviews were done to students of the

same school, also on the school year of 2001/2002. The students were interviewed after the

teaching of the contents, in order to detect difficulties about them. After the visualization of

the simulation, the same students were interviewed again in order to evaluate if the simulation

revealed to be efficient or not in the resolution of the previous difficulties.

In both cases the results revealed the utility of simulations in the sense of promoting a

better visualization and understanding of the involved phenomena, being an hypothesis for a

more attractive teaching and also to increase the taste for the study of Chemistry.

Finally, hypotheses of future development are suggested.

V

ndice

ndice

Agradecimentos U

Lista de abreviaturas III

Resumo IV

Abstract V

ndice de figuras X

ndice de grficos XIII

ndice de tabelas XIV

1- Introduo 1

1.1. Computadores por todo o lado 2

1.2. Estrutura da dissertao 3

2- As TIC no ensino das cincias 5

2.1. Breve retrospectiva 6

2.2. Os computadores e a Qumica 6

2.2.1. Simulaes em computador no ensino e aprendizagem da Qumica 7

2.2.2. Reviso de alguns estudos sobre simulaes computacionais em Qumica 10

2.3. Simulaes on-line 14

2.3.1. Vantagens das simulaes on-line 16

2.3.2. Constrangimentos das simulaes on-line 16

3- Foras intermoleculares 18

3.1. Definio 19

3.2. Dipolo elctrico 19

3.2.1. Interaces entre dipolos 20

3.2.2. Molculas polares e molculas apoiares 21

3.2.3. Momentos de dipolo induzidos 22

3.3. Tipos de foras intermoleculares 22

3.3.1. Ligao dipolo instantneo - dipolo induzido 23

VI

ndice

3.3.2. Ligao dipolo permanente - dipolo permanente 25

3.3.3. Ligao dipolo permanente - dipolo induzido 26

3.3.4. Ligao io - dipolo 27

3.3.5. Ligao de hidrognio 28

3.3.6. Ligao tnica 30

3.4. Importncia das foras intermoleculares 31

3.4.1. Estados fsicos 31

3.4.2. Mudanas de estado fsico 32

3.4.2.1. Mudanas de estado fsico e foras de disperso 33

3.4.2.2. Mudanas de estado fsico e ligaes de hidrognio 35

3.5. Repulses e interaces globais 36

4- Caso I: Ensino da polaridade molecular no 9o ano 38

4.1. Contexto 39

4.1.1. Contexto cientfico - pedaggico 39

4.1.1.1. Electrizao por contacto 42

4.1.1.2. Electrizao por influncia 42

4.1.1.3. Electrizao por frico 43

4.1.1.4 Teste experimental de polaridade molecular 45

4.1.2. Ponto da situao na Web 48

4.2. Simulao on-line desenvolvida 48

4.2.1. Descrio da simulao 48

4.2.2. Disponibilizao na Web 52

4.2.3. Roteiro de explorao 54

4.3. Metodologia 54

4.3.1. Tipo de estudo 54

4.3.2. Caracterizao da amostra 55

4.3.3. Limitaes do estudo 58

VII

ndice

4.3.4. Hiptese em estudo 59

4.3.5. Procedimento 59

4.4. Anlise dos resultados 61

5- Caso II: Ensino da ligao dipolo instantneo - dipolo induzido no 12 ano 67

5.1. Contexto 68

5.1.1. Contexto cientfico - pedaggico 68

5.1.2. Ponto da situao na Web 69

5.2. Simulao on-line desenvolvida 70

5.2.1. Descrio da simulao 70

5.2.2. Disponibilizao na Web 72

5.3. Metodologia 73

5.3.1. Tipo de estudo 73

5.3.2. Caracterizao da amostra 74

5.3.3. Limitaes do estudo 74

5.3.4. Procedimento 75

5.4. Anlise dos resultados 76

6- Concluses 81

Bibliografia 87

Glossrio 94

Anexos 100

Anexo I- Endereos de sites recomendados para o ensino e aprendizagem de

Qumica 101

Anexo II- Roteiro de explorao (9o ano) 104

Anexo III- Dados de natureza quantitativa (pr-teste) 114

Anexo IV- Teste sumativo (ps-teste) 116

Anexo V- Resultados do teste sumativo (ps-teste) 120

Anexo VI- Valores calculados para os ganhos de aprendizagem 123

VIII

Indice

Anexo VII- Entrevista(12 ano)-parteI 125

Anexo VIII- Entrevista (12 ano) - parte II 127

Anexo IX- Transcrio das entrevistas (12 ano) 129

Anexo X- Endereos de simulaes sobre ligaes intermoleculares 165

IX

ndice de figuras

ndice de figuras

Figura 1.1- Organizao da dissertao 4

Figura 2.1- Imagem de entrada do programa Le Chat II 9

Figura 2.2- Imagem de simulao da separao das bases citosina e gaunina no ADN 9

Figura 2.3- Imagem de simulao do acerto de equaes qumicas 10

Figura 2.4- Imagem de simulao on-line da experincia de Rutherford 15

Figura 2.5- Imagem principal de simulao on-line que permite misturar as cores primrias da luz 15

Figura 2.6- Imagem de simulao on-line da relao entre presso e temperatura, a volume constante, para um gs ideal 16

Figura 3.1- Ligaes intramoleculares vs ligaes intermoleculares em molculas de

HC1 19

Figura 3.2- Representao de um dipolo elctrico 20

Figura 3.3- Esquema dos dipolos elctricos em H2O e HC1 20

Figura 3.4- Representao de dipolos elctricos em H2O e em HC1. 20

Figura 3.5- Interpretao da polaridade de O3 21

Figura 3.6- Momento de dipolo no nulo em H2O. Representao simplificada de H2O

como molcula polar 22

Figura 3.7- Interpretao do momento de dipolo nulo em CO2 22

Figura 3.8- Representao da ligao dipolo instantneo - dipolo induzido 24

Figura 3.9- Representao de interaces entre molculas de HC1 25

Figura 3.10- Representao da orientao de dois dipolos permanentes 25

Figura 3.11- Representao da orientao de dois dipolos permanentes 25

Figura 3.12- Orientao paralela de dois dipolos permanentes 26

Figura 3.13- Representao da interaco dipolo permanente - dipolo induzido 26

ndice de figuras

Figura 3.14- Representao de interaces io - dipolo em NaCl / H2O 27

Figura 3.15- Representao de interaco io-dipolo 28

Figura 3.16- Representao de ligaes de hidrognio em H2O e em H2O / NH3 29

Figura 3.17-Frmula de estrutura e representao de ligaes intramoleculares de

hidrognio no cido mlico 29

Figura 3.18- Representao de ligaes de hidrognio na molcula de ADN 30

Figura 3.19- Representao de ligaes de hidrognio numa protena 30

Figura 3.20- Interaco tnica 30

Figura 3.21- Frmula de estrutura do glicerol 32

Figura 3.22- Interpretao dos pontos de ebulio de pentano e de tetrametilmetano 35

Figura 3.23- Representao genrica de curva de energia potencial para uma molcula 36

Figura 3.24- Relao entre os parmetros e e r0 da curva de energia potencial de

Lennard- Jones 37

Figura 4.1- Electroscpio; representao simplificada 41

Figura 4.2- Representao da electrizao de um electroscpio por contacto 42

Figura 4.3- Electrizao por influncia 42

Figura 4.4- Representao da electrizao de um objecto de plstico por um pano de l 44

Figura 4.5- Representao da electrizao de um objecto de vidro por um pano de seda 44 Figura 4.6- Esquema de montagem para provar experimentalmente que quando um

objecto friccionado, o excesso de electres com que um objecto fica igual deficincia com que fica o outro 44

Figura 4.7- Esquema de montagem para testar a polaridade molecular 45

Figura 4.8- Imagem de vdeo do esquema de montagem para testar a polaridade da acetona 45

Figura 4.9- Interpretao do comportamento de H2O perante um objecto electrizado 46

XI

ndice de figuras

Figura 4.10- Interpretao do comportamento de CCU perante um objecto electrizado 47

Figura 4.11- Imagem de entrada da simulao "Interaces" 49

Figura 4.12-Janela mostrando substncias a escolher para testar a polaridade das

respectivas molculas 50

Figura 4.13- Janela mostrando materiais a escolher para electrizar 50

Figura 4.14- Imagem do teste de polaridade com acetona 51 Figura 4.15-Visualizao macroscpica e interpretao microscpica do comporta-

mento de um fio de gua perante um objecto de plstico electrizado 51

Figura 4.16- Imagens de simulao da electrizao de uma barra de plstico e sua

aproximao a um fio de gua 52

Figura 4.17- Imagem de entrada no "Molecularium" na Internet 52

Figura 4.18- Imagem de entrada de "Ligaes intermoleculares" na Internet 53

Figura 4.19- Imagem de entrada da simulao "Interaces" na Internet 53

Figura 5.1- Imagem esttica final da simulao "Dipolo", na sua primeira verso 71

Figura 5.2- Imagem esttica final da simulao "Dipolo", na sua segunda verso 71 Figura 5.3- Imagem da simulao "Dipolo" evidenciando a utilizao do comando

"AVANAR" para a visualizao do movimento de cargas elctricas durante a formao dos dipolos induzidos 72

Figura 5.4- Imagem esttica final da simulao "Dipolo", na sua terceira verso 73

Figura 5.5- Imagem final da simulao "Dipolo" (3a verso) na Internet 73

XII

ndice de grficos

ndice de grficos

Grfico 3.1- Relao entre pontos de ebulio e pontos de fuso de algumas molculas com o seu tamanho e nmero de electres 33

Grfico 3.2- Efeito das ligaes de hidrognio sobre o ponto de ebulio de algumas molculas 35

Grfico 4.1- Comparao dos resultados (mdia dos testes) do grupo de controlo e do grupo experimental antes de ensino diferenciado 56

Grfico 4.2- Comparao dos resultados (mdias em percentagem), por questo, do grupo experimental e do grupo de controlo aps ensino diferencial 62

Grfico 4.3- Representao dos resultados do ps-teste em funo do pr-teste 63

Grfico 4.4- Comparao dos ganhos residuais corrigidos (GRC) individuais no grupo de controlo e no grupo experimental 64

Grfico 4.5- Comparao entre o nmero de alunos a responder correctamente s questes relativas polaridade de H2O 66

XIII

ndice de tabelas

ndice de tabelas

Tabela 2.1- Resumo de alguns estudos envolvendo simulaes computacionais em

Qumica 13

Tabela 3.1- Constantes dielctricas de alguns lquidos puros, a 25 C 28

Tabela 3.2- Resumo das caractersticas essenciais das diversas foras intermoleculares e da ligao tnica 32

Tabela 3.3- Relao entre foras de disperso, pontos de ebulio e estado fsico

nalguns alcanos 34

Tabela 3.4- Comparao entre pontos de ebulio de dois alcanos ismeros 34

Tabela 3.5- Parmetros de Lennard-Jones de algumas molculas 37

Tabela 4.1- Srie triboelctrica 43

Tabela 4.2- Parmetros estatsticos dos grupos de controlo e experimental antes de ensino diferencial 57

Tabela 4.3- Parmetros estatsticos dos grupos de controlo e experimental relativamente mdia dos testes antes de ensino diferencial 57

Tabela 4.4- Resultados do grupo de controlo vs grupo experimental nas questes de polaridade molecular aps ensino diferencial 61

Tabela 4.5- Parmetros estatsticos dos grupos de controlo e experimental aps ensino diferencial 62

Tabela 4.6- Comparao dos parmetros estatsticos relativos aos GRCM no grupo controlo e no grupo experimental 64

XIV

Captulo 1

Introduo

1- Introduo

1- Introduo

1.1. Computadores por todo o lado

Os computadores vieram revolucionar a forma como toda uma srie de actividades so

desenvolvidas, bem como a prpria vida do Homem. O seu impacto na humanidade

comparvel ao da criao da agricultura e ao da revoluo industrial (Toffler, 2000). Hoje em

dia so ferramentas de trabalho indispensveis e quase omnipresentes. A sua utilizao

quase inumervel: desde a simples utilizao como fonte de diverso (jogos, filmes, etc) ou

para processamento de texto, at sua utilizao em investigao cientfica (clculos que na

sua ausncia poderiam levar anos a realizar, modelao, estudos dinmicos de novas

substncias a introduzir como medicamentos, etc) ou ainda como forma de automatizar e at

substituir o Homem em muitas tarefas (Gates, 1999). A lista seria interminvel, podendo

afirmar-se que quase no se pode viver sem os computadores, pelo menos no actual estilo de

vida da sociedade ocidental (Negroponte, 1995).

frequente apontar-se o desemprego como um dos males trazidos pelos computadores,

pela substituio que fizeram da mo de obra humana em muitas actividades. Convm,

entretanto, no esquecer que a indstria de computadores e reas relacionadas gerou uma srie

de postos de trabalho e de emprego anteriormente inexistentes: software, fabrico dos

microprocessadores, montagem de computadores, nas telecomunicaes, empregos

relacionados com a Internet, so apenas alguns exemplos. Feito o balano entre prs e

contras, muito provavelmente os ganhos sero maiores que as perdas.

O ensino, embora sofra de alguma "inrcia" e as mudanas no se faam velocidade

desejvel (Papert, 1994), no excepo influncia do uso de computadores. A sua utilidade

no contexto educativo parece inegvel (Suppes, 1992), apesar de alguma desiluso

relativamente a um uso mais macio atribuda, sobretudo, resistncia dos professores (Miller

e Olsen, 1994), que, por por falta de contacto e experimentao dos computadores e das

tecnologias da informao e comunicao (TIC) em sentido lato, no reconhecem as suas

potencialidades e as afastam da sua prtica (Paiva, 2002).

Sendo a Qumica uma cincia do infinitamente pequeno, a compreenso adequada de

muitos dos seus fenmenos implica necessariamente a sua visualizao mental. As

simulaes em computador tm-se revelado, neste sentido, uma ferramenta pedaggica de

valor acrescentado. Sendo a Internet o espao ideal para a disseminao da informao, a

utilizao e explorao de simulaes on-line para se aprender e ensinar Qumica bastante

oportuna.

2

1 - Introduo

1.2. Estrutura da dissertao

O trabalho que a seguir se apresenta teve como objectivos principais produzir e avaliar o

impacto da utilizao de simulaes computacionais no ensino e aprendizagem de contedos

de Qumica, tendo decorrido numa dupla vertente:

1- Simulao da polaridade / no polaridade molecular, ao nvel do 9o ano de escolaridade.

2- Simulao da ligao dipolo instantneo - dipolo induzido, ao nvel do 12 ano de

escolaridade.

O processo comeou com a seleco dos contedos especficos, tendo-se feito o

levantamento de dificuldades relacionadas com o ensino e aprendizagem dos mesmos. Este

levantamento foi realizado com base em bibliografia e tendo igualmente em linha de conta

uma experincia prpria enquanto professor. De modo a superar os problemas detectados

anteriormente, colocaram-se as seguintes hipteses:

1- Ser que o ensino da polaridade e no polaridade molecular auxiliada por simulaes em

computador se revela eficaz no processo de ensino / aprendizagem destes conceitos, ao

nvel do 9o ano de escolaridade?

2- Quais os benefcios, para os alunos do 12 ano, de uma simulao da ligao

intermolecular dipolo instantneo - dipolo induzido?

Verificou-se, ento, o que existia na Web sobre o assunto e, no se tendo encontrado nada

especfico com valor acrescentado, partiu-se para a construo de simulaes em computador

com o objectivo de visualizar e compreender os fenmenos envolvidos em cada caso. A

disponibilizao na rede foi o passo seguinte.

As simulaes foram utilizadas e exploradas durante as aulas, tendo-se avaliado o seu

efeito em termos dos resultados obtidos atravs da avaliao. Dos resultados extraram-se

concluses e apontam-se sugestes para estudos futuros.

O diagrama seguinte (figura 1.1) resume as principais fases do trabalho.

No endereo www.educa.fc.up.pt/investiga/teses/salgueiro possvel a consulta desta

tese on-line. Est igualmente disponvel em CD-ROM no final desta dissertao.

3
http://www.educa.fc.up.pt/investiga/teses/salgueiro

1 - Introduo

Contedos a leccionar

Polaridade / no polaridade

molecular (9o ano)

Ligao dipolo instantneo - dipolo induzido (12 ano)

Levantamento de dificuldades

Hiptese

Ensino com simulaes ser eficaz para uma melhor compreenso da polaridade molecular?

Em que medida a simulao consegue ajudar a superar as dificuldades?

Ponto de situao na Web

Construo de simulaes

Colocao na Web

Metodologia de investigao

Entrevista

(12 ano)

Figura 1.1- Organizao da dissertao.

4

Captulo 2

As TIC no ensino das cincias

2 As TIC no ensino das cincias


2.1. Breve retrospectiva

A utilizao das TIC no ensino das cincias est inevitavelmente ligada ao

desenvolvimento dos computadores pessoais (PCs), nos finais da dcada de 70 do sculo XX.

Este desenvolvimento est, por sua vez, intimamente relacionado com o dos

microprocessadores, cujo desempenho tem sido assinalvel (http://tek.sapo.pt/comp;

http://www.pcmag.com) e, ainda, por preos acessveis que tm permitido a sua massificao.

De facto, desde o famoso ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), criado

em 1946, com 30 toneladas, cerca de 18 000 vlvulas e capaz de efectuar 500 multiplicaes e

5000 adies por segundo (http://www.nunoportugal.com/microlusa/histcomp/comp.htm), at

aos mais recentes computadores de secretria e portteis que operam acima dos 3 GHz, os

tablet PC e computadores de bolso (PDAs, Personal Digital Assistants), os progressos so

assinalveis (http://www.pcmag.com).

Assim, no sculo XX, o perodo que vai da dcada de 60 at finais da dcada de 70

referido pela literatura como a era do uso de meios analgicos (filmes e vdeos) no ensino. A

utilizao de meios digitais deuse na dcada de 80 (Brown, 1999). Foi durante esta dcada

que apareceram as simulaes em computador e foi tambm nesta altura que apareceu o CD

ROM, em 1985. Na dcada de 90 assistiuse ao continuado desenvolvimento dos

computadores, descida do seu custo e a tendncias inovadoras, como a realidade virtual e a

inteligncia artificial.

2.2. Os computadores e a Qumica

A Qumica no escapa "fatalidade" do uso dos computadores e das TIC. de referir, a

ttulo de exemplo:

Tratamento de dados / estatstica atravs de folhas de clculo que poupam tempo ao

utilizador.

Clculos que seriam infinitamente demorados, como o caso da resoluo de

equaes relativas mecnica quntica.

Aquisio de dados atravs de interfaces que permitem a aquisio e tratamento, em

tempo real, de dados atravs de sensores. So disto exemplos a possibilidade da

realizao de uma titulao de cidobase e a construo simultnea da respectiva

curva de titulao, com utilizao de sensores de pH; a verificao da lei de Boyle

Mariotte atravs de sensores de presso; a verificao da relao entre presso e

6
http://tek.sapo.pt/comphttp://www.pcmag.comhttp://www.nunoportugal.com/microlusa/histcomp/comp.htmhttp://www.pcmag.com


temperatura (a volume constante) para um gs atravs da utilizao simultnea de

sensores de presso e de temperatura.

Explorao de software didctico especfico para ensino I aprendizagem de Qumica.

o caso, por exemplo, de programas para ensino de equilbrio qumico ou para o

ensino da constituio da matria.

Modelao da interaco de novos frmacos e medicamentos investigados no

tratamento de doenas, como seja a descoberta de novos agentes no combate ao cancro

(http://members.ud.com/projects/cancer/index.htm).

Simulaes em computador quer em termos de investigao (interaco de uma

enzima com o substrato, por exemplo), quer para o ensino / aprendizagem de Qumica

(experincia de Rutherford, por exemplo).

Automatizao de diversas tcnicas: cromatografia, interpretao de espectros,

quantificao de analitos, etc.

De facto, a relao entre computadores e a Qumica (ou pode ser) muito estreita, tendo

justificado a atribuio de um Prmio Nobel, em 1998, a Walter Kohn e John Pople, pelos

seus estudos que possibilitaram o uso de equaes complexas da mecnica quntica para o

estudo de molculas e processos moleculares com o auxlio dos computadores

(http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1998/index.html).

2.2.1. Simulaes em computador no ensino e aprendizagem da Qumica

Nos ltimos anos, no mbito das TIC, as simulaes computacionais tm registado um

desenvolvimento assinalvel e uma aplicao crescente em termos do ensino e aprendizagem.

As simulaes em computador consistem basicamente em programas ou ambientes gerados

em computador que contm um modelo subjacente e onde o objectivo que o

utilizador / aprendiz infira o modelo, que interaja, que interiorize e consubstancie

aprendizagens. Pretendese, desta forma, que o aprendiz participe de uma forma activa na

descoberta do conhecimento numa perspectiva construtivista (Joolingen, 1999). No ensino, as

simulaes em computador representam experincias da realidade que:

Ou so difceis de visualizar sem o recurso ao computador. o caso, por exemplo, da

manipulao de variveis (temperatura, concentrao, presso) sobre o estado de

equilbrio qumico (Paiva, 2000) ou a propagao de ondas mostrando fenmenos de

interferncia (Cox, 1992).

7
http://members.ud.com/projects/cancer/index.htmhttp://www.nobel.se/chemistry/laureates/1998/index.html


Ou so perigosas, caras ou muito morosas (Cox, 1992).

As simulaes so ainda indicadas quando est em causa a segurana. E o caso da

simulao da produo de cido sulfrico (Cox, 1992).

Do ponto de vista pedaggico, as simulaes apresentam algumas vantagens que podero

ser enumeradas (Russell et ai, 1997):

Possibilidade de visualizar fenmenos qumicos quer escala macroscpica quer

microscpica, fazendo a ligao entre este dois "mundos".

Facilidade de reproduo a maior ou menor velocidade.

Possibilidade de um semnmero de repeties do mesmo fenmeno.

Eliminao dos custos das experincias laboratoriais, acrescendo ainda a possibilidade

de um laboratrio sempre limpo e de um nmero infinito de repeties.

Interactividade, permitindo ao utilizador uma participao activa e a possibilidade de

seleccionar o que pretende experimentar.

Possibilidade de se interagir sem receio de errar (tantas vezes os alunos se inibem, nas

aulas, de participar com receio de errar) ou at de danificar material (em actividades

experimentais, por exemplo).

Deve, contudo, chamarse a ateno para o facto de as simulaes serem uma alternativa

realidade, no a realidade (Brown, 1999). Pretendese, deste modo, alertar para o facto de

que uma simulao no deve substituir o trabalho experimental e de laboratrio que esses,

sim, traduzem a realidade. As simulaes imitam e so uma espcie de zoom dos fenmenos

escala microscpica e, em determinadas situaes, podero ser a nica forma de se poderem

ver e entender esses fenmenos (e.g., a simulao de uma reaco qumica).

Como exemplos de simulaes computacionais em assuntos de Qumica, podero citar

se, sobre equilbrio qumico, o Great Chemical Bead Game (Cullen, Jr, 1989) ou o Le Chat II

(Paiva, 2000 figura 2.1), o 4M.CHEM (Russell et ai, 1997) sobre cidobase e equilbrio

qumico, o Chemland (download a partir de http://soulcatcher.chem.umass.edu/cgi

bin/pickPage.cgi?downloads.html) sobre cromatografia lquida (figura 2.2) ou, para acerto de

equaes qumicas, The Equation Balancer (download a partir de

http://ourworld.compuserve.com/homepages/RayLec/atoms.htm) includa no programa

Atoms, Symbols and equations v 2.4.(figura 2.3).

8
http://soulcatcher.chem.umass.edu/cgibin/pickPage.cgi?downloads.htmlhttp://soulcatcher.chem.umass.edu/cgibin/pickPage.cgi?downloads.htmlhttp://ourworld.compuserve.com/homepages/RayLec/atoms.htm

2- As TIC no ensino das cincias

Figura 2.1- Imagem de entrada do programa Le Chat IL

O Section 8 File Sim Speed Instructions Compound Categories Mobile Phase Column Type Row Rate Detection

Chromatography Simulations of Published Results

Nucleic Ac id Components

O Adenine and Adenosine

O ATP and Guanine

Cytosine and Guanosine

ConcvMracioii

Y

26,8 mu

Ekite

K(Cytosine) = 1.84

K(Guanine) = 2.56

a = 1.39

M^

Figura 2.2- Imagem (do programa Chemland) de simulao relativa separao, por cromatografia lquida, das bases citosina e gaunina.


The Equation Balancer Click on reactant and product formulas until you have a balanced equation

- for a real chemical reaction. Then click OK. \JJ

Reactant 1

2

I I

Na +

2Na +

Reactant 2

NaOH i Mfl

2

I I

"ci | | o2 |

2

I I

CH4 I CuO

2

I I

H?A H20 I

2

I I

Chlorine

CaCOgII Na

2

I I CI 2

2

I I

M

2

I I

2

I I

Combustion |

CI. : I NaCI I

CI ,

mm

2NaCI

Possible products

LJ NaOH 11 co2 11 C'C2 | [~HCT

CuSoJI H 20 | | caS0 4 | | Mgcij,

MflO |1 H2 | [ C u C I 2 | | N 2 S a

CaO 11 Na2Q 11 NaCI | |M f l so 4

Exit

Figura 2.3 Imagem de The Equation Balancer, simulao do acerto de equaes qumicas, includa no programa Atoms, Symbols and Equations v 2.4.

2.2.2. Reviso de alguns estudos sobre simulaes computacionais em Qumica

Friedler, Nachmias e Linn (1990) investigaram, nos Estados Unidos da Amrica, o

impacto dum MBL (microcomputer based laboratory) relativamente observao e

previso relativamente a problemas envolvendo os conceitos de calor e de temperatura. O

objectivo principal era conceber um mdulo capaz de fomentar o raciocnio e posteriormente

avalilo.

No estudo estiveram envolvidos 110 alunos de 8o ano de escolaridade, distribudos da

seguinte forma: em 2 turmas enfatizouse a capacidade de observao e noutras 2 turmas a

capacidade de previso. Para o MBL, dispunham de um computador por 2 alunos, sensores de

temperatura e software prprio, sendo esta instruo aplicada durante um semestre (29 aulas).

Algumas das questes a que os autores que pretendiam obter resposta eram:

1 Como que os alunos adquirem as capacidades de observao e de previso a partir de

um currculo MBL?

2 As exigncias do grupo de observao so diferentes das do grupo de previso?

3 A aprendizagem das capacidades de observao e de previso ajudam os alunos noutras

capacidades de raciocnio (planeamento, controlo de variveis, etc)?

A avaliao da instruo constou genericamente dos seguintes instrumentos:

Teste final "de descoberta".

10


Teste de raciocnio cientfico.

Teste de conhecimento sobre a matria.

Observao na sala de aula.

Entrevistas.

Os resultados mostraram que o grupo de alunos envolvidos na observao aprenderam a

fazer observaes mais pormenorizadas, descrevendo os passos iniciais, alteraes durante a

experincia e interpretao de resultados. O grupo de alunos envolvido na previso era capaz

de fazer previses em mais pormenor e de justificlas com base nas suas experincias

anteriores.

Os dois grupos obtiveram resultados semelhantes em testes de conhecimentos e em

mestria de outras capacidades de raciocnio cientfico.

Hameed, Hackling e Garnett (1993), na Austrlia, utilizaram uma "instruo assistida por

computador" (IAC) para "desafiar" dificuldades previamente identificadas sobre equilbrio

qumico. A IAC utilizou simulaes para criar conflito cognitivo nos alunos e para promover

concepes cientficas.

O estudo envolveu 30 alunos do 12 ano nas Maldivas, sendo as CAs obtidas por

entrevista, teste de escolha mltipla, tendo escolhido, para o efeito, o seguinte equilbrio,

desconhecido dos alunos:

2NO(g)+ Cl 2 (g )^2NOCl(g )

Aps instruo normal, sobre equilbrio qumico e teste de papel e lpis, os alunos

tiveram 2 aulas com IAC, de 90 minutos cada, sendo posteriormente realizado novo teste.

Notouse, aps a IAC, de um modo geral, um efeito positivo (que variou entre 19% e

95% para diferentes dificuldades), que os autores referem como podendo ser imputveis

IAC. Estes resultados foram, alm disso, duradouros.

Referem, ainda, que os computadores tm claramente duas vantagens que os tornam

particularmente teis para a mudana conceptual:

1 A possibilidade de instruo individualizada.

2 A possibilidade de simular muitos problemas cientficos com eficcia {e.g., o

comportamento molecular pode ser observado).

11


Clavel e Duarte (1997) investigaram, em Portugal, a razo de os alunos terem a ideia

(errada) de que a matria descontnua e esttica. Para isso, utilizaram um software

hipermedia com simulao cujas caractersticas essenciais eram:

1 - As partculas em constante movimento.

2- Os espaos entre as partculas vazios.

O estudo envolveu 57 alunos de 8o ano, sendo 28 a turma de controlo e 29 a turma

experimental, durante 3 meses.

A avaliao mostrou que os alunos da turma experimental demonstraram:

1- Maior aplicao da ideia de espaos vazios (nomeadamente para os estados lquido e

gasoso).

2- Maior referncia existncia de movimentos intrnsecos das molculas.

3- Facilidade acrescida na aplicao de ideias submicroscpicas na explicao dos

fenmenos apresentados.

Sanger, Phelps e Fienhold (2000), nos Estados Unidos da Amrica, utilizaram uma

animao no computador para melhor compreenso do colapso / esmagamento de uma lata

contendo gua em ebulio ao ser invertida sobre gua fria ou quando fechada (rolhada) e

arrefecida.

O estudo envolveu 70 alunos do Io ano de um curso superior de Qumica, que

apresentaram diversas ideias erradas e/ou dificuldades:

1- No interpretao do fenmeno a nvel molecular, aplicando cegamente as leis dos gases.

2- As molculas so capazes de mudar de forma e de tamanho.

3- A energia uma forma de matria ao nvel macroscpico.

4- No reconhecimento do vapor de gua na lata.

Aps aplicao da animao, verifcou-se que os alunos eram capazes de explicar o

fenmeno correctamente, mencionando a condensao do vapor de gua (fazendo a presso

dentro da lata diminuir), o que leva ao seu colapso por diferena de presso relativamente ao

exterior.

Na tabela 2.1 esto sintetizadas as caractersticas essenciais dos estudos referidos. Estes

estudos so s uma amostra da vasta investigao que existe neste domnio, mas que no so,

12


contudo, muito abundantes na temtica das ligaes intermoleculares, nomeadamente no que

se refere a simulaes computacionais.

Contedos Dificuldades Questo central Amostra e

metodologia Resultados aps

aplicao Autores

Calor e tem-peratura

Aspectos no previstos no estudo.

Avaliar o im-pacto de um MBL na apren-dizagem dos conceitos de calor e de temperatura.

110 alunos de turmas de 8o ano.

MBL para um par de alunos.

Melhorias ao nvel da observao e da previso, assim co-mo na capacidade de resoluo de problemas.

Friedler, Nach-mias e Linn, 1990.

Equilbrio qu-mico

Foram detecta-das 16 dificul-dades.

Em que medida as dificuldades que os alunos apresentavam sobre equi-lbrio qumico foram alteradas por uma IAC base-ada num modelo de um-dana concep-tual.

30 alunos de 12 ano com entre-vista e teste de escolha mltipla para detectar dificuldades.

Simulao para criar o conflito cognitivo com respectivo feed-back.

Efeitos positivos que variaram de 19% a 95%.

Os melhores resul-tados foram nos casos onde, alm do conflito cogni-tivo, se utilizaram grficos.

Hameed, Hack-ling e Garnett, 1993.

Estrutura da matria

Concepo de matria cont-nua e esttica.

Os alunos con-cebem a mat-ria como cont-nua e esttica, referindo que esta concepo muito basea-da na teoria cintica mole-cular.

57 alunos de 8o ano.

Software hiper-media com simu-lao.

Aplicao da ideia de espaos inter-moleculares.

Referncia exis-tncia de movi-mentos molecula-res.

Maior facilidade na aplicao de ideias submicroscpicas na explicao dos fenmenos apre-sentados.

C lavei e Duarte, 1997.

Teoria cintica molecular; leis dos gases

Molculas ca-pazes de mudar de forma e tamanho.

A energia uma forma de matria ao n-vel macrosc-pico.

A razo pela qual colapsa uma lata aberta aquecida con-tendo vapor de gua quando rolhada e arre-fecida ou quan-do se inverte sobre gua fria.

70 alunos (1 ano, 2 semestre dum curso supe-rior de Qumica).

Simulao em computador.

Melhor explicao do fenmeno base-ado na diminuio da presso entre a lata e o exterior, que a faz colapsar.

Sanger, Phelps e Fienhold, 2000.

Tabela 2.1- Resumo de alguns estudos envolvendo simulaes computacionais em Qumica.

13


2.3. Simulaes on-line

O desenvolvimento das TIC e da sociedade da informao trouxe consigo as redes de

computadores (e de sistemas de comunicao em geral) que, desta forma, passam a debitar

cada vez maiores quantidades de informao.

Neste contexto, a Internet desempenha um papel primordial no processo educativo. No

, pois, de admirar, que escolas e universidades a utilizem para divulgar os seus cursos, para

desenvolverem materiais de apoio ao ensino (testes, vdeos, apontamentos, etc) e, at, para

angariar novos alunos. No anexo I indicamse alguns endereos (com descrio sumria) na

Web, dedicados ao ensino e aprendizagem de Qumica.

Relativamente ao processo de ensino / aprendizagem, podero ser enumerados alguns

benefcios trazidos pela Web:

O acesso informao praticamente ilimitado: tanto se pode visitar um museu

virtual em Nova Iorque, como obter informao mais actualizada sobre os efeitos

ambientais relativos camada do ozono.

A variedade de recursos enorme: grficos, imagem, texto, som, vdeo, etc.

A possibilidade de pesquisa e descoberta, que contribui no s para alargar o leque de

conhecimentos do aluno, como igualmente para aumentar a sua autoestima.

As possibilidades de comunicao via correio electrnico {email) e chat ("conversar"

electronicamente com outros usando o teclado do computador).

A igualdade de oportunidades para todos.

A participao na sociedade da informao.

Uma maior credibilidade do professor perante os alunos, na medida em que estes

podem estudar matrias anteriormente leccionadas, de modo tradicional.

Na Web existe praticamente informao sobre tudo o que se pretenda, em qualquer local e

a qualquer hora. O papel do professor essencial no sentido de "filtrar" muita dessa

informao que pode estar "distorcida" ou at cientificamente incorrecta, sendo, cada vez

mais, um orientador que ajude os seus alunos a saber procurar e a seleccionar a melhor

informao.

Para o ensino e aprendizagem de Qumica, existem variadssimos sites com simulaes

interactivas e em tempo real. A ttulo de exemplo, apresentamse alguns endereos:

14


http://www.howstufworksxorr^framed.htm?parent=atom.htm&url=http://micro.magn

et.fsu.edu/electromag/java/rutherford/, simulao da experincia de Rutherford (figura

2.4).

http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/image/rgbColor.html, que permite misturar as cores

primrias da luz (figura 2.5).

http://jersey.uoregon.edu/vlab/Piston/index.htmlg, simulao do comportamento de

um gs ideal (figura 2.6).

Figura 2.5 Imagem principal de simulao on-line que permite misturar as cores primrias da luz.

15
http://www.howstufworksxorr%5eframed.htm?parent=atom.htm&url=http://micro.magnhttp://et.fsu.edu/electromag/java/rutherford/http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/image/rgbColor.htmlhttp://jersey.uoregon.edu/vlab/Piston/index.htmlg


Welcome to the Pressure Chamber

Figura 2.6 Imagem de simulao on-line da relao entre presso e temperatura, a volume constante, para um gs ideal.

2.3.1. Vantagens das simulaes on-line

As simulaes on-line apresentam algumas das caractersticas j mencionadas para as

simulaes e para as TIC em sentido lato: interactividade, eliminao dos custos das

experincias com laboratrio sempre limpo e arrumado, possibilidade de repetio sempre

que se quiser e sem receio de errar, visualizao de fenmenos a nvel microscpico a maiores

ou menores velocidades, etc. Acrescentese, ainda, a vantagem das simulaes na Web serem

tipicamente de livre acesso, dado que no implica, por parte do utilizador, qualquer

pagamento (alm do custo da utilizao da rede) para delas poder usufruir. Finalmente, h a

referir que no ocupam espao no disco duro do computador do utilizador, no precisam de

ser instaladas nem de se fazer o seu download, dado que esto on-line.

2.3.2. Constrangimentos das simulaes on-line

Apesar de todas as virtudes das simulaes on-line, alguma frustrao e desencanto no

que diz respeito ao seu uso em contexto pedaggico tm sido apontados por diversos autores

(Miller e Olson, 1994; Donovan e Nakhleh, 2001; Paiva, 2002):

Uma certa "fobia" dos professores por estes materiais devido a prticas e rotinas

enraizadas h muito, o que dificulta a sua implementao.

Pouca conscincia e desconhecimento at das suas potencialidades.

A inexistncia da igualdade que se reclama; a implementao das TIC no , de modo

algum, uniforme, havendo populaes mais favorecidas do que outras. Muitos alunos

h que no tm sequer computador, o que poder dificultar a sua relao com os

mesmos.

16


Experincia insuficiente com as TIC, quer em termos de formao inicial dos

professores, quer em termos de formao contnua.

Stress dos professores na sua actividade diria.

Convm sempre ter em mente que as simulaes so uma aproximao realidade, no

so a realidade propriamente dita, devendo esta ideia estar sempre presente quando se

utilizam simulaes {on-line ou no), de modo a no criar ideias erradas nos alunos que

aprendem manipulando essas mesmas simulaes.

Frisase, pois, que as simulaes para o ensino e aprendizagem de Qumica so, em si

prprias e de um modo geral, um bem. A sua eficcia pedaggica, contudo, depende muito

dos contextos e dos protagonistas.

Feitas as contas, o balano global , porm, claramente positivo. E se j o hoje, muito

mais ser amanh quando a massifcao da largura de banda deixar de ser uma miragem,

nomeadamente com a ADSL (Assymetric Digital Subscriber Line), alargamento de banda via

linha telefnica. Esta foi a razo de se ter optado por construir mdulos on-line (ver adiante

4.2. e 5.2.).

17

Captulo 3

Foras intermoleculares

3- Foras intermoleculares


3.1. Definio

As foras que se estabelecem entre molculas so designadas foras intermoleculares.

Tal como as foras intramoleculares (mais conhecidas por covalentes, entre tomos dentro de

uma molcula), so de natureza electrosttica (repulses entre electres, repulses entre

ncleos e atraces entre ncleos e electres). A figura seguinte ilustra a diferena entre

foras intermoleculares e intramoleculares.

Ligaes _ intermoleculares

H-Cl

Ligaes intramoleculares

Figura 3.1- Ligaes intramoleculares vs ligaes intermoleculares em molculas de HC1.

No entanto, as ligaes intramoleculares so, de um modo geral, mais fortes que as

ligaes intermoleculares. Por exemplo, para se conseguir separar, a 100 C, uma mole de

molculas de gua lquida, fenmeno representado pela equao

H20(1) - H20(g)

necessria uma energia de 41 kJ. Entretanto, a separao de uma mole de molculas de

vapor de gua nos seus elementos, representada por

H20(g) > 2H(g) + 0(g )

exige a energia de 930 kJ (Gil, 2001).

3.2. Dipolo elctrico

Qualquer que seja o tipo de ligao intermolecular, est sempre presente o conceito de

dipolo elctrico (Gil, 2001), que poder ser permanente, caso de molculas polares (e.g., HC1)

ou que tenha que ser formado (instantneo), como o caso de molculas apoiares (02, N2,

CH4, etc).

19


Um dipolo elctrico pode ser definido como um conjunto de -*

cargas elctricas pontuais, qA e q&, os plos, separadas entre si a * ^

uma distncia r (Atkins, 1998). Uma medida quantitativa da Q (+)

polaridade de um dipolo dada pelo momento de dipolo (ou r

momento dipolar), //, representado por um vector com sentido da umd^iol^ri.Cntaa

carga negativa para a carga positiva (figura 3.2) e de intensidade

H = qy.r (3.1)

Embora no sistema internacional de unidades (SI) as unidades de ju sejam C m (coulomb

metro), vulgar, no entanto, exprimi-las em D (debye), sendo 1 D = 3,33564 x 10" C m. C

a unidade SI para carga elctrica.

Numa molcula, a existncia de um dipolo elctrico resultante das diferentes

electronegatividades dos tomos que participam na ligao qumica: os electres da ligao

so mais fortemente atrados pelo tomo mais electronegativo. Deste modo, os electres esto

mais deslocados na direco de um dos tomos, gerando junto deste uma zona com excesso

de electres (um plo 8") e, junto do outro, uma zona com deficincia de electres (um plo

+). Dipolos elctricos existem, por exemplo, em molculas como H2O ou em HC1, como a

seguir se representa (figura 3.3).

S" 6" 0

/ \ H H + -5+ 5+ H Cl

Figura 3.3- Esquema dos dipolos elctricos em H20 e HC1. Por simplificao, no esto representados os pares de electres no ligantes.

Podem representar-se os dipolos de outra forma tendo em conta a nuvem electrnica das

molculas (figura 3.4).

Ch & &


independentemente por Joseph Priestley e Charles Coulomb (Oxtoby e Hachtrieb, 1990),

dada por (Atkins, 1998; Chang, 2000):

F = & < 3 - 2 )

Nesta equao, b = 8,845 x IO"12 C2 J"1 m"1 a permitividade no vazio.

Noutro meio (ar ou um lquido, e.g.), ser dada por (Atkins, 2000)

F = ^ \ (3. 3) 471 er

onde e a permitividade do meio, definida como e = % SQ, sendo % a permitividade relativa

(ou constante dielctrica) do meio. Por sua vez, a energia potencial elctrica, V, do sistema dada por (Chang, 2000):

v=A_qjL (3.4) 4%e0r

3.2.2. Molculas polares e molculas apoiares

Relacionado com a existncia de dipolos elctricos numa molcula est o facto de haver

molculas polares e molculas apoiares. Se o momento de dipolo resultante, //res, da molcula

for nulo, esta ser apolar; se for no nulo, ser polar.

Molculas diatmicas heteronucleares so polares, havendo uma relao estreita entre ju e

a diferena de electronegatividades, x, dos seus tomos (Atkins, 1998) dada por /u I D A%.

Por exemplo, HC1 e Hl apresentam valores ju ID 1,08 e 0,42, respectivamente.

Molculas homonucleares podem ser apoiares (e.g., para H2, / / / D = 0) e podem ser

polares, apesar de no haver diferena de electronegatividade entre os seus tomos. -

Um exemplo a molcula de ozono, O3, que polar devido ^

sua geometria (angular) e devido ao facto de a densidade o

electrnica ser menor no seu tomo central (figura 3.5). Nesta ' ^ O O

molcula, (///D) = 0,53. " 5" Figura 3.5- Interpretao da polaridade de 03 . In Atkins, 1998.

Molculas poliatmicas polares tm um momento de dipolo "global", resultante, /yres, no

nulo: a combinao dos vrios momentos de dipolo da molcula diferente de zero (figura

3.6- a). Desta forma, a molcula pode ser reduzida a um dipolo (figura 3.6- b).

21

3 Foras intermoleculares

- S" 8" - MK. O V ^ B

+ H H

/


1- Dipolo instantneo - dipolo induzido.

2- Dipolo permanente - dipolo permanente.

3- Dipolo permanente - dipolo induzido.

4- Io - dipolo.

5- Ligao de hidrognio.

A intensidade destas ligaes , de um modo geral, decrescente no sentido ligaes io -

- dipolo, ligaes de hidrognio, dipolo permanente - dipolo permanente, dipolo permanente -

- dipolo induzido, dipolo instantneo - dipolo induzido. No entanto, esta intensidade depende

de vrios factores como sejam a constante dielctrica do meio, a distncia de separao entre

as molculas, a carga de ies envolvidos, os momentos de dipolo e a polarizabilidade

molecular (Chang, 2000). Pode dar-se, por exemplo, o caso de uma ligao entre molculas

apoiares (dipolo instantneo - dipolo induzido) ser mais forte que uma ligao entre

molculas polares (dipolo permanente - dipolo permanente), como se descreve em 3.3.1. E o

caso do iodo, que slido temperatura ambiente e que remete para algum cuidado quando se

diz "as ligaes nesta molcula so fracas", sendo ligaes dipolo instantneo - dipolo

induzido. Como se discutir adiante (3.4.1.), o estado fsico de uma subtncia depende da

intensidade das suas ligaes intermoleculares.

Os trs primeiros grupos so designados, no seu conjunto, por foras de Van der Waals.

Estes cinco tipos de ligaes sero caracterizadas sucintamente. Ser igualmente caracterizada

a ligao tnica (apesar de esta no ser uma ligao intermolecular) para comparao

(equaes e energias de ligao) com as ligaes intermoleculares.

3.3.1. Ligao dipolo instantneo - dipolo induzido

As ligaes dipolo instantneo - dipolo induzido ocorrem em molculas apoiares, quer

monoatmicas (He, Ne, Ar, e.g.), quer poliatmicas (CCU, CH4, N2, H2, e.g.). Como os

electres nas molculas esto constantemente em movimento, num determinado instante

podem acumular-se numa dada zona da molcula: forma-se um dipolo instantneo, que pode,

noutro instante, ter orientao diferente. Esse dipolo, vai criar, em molculas mais prximas, a

formao de outros dipolos, designados dipolos induzidos: a zona do dipolo instantneo com

excesso de electres vai repelir electres de molculas vizinhas; a parte com deficincia de

electres vai atrair electres de molculas vizinhas (Russo e Silver, 2000). Este processo

prossegue entre as molculas envolvidas. Entre as zonas de carga elctrica contrria surgem

23


foras responsveis pela ligao entre as molculas. Estas foras so geralmente designadas

porforas de disperso de London. Na figura 3.8 representa-se globalmente o fenmeno.

l i

32=) c-tf) c-t:-tf) :& (-:::]

> S> +S) +v--(r+^

Figura 3.8- Representao esquemtica da ligao dipolo instantneo - dipolo induzido.

a. Molculas apoiares (A, B e C).

b. Polarizao instantnea de A.

c. O dipolo instantneo em A vai induzir dipolos em B e em C. d. Entre zonas de sinal contrrio surgem interaces responsveis pela ligao

A KzJi^ A vsC_3

3 Foras intermoleculares

Nesta expresso

IA e TB so as primeiras energias de ionizao de A e B,

respectivamente.

OTA e 0 as polarizabilidades de A e B, respectivamente.

r a distncia entre A e B.

A equao anterior mostra a dependncia da energia potencial relativamente a r6: a

energia potencial sofre uma reduo drstica quando a distncia entre as molculas aumenta.

3.3.2. Ligao dipolo permanente dipolo permanente

Este tipo de ligao ocorre entre molculas polares, ou seja, com momento de dipolo (//)

no nulo. So igualmente designadas por ligaes dipolo dipolo e ocorrem, por exemplo, em

H2S, HC1 e CH3COCH3. A interaco ocorre entre os plos de sinal contrrio nas molculas

(figura 3.9).

+ 8" + 5" + " H Cl H C l HCl

ClH S" +

Figura 3.9 Representao de interaces () entre molculas de HC1.

A energia potencial da interaco entre dipolos depende da sua orientao relativa

(Atkins, 1998).

Considerando dois dipolos, A e B, distncia r com a . B orientao da figura 3.10, a expresso da energia potencial dada ~_j) ~S^

por (Chang, 2000) * *>

~ Figura 3.10 Representao da y _ _ "A "B /3 g\ orientao de dois dipolos

4 71 S r3 permanentes.

onde JUAQ JUB so os momentos de dipolo de A e B, respectivamente, 5, a permitividade no

vazio e r a distncia entre os dipolos.

Com uma orientao semelhante da figura 3.11, a energia / ^ . / ^

potencial dada por (Chang, 2000) \ / r ~\+J

Figura 3.11 Representao y __ A*A f*B (3.10) ^ orientao de dois

4 7 r e n r 3 dipolos permanentes.

25


Para um sistema de dipolos dispostos paralelamente (figura

3.12), a energia potencial dada por (Atkins, 1998)

v= yMA//B(l-3cos2e) 4 7t e r 3 Figura 3.12- Orientao

paralela de dois dipolos permanentes.

sendo 0 o ngulo definido nas condies da figura.

Em sistemas macroscpicos, onde todas as orientaes dos dipolos so possveis, a

energia potencial (mdia) dada por (Atkins, 1998; Chang, 2000)

V=-- M'M\ ft (3.12) 3 ( 4 T I 0 ) V kT

Nesta equao, k = 1,381 *10~23 J K"1 a constante de Boltzmann e T a temperatura

absoluta. Na mesma evidencia-se a dependncia da energia potencial relativamente a r : tal

como na equao 3.8, h uma reduo drstica da energia potencial quando a distncia entre

as molculas aumenta. H, igualmente, a destacar a dependncia relativamente ao inverso de

T, dado que, a temperaturas superiores, a energia cintica mdia das molculas maior,

tornando-se desfavorvel orientao dos dipolos para interaco atractiva (Chang, 2000).

3.3.3. Ligao dipolo permanente - dipolo induzido

Esta ligao pode ser definida como a ligao entre uma molcula polar (e.g., H2O) e

uma molcula apolar (e.g., O2).

A aproximao de uma molcula polar (um dipolo A B

elctrico permanente) provoca uma distoro da nuvem (t~~z) ^ (^) a

electrnica na molcula apolar, induzindo nesta ltima um _ . . . b

dipolo. O dipolo induzido pode, ento, interagir com o dipolo permanente, estabelecendo-se interaco entre eles Fifa 3.13-a. Uma molcula polar (A)

r r induz um dipolo numa molcula apolar f-fipiira "> 1 -J\ (B). b. Entre estes surge interaco * ' responsvel pela ligao ().

assim que se explica, por exemplo, a, embora pequena, solubilidade do oxignio (O2)

em gua, essencial para a vida de muitos organismos nesse meio (peixes, por exemplo). Estas

interaces so geralmente fracas, o que explica a no miscibilidade e/ou a pequena

solubilidade de substncias apoiares em solventes polares.

A energia potencial para um sistema dipolo permanente - dipolo induzido separados

distncia r dada por (Atkins, 1998; Chang, 2000)

26


V = ^ (3.13) 47te0 r6

onde a a polarizabilidade da molcula apolar e ju o momento de dipolo da molcula polar.

Um io pode, de forma semelhante, induzir um dipolo numa molcula apolar. o caso,

por exemplo, de Na+- CH. Neste caso, a energia potencial dada por (Chang, 2000)

1 aq 2 V=-- * . (3.14) 2 471 e0 r

sendo a a polarizabilidade da molcula, q a carga do io, o a permitividade no vazio e r a

distncia entre o io e a molcula.

3.3.4. Ligao io - dipolo

Este tipo de ligao refere-se interaco entre ies e molculas polares (dipolos

permanentes), permitindo a dissoluo de compostos inicos em solventes polares. Um

exemplo a dissoluo de NaCl em H2O, representada pela equao

NaCl(s) H 2 > Na+(aq) + Cl" (aq)

Tanto os caties (Na+) como os anies (Cl") ligam-se s molculas de gua (solvatao)

por foras io - dipolo, sendo a interaco (de natureza electrosttica) estabelecida entre o io

e o plo de carga elctrica contrria do dipolo (figura 3.14).

s- / H / H N a + - O + 8"O 5 + - d *

"-H ^ H

Figura 3.14- Representao de interaces io - dipolo em NaCl / H20.

Estas interaces so tanto mais fortes quanto menor for o tamanho do io (para ies com

a mesma carga) e quanto maior for a carga, para ies de tamanho semelhante (Chang, 2000;

Gil, 2001).

A ligao tnica particularmente forte (ver, na tabela 3.3, os valores de energia de

ligao), pelo que estas interaces devem ser vencidas para que, por exemplo, NaCl se

dissolva em gua. a elevada constante dielctrica da gua (tabela 3.1) que reduz as foras de

atraco entre os ies, Na+ e Cl", permitindo que estes se separem em soluo (Chang, 2000).

27


Lquido Constante dielctrica

H2S04 101 H20 78,5 C3H803 (glicerol) 42,5 CH3OH 32,6 C2H5OH 24,3 CH 4,6 C2H5OC2H5 4,3 CH3COCH3 2,7 cs2 2,6

Tabela 3.1- Constantes dielctricas de alguns lquidos puros, a 25 C. In Chang, 2000.

Em termos de energia potencial, para um arranjo em que o io e (7y - -

o dipolo estejam no mesmo eixo distncia r (figura 3.15), a energia '** ~

potencial dada por (Chang, 2000)

q/i

Figura 3.15- Representao de interaco io-dipolo.

v=-4ne0 r

(3.15)

onde q a carga do io e // o momento de dipolo da molcula polar.

3.3.5. Ligao de hidrognio

A ligao (ou ponte) de hidrognio pode ser considerada um caso particular da ligao

dipolo - dipolo, ocorrendo em molculas com uma constituio do tipo A - H B, onde A e

B so muito electronegativos e B tem um par de electres no ligantes (Chang, 2000). O

hidrognio faz de ligao ou ponte entre dois tomos muito electronegativos pertencentes a

duas molculas.

Este tipo de ligao nico na medida em que o hidrognio possui apenas um electro.

Quando este participa numa ligao intramolecular com um tomo muito electronegativo, o

ncleo de hidrognio fica parcialmente desprotegido. Desta forma, H+ pode interagir com

outro tomo fortemente electronegativo de outra molcula (Chang, 2000). Na figura 3.16

representam-se ligaes de hidrognio em H20 e em H20 / NH3.

28


0 / \

H H

/ \ / \ i H . .H H

0 / \

H H

II \

.HN / y 0

/ \ H H

Figura 3.16- Representao de ligaes de hidrognio (...) em a. H20;b. H20/NH3 .

Em geral, esta ligao est limitada participao de tomos de N, O e F, mas Cl pode

igualmente participar em ligaes de hidrognio se pertencer a um composto tnico (Atkins,

1998). de referir igualmente que podem ocorrer, numa molcula, ligaes intramoleculares

de hidrognio (Chang, 2000). o caso do cido mlico, onde a ligao se estabelece entre

grupos - COOH e grupos - COO" (figura 3.17).

o W . H\ /- cq

H \ ^ C O O H C

% X > C HT ^ C O H COOH //

O

Figura 3.17- a. Frmula de estrutura do cido mlico. b. Representao de ligaes intramoleculares de hidrognio no cido mlico.

Se houver ligaes de hidrognio entre molculas, esta predominante relativamente s

outras ligaes intermoleculares, dado ser mais intensa que qualquer uma delas. Comparando

a energia de ligao mdia destas ligaes com as restantes (tabela 3.2), possvel verificar-se

que , em mdia, cerca de dez vezes mais forte que a ligao dipolo permanente - dipolo

induzido ou trs vezes mais forte que a ligao dipolo - dipolo. (Dado que na ligao io -

- dipolo participam ies e no apenas molculas, esta no pode ser considerada uma ligao

intermolecular tpica.)

a ligao de hidrognio que explica que a gua seja lquida nas condies normais de

presso e de temperatura, sendo igualmente responsvel pelo seu elevado ponto de ebulio,

como ser abordado em 3.4.2.2.

Ocorrem igualmente ligaes de hidrognio em molculas maiores, como lcoois, cidos

carboxlicos, em misturas de cidos carboxlicos com gua, de etanol com gua, entre os pares

29


de bases adenina - timina e citosina - guanina na molcula de cido desoxirribonucleico, ADN

(figura 3.18), e nas protenas (figura 3.19).

Adenina H Timina

N NH O Pn3

- N ' ^ C N H is] CH. ' M Acar , % M

/ N /)N\. / ' ' Acar

O y Grupo fosfato \

Grupo fosfato H

/ Citosina O HN Guanina

_ ^ N \ \ = N A - I \ I \ ^Acar

/AUC" {/ H _ V O \ \ II \ . / Grupo fosfato

Grupo fosfato ^ H Q N /

H

Figura 3.18- Representao de ligaes de hidrognio entre pares adenina - timina e entre pares citosina - guanina na molcula de cido desoxirribonucleico (ADN).

HN C = 0 \ /

C = 0 H N < >

NH 0 = C / \

0 = C N H > <

H - N / C = 0 / C = 0 HN

\

Figura 3.19- Representao de ligaes de hidrognio entre cadeias polipep-tdicas numa protena.

3.3.6. Ligao inica

A ligao inica corresponde ligao entre ies, por exemplo entre Na+ e Cl" em NaCl.

igualmente devida a foras de natureza electrosttica (atraco entre cargas elctricas de

sinal contrrio, repulso entre cargas do mesmo sinal).

Para um arranjo de dois ies separados, no vazio, distncia r, entre CL)""C+)

si (figura 3.20), a energia potencial do sistema dada por '"***'

n n Figura 3.20- Interaco V = - H+q- ( 3 . 1 6 ) inica(-) .

471 e 0 r

30

3- Foras iritermoleculares

onde q+ e q. so as cargas dos ies respectivos, r a distncia entre eles e &) a permitividade no

vazio.

Para o caso da interaco entre Na+ e Cl", a energia potencial devida s foras de atraco

dada por (Chang, 2000)

F a _ g N a + g q - (3.17) 471 e0 r

sendo gNa+ e qCy as cargas de Na+ e Cl", respectivamente.

Tendo em conta as interaces relativas s repulses interelectrnicas e internucleares, a

energia potencial deste par dada por (Chang)

Na* Cl-4ne0re

i-ll (3.18)

onde Fo se refere energia necessria para romper a ligao mais estvel distncia ree n

um nmero entre 8 e 12.

A tabela 3.2 resume as caractersticas dos vrios tipos de foras, nela se incluindo

igualmente a ligao inica (no sendo esta ltima uma ligao intermolecular).

3.4. Importncia das foras intermoleculares

O estado fsico de uma substncia depende essencialmente do balano entre a intensidade

das foras intermoleculares (que tende a orden-las) e os incessantes movimentos das

molculas (que tendem a criar desordem). Dependendo do balano entre estes dois factores,

assim a substncia se apresenta no estado slido, lquido ou gasoso. A intensidade dos

movimentos, por sua vez, depende da temperatura, que determina igualmente o estado fsico.

De uma forma geral, a intensidade das foras intermoleculares influencia o estado fsico da

substncia e os seus pontos de fuso e de ebulio (Gil, 2001).

3.4.1. Estados fsicos

Substncias muito semelhantes do ponto de vista de constituio qumica podem, devido

natureza e intensidade das foras intermoleculares, existir, nas mesmas condies, em

estados fsicos diferentes. o caso de H2S, que um gs, e de H2O, que um lquido. Na

primeira, as foras intermoleculares predominantes so dipolo - dipolo, enquanto na segunda

so ligaes de hidrognio, mais fortes que as primeiras (em H2O existem ligaes de

hidrognio devido grande electronegatividade do oxignio, O).

31


Fora intermolecular

Representao esquemtica

Expresso da energia potencial

Exemplos Energia de ligao(1)/ kJ mol"1

Dipolo instantneo -- dipolo induzido o-o 4 r6 Ne Ne CH4 CH4 4,0-40 Dipolo - dipolo o-o y 2 V\li\ 1 3 ( 4 J I e 0 ) V kT HCl HCl S02 so2 0,50-15 Dipolo - dipolo

induzido -o v a^ HCl C6H6 H20 0 2 0,40-4,0 Dipolo - dipolo induzido -o 6 471 e0 r HCl C6H6 H20 0 2

0,40-4,0

Io - dipolo C>-43>

v w Na+ H20 Cl H20

5,0 - 60 Io - dipolo C>-43>

2

471 0 r

Na+ H20

Cl H20 5,0 - 60

Ligao de hidrognio A H - B

No h expresso H 2 0 - H 2 0

HF - H F 4 ,0-40

Ligao inica

r

V-- q+q 4ne0 r

Na+ Cl"

Cu2+ SO^ 40 - 400

(1) Energia de rede no caso da ligao inica. Os valores reais das energias de ligao dependem da distncia de separao, da carga, momento de dipolo, polarizabilidade e da constante dielctrica do meio. Tabela 3.2- Resumo das caractersticas essenciais das diversas foras intermoleculares e da ligao inica. Adaptado de Chang, 2000.

De forma semelhante, nas mesmas condies de temperatura e presso, h um slido,

Br2 lquido, enquanto CI2 e F2 so gases (note-se que estas molculas so todas de

halogneos). A explicao reside no facto de as ligaes intermoleculares (nestes casos,

dipolo instantneo - dipolo induzido, ou foras de disperso) serem mais intensas no sentido

F2, Cl2, Br2 e I2.

Lquidos onde as ligaes intermoleculares sejam CH2-OH

particularmente fortes so pouco volteis e podem mesmo QH _ Q H

apresentar-se viscosos. o caso, por exemplo, da glicerina (ou ^ _ Q U

glicerol) que, devido sua composio (figura 3.21), pode formar Figura 3.21- Frmula de

vrias ligaes de hidrognio intermoleculares. estrutura do glicerol.

3.4.2. Mudanas de estado fsico

A mudana de estado fsico para uma substncia depende da intensidade das suas foras

intermoleculares. Deste modo, os pontos de fuso e os pontos de ebulio de uma substncia

32


sero tanto mais elevados quanto maior a intensidade das foras intermoleculares. Por

exemplo, presso normal, a gua, H20, entra em ebulio a cerca de 100 C, enquanto o ter

dietlico, C2H5OC2H5, entra em ebulio a cerca de 36 C.

3.4.2.1. Mudana de estado fsico e foras de disperso

Como j foi referido, a intensidade das foras de disperso proporcional ao nmero de

electres e ao tamanho das molculas e diminui (no caso de ismeros) com o aumento de

ramificao da cadeia.

por isso que, por exemplo, o ponto de ebulio de I2 superior ao de Br2, ao de CI2 e de

F2, todas molculas de halogneos. O mesmo se passa com o aumento nos pontos de fuso

(grfico 3.1).

400

300

200

100

Grfico 3.1- Relao entre pontos de ebulio e pontos de fuso de algumas molculas com o seu tamanho e nmero de electres. In Gil, 2001.

Da figura anterior, concluses semelhantes se podem tirar quanto aos pontos de fuso e

de ebulio no caso dos gases raros: o tamanho das molculas e o nmero de electres est a

aumentar ao longo do perodo, tornando as molculas mate polarizveis.

Na tabela seguinte mostram-se alguns pontos de ebulio e estados fsicos de alguns

alcanos de cadeia linear, evidenciando-se a relao entre estes e o aumento da cadeia

carbonada (e do nmero de electres).

33


Nome do alcano

Frmula molecular

Ponto de ebulio / C

Estado fsico (PTN)

Metano CH4 -162 Gs Etano C2H6 -89 Gs

Propano C3H8 -42 Gs Butano C4H10 -0,5 Gs Pentano C5H12 36 Lquido Hexano C H H 69 Lquido Octano C8H18 126 Lquido Icosano C20H42 344 Slido

Tabela 3.3- Relao entre foras de disperso, pontos de ebulio e estado fsico nalguns alcanos. In Gil, 2001.

A forma da molcula pode igualmente influenciar a intensidade das foras de disperso.

Assim, por exemplo, o pentano (alcano linear) e o tetrametilmetano (alcano de cadeia

ramificada) tm pontos de ebulio diferentes: 36 C para o primeiro e 10 C para o segundo

(Gil, 2001). A explicao reside no facto de o primeiro ter uma nuvem molecular mais

polarizvel que o segundo, como se pode concluir a partir das respectivas frmulas de

estrutura. Na tabela 3.4 apresentam-se algumas propriedades caractersticas destes ismeros.

Frmula molecular C5H12 C5H12

Frmula de estrutura CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

H j

Nome IUPAC Pentano Tetrametilmetano

Ponto de ebulio / C 36 10

Tabela 3.4- Comparao entres pontos de ebulio de dois alcanos ismeros. In Gil, 2001.

As formas diferentes das molculas vo fazer com que as interaces sejam diferentes

nos dois casos: mais intensas no caso do ismero de cadeia linear e mais fracas no caso do

ismero de cadeia ramificada (figura 3.22).

34


B

Figura 3.22- Interpretao dos pontos de ebulio de pentano (A) e de tetrametilmetano (B). Em A, os dipolos instantneos tendem a interagir com maior intensidade que em B, devido ao facto de a forma da nuvem electrnica permitir uma maior superfcie de contacto. Adaptado de Atkins e Jones, 2000.

3.4.2.2. Mudana de estado fsico e ligaes de hidrognio

O aumento da intensidade das foras de disperso e, consequentemente, o aumento do

ponto de ebulio com o nmero de electres em molculas semelhantes ocorre igualmente

nas sries

HC1, HBr, Hl H2S, H2Se, H2Te PH3, AsH3, SbH3

como se pode constatar pelo grfico seguinte.

o 100 H 2 0

Grupo 16 \

3 x>


3.5. Repulses e interaces globais

Alm de foras responsveis pela atraco e consequente aproximao das molculas

(entre ncleos e electres), h foras repulsivas que tendem a afast-las. Caso isto no

acontecesse, as molculas fundir-se-iam (Chang, 2000). Esta hipottica fuso evitada por

foras entre electres e por foras entre os ncleos que tendem a afastar as molculas. A

impossibilidade de fuso mais no do que consequncia do princpio da excluso de Pauli

que impede que dois electres tenham o mesmo nmero quntico de spin e, por isso, no

podem estar ao mesmo tempo no mesmo local. As molculas vo, deste modo, distar umas

das outras, tendo em conta um compromisso entre foras de atraco e foras de repulso.

Analisando curvas de energia potencial, verifica-se que, medida que as molculas se

aproximam, as repulses interelectrnicas e internucleares aumentam significativamente

(figura 3.23).

Repulso

Curva de energia potencial

Distncia / r

Atraco

Figura 3.23- Representao genrica de uma curva de energia potencial para uma molcula. In Atkins, 1998.

Para sistemas no inicos, a energia potencial dada por

6 12 r r

(3.19)

Nesta equao, A e B so constantes para as molculas envolvidas, Air representa o

termo relacionado com as foras de atraco e B I rn o termo relacionado com as foras de

repulso.

A equao anterior normalmente expressa na forma de uma equao conhecida por

potencial de Lennard-Jones:

36


V = 4e ( V

\ r )

, v V A J

(3.20)

Nesta equao, ro e e representam a distncia para a qual V = 0 e a profundidade do poo

na curva de energia potencial, respectivamente (figura 3.24). O mnimo do poo, re, ocorre 1/6 para re = 2 r0.

1/r (Atraco)

Figura 3.24- Relao entre os parmetros e r0 da curva de energia potencial de Lennard-Jones. Adaptado de Atkins, 1998.

O valor de ro d uma ideia de quanto dois tomos separados se podem aproximar. E

frequente ser expresso como o raio de Van der Waals, que corresponde a metade desta

distncia.

Na tabela 3.5 apresentam-se alguns valores para os parmetros de Lennard-Jones para

algumas molculas.

Molcula (e/k)/K rn/pm Ar 111,8 362,3 Xe 214,0 426,0 F2 104,3 357,1 N2 91,85 391,9

CH 377,5 617,4 CCU 378,9 624,1

Tabela 3.5- Parmetros de Lennard-Jones de algumas molculas. In Atkins, 1998.

37

Captulo 4

Caso I: Ensino da polaridade molecular no 9o ano

4- Caso I: Ensino da polaridade molecular no 9o ano


4.1. Contexto

4.1.1. Contexto cientfico - pedaggico

As simulaes que foram desenvolvidas esto relacionadas com contedos a leccionar na

componente de Qumica na disciplina Cincias Fsico-Qumicas 9o ano de escolaridade,

estando integrados na unidade temtica "Como a matria em mais pormenor" (Programa de

Cincias Fsico-Qumicas, 1994).

Tradicionalmente, a Qumica considerada uma disciplina difcil, com um insucesso

geralmente elevado (Carter e Brickhouse, 1989; Martins et ai, 2002). As dificuldades podem

ser atribudas a vrios factores, desde o grau de abstraco envolvido em muitos conceitos at

dificuldades inerentes a uma linguagem prpria (Ayas e Demirbas, 1997). Nakhleh (1992)

refere que a razo principal a no compreenso de conceitos fundamentais nos quais

assentam outros mais avanados. Sem a compreenso de conceitos elementares no possvel

a compreenso de conceitos mais complexos, dependentes dos primeiros.

Devido sua natureza dinmica, a visualizao e a compreenso de fenmenos qumicos

a nvel microscpico so particularmente difceis (Nurrenbern e Pickering, 1987; Smith e

Metz, 1996; Sanger, 2000; Sanger, Phelps e Fienhold, 2000). Alguns destes fenmenos esto

bastante estudados como sejam, por exemplo, o equilbrio qumico (Hameed, Hackling e

Garnett 1993; Tyson, Treagust e Bucat, 1999), oxidao-reduo (Ogude e Bradley, 1996;

Sanger e Greenbowe, 1997), o conceito de reaco qumica (Barker, 1999; Ahtee e Varjola,

1998) ou calor vs temperatura (Caldeira e Martins, 1990; Harrison, Grayson e Treagust,

1999). Muitos destes fenmenos so, pela sua natureza, dinmicos, no sendo, em geral, fcil

visualiz-los com representaes estticas (livros, manuais, quadro preto, etc), por melhores

que estas possam ser.

Por outro lado, frequente os alunos resolverem facilmente problemas com base em

frmulas e algoritmos memorizados sem a compreenso dos fenmenos ao nvel

atmico / molecular (Nurrenbern e Pickering, 1987; Sawrey, 1990; Nakhleh, 1993; Nakhleh e

Mitchell, 1993; Smith e Metz, 1996). Alunos h que memorizam esquemas de resoluo de

problemas, algoritmos e definies sem compreenderem verdadeiramente, na essncia, muitos

conceitos. Muitos alunos inclusive passam pelo sistema educativo com sucesso continuado

durante anos a Qumica, sabendo resolver problemas sem a compreenso dos conceitos que

lhes esto subjacentes (Nicoll, 2001). Nurrenbern e Pickering (1987) referem alunos que

39

4 Caso I: Ensino da polaridade molecular no 9o ano

resolvem problemas envolvendo clculos estequiomtricos e reagente limitante numa equao

sem terem noo das alteraes que ocorrem durante a reaco qumica, apresentando

dificuldades quando solicitados a escrever uma equao qumica a partir de representaes

simblicas de molculas. Yarroch (1985), num estudo levado a cabo com alunos

universitrios, detectou dificuldades na escrita correcta dos produtos de reaco dada por

N2 + 3 H2 > 2 NH3 quando lhes era proposta uma representao simblica das molculas.

No entanto, os mesmos alunos acertavam correctamente equaes qumicas. Segundo Turner

(1990), as dificuldades de muitos alunos em cursos de Qumica podem ser atribudas ao facto

de "nunca terem aprendido a visualizar sistemas qumicos" (pp 955). Williamson e Abraham

(1995) referem que "a falta da compreenso de conceitos qumicos pode estar relacionada

com a incapacidade dos alunos em construrem modelos mentais completos que permitam

visualizarem ao nvel microscpico" (pp 521). sabido que a no compreenso de contedos

poder levar desmotivao de um aluno, e que um aluno motivado tende a empenharse

mais profundamente naquilo que est a realizar (Carvalho, 1999).

A polaridade molecular um assunto cuja compreenso remete igualmente para o

domnio do "mundo microscpico". Recordese (ver 3.2.2.) que uma molcula considerada

polar se tiver um momento de dipolo resultante no nulo; caso contrrio, apolar. Por sua

vez, o momento de dipolo depende da geometria da molcula e da existncia ou no de

ligaes polares. Estas ltimas, por sua vez, dependem da diferena de electronegatividade

entre os tomos da ligao.

Entre as dificuldades e/ou ideias erradas identificadas na literatura relativas ao tema

incluemse:

A polaridade depende apenas da geometria molecular, no interessando se as

molculas tm ou no ligaes polares e a posio relativas destas (Furi e Catalayud,

1996).

A polaridade depende apenas da diferena de electronegatividades entre os tomos

envolvidos nas ligaes (Peterson e Treagust, 1989; Furi e Catalayud, 1996; Birk e

Kurtz, 1999).

Uma molcula polar apenas porque tem ligaes polares (Birk e Kurtz, 1999).

A polaridade determina a geometria da molcula (Peterson e Treagust, 1989; Nicoll,

2001).

A polaridade no est associada electronegatividade (Nicoll, 2001).

40

4 Caso I: Ensino da polaridade molecular no 9 ano

A presena de electres no ligantes determina a polaridade de uma molcula

(Peterson, Treagust e Garnett, 1989).

Destes estudos h a destacar a pouca importncia dada geometria molecular na

determinao da polaridade das molculas, ignorandose, praticamente, o seu efeito.

A polaridade de uma substncia molecular pode ser avaliada aproximando desta um

objecto electrizado. A electrizao do objecto pode ocorrer de diversas formas (Aido et ai,

1983), nomeadamente por:

Contacto.

Influncia.

Frico.

A deteco de carga elctrica pode ser feita com auxlio de um electroscpio, aparelho

que contm, genericamente, duas folhas de ouro ligadas a um condutor isolado que termina

num boto esfrico (figura 4.1).

Figura 4.1 a. Electrospio. b. Representao simplificada.

No havendo carga elctrica em excesso, as folhas do electroscpio mantmse juntas e a

prumo. Quando a esfera for tocada por um objecto com excesso de carga negativa (uma rgua

de plstico friccionada por um pano de l, por exemplo), parte dos electres do objecto

passam para a esfera do electroscpio e destas para as folhas, que, ento, se afastam (repelem

se) em virtude de ficarem electrizadas com carga de sinal igual. Se a esfera for tocada por um

objecto com excesso de carga positiva (uma barra de vidro friccionada com um pano de seda,

por exemplo), passam electres da esfera para o vidro e, por causa disso, das folhas para a

esfera. Desta forma, as folhas ficam com excesso de carga positiva e, por isso, repelemse,

afastandose (Tipler, 1995).

41

4 Caso I: Ensino da polaridade molecular no 9o ano

4.1.1.1. Electrizao por contacto

Um objecto pode ser electrizado por aco de outro + + carregado electricamente por contacto directo. E o que + + + + + + + +

+ + +

+ + +

7\

acontece, por exemplo, quando, no boto de um

electroscpio, se toca com um objecto com carga elctrica

(figura 4.2): as folhas do electroscpio afastamse

indicando, assim, que tambm este foi electrizado (Aido et Figura 4 2. Representavo da electriza. ; 1 o c n ?a de um electroscpio por contacto. In

ai, ^). Aido e/a/, 1983.

4.1.1.2. Electrizao por influncia

Quando um objecto electrizado se aproxima de um condutor neutro isolado, pode haver a

electrizao do ltimo sem haver transferncia de electres entre eles. O objecto electrizado, o

indutor, vai provocar no condutor, o induzido, uma polarizao devido ao movimento de

cargas (electres), ficando a parte do induzido mais prxima do indutor com carga elctrica de

sinal contrrio e de valor absoluto igual do indutor (Aido et ai, 1983). Este processo

designado por induo electrosttica (figura 4.3 a e b).

importante, contudo, referir que aps esta nova distribuio da carga elctrica no

induzido, no h a sua electrizao dado que continua a haver igual nmero de cargas

positivas e negativas.

Retirando o indutor, as cargas, no induzido, voltam situao em que se encontravam

antes da presena do primeiro. , no entanto, possvel electrizar o induzido. Mantendo o

indutor prximo, ligase o induzido terra, escoandose a carga elctrica de igual sinal da do

indutor ficando o induzido com carga de sinal contrrio do indutor (figura 4.3 c e d).

Figura 4.3 Electrizao por influncia

a. Aproximao de um objecto electrizado, B, o indutor, a um objecto electricamente neutro, A, o induzido.

b. Induo electrosttica, em A, por aco de B.

c. Ligao de A terra: "="

A fica com carga elctrica de sinal contrrio da de B.

d. Corte da ligao terra. A mantm carga elctrica de sinal contrrio da de B.

e. Afastandose B, a carga elctrica em A distribuise uniformemente.

Adaptado de Aido et ai, 1983.

A B

l+t +. -+-++--+-I I " - " - - - - - l a +. -+-++--+-I

r----- V+V+l I - - - - - . - . | b

H V+V+l I " - " - - - " - 1 c V+V+l

1 V+V+l I - - " - " - " - 1 d

l+ + + + + + + +1 e

42


Cortando, ento, a ligao terra e retirando-se o indutor, o induzido vai manter a carga

que, entretanto, se distribui uniformemente (Aido et ai, 1983; Tipler, 1995). Este processo de

electrizao designado por electrizao por influncia.

4.1.1.3. Electrizao por frico

Em geral, quando dois objectos so postos em contacto, pode ocorrer entre eles

transferncia de electres, havendo materiais com mais tendncia a ganhar electres e outros

com tendncia a perd-los. Segundo a sua maior ou menor tendncia a perder electres, os

diferentes materiais costumam ser ordenados em sries triboelctricas (Aido et ai, 1983;

Villate, 1999). Na tabela seguinte apresenta-se uma srie triboelctrica.

Amianto Pele de coelho

L Chumbo

Seda Alumnio

Papel Algodo Madeira mbar

Nquel, Cobre Borracha

Estanho, Prata Acetato

Esferovite PVC

Tabela 4.1- Srie triboelctrica. In Villate 1999.

Nestas sries, os materiais do topo da lista so os que maior tendncia tm para perder

electres. Utilizando estes materiais para friccionar objectos, pode-se conseguir electriz-los.

Assim, por frico de um objecto de plstico (uma rgua, por exemplo) com um pano de

l, parte dos electres do pano passam para o plstico, ficando este com excesso de electres e

o pano com deficincia (figura 4.4).

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Plstico

Figura 4.4- Friccionando um objecto de plstico com um pano de l (a), passam electres do pano para o plstico (b). Pode ver-se a simulao dinmica do fenmeno em httpy/www.molecularium.net/pt/ligintermol/interaccoes/index.html.

Caso se friccionasse um objecto de vidro com um pano de seda, haveria passagem de

electres do vidro para o pano (figura 4.5).

Vidro

Seda

Figura 4.5- Friccionando um objecto de vidro com um pano de seda (a), passam electres do vidro para a seda (b). Pode ver-se a simulao dinmica do fenmeno em http://www.molecularium.net/pt/ligintermol/interaccoes/index.html.

Pode provar-se experimentalmente que, quando um objecto friccionado com um dado

material, o excesso de electres com que o primeiro fica igual deficincia com que fica o

segundo (Aido et ai, 1983). A figura seguinte resume este processo.

g>'

Figura 4.6- Friccionando uma barra, B, de poli(etileno) com um pano de l, L, enrolado no interior de um vaso metlico, V, colocado sobre o prato de um electroscpio, E, as folhas deste afastam-se aps se retirar a barra, sinal de que o pano ficou electrizado. Introdu-zindo novamente a barra no pano de l, as folhas caem, mostrando que o excesso de electres da barra igual deficincia de electres do pano. In Aido et ai, 1983.

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http://www.molecularium.net/pt/ligintermol/interaccoes/index.htmlhttp://www.molecularium.net/pt/ligintermol/interaccoes/index.html


4.1.1.4. Teste experimental de polaridade molecular

Para se confirmar a polaridade de diversas molculas, recorreu-se ao teste que consiste

em aproximar um corpo electrizado a um fio dos diversos lquidos das molculas contidos em

buretas. Neste caso, foi utilizada uma rgua de plstico que foi previamente friccionada com

um pano de l. Na figura 4.7 indica-se o esquema de montagem.

Figura 4.7- Esquema de montagem para testar a polaridade de diversas molculas.

Na figura 4.8 mostra-se uma imagem de um dos vdeos, correspondente ao teste de

polaridade com acetona.

Figura 4.8- Imagem retirada de vdeo do esquema de montagem para testar a polaridade da acetona.

Molculas polares (por exemplo, a gua) so atradas (sofrem um desvio) em direco ao

objecto electrizado, enquanto molculas apoiares (por exemplo, benzeno) em geral no so.

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Podem s-lo, no entanto, com utilizao de um campo magntico de intensidade adequada

(Vermulapalli e Kukolich, 1996). Como as molculas so apoiares, podem adquirir um

momento de dipolo induzido por aco, por exemplo, de uma diferena de potencial. No caso

concreto do benzeno, para que esta molcula possa apresentar um desvio semelhante ao da

gua, a diferena de potencial dever ser 3,5 vezes maior que a utilizada para a gu

departamento de química faculdade de ciências da ... · da mesma escola, também no ano lectivo...

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