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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Instituto de Química
Departamento de Físico-Química
Dissertação de Mestrado
“Vídeos Experimentais para o Ensino de Química” Aluno: Manoel Henrique Francisco Orientador: José de Alencar Simoni
Campinas – SP Agosto/2006
i
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DO INSTITUTO DE QUÍMICA DA UNICAMP
Francisco, Manoel Henrique. F847v Vídeos experimentais para o ensino de química /
Manoel Henrique Francisco. -- Campinas, SP: [s.n] , 2006.
Orientador: José de Alencar Simoni Dissertação - Universidade Estadual de Campinas,
Instituto de Química. 1. Química. 2. Ensino médio. 3. Vídeos. I. Simoni,
José de Alencar. II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Química. III. Título.
Título em inglês: Experimental videos for teaching chemistry Palavras-chaves em inglês: Chemistry, Middle teaching, Videos Área de concentração: Físico-Química Titulação: Mestre em Química na área de Físico-Química Banca examinadora: José de Alencar Simoni (orientador), Ricardo Belchior Torres, Nelson Henrique Morgon Data de defesa: 31/08/06
DEDICATÓRIA
A toda minha família, em especial à minha esposa Carla, e aos meus pais Manuel e Célia.
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador José de Alencar Simoni, que além de proporcionar a
mim crescimento na minha carreira docente sempre se mostrou solicito,
paciente e principalmente amigo.
Aos meus colegas, pelas várias vezes que trocamos idéias sobre o
ensino de Química.
Aos Companheiros de laboratório, pela amizade, ajuda e sugestões
oferecidas.
As técnicas de laboratório Neusa, Egle e Mara pela ajuda e
disponibilidade oferecida.
Ao pessoal da CPG, pela eficiência no desenvolvimento de suas
funções.
Ao Colégio Notre Dame de Campinas, Mantenedora, Diretora,
Orientador Pedagógico e principalmente o pessoal da informática, pela
permissão para eu utilizar o laboratório de informática na etapa de edição dos
filmes.
RESUMO
Com o objetivo de oferecer ao professor uma alternativa para que ele
possa fazer um trabalho, um pouco, mais próximo do “Fazer Química” foi
desenvolvido um conjunto de seis filmes-experimentos que comtemplam
conceitos fundamentais no ensino da físico-química. Os conceitos abordados
são: solubilidade, entalpia de solução, eletrólise, titulação condutométrica,
propriedades coligativas e condutância elétrica de soluções.
Entendemos que não podendo, o aluno, realizar o seu próprio
experimento, não podendo, o professor, realizar esse experimento na forma
de demonstração, resta a possibilidade de utilização de vídeos de
experimentos, que além de utilizar os recursos já existentes nas escolas não
expõe os alunos a possíveis riscos, exigindo um gasto mínimo de tempo e
dinheiro.
Esses vídeos são apropriados para o ensino médio e contemplam, mais
intensamente, aspectos quantitativos dos tópicos listados anteriormente.
Todos os experimentos filmados foram paralelamente realizados no
laboratório, dentro dos rigores necessários à determinação científica e os
procedimentos e materiais utilizados nas filmagens foram adaptados de
forma a contemplar os aspectos científicos, didáticos e visuais.
A escolha do tema central, “soluções”, foi norteada pelo aspecto
central que este tema desempenha nas atividades humanas e no
“funcionamento” da natureza, entendendo a natureza como os processos
vitais em nosso planeta.
Os vídeos foram idealizados, realizados e editados nos laboratórios do
IQ-Unicamp, sem a ajuda de quaisquer outros profissionais da área de mídia
e apresentam duração média de 8 minutos.
O trabalho escrito também contempla uma apresentação da
fundamentação teórica, uma discussão sobre os resultados da bancada e dos
filmes e um roteiro, para o professor, de como aplicar e como obter os
resultados a partir das informações presentes nos vídeos.
ABSTRACT The main concern of this work is offer the chemistry teacher an
alternative way for his classes activities, next to “true making Chemistry”. A
set of six film-experiments focusing the basic Chemistry concepts were
developed in the Physical Chemistry field. These concepts are: solubility,
solution enthalpy changes, electrolysis, conductometry titration, colligative
properties and electric conductance of solutions.
We understand that if the student can not carry out his (her) proper
experiment, and if the teacher doesn´t have the opportunity to demonstrate it
front of his (her) classes. There is the possibility to use the video-
experiments, which requires less preparation of the professor. In addition
videos make use of spare material resources (available), don´t expose the
pupil to dangerous chemicals and demands a minimum expense of time and
money.
These videos are appropriate for teaching chemistry at the high school
level and mainly exploring the quantitative aspects of the previously listed
topics. All the film-experiments were independently carried out in the
laboratory using the appropriated scientific procedures, apparatus and
chemical materials. The supplies and apparatus used in the films were
adapted or conceived in order to fulfill the scientific, didactic and visual
aspects.
The choice of solutions as a “generating theme” was guided by the
central aspect that subject plays in the human being activities and in the
“nature functioning”.
The videos have been idealized, carried out and edited in the
laboratories of the IQ-Unicamp, without the aid of any other professionals of
the media area. The videos last around 8 minutes each.
The written work also presents the theoretical aspects of the subjects,
a discussion on the laboratory results and a script for the application of the
films, especially helpful for the teacher and it also shows how to get the
results from the videos.
Manoel Henrique Francisco EXPERIÊNCIA PROFISSIONAL 2001 Colégio Notre Dame Campinas- SP
Professor de Química do Ensino Médio
2001–2002 Cursinho do Sindicato Campinas - SPCoordenador Administrativo
2000–2001 COC – Mogi Guaçu Mogi Guaçu - SPProfessor de Química do Ensino médio e curso Pré - Vestibular
2000–2001 Cursinho do Sindicato Campinas - SPProfessor de Química do curso Pré - Vestibular
1999-2000 Med Vestibulares Campinas - SPProfessor de Química do curso Pré - Vestibular
FORMAÇÃO 2006 Universidade Estadual de Campinas Mestrado em Físico-Química
1997–2001 Universidade Estadual de Campinas Bacharel e Licenciatura em Química
1992–1995 Fundação Bradesco Técnico em Eletrônica
TRABALHOS Autor do material didático do Cursinho do Sindicato.
Autor do material de Laboratório do Colégio Notre Dame de Campinas.
Autor de vídeos didáticos para o Ensino de Química.
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Iniciação Científica em Química Analítica com os projetos: “Otimização do sistema FIA para Determinação de Carbonato” e “Dosagem de Nitrogênio e de Carbonatos em Solução Nutritiva para Cultivo Hidropônico”. Orientador: Prof. Dr João Carlos de Andrade.
CONGRESSOS VII Congresso de Iniciação Científica da Unicamp 21 e 22 de setembro de 1999
1° Encontro de Professores de Química do Ensino Médio de Campinas 21 de julho de 2001
1° e 2° Simpósio de Profissionais do Ensino de Química – Instituto de Química Unicamp. 10 e 11 de novembro de 2001 e 9 e 10 de novembro de 2002
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ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1: Constante dielétrica de alguns solventes a 298 K. ...........................30
Tabela 2: Valores de constantes de dissociação de ácidos em soluções aquosas
a 298 K e 1 bar de pressão.........................................................................32
Tabela 3: Valores de constantes de dissociação das bases em soluções aquosas
a 298 K e 1 bar de pressão.........................................................................33
Tabela 4: Condições experimentais em que foram realizadas as eletrólises
testes, antes da filmagem...........................................................................42
Tabela 5: Resultados experimentais para a determinação da carga do elétron
em coulombs..............................................................................................44
Tabela 6: Volumes esperados e obtidos para o gás hidrogênio em quatro
experimentos. ............................................................................................45
Tabela 7: Resultados experimentais obtidos na dissolução exotérmica dos sais
avaliados. Cada experimento foi realizado em triplicata.(valor médio ±
desvio médio). ...........................................................................................51
Tabela 8: Resultados experimentais obtidos na dissolução endotérmica dos
sais avaliados. Cada experimento foi realizado em triplicata. (valor médio
± desvio médio). ........................................................................................51
Tabela 9: Resultados experimentais obtidos na dissolução do carbonato de
sódio anidro. (valor médio ± desvio médio). ............................................53
Tabela 10: Resultados experimentais obtidos na dissolução do cloreto de
amônio. (valor médio ± desvio médio). ....................................................54
Tabela 11: Resultados calorimétricos para a dissolução de carbonato de sódio
anidro em água. (valor médio ± desvio médio).........................................55
Tabela 12: Resultados calorimétricos para a dissolução de cloreto de amônio
em água. (valor médio ± desvio médio)....................................................55
Tabela 13: Resultados obtidos nos experimentos testes para a avaliação do
potencial uso de algumas substâncias como solventes em estudos
crioscópicos.(valor médio ± desvio médio, para triplicatas). As soluções
possuem molalidades diferentes................................................................60
Tabela 14: Estudo do efeito da adição de sacarose e glicose no abaixamento da
temperatura de fusão da água, para uma concentração de 1,1 mol kg .
(valor médio ± desvio médio, para triplicatas)
-1
..........................................61
Tabela 15: Estudo do efeito da adição de cloreto de sódio puro e do sal de
cozinha no abaixamento da temperatura de fusão da água. (valor médio ±
desvio médio, para triplicatas) ..................................................................62
Tabela 16: Resultados da solubilidade de cloreto de potássio e dicromato de
potássio em água, à temperatura de 20 °C.(valor médio ± desvio médio)69
Tabela 17: Resultados da solubilidade de cloreto de potássio e dicromato de
potássio em água, à temperatura de 50 °C. (valor médio ± desvio médio)
...................................................................................................................70
Tabela 18: Resultados da solubilidade de cloreto de potássio e dicromato de
potássio em água, à temperatura de 20 °C, pela eliminação da água por
aquecimento direto em placa de aquecimento.(valor médio ± desvio
médio)........................................................................................................70
Tabela 19: Resultados da solubilidade de cloreto de potássio e dicromato de
potássio em água, à temperatura de 50 °C, pela eliminação da água por
aquecimento direto em placa de aquecimento. (valor médio ± desvio
médio)........................................................................................................71
Tabela 20: Resultados da titulação condutométrica de uma solução de ácido
sulfúrico com uma solução saturada de hidróxido de bário......................78
Tabela 21: Resultados da titulação de uma solução de ácido sulfúrico com
uma solução saturada de hidróxido de bário, utilizando-se fenolftaleína
como indicador. .........................................................................................78
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Tema central e sub-temas dos filmes-experimentos escolhidos. …...7
Figura 2: Calorímetro desenvolvido para avaliar a entalpia de solução de dois
sais. ............................................................................................................12
Figura 3:Eletrodos construídos para o filme-experimento sobre eletrólise. ....12
Figura 4: Dispositivos criados para avaliar a condutividade de soluções........13
Figura 5: Dispositivo utilizado na titulação condutométrica. ..........................14
Figura 6: Etapas envolvidas na edição não-linear............................................21
Figura 7: Dispositivo desenvolvido para avaliar a condutância elétrica de
soluções. ....................................................................................................26
Figura 8:Teste de condutância utilizado para avaliar a força relativa de alguns
ácidos em solução aquosa. ........................................................................32
Figura 9: Intensidade de luz na avaliação da condutividade, utilizada para se
comparar a força relativa de NaOH e NH em solução aquosa.3 ...............34
Figura 10: Aparato experimental utilizado na eletrólise da solução de KI......39
Figura 11: Diferentes formatos de eletrodos testados neste experimento. ......40
Figura 12: Calorímetro utilizado neste filme-experimento..............................49
Figura 13: Aparato utilizado no filme-experimento do estudo sobre o
abaixamento crioscópico da água na presença de açúcar e sal de cozinha.
...................................................................................................................58
Figura 14: Ciclo de Born-Haber para o processo de dissolução de um sal MX
em água......................................................................................................64
Figura 15: Dispositivo utilizado para monitorar a condutividade da solução no
filme-experimento. ....................................................................................75
ÍNDICE
1-Introdução .......................................................................................................1
2 – Etapas de criação dos filmes-experimentos .................................................6
2.1-Definição do tema central e sub-temas ........................................................6
2.2- Execução dos experimentos selecionados e adaptação para as condições
de filmagem ..................................................................................................11
2.3-Filmagens ...................................................................................................14
2.4 - Roteiro de filmagem para o filme-experimento: Propriedades Coligativas
.......................................................................................................................19
2.5 – Edição dos filmes-experimentos .............................................................21
3- Filmes-Experimentos ...................................................................................24
3.1 – Condutividade .........................................................................................24
3.1.1 – Introdução.............................................................................................24
3.1.2 – Parte experimental................................................................................26
3.1.3 - Resultados .............................................................................................28
3.2 – Eletrólise..................................................................................................35
3.2.1 – Introdução.............................................................................................35
3.2.2 – Parte Experimental ...............................................................................38
3.2.3 - Resultados .............................................................................................39
3.3 – Calorimetria.............................................................................................46
3.3.1 – Introdução.............................................................................................46
3.3.2 – Parte Experimental ...............................................................................49
3.3.3 – Resultados ............................................................................................50
3.4 – Propriedades Coligativas.........................................................................56
3.4.1 – Introdução.............................................................................................56
3.4.2 – Parte experimental................................................................................58
3.4.3 – Resultados ............................................................................................59
3.5 – Solubilidade.............................................................................................63
3.5.1 – Introdução.............................................................................................63
3.5.2 – Parte experimental................................................................................68
3.5.3 – Resultados ............................................................................................68
3.6 – Titulação Condutométrica.......................................................................72
3.6.1 - Introdução .............................................................................................72
3.6.2 – Parte experimental................................................................................74
3.6.3 - Resultados .............................................................................................76
4 – Considerações finais...................................................................................80
5 – Bibliografia.................................................................................................83
ANEXOS..........................................................................................................86
Roteiros de aplicação dos filmes-experimentos...............................................87
1 - Condutividade .............................................................................................87
1.1 – Objetivo...................................................................................................87
1.2 - Introdução ................................................................................................87
1.3 – Discussão.................................................................................................88
2– Eletrólise......................................................................................................98
2.1 – Objetivo...................................................................................................98
2.2 – Introdução................................................................................................98
2.3 - Discussão .................................................................................................99
2.4 - Dados experimentais e cálculos.............................................................103
2.4.1 - Determinação da carga do elétron ......................................................104
2.4.2 - Determinação do volume esperado de gás hidrogênio ao final da
eletrólise......................................................................................................105
3 – Calorimetria..............................................................................................107
3.1 – Objetivo.................................................................................................107
3.2 – Introdução..............................................................................................107
3.3 – Discussão...............................................................................................109
3.4 - Dados experimentais e cálculos.............................................................111
3.4.1 - Determinação da energia envolvida na dissolução do carbonato de
sódio............................................................................................................112
3.4.2 - Determinação da energia envolvida na dissolução do cloreto de amônio
.....................................................................................................................113
4- Propriedades coligativas ............................................................................114
4.1 - Objetivo..................................................................................................114
4.2 - Introdução ..............................................................................................114
4.3 – Discussão...............................................................................................115
4.4 - Dados experimentais e cálculos.............................................................118
4.4.1 - Cálculo do efeito crioscópico esperado para o soluto molecular
(sacarose) ....................................................................................................119
4.4.2 - Cálculo do efeito crioscópico esperado para o soluto iônico (cloreto de
sódio)...........................................................................................................119
5 – Solubilidade..............................................................................................121
5.1 – Objetivo.................................................................................................121
5.2- Introdução ...............................................................................................121
5.3 – Discussão...............................................................................................122
5.4 - Dados experimentais e cálculos.............................................................125
5.4.1 - Determinação da solubilidade do K2Cr2O7 à temperatura ambiente ..126
5.4.2 - Determinação da solubilidade do KCl na temperatura ambiente .......127
5.4.3 - Determinação da solubilidade do K2Cr2O7 à 50 °C............................127
5.4.4 - Determinação da solubilidade do KCl à 50 °C...................................128
6 – Titulação condutométrica.........................................................................129
6.1 – Objetivo.................................................................................................129
6.2 – Introdução..............................................................................................129
6.3 – Discussão...............................................................................................131
6.4 – Dados experimentais e cálculos ............................................................136
1
1-Introdução
A prática docente no ensino médio, nos últimos anos, tem levado os
professores de Química a frustrações bastante desanimadoras. Isto é uma
constatação factual, que dispensa maiores verificações.
Seja pela precariedade da infra-estrutura das escolas - principalmente
daquelas públicas -, seja pela redução da carga horária atribuída à disciplina
de Química, torna-se extremamente difícil encontrar uma rotina em que a
relação professor-aluno leve a que este último adquira uma visão realista e
crítica da Química. Isto tudo, somado ao fato de que o profissional deve
dedicar 100% do seu tempo de exercício docente em sala de aula, para atingir
uma remuneração aceitável, desenha-se um quadro preocupante e desafiador,
dificultando a implementação da reforma de ensino pretendida pela Lei de
Diretrizes e Bases da Educação Nacional (LDB).
O conceito de currículo proposto pela LDB se afasta da idéia de grade,
sendo considerado como um conjunto de processos que objetivam a
aprendizagem significativa, gerando no aluno a capacidade de compreender e
intervir na realidade. Um dos princípios que constituem essa estrutura
curricular é a oposição à repetição e à padronização, buscando motivar o
professor a trabalhar formas não convencionais como metodologia de ensino.
Os conteúdos abordados podem assumir a forma de atividades, onde o ponto
de partida é uma situação que requer interpretação e conduz ao conteúdo
teórico.1
Os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN)2 foram elaborados para
oferecer aos professores subsídios para a implementação da reforma proposta
pela LDB, destacando como eixos norteadores da construção do conhecimento
a interdisciplinaridade e a contextualização, e oferecendo um rol de
2
competências e habilidades a serem trabalhadas em cada área do
conhecimento e disciplina.
A aprendizagem na área das Ciências da Natureza deve ter pretensões
formativas e não simplesmente o acúmulo de conhecimento, e isto se alcança
ao se propiciar situações que tenham significado para os alunos.
Dentro desse quadro, faz-se necessário criar alternativas e ferramentas
que auxiliem o professor, promovendo ao máximo o crescimento cognitivo do
aluno.
A reforma do Ensino Médio, pretendida pela LDB, pode ser
implementada com o auxílio de professores bem informados, atualizados e
com recursos disponíveis para tal, já que é necessário que haja, além de uma
atualização curricular, uma mudança nas abordagens de ensino adotadas.
É preciso então produzir materiais que possam ser diretamente
utilizados pelos professores, que motivem os alunos, que possibilitem o uso de
recursos disponíveis nas escolas e que contribuam com a reforma do ensino de
Química no Brasil.
Com este objetivo, foi desenvolvido neste trabalho um conjunto de seis
filmes (que acompanham um guia de aplicação) que contemplam alguns
conteúdos trabalhados no Ensino Médio de Química.
O uso do filmes como recurso pedagógico aparece como uma tentativa
de introduzir uma ação pouco comum no cotidiano escolar. Essa prática traz a
possibilidade de se utilizar, não somente palavras, mas também imagens,
muitas vezes bem mais atrativas e persuasivas do que a fala do Professor,
podendo trazer um impacto muito maior do que a de um livro ou a de uma
aula expositiva.3
Embora a difusão de videocassetes, e mais recentemente de aparelhos
de DVD s, no âmbito escolar já tenha sido constatada, alguns fatores podem
3
ter contribuído para a pouca utilização desse recurso como elemento
curricular, tais como: a inadequação dos filmes disponíveis no mercado às
necessidades dos Professores, a falta de preparo destes profissionais e a falta
de infra-estrutura das escolas.
O filme traz uma forma multilinguística de superposição de códigos e
significações, predominantemente audiovisuais, apoiada no discurso verbal-
escrito, partindo do concreto, do visível, do imediato.4 A linguagem
audiovisual desenvolve múltiplas atitudes perceptivas, pois solicita
constantemente a imaginação do espectador.3
A atividade em vídeo pode exercer funções diversificadas no processo
de ensino-aprendizagem, como: informativa, motivadora, expressiva,
avaliativa, conceitual, documental, investigadora, lúdica, metalingüística e
atitudinal.4
Existe atualmente uma variedade de filmes de caráter educativo que
podem ser utilizados para fins didáticos. Levando-se em conta o conteúdo, o
objetivo e o tipo de produção, teríamos filmes de diferentes designações:
ocupacional, industrial, técnico, científico, documentário, etc. Poderíamos
classificar estes filmes como educativos apenas para diferenciá-los do filme
didático, que está diretamente relacionado com o currículo escolar5.
O filme didático tem como característica fundamental estar ligado a um
conteúdo específico de um currículo escolar. Utiliza recursos próprios do
cinema (movimento, som, cor, etc.) e efeitos especiais (edição, câmera lenta,
transições, fusão, etc.) caso tais técnicas sejam necessárias para a
compreensão do estudante5.
Há muitas formas de se conceber um filme didático. O que mais se vê
são filmes devotados à apresentação de um fenômeno químico com alto poder
de imagem, ou seja, a exibição de um fenômeno com grande visual de cores
4
associado a efeitos sonoros. Nesse caso insere-se uma infinidade de filmagens
que, inclusive, se encontram disponíveis gratuitamente na rede mundial.
Um outro tipo de filme didático muito comum é a apresentação de um
conceito ou assunto, de forma que se substitui a fala do professor pela fala do
narrador que pode ser, inclusive, o próprio professor.
Nos filmes tipo documentário o que se faz é mostrar cenas externas com
forte apelo visual, que podem ser da natureza, de atividades industriais ou da
sociedade em geral, acompanhadas de uma entrevista com algum “expert” no
assunto principal.
Particularmente na área do ensino de Química o filme didático pode,
também, mostrar um fenômeno ou experiência, facilitando a compreensão de
um conceito. A maioria dos conceitos de Química é abstraída ou seu
entendimento pode ser reforçado por experimentos, daí a importância da
experimentação e da observação nessa Ciência. Nesse caso, a função mais
obvia de um filme didático de Química seria mostrar um fenômeno ou
experiência. O filme substitui, nesse caso, uma experiência ou demonstração.
A realização da experimentação é altamente desejável, mas nem sempre é
possível, por limitações de tempo - muitos Professores tem carga de trabalho
muito extensa, faltando-lhes tempo para o preparo das atividades
experimentais - pelo elevado custo dos experimentos, pela periculosidade
envolvida, pela ausência de local apropriado e de equipamentos necessários.
Por outro lado, um experimento filmado está disponível para o
Professor e para os alunos e, a qualquer momento, pode ser repetido várias
vezes, não gera resíduos, não exige a habilidade manual do aluno (o que seria
desejável), mas não pode e não deve ser comparado a um experimento
realizado ou a uma demonstração ao vivo. Também, é claro, um experimento
filmado não retrata as condições normalmente vividas num experimento real,
5
quando se erra alguma medida, o equipamento falha, o reagente está impuro, a
propriedade avaliada fica fora da sensibilidade do experimentador ou do
instrumento etc.
Nesse trabalho tomamos a linha de filmar experimentos reais,
privilegiando os aspectos quantitativos desses experimentos, a manipulação
correta de reagentes, o uso correto de instrumental simples de laboratório e de
procedimentos. O assistir ao filme associado à anotação de grandezas e
quantidades que o mesmo oferece, permitem, não só, ter contato com o
conteúdo específico como também auxiliar no processo ensino aprendizagem
do assunto tratado. Os filmes foram concebidos de modo que o espectador
pode e deve anotar as informações que o mesmo oferece, podendo elaborar
um relatório sobre o experimento, efetuar cálculos e discutir os resultados.
Como pode ser visto nas páginas subseqüentes dessa dissertação, os
filmes foram realizados com procedimentos previamente testados em bancada
e em condições cientificamente corretas e também nas condições das
filmagens.
Todo o trabalho de tomadas de cenas, cortes, atuações, cortes, direção
de filmagem, montagem, mixagem, gravação de vozes e produção final dos
filmes foram efetuadas pelo autor dessa dissertação e seu orientador, sem usar
recursos ou serviços de outros profissionais.
6
2 – Etapas de criação dos filmes-experimentos
2.1-Definição do tema central e sub-temas
No início do trabalho, a idéia era realizar alguns filmes-experimentos
que contemplassem assuntos que fazem parte do currículo do ensino de
química no nível médio. Inicialmente a escolha foi aleatória e após algumas
discussões, constatamos que seria mais interessante, do ponto de vista
didático, que fosse eleito um tema central e a partir daí, selecionar os assuntos
para a produção dos filmes-experimentos.
Quando se escolhe um tema central ou unificador, a idéia principal é
que a associação entre os conteúdos, sendo feita através de conceitos
unificadores, evidencie a existência de procedimentos comuns a toda a
Química e reforça, não só a potencialidade dos mesmos, mas também as
próprias vantagens em se adotar tal enfoque unificador. Isso facilita, também,
a desejável superação da compartimentalização por áreas (Eletroquímica,
Termoquímica, etc.), normalmente presente nos enfoques tradicionais de
ensino. De fato, a função dos conceitos unificadores é a de evidenciar o
caráter supra disciplinar dos conteúdos, permitindo uma melhor ligação entre
as partes de um todo6.
O tema central escolhido foi “Soluções” por sua importância e aspecto
central no ensino de Química seja no nível médio ou em qualquer outro nível.
A partir da escolha do tema central, foram analisados livros didáticos7,8,9
utilizados no ensino médio e os PCN’s2 para a escolha dos assuntos que
seriam trabalhados nos filmes-experimentos. O tema central e os sub-temas
estão mostrados na figura 1.
7
Figura 1: Tema central e sub-temas dos filmes-experimentos escolhidos.
A seguir serão descritos, brevemente, um resumo de cada filme-
experimento. A abordagem conceitual escolhida nessa dissertação não é a
única possível, outras leituras poderão ser feitas, devido à riqueza conceitual
que envolve cada sub-tema.
Entalpia de Solução: neste filme-experimento, é estudado que o processo de
dissolução de uma substância em água envolve uma variação de energia, e que
esta pode ser quantificada através de um método simples. Para quantificar a
energia envolvida nos processos de dissolução, foram escolhidos dois sais: o
carbonato de sódio (processo exotérmico) e o cloreto de amônio (processo
endotérmico). Durante o filme-experimento os alunos poderão obter os dados
para o cálculo da energia envolvida em cada dissolução. O filme permite que
sejam observadas as principais grandezas necessárias para esse cálculo:
variação de temperatura, massa de água, massa adicionada de sólido, além dos
detalhes experimentais da medida em si, tais como: como funciona e o que
compõe o calorímetro, como se medem as várias grandezas, o uso do
termômetro etc.
8
Propriedades Coligativas: o objetivo deste filme-experimento é demonstrar
quantitativamente o abaixamento do ponto de fusão da água na presença de
um soluto, procurando evidenciar que esse comportamento está relacionado
exclusivamente ao número de partículas de soluto presentes (independente de
sua natureza química) em uma quantidade de solvente. São estudados os
efeitos coligativos quando se adiciona um soluto molecular (açúcar refinado) e
um soluto iônico (sal de cozinha). Nesse filme observa-se, também o
fenômeno do super-congelamento, assunto que é raramente abordado no
ensino médio. O filme permite ao aluno a observação das várias grandezas
necessárias aos cálculos de concentração (massa do solvente, massa do soluto)
e também a variação de temperatura para cada solução obtida, permitindo
obter, por exemplo, o valor da constante crioscópica, ou verificar a questão da
dissociação ou não do soluto no processo de dissolução etc. Também permite
verificar como se efetua uma pesagem em laboratório, como se pode medir
uma temperatura e como se pode obter um banho refrigerante para
temperaturas abaixo de 0 ºC.
Solubilidade: o filme-experimento mostra que a solubilidade em um
determinado solvente é uma característica própria do soluto, a qual pode ser
influenciada pela temperatura em que ocorre o equilíbrio de solubilidade.
Trata-se de um experimento simples para a determinação da solubilidade de
dicromato de potássio e o cloreto de potássio, em água, à temperatura
ambiente (conhecida) e a 50 ºC. No filme, o espectador pode ver como são
feitas as pesagens em um laboratório, como se pode medir a temperatura,
como se efetua um aquecimento e secagem de um sólido, como se
acondiciona o mesmo para transportar e pesar, entre outros. Como objetivo
9
central, o filme permite calcular a solubilidade dos dois sólidos mencionados,
em duas temperaturas diferentes.
Eletrólise: o objetivo desse filme-experimento é mostrar que processos
químicos ocorrem quando a corrente elétrica atravessa o meio. No caso aqui
específico, realiza-se a eletrólise de uma solução aquosa de iodeto de potássio
em água. Observam-se a formação de iodo em solução e o desprendimento de
gás hidrogênio, a substância mais importante para o objetivo central do
experimento. Como observações secundárias, o filme mostra como se pode
fazer uma coleta de gases, mostra que a solução de iodo é castanha e que o
iodo pode ser identificado por amido e que essa identificação é caracterizada
pela coloração azul escura do complexo formado, mostra como se pode medir
uma corrente elétrica e também como se faz para medir o volume de gás
desprendido. Ao final o experimento permite o cálculo de grandezas como: a
carga do elétron, a constante de Avogadro e a estequiometria da redução do
íon H+ pelo elétron.
Condutividade: esse filme tem como foco principal a demonstração do
fenômeno da condutividade elétrica e sua relação com a presença de íons em
solução. O filme mostra, por exemplo, que a água e o etanol líquidos não
conduzem a corrente elétrica quando puros. Também mostra que um sólido
iônico como o cloreto de sódio em água conduz a corrente elétrica enquanto
que um molecular, a sacarose, em solução aquosa não conduz a corrente. Em
um outro momento, o filme permite ao espectador, a observação de que um
líquido solvente tem influência na condutância elétrica de uma solução,
permite observar que uma solução de iodeto de potássio conduz bem a
corrente elétrica em água, e não conduz tão bem em etanol. O filme também
10
permite que sejam feitas comparações entre as condutâncias elétricas de
soluções de ácidos com diferentes constantes de ionização e também entre
bases em uma mesma concentração. O filme não possibilita nenhuma
determinação quantitativa dessas condutâncias, mas permite, por exemplo,
observar como se constrói um dispositivo simples para se estudar o fenômeno
da condutância elétrica em solução.
Titulação Condutométrica: neste filme-experimento, o objetivo é a
determinação da concentração de uma solução de ácido sulfúrico, pela
titulação com uma solução aquosa saturada em hidróxido de bário. O filme
mostra que essa titulação pode ser conseguida pelo uso da condutância elétrica
do meio reacional, utilizando-se um dispositivo simples, onde a variação da
condutância do meio reacional é monitorada pela intensidade de luz de uma
lâmpada incandescente. O experimento reforça o conceito do filme anterior
(condutância elétrica) e ainda permite cálculos com concentração de soluções,
sem dispensar um olhar mais profundo sobre a propriedade de condução
elétrica de eletrólitos, quando evidencia vários momentos da titulação
monitorada conforme dito anteriormente. Na versão do filme, o objetivo é a
determinação da concentração do ácido sulfúrico em solução, entretanto,
outras narrativas poderiam permitir o estudo de muitos outros fundamentos ou
conceitos, sem se alterar o filme produzido.
11
2.2- Execução dos experimentos selecionados e adaptação para as condições
de filmagem
Para se obter os filmes-experimentos presentes neste trabalho, muitos
experimentos foram executados no laboratório de pesquisa em condições
cientificamente mais controladas. É importante ressaltar, que os resultados
obtidos e mostrados nos filmes se referem às condições adotadas para a
execução da filmagem. Mesmo adotando estas condições, que muitas vezes
não foram as mais adequadas (por exemplo, no filme-experimento sobre a
solubilidade, onde o recomendado era conduzir o aquecimento para eliminar a
água das soluções em um banho termostatizado e no filme-experimento isto
foi feito em uma placa de aquecimento), os resultados obtidos foram
satisfatórios, se considerado o objetivo desse trabalho.
Em todos os experimentos houve a necessidade de se adaptar ou criar
dispositivos para a realização dos filmes-experimentos. Isto ocorreu com o
objetivo de se:
- Obter as melhores condições para a filmagem, evitando reflexos
luminosos que poderiam prejudicar a leitura de alguma medida,
eliminando a perda de foco que poderia ocorrer dependendo da forma
do objeto filmado, obtendo seqüências para proporcionar harmonia na
cena, dando “closes” para destacar algum fenômeno, etc.
- Suprir a inexistência do dispositivo para a execução dos filmes-
experimentos, desenvolvendo esses dispositivos, já que muitos deles
não são disponíveis comercialmente, ou não são compatíveis com o
estágio acadêmico em que os alunos se encontram (a utilização de um
dispositivo muito sofisticado pode desviar a atenção do aluno do
12
fenômeno que se deseja mostrar). As figuras 2, 3, 4 e 5 mostram alguns
dispositivos criados.
Figura 2: Calorímetro desenvolvido para avaliar a entalpia de solução de dois sais.
Figura 3:Eletrodos construídos para o filme-experimento sobre eletrólise.
13
Figura 4: Dispositivos criados para avaliar a condutividade de soluções.
14
Figura 5: Dispositivo utilizado na titulação condutométrica.
2.3-Filmagens
Para iniciar as filmagens foi necessário definir a composição da cena,
isto é, a disposição dos elementos de modo a revelar aos espectadores a idéia
do experimento, de um modo eficaz e, ao mesmo tempo, apresentar uma
imagem harmoniosa, agradável e bem equilibrada.
A composição em vídeo tem características diferentes da fotografia e
outras artes visuais.10
Na fotografia, a composição pode ser feita dispondo os elementos na
horizontal ou na vertical. Em vídeo, só são possíveis enquadramentos na
horizontal. Se fossem feitos na vertical, seria necessário alterar a posição do
televisor, o que na prática é pouco viável.10
Em vídeo, o enquadramento tem posição e proporções fixas. A imagem
é sempre apresentada na horizontal numa proporção, cuja relação é,
15
geralmente, de 4 para 3 (4:3), ou seja, quatro partes para a largura e três para a
altura.10
O enquadramento deve conter todos os elementos do plano (curvas,
verticais, horizontais e diagonais). A dimensão do plano varia de acordo com
o tamanho do objeto, com a distância do objeto à objetiva e principalmente
com o que se quer mostrar. Se o plano for muito distante, poderá incluir
elementos supérfluos que poderão desviar a atenção do tema central, e se for
muito próximo, as mudanças bruscas do que se quer mostrar irão se tornar
difíceis de serem registradas durante a filmagem.11
Nas filmagens dos experimentos não foi utilizado um único plano, pois
em determinados momentos nosso objetivo era propiciar ao expectador uma
visão global do experimento, e em outro momento, era mostrar o objeto de
perto, eliminando parte da cena e levando o espectador a concentrar-se naquilo
que de fato interessava (como uma medida que é importante ter conhecimento
e fazer sua anotação ou constatação de um fenômeno).
O melhor enquadramento se consegue fazendo variar a distância da
objetiva aos objetos por meio do zoom. A objetiva é o conjunto de lentes que
permitem a captura das imagens e deve ser encarada como uma extensão dos
próprios olhos, que permite armazenar na fita tudo aquilo que se procura
mostrar. O zoom é o sistema que possibilita variar a distância focal
proporcionando vistas panorâmicas ou aproximadas.
O enquadramento depende daquilo que se pretende mostrar, e por isso,
não há fórmulas fixas. Há, todavia, um conjunto de conhecimentos que devem
ser levados em consideração. Um deles é o da noção dos pontos fortes da
cena.
Os pontos fortes são as áreas da imagem que constituem passagens
obrigatórias durante a observação das imagens. Eles estão relacionados com a
16
chamada regra dos terços, conhecimento fundamental para uma boa
composição da imagem em vídeo.11
A regra dos terços consiste em dividir a área da imagem, que se observa
no monitor de vídeo ou no visor da câmera, em três faixas horizontais e três
verticais.10
Os elementos fundamentais da imagem devem ser equilibrados ao
longo das linhas ou nos pontos onde se cruzam, o que garante que os
elementos horizontais e/ou verticais fiquem perfeitamente alinhados.11
De acordo com a angulação ou posicionamento da câmera, em relação
ao que é registrado, podem ser considerados diferentes ângulos de visão. O
ângulo de visão ou angulação é o ponto de vista ou de observação a partir do
qual uma determinada cena é captada pela objetiva da câmera.10
Em nossas filmagens procuramos utilizar uma angulação, que além de
propiciar uma visão descritiva do experimento, proporcionasse ao espectador
uma situação de interatividade, isto é, como se ele estivesse realizando o
experimento. Para isso, o eixo óptico da câmara foi posicionado em linha reta
com o objeto a ser registrado e em outras cenas utilizamos a câmera em uma
posição um pouco superior aquilo que se filmava. A alternância destas duas
angulações proporcionava os efeitos desejados. Se fossem utilizadas outras
angulações, como, por exemplo, posicionando-se a câmera de baixo para
cima, o efeito conseguido seria um aumento nas dimensões do que é filmado,
criando uma sensação de grandiosidade do objeto e de pequenez do
observador face ao observado.
A composição também dependente do tipo e da forma de iluminação
utilizada. A luz é um elemento fundamental. Sem ela não é possível ver as
imagens. Estas variam de acordo com o posicionamento da fonte luminosa. O
17
grau de incidência e a intensidade da luz geram diferentes contrastes,
permitindo ao cérebro humano perceber a noção de relevo e profundidade.12
A utilização de focos de luz, cuidadosamente colocados, permite alterar
o grau de plasticidade e a aparência dos objetos. É a alternância das zonas de
sombra e de luz que nos permite avaliar o grau de concavidade ou de
convexidade dos objetos, o qual depende do ângulo de incidência da luz.12
A luz utilizada pode ser obtida a partir da iluminação solar ou através de
uma fonte artificial. Em filmagens profissionais é comum utilizar-se uma
fonte artificial 13. Esta iluminação é proporcionada por diferentes lâmpadas e
focos de projeção, estando as tonalidades dependentes dos tipos de lâmpadas.
Em nossas filmagens utilizamos a luz natural e a luz artificial que
existia no ambiente escolhido para as filmagens. As filmagens foram
conduzidas no próprio laboratório de pesquisa. A forma, como os objetos
eram iluminados, dependia da hora, do dia e da sua posição relativa à fonte de
luz e das condições de luminosidade do próprio local. Algumas vezes, o
momento do dia em que foram efetuados os registros das imagens podia não
ser o mais conveniente do ponto de vista da iluminação. Em filmagens
profissionais, a luz natural é reforçada ou alterada por meio de diferentes
recursos, tais como, iluminadores ou focos de luz, refletores, espelhos, filtros,
etc.
Nossas cenas recebiam iluminação direta, e a principal conseqüência era
o aparecimento de sombras mais ou menos intensas, de acordo com o
posicionamento e a intensidade do foco de luz.
Em fotografia é possível obter boas imagens em locais muito
contrastados onde a luz solar produz zonas profundas de sombra, mas em
vídeo torna-se impossível uma captura equilibrada das imagens, tornando-se
necessário alterar as condições de iluminação do local13. Como, em nosso
18
caso, não era possível modificar o posicionamento do foco de luz, na tentativa
de minimizar estes indesejados efeitos, algumas vezes, anteparos foram
colocados nas janelas por onde entrava a iluminação natural, e em outras
vezes a luz artificial do ambiente era apagada, além de modificações no
posicionamento da câmera e dos objetos que constituíam a cena.
Vale lembrar que estes ajustes consumiam muito tempo, porque
tínhamos que levar em conta tudo aquilo que queríamos privilegiar. Se os
elementos importantes estavam na zona de sombra, as áreas claras ficavam
muito iluminadas, se o que interessava se encontrava na zona iluminada pelo
sol, as zonas de sombra ficavam muito escurecidas.
Para proceder à filmagem de cada filme-experimento, foi necessário
criar um roteiro de filmagem onde foi definida a seqüência mais conveniente
para a execução da filmagem. Dependendo do experimento, a seqüência de
filmagem das cenas não é a mesma que é mostrada no vídeo. Isto ocorre
porque algumas cenas foram filmadas em ambientes diferentes, como por
exemplo, as pesagens. Em nosso trabalho, houve a necessidade de se definir,
em uma mesma cena, qual seria o fenômeno a ser filmado, pois como
realizamos estes filmes com uma única câmera, não era possível, por exemplo,
destacar um determinado aspecto do experimento ao mesmo tempo que outro,
também importante. Nesse caso, um mesmo experimento teve que ser repetido
diversas vezes para que tudo que foi julgado importante pudesse ser visto na
edição final, inclusive a fala, que teve que ser colocada após as filmagens.
A seguir é mostrado um exemplo de roteiro utilizado nas filmagens.
19
2.4 - Roteiro de filmagem para o filme-experimento: Propriedades Coligativas
1° Parte: Determinação do ponto de fusão da água pura
1. Mostrar o sistema montado (placa de agitação, suporte universal, tubo
de ensaio fixo no suporte, recipiente para o banho, termômetro, gelo
picado e sal grosso).
2. Adicionar gelo e o sal grosso sobre o mesmo.
3. Adicionar água ao tubo de ensaio.
4. Colocar a barra de agitação magnética no tubo de ensaio.
5. Colocar o termômetro dentro do tubo de ensaio.
6. Mostrar o sistema montado.
7. Mostrar a temperatura inicial da água.
8. Focar no termômetro e mostrar a diminuição da temperatura.
9. Mostrar a solidificação e a temperatura.
2° Parte: Abaixamento do ponto de fusão pela adição de um soluto molecular
1. Mostrar o sistema montado.
2. Colocar o tubo de ensaio com a massa conhecida de água.
3. Colocar a barra de agitação magnética no tubo de ensaio.
4. Adicionar a massa conhecida de sacarose.
5. Focar no termômetro e seguir a diminuição da temperatura.
6. Mostrar a solidificação e a temperatura.
3° Parte: Abaixamento do ponto de fusão pela adição de um soluto iônico
Roteiro igual ao anterior, utilizando sal de cozinha como soluto.
20
4° Parte: Pesagens
4.1 – pesagens das massas de água. Repetir o roteiro duas vezes.
1. Colocar na balança, béquer contendo o tubo de ensaio dentro.
2. Fechar a balança e zerar.
3. Zoom no display da balança zerada para mostrar como se pesa.
4. Adição, com pisseta, de cerca de 10 g de água destilada ao tubo de
ensaio.
5. Fechar a balança.
6. Zoom no display da balança e dar tempo para a leitura da massa.
7. Retirar da balança, fechá-la e zerar para evidenciar a técnica de sua
utilização.
4.2 – pesagens dos solutos
1. Colocar na balança, com o auxílio de uma pinça, uma navícula.
2. Fechar a balança e zerar.
3. Zoom no display da balança e tempo de filmagem e observação.
4. Adicionar, com uma espátula, cerca de 3,7 g de açúcar refinado.
8. Fechar a balança.
9. Zoom no display da balança e tempo de leitura.
Repetir o mesmo procedimento, utilizando-se cerca de 0,7 g de sal de
cozinha.
21
2.5 – Edição dos filmes-experimentos
Após a etapa de filmagem dos vários seguimentos dos experimentos, o
conteúdo de cada fita foi transferido para um computador onde foi feita a
edição de cada filme-experimento. O computador utilizado é do tipo PC,
equipado com uma placa de captura de vídeo, processador Pentium® 4 com 1
GB de memória ram e 160 GB de disco rígido. Na maioria dos filmes a
câmera utilizada foi uma Sony DCR-HC 40. O programa de edição utilizado
foi um Pinnacle Studio Version 9.0 que acompanha a placa de captura.
A edição feita neste trabalho é do tipo não-linear, pois as imagens foram
acessadas de modo aleatório (ao contrário de uma fita de vídeo, onde o acesso
é seqüencial), uma vez que se encontravam gravadas no disco rígido do
computador (que possibilita este tipo de acesso, denominado randômico)12.
A figura 6 mostra as principais etapas envolvidas na edição não-linear.
Figura 6: Etapas envolvidas na edição não-linear.
O primeiro passo na edição, conhecido como decupagem12, consistiu na
avaliação de todo o material gravado (todas as cenas produzidas foram
filmadas por mais de uma vez, para que proporcionassem um volume razoável
22
de material) e para se ter uma visão geral das possibilidades de edição. Após
essa análise, foi criado um plano de edição, que é um documento que fornece
a descrição das cenas selecionadas e o seu respectivo tempo na edição.
Seguindo as informações contidas nos planos de edição, foram gerados
novos arquivos com as cenas selecionadas, que posteriormente foram
organizadas de acordo com a seqüência que é apresentada nos filmes.
A próxima etapa na edição de cada filme-experimento, foi a colocação
de transições entre as cenas. A transição é um recurso utilizado, por exemplo,
para possibilitar a continuidade entre cenas ou para proporcionar ao
telespectador uma sensação temporal, que muitas vezes é importante em um
experimento, mas que não pode ser obtido diretamente das cenas. Esta idéia
temporal foi utilizada, por exemplo, no filme-experimento sobre as
propriedades coligativas, a cena onde ocorreu o super-congelamento durou
cerca de 8 minutos, tempo demasiadamente grande para aparecer no filme.
Neste caso, foi utilizada uma transição para diminuir o tempo de espera e
deixar o filme mais dinâmico. Esse recurso foi utilizado, pois o programa de
edição não permite a colocação de uma imagem sobre a outra, por exemplo,
de um relógio marcando o tempo.
Concluída a colocação das transições entre as cenas, cada filme-
experimento recebeu as falas (que foram utilizadas apenas para alertar sobre
determinado fenômeno ou medida) previamente criadas com base nas cenas
que foram filmadas.
A gravação das falas foi feita utilizando-se um microfone comum (que
acompanha muitos microcomputadores) e posteriormente fizeram-se as
adequações das falas às cenas, já que as falas foram gravadas em outro
momento e sem obedecer à seqüência de cenas apresentadas no filme.
23
A última etapa do processo de edição foi a escolha da trilha sonora
adequada para cada filme experimento. A trilha sonora permite realçar
determinada cena ou ação, mas não deve se sobrepor, em nível de
importância, ao que se pretende mostrar. Com este objetivo, foi solicitado a
um profissional, a produção de um material que se adequasse aos filmes
produzidos. Após a seleção das trilhas sonoras, estas foram editadas e depois
inseridas em cada filme, de modo a formar um conjunto harmonioso entre as
imagens e as falas presentes em cada cena.
Finalizado o processo de edição, os arquivos criados pelo programa de
edição não são ainda arquivos de vídeo e sim arquivos particulares do
programa. Para a conversão do arquivo, em um arquivo de vídeo foi
necessário executar um processo chamado renderização (realizado pelo
próprio programa de edição) que consiste em consolidar as diversas trilhas
sobrepostas, efeitos e transições de áudio e vídeo em um único arquivo. Ao
término deste processo, as transições e os efeitos incluídos no vídeo não
podem mais ser alterados. Neste processo é possível determinar o formato
final do arquivo gerado, como por exemplo ".avi". Arquivos desse tipo podem
ser armazenados no micro para uso em outros processos de edição ou até
mesmo dentro do mesmo processo. Outros formatos podem ser escolhidos
para geração do arquivo final, como MPEG1 (para gravação de VCD-
compact disc video), MPEG2 (para gravação de DVD- digital vídeo disc),
Quick Time, RealMedia, Windows Media ou MPEG4 e outros para
visualização através de computadores e Internet. O formato escolhido para a
gravação dos filmes-experimentos foi o DVD, devido à qualidade das imagens
proporcionadas pelo uso deste formato e pela disponibilidade de aparelhos de
DVD nas escolas. Ao término do processo de geração do arquivo final, o
vídeo foi gravado em disco (através de um gravador de DVD).
24
3- Filmes-Experimentos
3.1 – Condutividade
3.1.1 – Introdução
Em relação á condutividade elétrica, os líquidos podem ser classificados
como isolantes ou não condutores, como por exemplo o óleo de silicone;
maus condutores, como ácido clorídrico líquido e água pura; fracos
condutores, como soluções aquosas de ácido acético ou amônia; e excelentes
condutores, como soluções aquosas de sais, ácidos e bases fortes e sais
fundidos.14
A facilidade de condução da corrente elétrica se deve às características
da substância em questão, tipos de ligações intra e intermoleculares,
polaridade, etc. Líquidos que conduzem a corrente elétrica são denominados
de eletrólitos; nesses casos a corrente elétrica flui quando um campo elétrico é
aplicado.14,15 Os eletrólitos obedecem à lei de Ohm, mas como estão
susceptíveis à eletrólise, as medidas de condutância são feitas utilizando-se
corrente alternada.
A resistência, R, de um material qualquer é diretamente proporcional ao
seu comprimento l, e inversamente proporcional à sua área de seção
transversal A:
AlR ρ= (1)
25
onde ρ é uma constante de proporcionalidade denominada de resistividade do
material, e é definida como a resistência de uma amostra do material de
comprimento 1 metro e área de seção transversal de 1 metro quadrado (a
unidade da ρ é Ω m). A condutância (G) de um material é definida como o
inverso de sua resistência, R-1, e a sua condutividade especifica como o
inverso de sua resistividade, ρ-1, e é representada por κ,14,16
AR111 ==
ρκ (2)
A medida de condutividade de uma solução pode ser realizada com um
condutivímetro acoplado a um dispositivo específico, denominado cela de
condutância. Nessa cela há duas placas metálicas, normalmente de platina, de
área A, mantidas a uma distância fixa, l. A razão l / A é denominada de
constante da cela, e é uma característica da mesma15:
R1cela da constante=κ (3)
No laboratório a constante de cela pode ser obtida pela medida da
condutância (ou resistência) de uma solução padrão de condutividade
conhecida, normalmente em 298 K. O conhecimento dessa constante
associado à medida de condutância do líquido (puro ou solução) permite o
conhecimento das propriedades de condução elétrica do sistema sob
estudo14,15.
26
3.1.2 – Parte experimental
Para avaliar a condutância de algumas soluções, foi desenvolvido o
dispositivo mostrado na figura 7. Esse dispositivo é constituído por uma placa
de acrílico onde são fixados soquetes para lâmpadas incandescentes. Os
terminais elétricos dos soquetes estão ligados a dois fios rígidos de cobre que
são imersos na solução que se deseja avaliar a condutividade. Esses terminais
de cobre desempenham papel semelhante aos eletrodos da cela de
condutância. Os soquetes são ligados em paralelo, através de fios de cobre, e
são conectados a uma tomada ligada à rede elétrica. A voltagem utilizada
neste experimento foi de 110 V.
Figura 7: Dispositivo desenvolvido para avaliar a condutância elétrica de soluções.
As lâmpadas utilizadas neste experimento eram para uma tensão de 220
V e potência de 40 W. Outras lâmpadas, como, 110 V/40 W, 110 V/60 W, 220
Terminais de cobre
Condutor metálico
27
V/60 W foram testadas, e a escolha recaiu naquela que proporcionou melhores
resultados para visualização em vídeo, para o efeito estudado. A intensidade
de luz e a sensibilização da câmara de vídeo foram os atributos utilizados na
escolha da lâmpada mais adequada.
Antes do primeiro teste com soluções, o filme-experimento mostra
como as lâmpadas acendem quando se permite que haja passagem de corrente
pelo dispositivo. Isso é feito conectando-se os terminais de cobre a um fio
condutor e mostrando-se que a lâmpada acende. Antes do primeiro teste com
soluções, a condutividade elétrica da água destilada é testada.
No primeiro teste de condutância, são utilizados dois béqueres de 250
cm3 com cerca de 200 cm3 de água destilada. Em um béquer, são adicionados
5 gramas de sal de cozinha, e no outro, 5 gramas de açúcar refinado. Como se
vê no filme-experimento, as quantidades de sólido foram transferidas com
uma colher; os verdadeiros valores de massa foram estimados fora do filme, e
propositadamente foram omitidos da filmagem, pois o objetivo central desse
filme-experimento, como o próprio texto introdutório evidencia, é fazer uma
comparação semiquantitativa das propriedades condutoras de eletricidade de
alguns líquidos. O objetivo desse filme é, simplesmente, mostrar que algumas
soluções não conduzem, outras conduzem pouco e outras conduzem bem a
eletricidade.
No segundo teste são comparadas as condutâncias de duas soluções de
concentração 1 grama de iodeto de sódio / 100 cm3 em água e em álcool
etílico comercial (96°GL). Anteriormente ao teste descrito, a condutância dos
solventes puros também é mostrada.
Para avaliar a força relativa de alguns ácidos em solução aquosa, são
utilizadas soluções aquosas de concentração 1 mol dm-3 de ácido clorídrico,
ácido acético e ácido fórmico. Um mesmo volume, 100 cm3, de cada solução é
28
utilizado. Nesse caso o dispositivo de demonstração é constituído de três
lâmpadas ao invés de duas.
No último teste, sobre a força relativa de bases em solução aquosa, são
comparadas as condutâncias de soluções aquosas, na concentração 1 mol dm-3,
de hidróxido de sódio e de amônia.
Para avaliar a condutância de cada solução, os fios de cobre devem ficar
dentro da solução. Logo em seguida, o dispositivo é conectado à rede elétrica;
sendo verificado o acendimento ou não da lâmpada. Após cada teste, os
contatos elétricos (fio de cobre) são lavados com água destilada e, em seguida,
secos.
3.1.3 - Resultados
No início do filme-experimento, procurou-se mostrar que a lâmpada só
acende se há um fluxo de elétrons pelos terminais. Assim, um fio condutor é
colocado entre os terminais provocando o acendimento da lâmpada. Logo em
seguida, a conexão entre os terminais é desfeita, e os terminais são imersos em
água destilada observando-se que, a lâmpada não acende. Para que haja a
condução de corrente elétrica, existe a necessidade de que íons façam o
transporte da carga elétrica entre os terminais, e na água destilada, essa
quantidade é pequena, conforme mostra o valor de Kw à 25°C, que é de 1,008
x 10-14, mostrando que existem somente poucas moléculas de água
dissociadas.16
2 H2O(l) = H3O+(aq) + OH-(aq) ; Kw = [H3O+(aq)] [OH-(aq)] (5)
29
Na segunda parte do experimento, o objetivo é mostrar que existem
substâncias que, em água, formam íons, e que a evidência da presença destes
íons é o acendimento da lâmpada. Para isto, optou-se por utilizar quantidades
iguais de duas substâncias presentes no dia-dia dos alunos, o sal de cozinha e
o açúcar. É importante notar que a distinção de comportamento entre essas
duas substâncias é feita de uma forma semiquantitativa nesse filme, o que
justifica o uso de uma colher e não de uma balança ou de soluções de mesma
concentração; seria um rigor desnecessário e prejudicial.
O sal de cozinha, considerado como cloreto de sódio puro (o que na
realidade não o é), em água sofre dissociação, formando os íons Na+(aq) e Cl-
(aq)
que são responsáveis pelo transporte de carga elétrica entre os eletrodos
permitindo o acendimento da lâmpada.
NaCl(s) + H2O(l) = Na+(aq) + Cl-(aq) (6)
O açúcar refinado, considerado como sacarose pura (o que não o é),
torna-se solúvel, devido a interações do tipo ligação de hidrogênio com a
água, mas não forma íons.
C12H22O11(aq) + H2O(l) = C12H22O11(aq) (7)
Não existindo íons em solução, a lâmpada (o indicador de condutância
elétrica) permanece apagada.
A terceira parte do experimento procura mostrar a influência do
solvente em relação à condutância da solução. Neste ensaio, são utilizadas
quantidades iguais de uma mesma substância, o iodeto de sódio, em água e em
álcool etílico comercial (96°GL).
30
A intensidade de luz superior na água é esperada devido à sua constante
dielétrica superior, o que leva a uma maior dissociação do sal dissolvido. A
constante dielétrica não é o único fator responsável pelo fenômeno, mas é um
dos fatores que influenciam a formação de íons em solução17 (cf. Tabela 1).
Tabela 1: Constante dielétrica de alguns solventes a 298 K.17
Solvente Constante dielétrica
água 78,3
metanol 32,6
etanol 24,3
propanol 20,4
No experimento seguinte avaliam-se as forças relativas de ácidos. São
utilizadas três soluções ácidas de mesma concentração, contendo
separadamente, ácido clorídrico, ácido acético e ácido fórmico. Estes ácidos
foram escolhidos, pois revelaram a melhor distinção entre as intensidades de
luz da lâmpada e a força do ácido. Outros ácidos foram testados, como o
fosfórico, o bórico, o propanóico e o carbônico, no entanto, eles não
mostraram bons resultados na avaliação por comparação entre sua força e a
intensidade de luz, ou seja, a diferença entre as forças relativas não era
claramente refletida pela intensidade de luz.
A intensidade de luz produzida pela lâmpada é proporcional à
quantidade de íons em solução e também a outros fatores como: tamanho dos
íons e viscosidade do solvente14, mas, nesse nível não se fala sobre esses
aspectos no fenômeno da condutância.
31
O equilíbrio iônico, no caso dos ácidos pode ser equacionado
simplificadamente por:
HA(aq) + H2O(l) = H3O+(aq) + A-(aq) (8)
onde HA representa a forma não ionizada e A- a base conjugada do ácido.
Sendo a expressão da constante de equilíbrio representada por:
OHHA
AOHa aa
aaK
2
3−+
= (9)
Como, por convenção, a atividade da água é igual a 1 (para soluções
diluídas), a equação 9 pode ser escrita como:
HA
AOHa a
aaK
−+
= 3 (10)
No ensino médio o que se faz é aproximar a atividade da concentração e
eliminar as grandezas padrão da referida expressão, de modo que a equação 10
se transforma em:
HA][]A[]OH[ -
3+
≈aK (11)
A magnitude da constante de dissociação (Ka), revela o quanto esse
ácido se encontra dissociado, em outras palavras, dá informações sobre a sua
32
força relativa. A tabela 2 fornece as constantes de dissociação dos ácidos
selecionados para o filme-experimento.
Tabela 2: Valores de constantes de dissociação de ácidos em soluções aquosas a 298 K e 1 bar de pressão.16
Ácido Constante de dissociação (Ka)
clorídrico 1 x 107
fórmico 1,8 x 10-4
acético 1,4 x 10-5
A intensidade de luz produzida pelas lâmpadas reflete o que é mostrado
na tabela 2, ou seja, a intensidade de luz guarda uma relação de
proporcionalidade direta com o valor de Ka de cada ácido e conseqüentemente
à sua força relativa. A figura 8 mostra uma cena do filme-experimento em que
se testam as condutâncias para as soluções aquosas dos ácidos.
Figura 8:Teste de condutância utilizado para avaliar a força relativa de alguns ácidos em solução aquosa.
Ácido Acético
Ácido Fórmico
Ácido Clorídrico
33
O propósito do último experimento é analisar a força de bases em
solução aquosa. As soluções de concentração 1 mol dm-3 selecionadas para o
filme–experimento foram o hidróxido de sódio e o hidróxido de amônio.
Como no experimento anterior, outras bases foram avaliadas, com o objetivo
de se obter a melhor relação entre a força relativa da base e a intensidade de
luz da lâmpada. Dentre as bases testadas e que não proporcionaram bons
resultados, estão o hidróxido de cálcio, hidróxido de potássio e o hidróxido de
lítio.
No caso das bases o mesmo tratamento de equilíbrio pode ser feito, só
que agora se chega à expressão para a constante de equilíbrio para uma base.
A intensidade de luz observada, figura 9, é diretamente proporcional a
quantidade de íons em solução (é importante reafirmar que, neste nível, outros
fatores que influenciam a condutância da solução não são considerados, como
mostrado anteriormente para os ácidos), assim, quanto maior o valor da
constante de dissociação, maior é a intensidade de luz. A lâmpada na solução
de NaOH mostra uma intensidade de luz superior à da solução de NH3. A
tabela 3, mostra as constantes de dissociação das bases utilizadas:
Tabela 3: Valores de constantes de dissociação das bases em soluções aquosas a 298 K e 1 bar de pressão.18
Base Constante de dissociação (Kb)
hidróxido de sódio 4
hidróxido de amônio 1,71 x 10-5
34
Figura 9: Intensidade de luz na avaliação da condutividade, utilizada para se comparar a força relativa de NaOH e NH3 em solução aquosa.
Observando-se os resultados que o filme permite obter, é razoável
imaginar que o filme poderá auxiliar os alunos na compreensão do fenômeno
da condutância de soluções e a sua relação com à força de ácidos e bases e
também ajudar a aclarar questões sobre equilíbrio químico do ponto de vista
semiquantitativo. As imagens captadas são claras no que diz respeito a
evidenciar os diferentes comportamentos. O filme foi concebido de forma a
conduzir o espectador a um raciocínio lógico e numa seqüência pedagógica já
consagrada em diversos livros-textos.
Hidróxido de amônio
Hidróxido de sódio
35
3.2 – Eletrólise 3.2.1 – Introdução Quando se mergulha um condutor elétrico em um líquido, sempre
aparece uma distribuição de cargas elétricas entre esse condutor (denominado
eletrodo) e o líquido (mais freqüentemente uma solução de um eletrólito em
um solvente) e essa distribuição de cargas leva à formação de um potencial
elétrico na interface entre esses dois sistemas.14
A magnitude dessa diferença de potencial se deve às próprias
características dos dois sistemas (eletrodo e solução) e também é uma função
da temperatura e da pressão. Essa diferença de potencial não pode ser
determinada por método algum, a menos que esse eletrodo esteja conectado a
um outro eletrodo em condições semelhantes (um referencial)18. Essa
diferença de potencial entre os dois eletrodos, além de ser uma indicação das
cargas que aparecem em cada um deles, também mostra que se os dois
estiverem conectados por um condutor elétrico, sob determinadas condições, é
possível que uma corrente elétrica flua entre os dois. Ao arranjo experimental
simplificadamente descrito na frase anterior dá-se o nome de cela
eletroquímica.
Numa cela eletroquímica a corrente elétrica, de uma forma simplificada,
corresponde à transferência de carga elétrica de um ponto a outro, e nesse caso
é efetuada pelo trânsito de elétrons. Em algumas condições esse fluxo de
elétrons se dá de maneira espontânea, isto é, sem ajuda de qualquer fonte
externa e tem-se o que se denomina cela galvânica. A força eletromotriz (fem)
de uma pilha eletroquímica, que é uma diferença dos potenciais elétricos dos
dois eletrodos, quando em condições padrão, pode ser calculada pela diferença
36
entre os respectivos potenciais padrões dos dois eletrodos, sendo esses valores
tabelados para a atmosfera padrão de 1 bar e para uma atividade do eletrólito
igual a 116. Nas tabelas termodinâmicas esses valores são tabelados para 298 K
e concentração 1 molal. Uma cela eletroquímica funcionando
espontaneamente significa que o sistema está reagindo no sentido de formação
de substâncias e consumo de outras, de forma que, com o passar do tempo, as
concentrações estão cada vez mais próximas da condição de equilíbrio16.
Quando a corrente elétrica flui em sentido não espontâneo e for preciso
a ajuda de uma fonte de tensão externa, diz-se tratar de uma cela eletrolítica16.
Em ambos os casos, celas galvânicas ou eletrolíticas, a existência de corrente
elétrica pressupõe uma ou mais reações químicas.
A existência de uma corrente elétrica fluindo por uma cela eletrolítica
significa que o potencial elétrico externo é superior ao potencial elétrico
espontâneo, pois quando ambos são iguais e em sentidos opostos, não há
passagem de corrente pelo circuito16. Observe-se que esta é a condição
termodinamicamente correta para se medir um potencial elétrico16. Na prática,
muitas vezes, para se proceder a uma reação eletrolítica, o potencial da pilha
deve ser superado pelo externo e isso acontece porque um ou mais dos
seguintes fenômenos podem estar ocorrendo: queda ôhmica, polarização por
concentração e polarização cinética.14
As celas eletroquímicas, assim como os condutores metálicos, resistem
ao fluxo de elétrons14. Em ambos os casos, a lei de Ohm descreve esse efeito.
O produto da resistência R de uma cela pela corrente i, é denominado de
potencial ôhmico ou queda ôhmica.14
O efeito da polarização surge quando uma cela eletroquímica não
obedece a relação linear que a lei de ohm descreve. Celas que apresentam este
37
comportamento são classificadas como polarizadas e o grau de polarização é
dado pelo sobrepotencial ou sobrevoltagem.14
A polarização é um fenômeno que pode afetar um ou os dois eletrodos.
O grau de polarização de um eletrodo varia largamente. Em alguns casos, se
aproxima de zero e em outros pode ser tão grande que a corrente torna-se
independente do potencial. Nestas condições a polarização é completa. O
fenômeno da polarização é dividido em polarização por concentração e
polarização cinética.14
A polarização por concentração ou sobrepotencial de concentração
ocorre quando as espécies que se reduzem ou se oxidam não deixam a
superfície do eletrodo em tempo suficiente para que seja mantida a corrente
desejada. Quando isto acontece, a corrente é menor que a prevista.15
Os produtos e reagentes são transportados da, ou para a, superfície do
eletrodo por três mecanismos: difusão, migração e convecção. A difusão
ocorre quando existe uma diferença na concentração entre duas regiões de
uma solução. Íons e moléculas movem-se da região mais concentrada para a
menos concentrada levando a uma diminuição da diferença de concentração.
Na migração, os íons se movem pela influência de um campo elétrico, e a sua
velocidade, geralmente, aumenta com o aumento do potencial. No processo de
convecção, a transferência de reagentes para o eletrodo ou a saída de produtos,
pode ser influenciada por meios mecânicos como, por exemplo, a agitação.
Esta agitação, tende a diminuir a camada difusa na superfície do eletrodo. A
convecção pode ainda surgir por gradientes de temperatura ou de
densidade.14,15
Na polarização cinética, a magnitude da corrente é limitada pela taxa de
uma ou de ambas as reações de eletrodo, isto é, a taxa de transferência de
elétrons entre reagentes e eletrodos. No sentido de atenuar a polarização
38
cinética, um potencial adicional deve ser aplicado. Este potencial é chamado
de sobrepotencial de ativação.14,15
Posto esse breve conhecimento sobre algumas particularidades do
conhecimento eletroquímico, o objetivo deste experimento é mostrar que
processos químicos podem ocorrer quando a corrente elétrica atravessa uma
solução. No caso aqui específico, a solução escolhida para tal, foi a de iodeto
de potássio que, quando eletrolisada, forma um produto colorido (I2), o que é
desejado quando se realiza a filmagem, e gás hidrogênio. Espera-se, também,
que este experimento forneça subsídios para o entendimento de processos de
oxidação e redução, facilite os possíveis cálculos estequiométricos, possibilite
a aplicação da equação de estado do gás ideal ou a determinação da constante
de Avogadro.
3.2.2 – Parte Experimental O aparato experimental construído para a realização da eletrólise da
solução de iodeto de potássio 0,25 mol dm-3, é constituído de um par de
eletrodos de fios de níquel-crômio, rigidamente mantidos a uma distância fixa
em um cilindro de Teflon®. Esses dois eletrodos estão ligados entre si e em
série com um amperímetro. Todo esse circuito em série é alimentado por uma
fonte de corrente contínua. A eletrólise se processa em uma solução de iodeto
de potássio contida em uma bureta. Os eletrodos estão imersos nessa solução,
tampando a extremidade da bureta oposta à torneira, deixando uma pequena
abertura para a saída de solução quando a eletrólise está ocorrendo. A figura
10 mostra a aparelhagem utilizada.
39
Figura 10: Aparato experimental utilizado na eletrólise da solução de KI.
3.2.3 - Resultados
Nos processos eletrolíticos a escolha do material para confecção do
eletrodo, bem como a sua geometria, é de suma importância. A escolha no
material adequado pode reduzir o sobrepotencial necessário para manter uma
dada corrente ou evitar reações indesejáveis no eletrodo (por exemplo, a
própria oxidação do eletrodo) e, em outros casos, a alteração na geometria do
eletrodo pode induzir ou minimizar os efeitos de polarização.14,19
Para a realização da eletrólise foi necessário um eletrodo inerte frente às
espécies em solução. A eletrólise deveria liberar um grande volume de
hidrogênio gasoso em um tempo curto. O primeiro eletrodo utilizado foi o de
grafite e não se mostrou eficiente porque possuía uma pequena área superficial
Fonte Multímetro
Cronômetro
Bureta
Eletrodos
40
resultando em uma lenta formação de hidrogênio gasoso além de sofrer um
processo de desgaste conforme a eletrólise ia se processando. Em seguida, foi
utilizado níquel-cromo como material, pois é um material de fácil manuseio e
inerte nesta eletrólise19. Os eletrodos foram confeccionados em forma de
espiral e depois achatados, proporcionando uma grande área superficial e
produzindo um maior volume de gás por tempo. Esse aspecto da cinética da
reação era importante para o visual da filmagem, já que o aparecimento de
bolhas e a concomitante formação do volume. A figura 11 mostra o desenho
dos dois eletrodos utilizados.
Figura 11: Diferentes formatos de eletrodos testados neste experimento.
Durante a eletrólise da solução de iodeto de potássio as possíveis semi-
reações que poderiam ocorrer seriam:
Cátodo (redução)
K+(aq) + e- → K(s) (14)
2H+(aq) + 2e- → H2(g) (15)
2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq) (16)
41
Como o potencial padrão de redução do cátion potássio (Eθ= -2,93 V) é
muito baixo esta reação não ocorre, nas condições do experimento. A espécie
com o maior potencial padrão de redução é o íon H+(Eθ= 0 V), no entanto,
como ele está em concentração muito pequena na solução, a reação que ocorre
preferencialmente é a redução da água (equação 16) (Eθ= -0,83 V).
Ânodo (oxidação)
4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4e- (17)
2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e- (18)
2I-(aq) → I2(s) + 2e- (19)
Analisando os potenciais padrão de oxidação das espécies envolvidas, a
que possui o menor potencial de oxidação é o ânion OH-(Eθ= -0,40 V),
portanto, a mais fácil de ser oxidada. No entanto, sua concentração é muito
baixa. Comparando a oxidação da água (Eθ= -1,23 V) e do iodeto (Eθ= -0,54
V), esta é favorecida devido ao seu menor valor.
A equação global, fica:
2I-(aq) + 2H2O(l) → H2(g) + I2(s) + 2OH-(aq) (20)
Uma possibilidade de uso deste experimento é na determinação da carga
do elétron, para isso a solução de iodeto de potássio foi eletrolisada durante
tempo suficiente para formação de um volume apreciável de gás. A corrente
42
foi monitorada, e as flutuações foram compensadas pelo ajuste da fonte de
tensão regulável. Ao término da eletrólise o volume de gás hidrogênio foi
monitorado, em função do tempo, pela escala da bureta. A tabela 4 indica o
volume de hidrogênio obtido, a corrente e o tempo utilizado em quatro
repetições, para experimentos realizados na bancada.
Tabela 4: Condições experimentais em que foram realizadas as eletrólises testes, antes da filmagem.
Experimento 1
Experimento 2
Experimento 3
Experimento 4
Corrente/mA 49 51 50 54
Tempo/s 960 965 950 960 Volume/cm3 6,40 6,60 6,40 7,00
O volume de gás produzido é diretamente proporcional ao tempo e à
corrente que flui pelo sistema, portanto, proporcional ao número de elétrons
consumidos na formação do gás. Assim, a carga do elétron pode ser
encontrada, fazendo-se uso da estequiometria da reação e da equação de
estado de um gás ideal.
O número de moles de hidrogênio gasoso é dado pela equação de estado
de um gás ideal como
TRVPn =
2H (21)
onde P,V e T são a pressão, o volume e a temperatura do gás coletado,
respectivamente.
43
A quantidade de elétrons que flui pelo circuito em um dado tempo, é
dada por
eNtIn
A
=-e (22)
onde I, t, NA e e representam a corrente elétrica, o tempo, a constante de
Avogadro (6,022 x 1023 mol-1) e a carga do elétron, respectivamente.
A relação estequiométrica, dada pela equação de redução da água,
indica que
2- He 2 nn = (23)
Combinando as três expressões, fica
VPNTRtI
A2e = (24)
Considerando os objetivos deste trabalho, foi considerado a pressão de
hidrogênio, PH2, como sendo
atmH PP =2
(25)
Com maior rigor, deve-se considerar a pressão de vapor da água e a
pressão da coluna de água. E a expressão ficaria da seguinte maneira:
águacoluna de guavapor de áatmH PPPP −−=2
(26)
44
Aplicando-se a equação 25, para cada experimento, obtiveram-se os resultados da tabela 5.
Tabela 5: Resultados experimentais para a determinação da carga do elétron em coulombs.
Experimento Carga do elétron / C 1 1,61 x 10-19 2 1,64 x 10-19 3 1,63 x 10-19 4 1,63 x 10-19
Valor médio de 1,63 x 10-19 C e um desvio médio de 0,01 x 10-19 C.
Outra possibilidade de utilização deste experimento é a comparação
entre o volume formado de gás hidrogênio e o volume esperado. Para isto,
utiliza-se a equação 25, substituindo-se o valor da carga do elétron (1,6 x 10-19
C)16. A comparação entre os valores observados e os esperados é vista na
tabela 6.
Os resultados obtidos nos experimentos de bancada garantem o seu uso
como filme-experimento com propósitos didáticos. Dessa forma, acreditamos
que a utilização do filme, em conjunto com a explanação teórica dos conceitos
envolvidos, possa facilitar o aprendizado deste importante, fundamental e
fascinante fenômeno eletroquímico. Ressalte-se aqui a grande dificuldade que
um professor de química teria na montagem e execução desse experimento.
Seria importante lembrar que esse foi o primeiro filme a ser executado nesse
trabalho de dissertação. A primeira filmagem, que não é a que está neste
trabalho, foi feita no estúdio de rádio e televisão da Unicamp. Na
oportunidade, com toda a boa vontade dos técnicos e funcionários daquele
centro, foi necessário parar o estúdio por dois dias, envolvendo mais de 10
técnicos e uma grande quantidade de material. Ao final da filmagem
observamos que um sobrepotencial havia sido aplicado, para melhorar o visual
45
da eletrólise, o que havia levado à formação de gás oxigênio num eletrodo,
inviabilizando todo o processo de filmagem efetuado.
Tabela 6: Volumes esperados e obtidos para o gás hidrogênio em quatro experimentos.
Volume de H2/
cm3
Experimento
1
Experimento
2
Experimento
3
Experimento
4
Esperado 6,50 6,80 6,50 7,10
Observado 6,40 6,60 6,40 7,00
Erro relativo(%) 1,6 3,0 1,6 1,6
46
3.3 – Calorimetria 3.3.1 – Introdução
A primeira lei da termodinâmica (PLT) diz respeito às variações de
energia que acompanham um processo qualquer quando um sistema sai de um
estado inicial, caracterizado por certas propriedades, atingindo um estado final
caracterizado por propriedades diferentes daquelas do estado inicial. Já a
segunda lei (SLT) diz respeito à espontaneidade dos processos. Assim, pela
primeira lei podemos saber quanta energia foi absorvida ou liberada quando o
processo ocorreu ou vai ocorrer, enquanto que a segunda nos permite saber se
um dado processo irá ocorrer ou não, espontaneamente, numa dada direção.16
Ambas as leis são resultados de experimentos com a matéria e são
independentes de qualquer modelo que leve em conta a estrutura microscópica
da matéria. Entretanto, podemos interpretar ambas as leis em termos de
modelos baseados no comportamento dos átomos e moléculas, e assim
aprofundar nossa compreensão sobre as propriedades da matéria.20
A termodinâmica esta baseada em experimentos onde a energia é
transformada de uma forma para outra e transferida de um lugar para outro.
Para obter informações sobre a energia, o todo é dividido em duas partes. A
região de interesse, tal como um recipiente com um gás, um copo com água ou
uma mistura reacional, é chamada de sistema. Tudo, excluindo o sistema, é
chamado de vizinhança. É na vizinhança que são feitas as observações sobre a
energia transferida ou absorvida pelo sistema.16
A grandeza fundamental em termodinâmica, que se relaciona ao
processo e não aos estados dos sistemas, no sentido de que fornece uma base
para a definição de seu principal conceito, é o trabalho.20 Em termodinâmica, a
47
capacidade total de um sistema realizar trabalho é chamada de energia interna,
U.16 Não é possível medir a energia total de um sistema, mas sim as suas
variações num processo ou transformação. A variação de energia interna de
um sistema pode ser calculada conhecendo-se o trabalho realizado e o calor
trocado com o ambiente. Assim, de uma forma geral a primeira lei pode ser
genericamente apresentada pela equação (considerando as energias cinéticas e
potencial constantes):
∆U = q + w (28)
A primeira lei da termodinâmica implica que a energia é conservada em
qualquer processo, o que significa que um aumento na energia do sistema
implica, necessariamente, na diminuição dessa mesma quantidade na
vizinhança. Essas transferências de energia podem ser medidas
experimentalmente por instrumentos denominados calorímetros.
Essencialmente o calorímetro se constitui de um vaso, onde o processo
se desenrola, e seu envoltório ou jaqueta. Algumas vezes a fronteira que
separa o vaso e a vizinhança é feita de tal maneira que não permite a troca de
calor entre o sistema e a vizinhança (calorímetro adiabático), outras vezes,
faz-se justamente o contrário, a parede é construída de forma a fazer com que
a troca de calor seja a máxima possível (calorímetro isotérmico ou de fluxo de
calor).21
Um calorímetro muito simples, nem por isso ineficiente, constitui-se de
um vaso contendo uma mistura reacional, um agitador e um termômetro,
isolado (não muito bem) da vizinhança por uma camada de isopor. Para esse
calorímetro, se uma reação libera energia (exotérmica), essa energia, quase
que totalmente (lembre-se que a parede não é adiabática ideal) serve para
48
aquecer todo o seu conteúdo interno ao vaso. A quantidade de energia é
diretamente proporcional à variação de temperatura, e a constante de
proporcionalidade, chamada de constante do calorímetro ou simplesmente
capacidade calorífica do calorímetro20, Ccal:
E = m Ccal ∆T (29)
A equação 29 é uma forma genérica de se representar como se calcula
essa energia E, pois, dependendo de como o calorímetro funciona; a volume
constante ou à pressão constante, essa função pode ser designada por U ou H,
respectivamente.16
Para se determinar a capacidade calorífica do calorímetro, normalmente
se utiliza um sistema de calibração elétrica e sua construção e uso são
relativamente simples.24 Onde não se possui um equipamento elétrico, a
calibração pode ser feita através de uma reação química.23,24
Entretanto, no ensino médio e na literatura disponível em livros-
textos8,9,10 para o ensino médio, a capacidade calorífica do calorímetro Ccal é
calculada de uma forma mais simples considerando-se o calor específico e a
massa de cada uma das partes que constituem o vaso calorimétrico. Mais
simplificadamente, embora se incorra em erros, essa grandeza é obtida
levando-se em conta, apenas as contribuições dos reagentes (geralmente
soluções), deixando-se de lado as contribuições do próprio vaso, do
termômetro e também de outros dispositivos internos ao vaso de reação.
A proposta deste filme-experimento é mostrar que o processo de
dissolução de uma substância em água envolve uma troca de energia, e que
esta pode ser quantificada através de um método bem simples. Para não
introduzir elementos muito novos aos alunos e, quiçá, aos professores,
49
adotamos nesse filme o cálculo da constante do calorímetro considerando
apenas os reagentes. Pretende-se, também, que o experimento forneça
subsídios para possibilitar ao aluno, o entendimento da grandeza
termodinâmica: entalpia de reação, a qual é, realmente, medida
experimentalmente nesse filme, e não o “calor da reação”.
3.3.2 – Parte Experimental
Com o propósito de avaliar quantitativamente a energia envolvida em
um processo de dissolução, foi desenvolvido um simples calorímetro que é
mostrado na figura 12.
Figura 12: Calorímetro utilizado neste filme-experimento.
Este dispositivo foi construído utilizando-se um bloco de isopor (15 cm x 15
cm x 15 cm) onde em seu centro foi feita uma cavidade para acomodar um
copo de policarbonato de 200 cm3. A tampa do vaso calorimétrico foi feita de
50
isopor e possui um pequeno orifício para a passagem do termômetro e outra
para a colocação do sólido a ser dissolvido.
Para realizar cada determinação, foi utilizada água destilada e a mistura
reacional foi mantida sob agitação magnética constante.
Todos os reagentes utilizados eram de pureza analítica e foram secos em
estufa conforme descrito na literatura.25
3.3.3 – Resultados
Após consulta à literatura,22-24,26,27, alguns sais foram experimentados.
No primeiro conjunto de experimentos, as dissoluções exotérmicas e no
segundo as endotérmicas. No processo de seleção dos sais para a realização
dos experimentos, o primeiro aspecto observado foi à velocidade de
hidratação dos sais durante a pesagem e a sua transferência, o que não é
desejável, pois os valores de entalpia de solução variam consideravelmente
dependendo do grau de hidratação do sal27 e que também não seria apropriado
do ponto de vista de uma metodologia experimental adequada. Todos os sais
avaliados não apresentaram este comportamento indesejável, no intervalo de
tempo em que foram realizados os experimentos.
Um outro aspecto importante é a rapidez da dissolução, que deve ser
adequada para o tempo de espera do espectador e para se evitar transferências
indesejáveis de energia entre o sistema e as vizinhanças. Uma variação
gradual da temperatura e um valor razoável de ∆T são os requisitos para
despertar a atenção dos alunos.
A análise dos resultados dos experimentos testes, tabelas 7 e 8,
indicaram que o melhor compromisso entre as variações de temperatura,
massas adicionadas de sal e tempo de dissolução eram válidas para o cloreto
51
de amônio (processo endotérmico) e pelo carbonato de sódio (processo
exotérmico).
Tabela 7: Resultados experimentais obtidos na dissolução exotérmica dos sais avaliados. Cada experimento foi realizado em triplicata.(valor médio ± desvio
médio). Sal ∆T / °C (∆T /massa sal) / °C g-1 Tempo de dissolução /s
Na2SO4 0,6 ± 0,1 0,06 ± 0,01 81 ± 3 Na2CO3 3,6 ± 0,1 0,61 ± 0,06 72 ± 2
NaI 1,1 ± 0,1 0,12 ± 0,01 85 ± 3
Tabela 8: Resultados experimentais obtidos na dissolução endotérmica dos sais avaliados. Cada experimento foi realizado em triplicata. (valor médio ±
desvio médio). Sal ∆T / °C (∆T /massa sal) / °C g-1 Tempo de dissolução /s
NH4Cl 3,6 ± 0,1 0,69 ± 0,06 65 ± 3 NaHCO3 4,3 ± 0,1 0,51 ± 0,06 90 ± 4
NaCl 0,9 ± 0,1 0,15 ± 0,02 65 ± 2
Para se determinar a entalpia de solução dos sais selecionados, será
considerado que o calorímetro é adiabático (o que não é). Em um calorímetro
adiabático, as paredes do sistema não permitem o fluxo de calor, isto é
conseguido variando-se a temperatura do ambiente da mesma forma que a
temperatura do sistema varia. As temperaturas de ambas as partes são
monitoradas simultaneamente e esta diferença é corrigida.21
Como os experimentos foram conduzidos à pressão ambiente, a função
termodinâmica mais adequada é a entalpia, e a variação desta grandeza pode
ser representada por 16:
nHH ∆∆ sol = (30)
52
onde ∆H é a variação de entalpia envolvida no processo de dissolução e n é a
quantidade de sólido (mol) adicionado ao calorímetro. A variação de entalpia,
∆H, foi calculada pela equação 31:
∫=∆Tf
Ti
dTCH cal (31)
onde Tf e Ti são as temperaturas após e antes da dissolução, respectivamente e
Ccal é a capacidade calorífica do sistema como um todo. O valor de Ccal é
obtido pelo somatório das capacidades caloríficas de tudo que faz parte do
sistema:
Ccal = C(água) + C(copo) + C(agitador) + C(termômetro) +... (32)
Sendo:
C = m c (33)
onde m é a massa e c o calor especifico de cada material.
Considerando o objetivo do experimento e o nível escolar que os alunos
se encontram, a capacidade calorífica total foi calculada como as
contribuições da água e do sólido adicionado, ou seja:
Ccal = C(água)+ C(sólido) (34)
As equações químicas que representam os processos de dissolução dos sais são as seguintes:
53
Na2CO3(s) + x H2O(l) = (Na2CO3.x H2O)(sol) (35)
NH4Cl(s) + x H2O(l) = (NH4Cl.x H2O)(sol) (36)
onde x representa a quantidade estequiométrica de água envolvida na
dissolução de um mol de soluto.
Com o objetivo de encontrar as melhores condições experimentais e
também adequadas para o processo de filmagem, foram realizados
experimentos para se encontrar a melhor relação entre a quantidade de água e
de sal que proporcionasse rápida dissolução e apreciável variação de
temperatura. Os resultados destes experimentos estão na tabela 9 e 10, sendo
que cada ensaio foi realizado em triplicata. O tempo de dissolução foi
computado como aquele entre a adição do sólido e a estabilização da
temperatura.
Tabela 9: Resultados experimentais obtidos na dissolução do carbonato de sódio anidro. (valor médio ± desvio médio).
Ensaio nágua /nsoluto ∆T / °C Tempo de
dissolução / s
1 23,16 16,5 ± 0,1 228 ± 6
2 46,30 7,6 ± 0,1 120 ± 4
3 92,67 3,6 ± 0,1 72 ± 4
4 138,9 2,2 ± 0,1 61 ± 3
54
Tabela 10: Resultados experimentais obtidos na dissolução do cloreto de amônio. (valor médio ± desvio médio).
Ensaio nágua /nsoluto - ∆T / °C Tempo de
dissolução / s
5 27,78 7,1 ± 0,1 125 ± 5
6 55,56 3,6 ± 0,1 67 ± 4
7 83,34 2,4 ± 0,1 55 ± 3
8 111,12 1,8 ± 0,1 50 ± 3
Nos experimentos foram utilizados 100 cm3 de água, por ser um volume
de fácil visualização no processo de filmagem.
No estudo da dissolução do carbonato de sódio, a relação
estequiométrica escolhida para realizar o filme foi a correspondente ao ensaio
3, que mostrou uma boa variação de temperatura e um tempo de dissolução
adequado à filmagem. No caso dos ensaios 1 e 2 as variações de temperatura
foram boas, mas a estabilização foi lenta, além de consumir grande quantidade
de sólido. No ensaio 4 a dissolução foi mais rápida, mas a variação de
temperatura foi pequena.
Já para o cloreto de amônio, o ensaio escolhido para o filme foi o de
número 6, pois apresentou uma variação de temperatura adequada e um bom
intervalo de tempo. A estabilização da temperatura neste ensaio também foi
rápida. O ensaio 5 proporcionou maior variação de temperatura, mas o
processo de estabilização foi mais lento. Nos ensaios 7 e 8 a temperatura
estabilizou rapidamente, mas a sua variação foi pequena.
Todos os valores de entalpia de solução para os dois sais, foram
calculados fazendo-se uso das equações 30, 31 e 33, estão apresentados nas
tabelas 11 e 12.
55
Tabela 11: Resultados calorimétricos para a dissolução de carbonato de sódio anidro em água. (valor médio ± desvio médio).
nágua /nsoluto ∆solH experimental / kJ mol-1 ∆solH literatura29 / kJ mol-1
23,2 -30,2 ± 0,2 -31,86
46,3 -27,8 ± 0,2 -29,15
92,7 -26,4 ± 0,5 -26,93
139 -24,2 ± 0,7 -26,04
Tabela 12: Resultados calorimétricos para a dissolução de cloreto de amônio em água. (valor médio ± desvio médio).
nágua /nsoluto ∆solH experimental / kJ mol-1 ∆solH literatura29 / kJ mol-1
27,8 15,6 ± 0,1 15,29
55,6 15,9 ± 0,3 15,34
83,3 15,7 ± 0,4 15,34
111 15,8 ± 0,6 15,32
Comparando-se os resultados obtidos com os da literatura27, e
considerando-se a simplicidade do dispositivo utilizado, além das
aproximações feitas, conclui-se que o experimento atingiu os objetivos
propostos. Os resultados obtidos no experimento filmado também foram
iguais ao da literatura, dentro da incerteza experimental. Há que se acrescentar
que o termômetro utilizado tem uma sensibilidade de 0,1 K e os valores de ∆T
foram obtidos como descrito anteriormente, conforme se faz no ensino médio.
56
3.4 – Propriedades Coligativas
3.4.1 – Introdução
Historicamente, as propriedades coligativas foram ferramentas
poderosas para o entendimento da química de soluções e, especialmente, para
a determinação de massas molares.28
As propriedades coligativas referem-se a quatro propriedades
características de soluções diluídas (abaixamento crioscópico, pressão
osmótica, elevação do ponto de ebulição e abaixamento da pressão de vapor),
cujos comportamentos são correlacionados e unidos pelo fato de dependerem
do número de partículas de soluto presente, independentemente de sua
natureza química, em uma dada quantidade de solvente. Todas as propriedades
têm em comum o fato do potencial químico do solvente no estado líquido ser
diminuído na presença de um soluto (solução no estado líquido), de tal forma
que o equilíbrio com a fase pura se estabelece em outras condições.28
O abaixamento crioscópico do solvente ocorre porque o seu potencial
químico na solução é menor que o do líquido puro, enquanto que o da fase
sólida (se ela for constituída somente do solvente puro) permanece o mesmo.
Então, o equilíbrio que se estabelece entre as duas fases (solução e sólida)
ocorre em temperatura menor do que aquela para o solvente puro29. Quando a
temperatura de equilíbrio é atingida ocorre a igualdade entre os potenciais
químicos das duas fases (solução e sólida):
µA*(s) = µA
* (l) + RT ln aA (37)
57
O lado direito da equação representa o potencial químico do solvente na
solução e o esquerdo o do sólido puro, sendo que o asterisco indica as espécies
puras e aA representa a atividade do solvente na solução. A diferença de
potenciais químicos que aparece nessa equação (entre o líquido e o sólido),
como se refere às espécies puras, identifica-se com a energia de Gibbs de
fusão do solvente.16
A partir dessa equação (que supõe que somente o solvente congela a
partir da solução), e supondo-se que o abaixamento crioscópico seja bem
menor que a temperatura de fusão do solvente puro, e que as capacidades
caloríficas do solvente nos dois estados (sólido e líquido) são independentes
da temperatura (nessa pequena faixa) e que soluções diluídas de não-
eletrólitos comportam-se como soluções idealmente diluídas (ou seja, o
coeficiente de atividade do solvente é igual a um), obtêm-se16,28,29:
mKT f =∆
HTRK
fus
2*
f ∆=
(38)
onde ∆T, m, Kf, T* e ∆fusH são, respectivamente, o abaixamento crioscópico, a
molalidade do soluto, a constante crioscópica do solvente, a temperatura de
fusão do solvente puro e a entalpia de fusão.
O objetivo deste experimento é demonstrar quantitativamente o
abaixamento do ponto de fusão da água na presença de um soluto, procurando
evidenciar que esse comportamento está relacionado exclusivamente ao
número de partículas de soluto presente por uma quantidade de solvente.
58
3.4.2 – Parte experimental
Para demonstrar quantitativamente o abaixamento do ponto de fusão da
água na presença de solutos iônicos e moleculares foi utilizado o aparato
experimental mostrado na figura 13.
Figura 13: Aparato utilizado no filme-experimento do estudo sobre o abaixamento crioscópico da água na presença de açúcar e sal de cozinha.
Em essência o filme mostra a pesagem do solvente e do soluto
adicionado e um registro da variação da temperatura da solução obtida, desde
a adição do soluto até o congelamento da mesma. O banho refrigerante foi
obtido com gelo picado e sal grosso e a variação de temperatura foi detectada
utilizando-se um termômetro digital. Para garantir uma agitação constante e
uniforme da solução, foi utilizado um agitador magnético.
Para a determinação do ponto de fusão da água pura e das soluções foi
utilizada água destilada. O açúcar e o sal de cozinha utilizados são produtos
comerciais e foram utilizados como se apresentavam (refinados).
Banho refrigerante Termômetro
Sensor de temperatura
59
3.4.3 – Resultados
Antes da realização do filme, o primeiro passo foi avaliar qual seria o
melhor aparato para se determinar o ponto de fusão da água pura. A literatura
consultada24,30, indica o aparato de Beckmann, entretanto, com o objetivo de
simplificar o experimento e facilitar o aprendizado do fenômeno , optou-se
pelo sistema representado na figura 13.
O banho refrigerante foi feito com gelo picado e sal grosso que fornece
uma temperatura suficientemente baixa para efetuar o esfriamento
necessário31. A variação de temperatura foi detectada utilizando-se um
termômetro digital, devido à sua precisão e boa visualização.
Para garantir uma agitação constante e uniforme da solução, foi
utilizado um agitador magnético, já que uma agitação ineficiente pode levar a
resultados equivocados30. A agitação manual, como no aparato de Beckmann,
prejudicaria o trabalho de filmagem, pois poderia atrapalhar a visualização do
experimento.
A escolha do solvente é muito importante para se obter uma variação
mensurável de temperatura. Por outro lado, escolher a água significa
privilegiar o líquido mais importante que possuímos e, provavelmente, o único
solvente importante para o ensino de química no nível médio. Uma constante
crioscópica, Kf,, elevada, como no caso da água, favorece a verificação
variações significativas de temperatura.28
Três solventes foram avaliados: água, benzeno, e naftaleno, estes dois
últimos sendo freqüentemente utilizados nos experimentos descritos na
literatura26,30,31. Para proporcionar a diminuição do ponto de fusão dos
solventes, foi adicionada sacarose à água, naftaleno ao benzeno, e enxofre ao
60
naftaleno. Os valores esperados foram calculados utilizando-se a equação 38.
Os resultados experimentais e os esperados são mostrados na tabela 13.
De acordo com a literatura28, seria mais adequado utilizar o naftaleno
como solvente, já que ele possui a maior constante crioscópica entre os três
solventes avaliados. Considerando-se a simplicidade do experimento e os
resultados obtidos, optou-se pela água, pois os outros solventes, além de serem
tóxicos e voláteis (os experimentos não foram filmados em uma capela)
precisariam estar rigorosamente puros e secos30.
Tabela 13: Resultados obtidos nos experimentos testes para a avaliação do potencial uso de algumas substâncias como solventes em estudos
crioscópicos.(valor médio ± desvio médio, para triplicatas). As soluções possuem molalidades diferentes.
Solvente Kf /(°C kg mol-1) 18 - ∆T / °C
experimental
- ∆T / °C
esperado
Água 1,86 0,9 ± 0,1 1,1
Benzeno 5,12 1,9 ± 0,1 2,0
Naftaleno 6,94 2,3 ± 0,1 2,6
Escolhido o solvente, a etapa seguinte foi escolher o soluto não-
eletrólito que poderia ser utilizado. Os solutos experimentados foram a glicose
e a sacarose. Os resultados de tais experimentos estão na tabela 14. Os
experimentos foram realizados em triplicata e para soluções de mesma
concentração (1,1 mol kg-1).
Como os efeitos coligativos só dependem da quantidade de partículas
em solução, soluções de não-eletrólitos, de mesma molalidade, devem mostrar
61
comportamentos iguais. Tal comportamento foi observado nesse experimento,
já que as variações de temperatura observadas, nos dois casos, foram iguais
dentro do desvio experimental.
Tabela 14: Estudo do efeito da adição de sacarose e glicose no abaixamento da temperatura de fusão da água, para uma concentração de 1,1 mol kg-1. (valor
médio ± desvio médio, para triplicatas) Soluto - ∆T / °C
experimental
- ∆T / °C
esperado
Glicose 1,8 ± 0,1 -2,04
Sacarose 1,9 ± 0,1 -2,04
A variação de temperatura esperada, pela adição de um não-eletrólito,
nas condições deste experimento era de -2,04 °C, considerando-se um
comportamento ideal20. Este valor foi calculado utilizando a equação
crioscópica válida para soluções diluídas16.
Com o objetivo de aproximar o experimento ao cotidiano dos alunos,
novos experimentos foram realizados utilizando-se açúcar refinado, e os
resultados obtidos, dentro do desvio experimental, foram os mesmos.
A última etapa consistiu em avaliar a diminuição do ponto de fusão,
pela adição de um eletrólito. O eletrólito empregado para tal, foi o sal de
cozinha. A escolha deveu-se ao fato de ser, também, um material presente no
cotidiano dos alunos. Para efeito de comparação, foi testado, também, o
cloreto de sódio puro. Cada experimento foi realizado em triplicata e para
soluções de mesma concentração (1 mol kg-1 ). Ressalta-se, aqui, que para o
sal de cozinha considerou-se o mesmo como NaCl puro no cálculo da
concentração . Os resultados dos experimentos estão na tabela 15.
62
Tabela 15: Estudo do efeito da adição de cloreto de sódio puro e do sal de cozinha no abaixamento da temperatura de fusão da água. (valor médio ±
desvio médio, para triplicatas) Soluto - ∆T / °C
experimental
- ∆T / °C
esperado
Cloreto de sódio puro 3,2 ± 0,1 3,72
Sal de cozinha 3,3 ± 0,2 3,72
Quando se utiliza um eletrólito forte como o cloreto de sódio ou o sal de
cozinha, espera-se que este produza um efeito coligativo duas vezes maior que
o causado pela adição de um não eletrólito na mesma concentração molal,
desde que se usem soluções diluídas. Em soluções concentradas, os íons não
se movem livremente e podem se unir para formar pares iônicos e agregados
com pequeno número de íons20 e, portanto, os efeitos coligativos são menores
que os esperados.
Considerando-se os objetivos desse trabalho, o filme-experimento e os
resultados obtidos a partir do mesmo, poderão acrescentar ingredientes novos
e importantes no aprendizado do aluno, já que deverão ser objetos de
observação e explicação. Nos três experimentos filmados, apesar da elevada
agitação empregada, apareceram efeitos de super congelamento, nos três casos
a variação de temperatura superou o valor esperado e no momento da
solidificação, ela repentinamente voltou a subir para depois permanecer
constante. O fenômeno do super congelamento é raramente citado em livros
para o ensino médio.
63
3.5 – Solubilidade
3.5.1 – Introdução
Uma substância se dissolve em um solvente sempre com uma
diminuição da energia livre. Essa variação de energia livre tem uma
contribuição entálpica e uma entrópica, como mostra a equação 39:16
∆Gsol = ∆Hsol - T∆Ssol (39)
A variação de entalpia na dissolução de um sólido iônico em água é
resultante da energia absorvida para o rompimento do retículo cristalino
(entalpia reticular), um processo endotérmico e a energia liberada na
solvatação dos íons (entalpia de solvatação), um processo exotérmico32.
Quando essa variação de entalpia é menor que zero, significa que as interações
dos íons com a água (solvatação) é maior que a energia de quebra do reticulo.
Num processo endotérmico prevalece o valor da entalpia reticular.
No processo de solvatação, um outro olhar pode ser feito para o
solvente, nesse caso há que se levar em conta à energia envolvida na formação
dos “buracos no solvente” para a acomodação dos íons. As perturbações nas
interações solvente-solvente acontecem, modificando consideravelmente a sua
estrutura nas adjacências do íon. Solventes que possuem intensas forças
intermoleculares, tais como interações dipolo-dipolo e ligações de hidrogênio,
interagem fortemente com íons. Todavia, se forem confrontadas as
intensidades das interações entre as moléculas do solvente (dipolo-dipolo), do
solvente com o soluto (íon-dipolo) e entre soluto (íon-íon), sabe-se que a
última é a mais intensa. No entanto, existe um grande número de interações
64
íon-dipolo atuando em cada íon. Como resultado, a energia de interação
soluto-solvente torna-se aproximadamente da mesma ordem de grandeza da
energia de atração entre cátions e ânions, enquanto que as interações solvente-
solvente tornam-se desprezíveis nas adjacências dos íons comparadas à
magnitude das outras.32
A figura 14 mostra um ciclo de Born-Haber, para o processo de
dissolução de um sal em termos de variação de entalpia.
Figura 14: Ciclo de Born-Haber para o processo de dissolução de um sal MX em água.
Considerando que as interações solvente-solvente, neste caso, sejam
desprezíveis, a energia resultante do processo de dissolução será o somatório
das energias envolvidas em duas etapas:
-separação dos íons do retículo que corresponde à entalpia de rede
(∆Hrede), definida como a entalpia de formação de um gás de íons a partir do
sólido cristalino16,33-35. Esta etapa está relacionada a um aumento de entalpia
(processo endotérmico),
MX(s) → M+(g) + X-(g) (40)
65
- solvatação dos íons (∆Hsolv), etapa que libera energia (processo
exotérmico),
M+(g) + X-(g) + H2O(l) → M(H2O)+ + X(H2O)- (41)
Desse modo, a variação de entalpia na dissolução de um sal pode ser
obtida teoricamente empregando-se o ciclo de Born-Haber.
Como a dissolução combina etapas endotérmicas e exotérmicas, a
entalpia de dissolução (∆Hsol) pode ser tanto positiva (∆Hsol>0) quanto
negativa (∆Hsol<0).
O conhecimento apenas da entalpia de dissolução não fornece
informações suficientes para a previsão da solubilidade de uma substância. É
necessário, também, avaliar a contribuição entrópica envolvida neste processo,
que para muitos sais, é comparável à entalpia de solvatação32.
Em relação à parcela entrópica, há dois fatores opostos que governam o
processo de dissolução: a dispersão do soluto no solvente, que é acompanhada
por um aumento da entropia (∆Ssol>O), e o aumento no grau de ordenamento
do solvente nas proximidades do soluto (∆Ssol<O)16,33-35.
Em soluções ideais, consideram-se todas as interações existentes em
solução como sendo idênticas, de modo que os efeitos entálpicos não
cumprem um papel muito relevante na dissolução, somente os efeitos
entrópicos.16
Por essa razão, a Termodinâmica trata do equilíbrio de solubilidade, isto
é, soluto sólido em equilíbrio com a solução saturada, da mesma maneira que
trata o equilíbrio de solidificação, na qual o solvente sólido está em equilíbrio
com o solvente liquido16. Portanto em uma solução saturada o potencial
66
químico do soluto sólido puro, µ*(s), é igual ao potencial do soluto em
solução, µ(aq). O potencial químico do soluto em solução é dado por:
µ*(s) = µ(aq) + R T ln χ (42)
que, no equilíbrio, fica:
µ*(s) = µ*(aq) + R T ln χ (43)
a determinação da fração em mol do soluto,χ, fornece a solubilidade ideal
(fração em mol do soluto em uma solução saturada em uma temperatura T).
Reordenando a equação 43, obtém-se:
TRG
TRfus
** aq)(s)(ln
∆−=
−=
µµχ
RS
TRH fusfus ∆
+∆
−= (44)
No ponto de fusão do soluto, T*, ∆fusG = 0, de modo que ∆fusG/ R T*= 0, então
se pode somar essa parcela ao membro direito da equação 44 e chegar a:
RS
TRH
RS
TRHn f
*usfusfusfus ∆∆∆∆
l −−++−=χ
*TRH
TRH fusfus ∆∆
+−= (45)
67
que reordenada,fica:
−=TTR
Hn *
11∆l fusχ (46)
A equação 46 fornece apenas uma estimativa da solubilidade de uma
substância em determinada temperatura T, isso porque é baseada em
aproximações bastante questionáveis como, por exemplo, a desconsideração
de propriedades do solvente18. Quando os efeitos do solvente são
considerados, existem aproximações como o modelo de Scatchard-
Hildebrand, que considera que o soluto e o solvente possuem tamanho
comparável e não há efeitos de ordenamento do solvente em torno do soluto.
Além disso, assumiu-se que a variação de entropia de dissolução é igual à de
uma solução ideal, isto é, sempre positiva. Este modelo exclui, portanto,
efeitos de associação e interações fortes do tipo ligação de hidrogênio. O
modelo de Scatchard-Hildebrand, que considera o efeito entálpico associado à
dissolução, leva a uma modificação da equação de solubilidade ideal, e é
representado por36,37:
TRH
TTRH
χ *solfus ∆11∆
ln −
−= (47)
O objetivo desse filme-experimento é mostrar, através de um método
experimental simples, que a solubilidade de dois sólidos em água varia em
função da temperatura.
68
3.5.2 – Parte experimental
Nos experimentos anteriores à filmagem e no filme-experimento foram
utilizados reagentes de pureza analítica e água destilada. Os sais escolhidos
para os experimentos foram o cloreto de potássio e o dicromato de potássio.
Na primeira etapa do experimento, foram utilizados dois béqueres de
150 cm3 onde, em cada béquer, foram adicionados cerca de 100 cm3 de água
destilada e quantidade suficiente dos sais para que houvesse sólido no
fundo.Os béqueres foram tampados com vidro relógio e a suspensão mantida
sob agitação magnética em um banho termostatizado à 20 °C, por cerca de
quatro horas e posteriormente mais seis horas, para certificar-se do equilíbrio
de dissolução.
Após o equilíbrio de dissolução ter sido estabelecido, encerrou-se o
processo de agitação e cerca de 15 cm3 de cada solução sobrenadante foi
transferida para outros béqueres previamente secos e pesados. Os conjuntos,
béquer mais solução saturada, foram pesados e colocados novamente no
banho termostatizado para eliminar toda a água presente. O aquecimento foi
realizado de maneira lenta e gradual, para evitar possíveis perdas de sólido.
Após a eliminação de toda a água, os béqueres com os sólidos foram secos em
estufa à 120 °C por 1 hora, colocados em um dessecador e posteriormente
pesados. Utilizando o mesmo procedimento descrito, foram determinadas as
solubilidades dos sais a 50 °C.
3.5.3 – Resultados
Para a escolha dos sólidos que seriam utilizados no filme, os seguintes
critérios foram adotados: formação de uma solução colorida por uma das
69
substâncias (para haver diferenciação visual entre as mesmas); sólidos com
diferentes solubilidades; formação de soluções transparentes para propiciar a
visualização do processo de dissolução; não formação de hidratos ou soluções
supersaturadas38; variação pronunciada da solubilidade com a temperatura e
valor mensurável dessa grandeza.
Após consulta a tabelas39, e levando-se em consideração a existência de
curvas de solubilidades em livros textos, os sais selecionados foram o cloreto
de potássio e o dicromato de potássio.
A partir dos resultados obtidos utilizando-se o método descrito
anteriormente, as solubilidades dos sais foram determinadas em experimentos
em triplicata. Os resultados estão na tabela 16.
Tabela 16: Resultados da solubilidade de cloreto de potássio e dicromato de potássio em água, à temperatura de 20 °C.(valor médio ± desvio médio)
Substância Solubilidade obtida
(g / 100 g H2O)
Valor da literatura39
(g / 100 g H2O)
KCl 33,548 ± 0,169 34,0
K2Cr2O7 12,668 ± 0,377 12,2
Utilizando-se o mesmo procedimento descrito, foram determinadas as
solubilidades dos sais à 50°C. Cada experimento foi realizado em triplicata e
os resultados estão na tabela 17.
70
Tabela 17: Resultados da solubilidade de cloreto de potássio e dicromato de potássio em água, à temperatura de 50 °C. (valor médio ± desvio médio)
Substância Solubilidade obtida
(g / 100 g H2O)
Valor da literatura39
(g / 100 g H2O)
KCl 43,105 ± 0,210 42,6
K2Cr2O7 36,004 ± 0,419 37,2
Comparando os resultados obtidos e os da literatura para o KCl e para o
K2Cr2O7, tanto à 20 °C como à 50 °C, verifica-se que eles são muito próximos.
Para realizar as filmagens, optou-se por não utilizar o banho termostatizado
para eliminar a água presente na solução, pois a presença o mesmo
prejudicaria a observação dos aspectos fundamentais da experimentação.
Dessa forma novos experimentos foram realizados para se testar essa
modificação. Para eliminar a água foi utilizada uma placa de aquecimento,
com o aquecimento sendo foi feito de maneira lenta e gradual. Após essa
modificação os experimentos foram novamente repetidos em triplicata e os
resultados obtidos estão nas tabela 18 e 19.
Tabela 18: Resultados da solubilidade de cloreto de potássio e dicromato de potássio em água, à temperatura de 20 °C, pela eliminação da água por
aquecimento direto em placa de aquecimento.(valor médio ± desvio médio) Substancia Solubilidade obtida
(g / 100 g H2O)
Valor da literatura39
(g / 100 g H2O)
Erro relativo
(%)
KCl 34,894 ± 0,242 34,0 2,6
K2Cr2O7 12,821 ± 0,505 12,2 4,8
71
Tabela 19: Resultados da solubilidade de cloreto de potássio e dicromato de potássio em água, à temperatura de 50 °C, pela eliminação da água por
aquecimento direto em placa de aquecimento. (valor médio ± desvio médio) Substancia Solubilidade obtida
(g / 100 g H2O)
Valor da literatura39
(g / 100 g H2O)
Erro relativo(%)
KCl 43,536 ± 0,288 42,6 2,2
K2Cr2O7 36,344 ± 0,463 37,2 2,4
Os resultados obtidos experimentalmente mostraram erros relativos
inferiores a 5 %, o que é muito bom considerando-se a simplicidade do arranjo
experimental e os objetivos desse trabalho. O filme foi, então, realizado
utilizando-se essa última técnica. Os resultados obtidos utilizando-se o filme-
experimento estão também com essa pequena margem de erro aceitável. O
filme mostra todas as etapas do experimento, com muita clareza, o que, sem
dúvida alguma, deverá servir como uma boa ferramenta na compressão do
fenômeno da solubilidade, já que o mesmo evidencia aspectos experimentais
dessa determinação, além de permitir ao aluno o cálculo dessas grandezas a
partir dos dados experimentais mostrados.
72
3.6 – Titulação Condutométrica
3.6.1 - Introdução
A análise volumétrica ou titulometria abrange um grande grupo de
métodos que possuem larga tradição na análise quntitativa40. Devido a
inúmeras características, elas são usadas em laboratórios como métodos
consagrados, especialmente quando são utilizadas com dispositivos
instrumentais para detecção do ponto final da titulação.
A titulação, basicamente, é um processo que envolve a adição de
pequenas quantidades de um reagente, com o auxílio de um medidor de
volume (bureta), a uma quantidade conhecida de um outro reagente. A
mudança de uma propriedade particular do meio reacional serve para
identificar o momento em que se pode determinar a quantidade (concentração)
do reagente “desconhecido”.
Quando se pretende encontrar uma concentração, geralmente são feitas
medidas de volume ou massa, e a propriedade monitorada pode ser muito
variada, como por exemplo: a mudança da cor, o pH, a variação de
temperatura, da condutividade elétrica, etc...41
A determinação da concentração de uma solução (solução problema) a
partir de sua reação quantitativa com uma quantidade conhecida de uma
substância que é pura (padrão primário) é chamada de titulação de
padronização, ou simplesmente padronização. Neste caso, após ter sua
concentração determinada, a solução problema passa a ser uma solução
padronizada42,43
73
A volumetria tem sido usada em análises quantitativas há mais de 200
anos. Sendo tradicionalmente considerada como um método primário de
análise, e também muito utilizada para validar outros métodos secundários44.
Nos séculos XVIII e XIX, as análises químicas eram realizadas quase
que exclusivamente por processos gravimétricos e volumétricos. Entretanto, a
partir de 1920, a análise quantitativa foi se enriquecendo com a introdução de
métodos baseados na medida de propriedades físicas (ópticas, elétricas,
térmicas, entre outras) com o uso de instrumentos apropriados, mais
complexos que os requeridos pela gravimetria e/ou volumetria.41
Um ponto importante em uma titulação, é a detecção do ponto final ou
ponto onde a estequiometria da reação se estabelece. Esta detecção é feita
utilizando-se, indicadores instrumentais ou visuais.
Indicadores visuais são substâncias que mudam de cor dependendo das
características físico-químicas da solução, do pH do meio, do potencial
elétrico, da complexação com íons metálicos e da adsorção em sólidos. Os
indicadores podem ser classificados de acordo com o mecanismo de mudança
de cor ou os tipos de titulação onde são aplicados45.
Quando se utiliza um indicador instrumental, a detecção do ponto final
de uma titulação é feita, por exemplo, através de medidas de propriedades
elétricas como potenciais elétricos ou de condução da corrente elétrica, entre
outros.
No caso aqui presente, o experimento desenvolvido permite determinar
várias grandezas, entre as quais podem ser apontadas: a concentração de uma
solução de ácido sulfúrico, a constante de solubilidade do hidróxido de bário
em água ou a estequiometria da reação entre ácido sulfúrico e hidróxido de
bário. No caso específico do filme-experimento, realiza-se uma titulação entre
duas soluções: ácido sulfúrico e hidróxido de bário, utilizando-se como
74
detector do ponto final um dispositivo que monitora a variação de condutância
elétrica do meio reacional através da gradual mudança na intensidade de luz
de uma lâmpada incandescente. Este experimento, além da riqueza
experimental e conceitual envolvidas, permite que o aluno se familiarize com
cálculos estequiométricos, reações químicas e que perceba que a variação de
uma propriedade específica de um meio, neste caso a condutância elétrica,
pode ser utilizada para diversas finalidades.
3.6.2 – Parte experimental
Para atingir os objetivos propostos neste experimento, foi desenvolvido
o dispositivo mostrado na figura 15. Esse dispositivo é constituído por um
béquer de 250 cm3 onde foram feitos dois orifícios para acomodar dois fios de
cobre que serviram como terminais para proporcionar o contato elétrico entre
a rede elétrica, a lâmpada e a solução. Os orifícios por onde passam os fios
foram vedados utilizando-se cola do tipo epóxi e, posteriormente, foi aplicada
cola à base de silicone para evitar possíveis vazamentos.
O aparato experimental tem ainda uma bureta de 50 cm3 e um agitador
magnético.
A soluções utilizadas foram preparadas com água destilada e reagentes
de pureza analítica.
A solução saturada de hidróxido de bário foi preparada colocando-se
uma porção do sólido em água destilada (isenta de CO2). Após contato de 24
horas com agitações esporádicas, a suspensão foi decantada por 12 horas e a
parte superior transferida para outro recipiente sob atmosfera de nitrogênio
para se evitar a entrada de CO2.
75
Essa a solução foi padronizada com solução de ácido clorídrico de
concentração conhecida por padronização com carbonato de sódio seco por 1
hora à 200 °C.25
A solução de ácido sulfúrico foi obtida diluindo-se 5,4 cm3 do ácido
concentrado até o volume de 100 cm3.
Para iniciar o experimento, a bureta foi carregada com a solução de
hidróxido de bário e o dispositivo desenvolvido para monitorar a
condutividade, recebeu 2 cm3 da solução de ácido sulfúrico e cerca de 50 cm3
de água destilada, isenta de carbonato pela eliminação por ebulição e
resfriamento sob fluxo de nitrogênio gasoso.
Figura 15: Dispositivo utilizado para monitorar a condutividade da solução no filme-experimento.
Eletrodos de cobre
76
3.6.3 - Resultados
A literatura consultada31,46 apresenta vários experimentos que utilizam a
medida da condutância elétrica para determinar o ponto final de uma titulação.
Nesses experimentos, utiliza-se uma célula para a medida da condutância que
é formada por dois eletrodos de platina (platinizada) encapsulados em um tubo
de vidro. Essa célula é conectada a um medidor de condutância, que ainda
pode ser ligado a um registrador. A utilização desse aparato permite
determinar com precisão o ponto final de reações entre eletrólitos. Nesse caso,
a adição de um eletrólito á solução de um outro eletrólito de concentração
desconhecida provoca uma variação na condutância, devido à diferença de
mobilidade dos íons, ou mudanças nas concentrações dos íons presentes. Essa
mudança de condutância é monitorada em função do volume de titulante
adicionado. A curva gerada no experimento, geralmente apresenta inclinações
que diferem de valor antes e após o ponto final da titulação. O tratamento
adequado dessa curva permite a determinação de grandezas associadas a
estequiometria da reação química (concentrações, constantes, relações
estequiométricas etc)46.
Com o objetivo de enfatizar os diversos princípios envolvidos nesse tipo
de experimento e tornar o experimento mais próximo do nível de escolaridade
do aluno, preferiu-se construir um dispositivo para monitorar a variação da
condutância da solução. Este dispositivo de fácil construção, que pode ser
construído pelos próprios alunos, é mostrado na figura 15.
A utilização de tal dispositivo destina-se ao estudo de reações onde a
variação da condutância elétrica da solução, em função do consumo de
reagentes ou formação de produtos é o ponto principal. Esse dispositivo não
permite avaliar quantitativamente o valor da condutância da solução, mas sim
77
a sua variação gradual, observando-se a mudança intensidade da luz emitida
pela lâmpada. Tal limitação, no entanto, não é um empecilho ao estudo desse
caso: o ácido sulfúrico titulado por uma solução saturada de hidróxido de
bário.
A reação química entre essas substâncias produz água e sulfato de bário,
esse último muito pouco solúvel (Kps = 1 x 10-10)49.
Ba2+(aq) + 2 OH-(aq) + 2 H+(aq) + SO42+(aq) = BaSO4(s) + 2 H2O(l)
(48)
Devido à diminuição da concentração de íons para o transporte de carga
elétrica, conforme a reação procede, a condutância da solução vai diminuindo
até o apagamento completo da lâmpada, o que é tomado como indicador do
ponto final da titulação.
No filme-experimento, 2,00 cm3 de H2SO4 são diluídos com cerca de 50
cm3 de água destilada, e titulados com uma solução saturada de Ba(OH)2
(0,123 ± 0,002) mol dm-3 padronizada25 ( para quem assiste ao filme, a
concentração da solução deve ser calculada a partir do Kps do sulfato de
bário). Essa titulação foi realizada em triplicata, antes de se proceder ao
experimento filmado. Os resultados obtidos nessas titulações prévias estão na
tabela 20.
78
Tabela 20: Resultados da titulação condutométrica de uma solução de ácido sulfúrico com uma solução saturada de hidróxido de bário.
Determinação Concentração H2SO4 / mol dm-3
I 1,107
II 1,115
III 1,101
Valor médio 1,108 ± 0,004
Para efeito de comparação, a mesma titulação foi realizada utilizando-se
fenolftaleína como indicador. Os resultados obtidos estão na tabela 21.
Tabela 21: Resultados da titulação de uma solução de ácido sulfúrico com uma solução saturada de hidróxido de bário, utilizando-se fenolftaleína como
indicador. Determinação Concentração H2SO4 /mol dm-3
I 1,113
II 1,113
III 1,119
Valor médio 1,115 ± 0,003
É importante ressaltar que o ponto em que ocorre a mudança de cor do
indicador não coincide com o ponto em que há a total neutralização dos íons
H+ presentes na solução, isto porque, a coloração rósea aparece com excesso
de íons OH- (pH>8)48. Se fossem utilizados, em conjunto, o indicador ácido-
base e a lâmpada (indicador de condutância), esta última apagaria antes da
mudança de cor do indicador. Mesmo havendo essa diferença no momento da
79
detecção, os valores são aceitáveis considerando-se, por exemplo, o limite de
sensibilidade do olho humano à luz e o erro do indicador.
No filme produzido, após a determinação do ponto final da titulação, a
adição de hidróxido de bário é novamente iniciada para demonstrar que o
acendimento da lâmpada depende da presença de substâncias que podem
efetuar o transporte de carga entre os dois eletrodos, não sendo uma
característica exclusiva da substância que estava inicialmente em solução.
80
4 – Considerações finais
O trabalho aqui desenvolvido exigiu o aprendizado de uma técnica, um
pouco afastada da formação inicial do autor desse trabalho e também de seu
orientador.
Inicialmente, entramos em contato com o departamento de Radio e
Televisão da Unicamp, que se mostrou interessado nas filmagens e também na
edição dos filmes. Dessa forma, estaríamos apenas preocupados com a criação
dos experimentos em laboratório, escolhendo apropriadamente os roteiros,
materiais e pontos importantes a serem filmados.
No entanto, essa parceria não funcionou bem, pois, como pudemos
constatar na primeira filmagem, estaríamos consumindo muito tempo do set
de filmagens, muitos profissionais, muitos equipamentos e não teríamos
condições de testar novas formas de apresentação de cada prática, já que as
mesmas deveriam ser feitas no departamento de Radio e Televisão.
O primeiro filme, por exemplo, depois de alocarmos o estúdio por dois
dias e envolver cerca de dez profissionais, verificamos que um pequeno erro
químico havia inviabilizado todo o trabalho. Diante desta dificuldade,
decidimos adquirir nossa própria câmera de vídeo e o computador com o
programa de edição. O aprendizado de como filmar, o que usar como
iluminação, o desenvolvimento dos materiais para as filmagens, a filmagem
com apenas duas pessoas, o autor e o orientador, ora funcionando como
atores, como contra-regras, diretor de câmera ou diretor de filmagem, editor
etc. foi um processo contínuo e desenvolvido conforme a necessidade.
Em relação aos filmes, os mesmos tiveram apenas uma versão final.
Dessa forma, mantendo-se a parte de vídeo e modificando-se a parte de áudio
81
os filmes podem ser explorados de formas diversas. Deve ser acrescentado
que, no início desse trabalho, a idéia original era apresentar filmes que apenas
tivessem imagens e nada de som. Após ter feito uma primeira versão nessa
forma, aplicamos o filme para um grupo de professores de Ciências, porém o
resultado não foi satisfatório. Assim, resolvemos introduzir a fala e o som.
Um ponto importante, na maioria dos filmes, é a preocupação com
aspectos quantitativos. Apenas um dos filmes, o de condutância elétrica, tem
uma preocupação com aspectos semi-quantitativos. Devido a essa
característica, a preocupação quantitativa, foram necessárias várias filmagens
de um mesmo experimento, a cada momento focando um aspecto específico.
A tomada de algumas cenas com zoom completo, muitas vezes exigem
posições estáticas da câmera e também dos instrumentos filmados. Algumas
cenas só foram possíveis pelo recurso da câmera de dar zoom com controle
remoto. Essa característica de dar ênfase aos aspectos quantitativos da
experimentação é o diferencial desse projeto em relação aos vídeos
disponíveis para ensino.
Um aspecto que deve ser enfatizado, é que todos os resultados
experimentais obtidos nos experimentos filmados são verdadeiros e podem ser
repetidos em qualquer laboratório com equipamentos semelhantes. É
importante frisar que todas as operações de laboratório nos filmes têm o
propósito de mostrar como elas são feitas corretamente sem, no entanto,deixar
que elas ofusquem o objetivo central. As pesagens, por exemplo, fizemos
questão de apresentá-las com o experimentador fazendo a zeragem da balança,
abrindo a porta, colocando e tirando o material e, ao final, fechando a balança
e zerando novamente.
82
Finalmente, resta lamentar que, devido aos diversos contratempos e a
conseqüente falta de tempo hábil, não foi possível aplicar os vídeos em sala de
aula e avaliar sua eficiência, o que deve ser o próximo passo.
83
5 – Bibliografia
1. LDB - Leis de Diretrizes e Bases da Educação Nacional. LEI No. 9.394, 1996.
2. Parâmetros Curriculares Nacionais: Ensino Médio. MEC/SEMT, 1999. 3. Marcelino C.A.C; Barbosa R.M.N.; Campos A.F.; Leão M.B.C.; Cunha
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24. Shoemaker, D.P.;Garland, C.W.; Steinfeld, J.I.; Mibler, J.W.; Experiments in Physical Chemistry McGraw-Hill Book Company, 4th ed.,(1981).
25. Morita, T.;Assumpção R.M.V.; Manual de Soluções, Reagentes e Solventes, 3a ed.,ed. Edgard Blucher Ltda: São Paulo, 1968.
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85
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43. Sandell, E. B.; West, T. S.; Pure Appl. Chem. 1969, 18, 429. 44. King, B.; Metrologia, 1997, 34, 77. 45. Terci, D. B. L.;Rossi, A. V.; Quím. Nova, 2002, 25, 684. 46. James A.M.; Prichard, F.E.; Practical Phisical Chemistry, 3ª
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Analítica Quantitativa Elementar, 2a ed., Ed. Unicamp: Campinas, 1979.
86
ANEXOS
87
Roteiros de aplicação dos filmes-experimentos
1 - Condutividade
1.1 – Objetivo
O objetivo deste filme-experimento é fornecer ferramentas que possam
auxiliar os alunos na compreensão do fenômeno da condutância elétrica de
soluções e a sua relação, por exemplo, com a força de ácidos e bases e
questões semi-quantitativas sobre o equilíbrio químico.
1.2 - Introdução
Uma propriedade característica de soluções de eletrólitos é que elas
conduzem a corrente elétrica. Quando um circuito elétrico é feito conectando-
se dois terminais de uma bateria a dois eletrodos imersos em uma solução de
um eletrólito, os íons na solução se movem para os eletrodos de cargas opostas
às suas, e uma corrente elétrica flui pelo circuito. A magnitude do fluxo da
corrente elétrica que, em essência, é uma quantificação da condutância elétrica
da solução, depende do número de íons entre os eletrodos, da carga dos íons,
da velocidade com que eles se movem e da diferença de potencial entre esses
eletrodos.14,15
Os íons de hidrogênio, por exemplo, se movem mais rapidamente – de
cinco a sete vezes mais rápido que outros íons com carga positiva - então, para
um mesmo número de íons entre os eletrodos, a condutividade de ácidos é
muito maior do que a dos sais contendo o mesmo ânion.15
88
Os íons hidroxila se movem de duas a três vezes mais rapidamente que
outros íons (exceto os íons hidrogênio) e o mesmo raciocínio pode ser
aplicado nesse caso, relativamente aos outros ânions.15
Em soluções concentradas essa condutividade aumenta, mas não
linearmente proporcional à concentração, já que interações iônicas começam a
existir, “atrapalhando” essa condutividade. Em solventes de baixa constante
dielétrica a condutividade também diminui devido às interações entre os
íons.14
Não será discutida aqui a influência do potencial elétrico aplicado e
também mudanças na geometria e posição relativa dos eletrodos, já que o
filme não trata desses aspectos.
1.3 – Discussão
Inicialmente o filme-experimento mostra que a lâmpada apenas acende
se houver contato elétrico entre os eletrodos que estão conectados á rede
elétrica. Como pode ser visto na figura 1, esse contato é feito com um
condutor metálico ligando os eletrodos. É interessante, neste momento, o
professor perguntar aos alunos se é possível fazer a lâmpada acender
utilizando-se outros materiais para fazer o contato.
A próxima cena, figura 2, mostra que a água pura não é capaz de
estabelecer uma conexão elétrica entre os eletrodos, suficiente para que a
lâmpada se acenda. Para que haja a condução de corrente elétrica, existe a
necessidade de íons façam o transporte da carga elétrica entre os terminais, e
na água pura a quantidade de íons é pequena. A concentração de íons pode ser
obtida pelo valor da constante de ionização da água16 pura, Kw, que à 25 °C é
89
de 1,008 x 10-14, mostrando que existem somente poucas moléculas de água
dissociadas (1 x 10-7 moléculas dissociadas em 1 litro de água).
Figura 16: Cena que mostra o uso do condutor metálico, permitindo a passagem de corrente elétrica e o acendimento da lâmpada.
Neste momento, o professor pode fazer uma comparação entre as duas
situações e questionar alunos sobre a possibilidade de se adicionar alguma
substância à água que a faça conduzir a corrente elétrica e, conseqüentemente,
acender a lâmpada.
Na seqüência do filme-experimento, figura 3, é adicionado açúcar
refinado em um béquer e sal de cozinha em um outro, ambos contendo água
pura. O sal de cozinha, considerado como cloreto de sódio puro, em água sofre
uma dissociação formando os íons Na+(aq) e Cl-(aq), que são responsáveis
pelo transporte de carga elétrica entre os eletrodos levando ao acendimento da
lâmpada.
NaCl(s) + H2O(l) = Na+(aq) + Cl-(aq) (1)
Condutor elétrico
90
Figura 17: Cena que mostra que apenas água não permite o acendimento da lâmpada.
O açúcar, considerado como sacarose pura, torna-se solúvel devido a
interações do tipo ligação de hidrogênio com a água, mas não forma íons. Sua
dissolução pode ser equacionada como:
C12H22O11(s) + H2O(l) = C12H22O11(aq) (2)
Não existindo íons em solução, a lâmpada essa solução permanece apagada.
91
Figura 18:Teste de condutância envolvendo uma solução contendo sal de cozinha e outra, açúcar refinado.
Na próxima etapa, o filme-experimento mostra a influência do solvente
em relação à condutância da solução. Neste ensaio, são utilizadas quantidades
iguais de uma mesma substância, o iodeto de sódio, em dois solventes
distintos: água e álcool etílico comercial (96°GL).
Antes de proceder ao teste, são avaliadas as condutâncias da água pura e
do álcool, como mostra a figura 4. A lâmpada não acende em nenhum dos dois
líquidos.
Após a adição do iodeto de sódio aos dois solventes, a solução aquosa á
mostra uma intensidade de luz superior, que é esperado devido à elevada
constante dielétrica da água17, levando a uma maior dissociação do iodeto de
potássio. A constante dielétrica não é o único fator responsável pelo
fenômeno, mas é um dos fatores que influenciam a formação de íons em
solução. A tabela 1 mostra as constantes dielétricas para os dois solventes.
Solução de sal de cozinha
Solução de açúcar
92
Figura 19: Teste de condutividade elétrica da água pura e do álcool etílico comercial.
Tabela 22: Constante dielétrica para os solventes avaliados no filme-experimento.
Solvente Constante dielétrica
água 78,3
etanol 24,3
Água
Álcool
93
Figura 20: Teste de condutância elétrica para soluções de iodeto de potássio em água e em etanol comercial, para a avaliação da influência do solvente na
formação de íons.
Na seqüência o filme mostra uma comparação da força de três ácidos
em meio aquoso, também baseado nas intensidades de luz das lâmpadas.
Foram utilizados três ácidos, na mesma concentração: ácido clorídrico, ácido
acético e ácido fórmico.
A intensidade de luz produzida pela lâmpada é proporcional à
quantidade de íons em solução. Neste nível não se fala no fenômeno da
condutância associado ao tamanho dos íons, por isso vamos ignorá-lo nessa
discussão.
Para os ácidos, genericamente, o seguinte equilíbrio pode ser escrito:
HA(aq) + H2O(l) = H3O+(aq) + A-(aq) (3)
Água Álcool
94
onde HA é o ácido e A- sua base conjugada. Sendo a expressão da constante
de equilíbrio químico (simplificada), e em termos de concentração
representada por:
HA][]A][OH[ -
3a
+
=K (4)
O valor da constante de dissociação (Ka), revela a intensidade da
dissociação do ácido em água, em outras palavras, dá informações sobre a sua
força. A tabela 2 fornece os valores de constantes de dissociação dos ácidos
selecionados para o filme-experimento.
Tabela 23: Valores de constantes de dissociação dos ácidos, clorídrico, fórmico e acético em água a 298 K.18
Ácido Constante de dissociação (Ka)
clorídrico 1 x 107
fórmico 1,8 x 10-4
acético 1,4 x 10-5
A intensidade de luz produzida pelas lâmpadas, figura 6, reflete o que é
mostrado na tabela 2. Isto é, a intensidade de luz é diretamente proporcional
ao Ka de cada ácido e conseqüentemente à sua força.
95
Figura 21: Teste de condutividade utilizado para avaliar a força dos ácidos: acético, fórmico e clorídrico em meio aquoso.
Na última etapa o filme mostra a força relativa de duas bases, hidróxido
de sódio e amônia aquosa, à mesma concentração (1 mol dm-3), em água, de
acordo com a intensidade de luz das lâmpadas.
Para as bases, a seguinte equação pode ser usada para descrever seu
comportamento, relativamente ao equilíbrio de ionização:
B(aq) + H2O(l) = HB+(aq) + OH-(aq) (5)
onde B é a base e HB+ o seu ácido conjugado. Sendo sua expressão de
equilíbrio:
B][]OH][[HB -
b
+
=K (6)
que é a constante de dissociação das bases (Kb).
Ácido Clorídrico
Ácido Fórmico
Ácido Acético
96
Como descrito anteriormente, o valor da constante de ionização (ou
dissociação), indica o quanto a base está dissociada e conseqüentemente sua
força (entenda-se força aqui, como sinônimo de porcentagem de moléculas
dissociadas, expressão bastante comum em cursos introdutórios de química e
também no ensino médio).
A intensidade de luz que se observa nas lâmpadas, figura 7, é
proporcional a quantidade de íons em solução (é importante ressaltar, que
neste nível, outros fatores que influenciam a condutância da solução não são
considerados como, por exemplo, associações iônicas e o tamanho dos íons),
assim, quanto maior valor da constante de dissociação, mais intensa é a
intensidade da luz, o que está de acordo com o que mostra o filme: a lâmpada
relativa à solução de NaOH mostra uma intensidade de luz superior da solução
de NH3. A tabela 3, mostra as constantes de dissociação das bases analisadas.
Figura 22: Teste de condutividade utilizado para avaliar a força de bases.
Solução de amônia ou Hidróxido de amônio
Hidróxido de sódio
97
Tabela 24: Constante de dissociação de bases em solução aquosa à 298 K.20
Base Constante de dissociação (Kb)
hidróxido de sódio(NaOH) 4
hidróxido de amônio(NH3)* 1,71 x 10-5
* O professor pode usar hidróxido de amônio sem problemas, mas deve
lembrar que não é forma correta, já que a molécula do hidróxido de amônio
nunca foi detectada.
98
2– Eletrólise 2.1 – Objetivo
O objetivo deste experimento é mostrar que processos químicos
ocorrem quando a corrente elétrica atravessa uma solução. A solução
escolhida para tal, é a de iodeto de potássio que, quando eletrolisada, forma
um produto colorido (I2) em solução e o gás hidrogênio H2 que é coletado.
Espera-se, também, que esse experimento forneça subsídios para o
entendimento de processos de oxidação e redução, exemplifique cálculos
estequiométricos, possibilite a aplicação da equação de estado do gás ideal
além de possibilitar o cálculo da carga do elétron.
2.2 – Introdução
A eletrólise é um processo não espontâneo, que ocorre quando uma
reação química surge devido à passagem de corrente elétrica por uma
substância ou misturas de substâncias no estado líquido. Para se realizar uma
eletrólise, são necessários dois eletrodos, um positivo (ânodo) e um negativo
(cátodo), que são imersos no líquido que será eletrolisado, conectados a uma
fonte de corrente elétrica, geralmente contínua.16
A substância a ser eletrolisada deve ser um eletrólito, um líquido que
contém íons positivos e negativos para que a corrente elétrica possa fluir pelo
sistema.14
Existem dois tipos de eletrólitos: uma solução formada por um soluto
que produza íons quando em presença do solvente, como o iodeto de potássio
99
em água - substância que foi utilizada nesse filme - e um outro tipo, onde o
líquido eletrólito é um composto iônico no estado líquido.
Durante a eletrólise, as espécies presentes se movem para os eletrodos,
onde sofrem reações de oxidação (perda de elétrons) e de redução (ganho de
elétrons).
2.3 - Discussão
No cátodo, na eletrólise que ocorre no filme-experimento, as possíveis
semi-reações, que poderiam ocorrer, são:
K+(aq) + e- → K(s) (8)
2H+(aq) + 2e- → H2(g) (9)
2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq) (10)
Para definir qual espécie será reduzida é necessário avaliar o potencial
de redução das substâncias em solução, nas concentrações em que se
encontram. Simplificadamente, podemos começar a raciocinar com o
potencial padrão de eletrodo de redução das várias espécies. Para o cátion
potássio (Eθ= -2,93 V) é muito baixo comparativamente ao do íon H+(Eθ= 0
V), no entanto como existe uma concentração muito pequena desse último em
solução, o que ocorre, preferencialmente, é a redução da água (Eθ= -0,83V).
Portanto, a semi-reação que ocorre no cátodo é:
100
2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq) (11)
No ânodo, as possíveis semi-reações são:
4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4e- (12)
2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e- (13)
2I-(aq) → I2(s) + 2e- (14)
Analisando-se os potenciais padrão de eletrodo para a oxidação é o
ânion OH-(Eθ= - 0,40 V), portanto, a mais fácil de ser oxidada. No entanto,
sua concentração é muito baixa. Comparando-se a oxidação da água (Eθ= -
1,23 V) e a do iodeto (Eθ= - 0,54 V), a segunda é favorecida devido ao seu
menor valor.No ânodo a reação que ocorre é:
2I-(aq) → I2(s) + 2e- (15)
A equação global do processo é:
2I-(aq) + 2H2O(l) → H2(g) + I2(s) + 2OH-(aq) (16)
Observação: o raciocínio correto para se verificar que espécies estariam
sofrendo preferencialmente a eletrólise, deveria ser feito pelo cálculo do
potencial de cada espécie nas condições do experimento (concentração),
101
utilizando-se a equação de Nernst, o que não é um assunto abordado no ensino
médio.
Uma possibilidade de uso desse experimento é a determinação da carga
do elétron, para isto a solução de iodeto de potássio foi eletrolisada durante
tempo suficiente para formação de um volume apreciável de gás. A figura 8
mostra o volume formado de gás hidrogênio no final do processo.
Figura 23: Volume final de hidrogênio formado na eletrólise da solução de KI.
O volume de gás produzido é diretamente proporcional ao tempo e à
corrente que flui pelo sistema, sendo, portanto, proporcional ao número de
elétrons que circularam pelo sistema, na formação do gás.
Conseqüentemente, a carga do elétron pode ser encontrada fazendo-se
uso da estequiometria da reação e da equação de estado de um gás ideal.
A quantidade de hidrogênio gasoso formada é dado pela equação de
estado:
TRVP
n 2
2
HH = (17)
102
onde PH2 ,V e T é a pressão (Pa), o volume (m3) e temperatura (K) do gás
coletado.
Os moles de elétrons, que fluem pelo circuito em um dado tempo, é
dado por
eNtIn
Ae- = (18)
onde I,t, NA e e representam a corrente elétrica em ampère, e o tempo em
segundos, constante de Avogadro (6,022 x 1023 mol-1) e a carga do elétron (1,6
x 10-19 C), respectivamente.
A relação estequiométrica é:
2- He 2nn = (19)
Combinando-se as três expressões, fica
VPNTRtI
A 2H2e = (20)
Considerando os objetivos deste trabalho, foi considerado a pressão de
hidrogênio, PH2, como sendo
atmH PP =2
(21)
Com maior rigor, deve-se considerar a pressão de vapor da água e a
pressão da coluna de água. E a expressão ficaria da seguinte maneira:
103
águacoluna de guavapor de áatmH PPPP −−=2
(22)
Outra possibilidade de utilização deste experimento é a comparação
entre o volume formado de gás hidrogênio e o volume esperado. Para isto,
utiliza-se a equação 66, substituindo-se o valor da carga do elétron (1,6 x 10-19
C)16.
Acreditamos que seja importante que o professor, no instante anterior à
aplicação do filme-experimento, alerte os alunos para anotarem possíveis
grandezas e os fenômenos que estão ocorrendo no decorrer do experimento,
como a mudança da cor da solução, a saída de solução pelo orifício da rolha.
O próximo tópico traz quais são os dados que deverão ser anotados pelos
alunos e qual o encaminhamento necessário para a determinação da carga do
elétron e do volume esperado de gás hidrogênio formado na eletrólise.
2.4 - Dados experimentais e cálculos
A tabela 4 apresenta as condições experimentais em que foi realizada a
eletrólise da solução de iodeto de potássio.
Tabela 25: Condições experimentais em que foi realizada a eletrólise da solução de iodeto de potássio.
Corrente elétrica média / mA 50
Tempo total / s 990
Volume de Hidrogênio / mL 7,0
O valor de corrente utilizado nos cálculos corresponde a um valor médio.
Durante o filme-experimento a corrente variou entre 48 e 51 mA.
104
A figura 9 apresenta os equipamentos utilizados neste experimento.
Figura 24: Equipamento utilizado na eletrólise.
2.4.1 - Determinação da carga do elétron Para se calcular a carga do elétron a partir dos dados experimentais, será
utilizada a equação 20. Com os dados que podem ser observados no filme-
experimento tem-se:
C10 x 5,1)m 10 x (7 x Pa) (95192 x )10 x (6,022 x 2
K) (298,15 x )molKm Pa (8,314 x (990) x A)10 x (50e 19-36-23
-1-13-3
==
Neste cálculo foi considerado que a temperatura do gás é igual a ambiente
(298,15 K) e a pressão de hidrogênio (Pressão atmosférica) como sendo 95192
Pa. Como se trata de um roteiro para o professor do ensino médio, a pressão
parcial de hidrogênio foi considerada igual à atmosférica. Corretamente o seu
Amperímetro
Coletor de gás
Cronômetro
Fonte de corrente contínua
Eletrodos
105
valor seria obtido considerando-se a pressão de vapor da solução e a pressão
da coluna de solução.
2.4.2 - Determinação do volume esperado de gás hidrogênio ao final da
eletrólise
Uma outra possibilidade de uso deste filme-experimento é calcular o
volume esperado de gás hidrogênio que deveria ser formado e compará-lo
com o volume obtido experimentalmente. Para realizar este cálculo, utiliza-se
a mesma equação 20, mas substituindo o valor da carga do elétron por 1,6 x
10-19 C. O volume esperado de gás hidrogênio, nestas condições, é:
3619-23
-1-13-3
m107,6)10 x (1,6 x Pa) (95192 x )10 x (6,022 x 2
K) (298,15 x )molKm Pa (8,314 x (990) x A)10 x (50V −== xC
Além das duas propostas de utilização do filme-experimento, o
professor pode utilizar a mesma equação 20, para calcular a constante de
Avogadro. Para isto, basta substituir os valores da tabela 4 e a valor da carga
do elétron.
O filme também possibilita obterem-se os volumes de gás em função do
tempo de eletrólise e as medidas de corrente. A construção de uma curva de
corrente em função do tempo e a correlação entre as áreas sob essa curva e a
relação com o volume de gás a cada intervalo, é uma possibilidade real de se
mostrar como os dados experimentais podem ser tratados.
Durante a eletrólise, a solução eletrolítica vai adquirindo uma coloração
castanha, isto ocorre porque está sendo formando o iodo (I2), que dissolvido
em água origina essa cor. O professor pode realçar este fato, mostrando aos
106
alunos, através da cena mostrada na figura 10, que o iodo reage com o amido
presente no papel, formando uma substância de coloração azul.
Figura 25: Teste colorimétrico qualitativo para detectar a presença do iodo que se forma na eletrólise da solução de iodeto de potássio.
É comum no ensino médio realizarem-se os cálculos anteriores,
utilizando-se outras unidades de pressão e volume, a tabela 26 dá alguns
fatores de conversão entre essas unidades.
Tabela 26: Relação entre as unidades de pressão e volume utilizadas nos cálculos.
pressão 1 atm 101325 Pa
volume 1 mL 10-6 m3
107
3 – Calorimetria 3.1 – Objetivo A proposta deste filme-experimento é mostrar que o processo de
dissolução de uma substância em água envolve uma troca de energia, e que
esta pode ser quantificada através de um método simples. Pretende-se,
também, que o experimento forneça subsídios para possibilitar ao aluno, o
entendimento da grandeza termodinâmica: entalpia de reação.
3.2 – Introdução
A termodinâmica esta baseada em experimentos onde a energia é
transformada de uma forma para outra e transferida de um lugar para outro.
Para obter informações sobre a energia, o todo é dividido em duas partes. A
região de interesse, tal como um recipiente com um gás, um copo com água ou
uma mistura reacional, é chamada de sistema. Tudo, excluindo o sistema, é
chamado de vizinhança. É na vizinhança que são feitas as observações sobre a
energia transferida ou absorvida pelo sistema.16
A grandeza fundamental em termodinâmica, que se relaciona ao
processo e não aos estados dos sistemas, no sentido de que fornece uma base
para a definição de seu principal conceito, é o trabalho.20 Em termodinâmica,
a capacidade total de um sistema realizar trabalho é chamada de energia
interna, U.16
Não é possível medir a energia total de um sistema, mas sim as suas
variações num processo ou transformação. A variação de energia interna de
um sistema pode ser calculada conhecendo-se o trabalho realizado e o calor
108
trocado com a vizinhança. Assim, de uma forma geral a primeira lei pode ser
genericamente apresentada pela equação:
∆U = q + w (23)
onde as energias cinética e potencial permanecem constantes.
A energia interna de um sistema pode também ser alterada pela
transferência de energia de, ou para, o ambiente como calor.
A primeira lei da termodinâmica implica que a energia é conservada em
qualquer processo. Qualquer energia que deixa um sistema como calor precisa
terminar na vizinhança e vice-versa.16
As transferências de energia, como calor, são medidas em um
calorímetro, figura 11, um dispositivo que monitora as mudanças na
temperatura. Um calorímetro simples consiste de um recipiente contendo uma
mistura reacional, um agitador e um termômetro. Entretanto, versões mais
elaboradas e mais precisas estão disponíveis.20
Figura 26: Calorímetro utilizado no filme-experimento.
109
3.3 – Discussão
Neste filme-experimento, são realizadas duas dissoluções. Uma
dissolução que libera energia (exotérmica), o que provoca um aumento de
temperatura e outra que absorve energia (endotérmica) resultando na
diminuição de temperatura do ambiente. A dissolução exotérmica é do
carbonato de sódio (Na2CO3) e a endotérmica do cloreto de amônio (NH4Cl),
ambos em água.
Nestas dissoluções, a variação na temperatura é proporcional à
transferência de energia e à constante de proporcionalidade, denominada de
capacidade calorífica do calorímetro.
Para calcular a energia liberada ou absorvida nestas dissoluções, utiliza-
se a seguinte relação:
q = C ∆T (24)
onde q é a quantidade de calor absorvida ou liberada, ∆T é a variação de
temperatura observada e C é uma constante daquilo que denominamos como
vizinhança. Para os propósitos do ensino médio, o que se faz é substituir essa
constante C por m c, onde m é a massa da água somada à massa do sólido
adicionado e c o calor específico da água. É importante observar que essa
substituição de valores leva a resultados próximos ao esperado, mas são
aproximações que só devem ser feitas para fazer a transposição do conteúdo
científico para o nível didático, sendo muito comum nos livros do ensino
médio.
110
Como o processo ocorre à pressão constante, a quantidade de calor é
igual à variação de entalpia no processo de dissolução, porém com sinal
invertido:
∆H = - q (25)
Para encontrar a variação de entalpia para 1 mol, pode-se aplicar:
nHH ∆=∆ sol (26)
onde ∆H é a variação de entalpia envolvida no processo de dissolução e
calculada com a equação 24 e 25.
As equações químicas que representam os processos de dissolução dos sais são as seguintes:
Na2CO3(s) + x H2O(l) = (Na2CO3.x H2O)(sol) (27)
NH4Cl(s) + x H2O(l) = (NH4Cl.x H2O)(sol) (28)
onde x representa a quantidade estequiométrica de água envolvida na
dissolução de um mol de soluto. É importante lembrar que a energia liberada
ou absorvida nesses processos de dissolução varia em função da concentração
final da solução.
Acreditamos que seja importante que o professor, no instante anterior à
aplicação do filme, alerte seus alunos para anotarem os valores de grandezas e
as observações sobre os fenômenos que estão ocorrendo durante o
experimento.
111
O próximo tópico relata que dados deverão ser anotados pelos alunos e
o tratamento matemático necessário para a determinação da energia envolvida
nos dois processos.
3.4 - Dados experimentais e cálculos
A figura 12 mostra todo o equipamento utilizado neste experimento.
Figura 27: Equipamentos utilizados no filme-experimento.
As tabelas 6 e 7 indicam os dados experimentais retirados do filme para as
duas dissoluções.
Bloco de isopor
Agitador magnético
Vaso calorimétrico
Termômetro
112
Tabela 27: Dados experimentais retirados do filme para a dissolução do carbonato de sódio em água.
Volume de água destilada / mL 100
Temperatura inicial / °C 20,5
Temperatura final / °C 24,1
Massa de Na2CO3 / g 6,448
Tabela 28: Dados experimentais retirados do filme para a dissolução do cloreto de amônio em água.
Volume de água destilada / mL 100
Temperatura inicial / °C 18,6
Temperatura final / °C 15,0
Massa de Na2CO3 / g 5,357
3.4.1 - Determinação da energia envolvida na dissolução do carbonato de
sódio
Para determinar a energia envolvida neste processo utiliza-se, em
primeiro lugar, a equação 24. Substituído os valores experimentais presentes
na tabela 6, obtém-se:
∆H = - q = - (100 g + 6,448 g) x 4,184 J °C-1 g-1 x 3,6 °C = -1603,4 J ou -1,6034 kJ
Observe que a variação de entalpia é da reação e o calor é calculado pelo
aquecimento de todo o conteúdo do vaso da reação, por isso têm sinais
opostos. A reação é exotérmica o que é justificado pelo sinal do valor de ∆H a
ser calculado.
113
Calculando para 1 mol de carbonato de sódio, utilizando a equação 26, fica:
1-sol mol kJ29,26
mol 0,061kJ 1,6034 −==∆ H
Para encontrar o valor de entalpia para 1 mol, o valor de energia, ∆H,
foi dividido quantidade de matéria (mol) de sal adicionado. A massa molar do
carbonato de sódio é de 105,99 g mol-1.
3.4.2 - Determinação da energia envolvida na dissolução do cloreto de amônio
Utilizando os dados da tabela 7 e procedendo como no cálculo anterior:
∆H = -q = (100 g + 5,357 g) x 4,184 J °C-1 g-1 x 3,6 °C = 1586,9 J ou 1,5869 kJ
1-sol mol kJ87,15
mol 0,1kJ 1,5869 ==H∆
O valor de 0,1 mol de cloreto de amônio foi encontrado dividindo-se a
massa adicionada do sal pela sua respectiva massa molar (53,49 g mol-1).
Nos cálculos envolvendo as duas dissoluções, considerou-se a
densidade da água como 1,0 g cm3-, de modo que o volume de água
adicionado equivale a 100 gramas, sendo o calor específico da solução, igual
ao da água pura (4,184 J °C-1 g-1).
114
4- Propriedades coligativas 4.1 - Objetivo
O objetivo deste experimento é demonstrar quantitativamente o
abaixamento do ponto de fusão da água na presença de um soluto, procurando
evidenciar que esse comportamento está relacionado exclusivamente ao
número de partículas de soluto presente (independente de sua natureza
química) por uma quantidade de solvente.
4.2 - Introdução
Historicamente, as propriedades coligativas foram ferramentas
poderosas para o entendimento da química de soluções e, especialmente, para
a determinação de massas molares.28
As propriedades coligativas referem-se a quatro efeitos característicos
de soluções diluídas (abaixamento crioscópico, pressão osmótica, elevação do
ponto de ebulição e abaixamento da pressão de vapor), cujos comportamentos
são correlacionados e unidos pelo fato de dependerem do número de partículas
de soluto presente (independente de sua natureza química) em uma dada
quantidade de determinado solvente.16
Todos esses efeitos têm em comum o fato do potencial químico do
solvente no estado líquido ser diminuído na presença de um soluto (solução no
estado líquido), de tal forma que o equilíbrio com a fase vapor (para solutos
não-voláteis) ou com a fase sólida seja estabelecido em condições diferentes
daquele que se estabelece quando o solvente é puro.28
O abaixamento crioscópico do solvente ocorre porque o potencial
químico do líquido na solução é menor que o do líquido puro, enquanto que o
115
da fase sólida (que está pura) permanece o mesmo. Dessa forma, para que o
equilíbrio entre as duas fases (solução e sólida) se estabeleça, a temperatura
deve ser menor do que aquela para a substância pura.16
A água pura congela a 0 °C à pressão de 1 bar. Se um mol de partículas
é adicionado a 1 kg de água, o ponto de fusão da água diminui para –1,86 °C,
na mesma pressão. Este valor é conhecido como constante crioscópica e é uma
característica da água. Cada substância tem o seu valor de constante.
A relação entre a concentração de partículas do soluto e o abaixamento
crioscópico é dado por:16
mKT f =∆ (29)
onde ∆T, m e Kf são, respectivamente, o abaixamento crioscópico, a
molalidade da solução e a constante crioscópica do solvente. A molalidade é
definida como a quantidade de matéria (mol) do soluto em 1 quilograma do
solvente.
4.3 – Discussão
Neste filme-experimento, para demonstrar quantitativamente o
abaixamento do ponto de fusão da água na presença de solutos iônicos e
moleculares é utilizado o aparato experimental mostrado na figura 13.
Figura 28: Aparat
O banho ref
variação de temper
uma agitação cons
agitação magnética.
Na primeira
congelamento da ág
do solvente pela ad
é o açúcar, que
constituído, apenas
experimento, é estu
caso foi escolhido o
sendo exclusivamen
Nos três exp
agitação mecânica
Nos três casos o d
Sensor de temperatura
Termômetro
Banho refrigerante
116
o utilizado no estudo do efeito coligativo do abaixamento crioscópico da água.
rigerante é constituído de gelo picado e sal grosso e a
atura é detectada por um termômetro digital. Para garantir
tante e uniforme da solução sob estudo, utiliza-se uma
parte do filme-experimento, é determinado o ponto de
ua pura. Logo em seguida a temperatura de congelamento
ição de um soluto molecular. O soluto utilizado neste caso
para efeitos de cálculo será considerado como sendo
, por sacarose (C12H22O11). Na última etapa do filme-
dado o efeito da adição de um soluto iônico à água, no
sal de cozinha que, nos cálculos, será considerado como
te cloreto de sódio (NaCl).
erimentos que se observam no filme, apesar da elevada
empregada, apareceram efeitos de super-congelamento.
ecréscimo da temperatura supera o valor esperado e no
Agitador magnético
117
momento da solidificação, ela repentinamente volta a subir, permanecendo
constante nesse novo patamar. Esse fenômeno ocorre quando se retira energia
rapidamente de um líquido e este se resfria abaixo da sua temperatura de
fusão. Ocorre a formação de um estado metaestável, que se origina pelo fato
de o resfriamento ter sido muito rápido, não permitindo a formação de um
ponto de nucleação que irá dar início ao congelamento. Com a ocorrência do
fenômeno, o cristal inicial não se forma e as moléculas ficam em um estado de
equilíbrio semi-estável, até que ocorra uma perturbação do equilíbrio. Nesse
momento um cristal se forma e o líquido se congela rapidamente, aumentando
a sua temperatura e liberando energia. A figura 14, mostra o fenômeno do
super-congelamento que ocorreu para as soluções.
Figura 29: Cenas que mostram o fenômeno do super-congelamento, que ocorreu nas soluções.A figura superior corresponde à solução que continha sacarose como soluto. A inferior corresponde à solução contendo cloreto de
sódio.
Acreditamos que seja importante o professor, no instante anterior à
aplicação do filme, alertar os alunos para anotarem as variações de
118
temperatura, principalmente quando esses valores começam a se aproximar do
zero e depois disso.
O próximo tópico traz os dados experimentais importantes de serem
anotados pelos alunos e como podem ser usados no estudo.
4.4 - Dados experimentais e cálculos
As tabelas 8 e 9 mostram alguns dados experimentais referentes às
determinações das temperaturas de congelamento das soluções presentes no
filme-experimento.
Tabela 29: Dados experimentais referentes à determinação da temperatura de congelamento de uma solução contendo um soluto molecular dissolvido.
Massa de água / g 10,020
Massa de açúcar / g 3,7559
Ponto de congelamento da água pura / °C 0,01
Ponto de congelamento da solução / °C -1,9
Tabela 30: Dados experimentais referentes à determinação da temperatura de congelamento de uma solução contendo um soluto iônico dissolvido.
Massa de água / g 10,178
Massa de sal de cozinha / g 0,7024
Ponto de congelamento da água pura / °C 0,01
Ponto de congelamento da solução / °C -3,7
119
4.4.1 - Cálculo do efeito crioscópico esperado para o soluto molecular
(sacarose)
Para a previsão da temperatura de congelamento, utilizando os dados da
tabela 8, calcula-se a molalidade, m, da solução, e a substitui na equação 29. A
molalidade é encontrada dividindo-se a quantidade em mol de sacarose, por
quilograma de água. A constante crioscópica para água vale 1,86 °C kg mol-1.
1-3-
1-
kg mol 01,1kg 10 x 10,020
mol g 342,30g 3,7559
==m
C 1,9 )kg mol (1,01 x )mol kg C (1,86 -1-1 °° ==∆T
4.4.2 - Cálculo do efeito crioscópico esperado para o soluto iônico (cloreto de
sódio
Para a previsão da temperatura de congelamento para a solução iônica,
utiliza-se os dados presentes na tabela 9:
1-3-
1-
kg mol 38,2kg 10 x 10,178
mol g 58,440g 0,7024
2 ==m
C 4,42- )kg mol (1,19 x )mol kg C (1,86 T -1-1 °° ==∆
Os efeitos coligativos dependem exclusivamente do número de
partículas em solução. Quando se utiliza um eletrólito forte como o cloreto de
120
sódio ou o sal de cozinha, espera-se que este produza um efeito coligativo
duas vezes maior que o soluto não dissociado, na mesma concentração molal.
Nesse experimento o valor esperado era de -4,42 °C, enquanto que para a
sacarose era de -1,9 °C, considerando-se as soluções como diluídas, onde a
equação 1 é válida. Para soluções concentradas, as interações entre partículas
são importantes, o que faz com que a equação 29 não seja totalmente válida.
Para o NaCl, essas interações são mais pronunciadas, tanto pela concentração
como pela natureza das partículas: os íons não se movem livremente e podem
se unir para formar pares iônicos e agregados com pequeno número de íons e,
portanto, a atividade desses íons é menor que a molalidade utilizada nos
cálculos e os efeitos coligativos calculados são menores que os esperados.
Isso também podia ser esperado para a sacarose, no entanto a diferença
entre a atividade e a molalidade nesse caso é menor, de modo que a diferença
entre os valores calculado e esperado, também é menor e a sensibilidade do
termômetro não foi suficiente para detectá-la.
121
5 – Solubilidade
5.1 – Objetivo
O objetivo deste experimento é determinar, através de um método
experimental simples, a solubilidade de dois sólidos em água, e mostrar a
dependência dessa solubilidade em relação à temperatura.
5.2- Introdução
O conceito de solubilidade em química é extremamente importante, pois
trata-se da base de inúmeros processos laboratoriais e industriais que servem
para preparar, separar e purificar diversas substâncias químicas, sendo
também o fator de restrição em vários fenômenos geológicos e outros
processos naturais.
Quando o limite de solubilidade de um soluto em dado solvente é
atingido, diz-se que essa solução é saturada. O valor da concentração no
equilíbrio, ou seja, da concentração de saturação é chamado de solubilidade,
geralmente expressa em massa de soluto por 100 gramas do solvente a uma
determinada temperatura ou na forma de uma constante de equilíbrio
simbolizada por Kps ou Ks e permite-nos dizer, qualitativamente, se a
substância é muito solúvel, pouco solúvel ou insolúvel.
Essa solubilidade depende de vários fatores, tais como a natureza do
soluto e do solvente, o tipo de interações químicas que ocorre entre eles, a
forma da molécula, o pH do meio, temperatura, entre outros.
Vários fatores relacionados às forças de interação podem cumprir um
papel decisivo na solubilidade de solutos em solventes: a presença de dipolos
122
nas moléculas do solvente, a constante dielétrica do solvente, sua capacidade
de formar ligações de hidrogênio. Uma constante dielétrica elevada, como
aquela encontrada em solventes polares, por exemplo, reduz as interações
atrativas entre íons de carga oposta no sólido. Já solventes apolares, de baixa
constante dielétrica, as interações atrativas iônicas do soluto não são superadas
pelas interações soluto-solvente, e o sólido iônico dissolve em pequena
extensão.
5.3 – Discussão
Neste filme-experimento, é avaliada a solubilidade do cloreto de
potássio (KCl) e do dicromato de potássio (K2Cr2O7) em água, à temperatura
ambiente e a 50 °C. Na primeira parte do filme soluções aquosas saturadas de
cloreto de potássio e de dicromato de potássio, são mantidas sob agitação
magnética por certo tempo como mostra a figura 15, para o cloreto de
potássio.
Após a saturação uma parte, cerca de 15 cm3, do sobrenadante de cada
uma das soluções é transferida para um béquer de 100 cm3 previamente
pesado, como, também mostra o filme. Os conjuntos, béqueres mais
sobrenadantes, são pesados e colocados sobre uma placa de aquecimento para
eliminar toda a água presente e secar os sólidos. A figura 16 mostra uma cena
do processo de eliminação da água presente nas duas soluções.
123
Figura 30: Cena que mostra a solução aquosa saturada de cloreto de potássio.
Após a eliminação de toda a água, os béqueres são colocados em um
dessecador e posteriormente são pesados.
Há que se explicitar aqui que, na determinação da solubilidade à
temperatura de 50 °C, foram utilizados pesa-filtros no recebimento das
soluções sobrenadantes para evidenciar que o líquido quente deveria ser
resfriado antes da pesagem e que não se permitiu a vaporização da água. Esse
procedimento também deveria ser observado para as medidas à temperatura
ambiente, mas verificamos que a variação de massa, nesse caso não aparecia
na balança. Entretanto, como é preciso esperar o resfriamento da solução
durante um bom tempo antes da pesagem e pelo fato de que a vaporização da
água é mais pronunciada na temperatura de 50 °C, o uso do pesa-filtro,
apenas, nesses casos se justifica. Acreditamos que esse é um aspecto
importante que deve ser observado, mas pensamos que o professor deve deixar
que os estudantes percebam ou comentem essa diferença. O filme permite essa
observação já que procura mostrar a formação de sólido antes da pesagem.
124
Acreditamos que seja importante o professor, no instante anterior da
aplicação do filme-experimento, alertar os alunos para anotarem as medidas
de massa e temperatura, observando também outros aspectos do experimento.
O próximo item traz os dados que deverão ser anotados pelos alunos e
como se fazem as determinações de solubilidade dos sais nas diferentes
temperaturas.
Figura 31: Cenas que mostram dois momentos do processo de eliminação da água para as duas soluções sobrenadantes na determinação de solubilidade à
temperatura ambiente.
125
5.4 - Dados experimentais e cálculos
As tabelas 10, 11, 12 e 13 mostram os dados experimentais obtidos nos
experimentos presentes no filme.
Tabela 31: Dados experimentais para a determinação da solubilidade do K2Cr2O7 à temperatura ambiente.
Massa do béquer / g 51,4310
Massa do béquer + solução / g 64,0950
Massa do béquer + sólido / g 52,8910
Tabela 32: Dados experimentais para a determinação da solubilidade do KCl à temperatura ambiente.
Massa do béquer / g 56,2390
Massa do béquer + solução / g 73,5230
Massa do béquer + sólido / g 60,6130
Tabela 33: Dados experimentais para a determinação da solubilidade do K2Cr2O7 à 50 °C.
Massa do pesa-filtro / g 44,1760
Massa do pesa-filtro + solução / g 59,0860
Massa do béquer + sólido / g 47,9530
126
Tabela 34: Dados experimentais para a determinação da solubilidade do KCl à 50 °C.
Massa do pesa-filtro / g 42,7730
Massa do pesa-filtro + solução / g 56,8800
Massa do béquer + sólido / g 47,0080
5.4.1 - Determinação da solubilidade do K2Cr2O7 à temperatura ambiente
Para encontrar a massa de sal presente na solução saturada basta subtrair
a massa do conjunto (béquer + sólido) da massa do béquer. Nesse caso obtém-
se 1,4600 g de dicromato de potássio. A segunda etapa do cálculo é encontrar
a massa de água presente na solução, e para isso subtrai-se a massa do béquer
da massa do conjunto (béquer + solução), que resulta em 12,6640 g de
solução. Essa massa corresponde à soma das massas do dicromato e da água.
Subtraindo-se a massa do dicromato da massa de solução, encontram-se
11,2040 g, que correspondem à massa de água na solução sobrenadante
saturada. É comum apresentar a solubilidade para 100 g de água. Fazendo-se
essa relação para 100 g de água, obtém-se 13,03 gramas de dicromato de
potássio para 100 gramas de água.
127
5.4.2 - Determinação da solubilidade do KCl na temperatura ambiente
Utilizando-se raciocínio utilizado para o dicromato e os dados da tabela
11, relativos ao cloreto de potássio, obtêm-se os resultados da tabela 14.
Tabela 35: Resultados obtidos na determinação da solubilidade do KCl à temperatura ambiente.
Massa do sal / g 4,3740
Massa da solução / g 17,2840
Massa de água / g 12,9100
Solubilidade / g / 100 g água 33,88
5.4.3 - Determinação da solubilidade do K2Cr2O7 à 50 °C
Utilizando o mesmo raciocínio das determinações anteriores e
utilizando os dados relativos ao dicromato de potássio à 50 °C (tabela 12),
obtêm-se os resultados na tabela 15.
Tabela 36: Resultados obtidos na determinação da solubilidade do K2Cr2O7 à 50 °C.
Massa do sal / g 3,7770
Massa da solução / g 14,9100
Massa de água / g 11,1330
Solubilidade / g / 100 g água 33,93
128
5.4.4 - Determinação da solubilidade do KCl à 50 °C
Utilizando o mesmo raciocínio da determinação anterior e utilizando os
dados relativos ao cloreto de potássio presentes na tabela 13, segue os
resultados na tabela 16.
Tabela 37: Resultados obtidos na determinação da solubilidade do KCl à 50 °C.
Massa do sal / g 4,2350
Massa da solução / g 14,1070
Massa de água / g 9,8720
Solubilidade / g / 100 g água 42,90
Caso o professor queira fazer uma comparação com os valores da literatura,
estes estão na tabela 17.
Tabela 38: Valores de solubilidade conforme literatura41 para os dois sais utilizados no filme-experimento.
Substância Solubilidades em
(g / 100 g H2O)
20°C
Solubilidades em
(g / 100 g H2O)
50°C
KCl 34,0 (33,88*) 42,6 (42,09*)
K2Cr2O7 12,2 (13,03*) 37,2 (33,93*)
* valores experimentais obtidos pelo filme.
129
6 – Titulação condutométrica
6.1 – Objetivo
O filme tem por objetivo mostrar como se pode fazer a determinação da
concentração de uma solução de ácido sulfúrico através de uma titulação com
uma solução aquosa saturada em hidróxido de bário. A determinação do ponto
final desta titulação é realizada utilizando-se um detector de condutividade
elétrica. Esse experimento, além da riqueza experimental e conceitual
envolvidas, permite que o aluno se familiarize com cálculos estequiométricos,
reações químicas e que perceba que a variação de uma propriedade específica
de um meio, neste caso a condutância elétrica, pode ser utilizada para diversas
finalidades.
6.2 – Introdução
A análise volumétrica ou titulação abrange um grande grupo de
métodos que possuem larga tradição na análise quantitativa. Devido às suas
vantajosas características, elas são usadas em laboratórios como métodos
consagrados, especialmente quando são utilizadas com dispositivos
instrumentais para detecção do seu ponto final.
A titulação é um processo que envolve a adição de pequenas
quantidades de uma das soluções reagentes, com o auxílio de uma bureta, à
outra solução, para se determinar quantidades de uma ou de outra solução.
Dessa forma, para uma das soluções reagentes, a quantidade é conhecida e a
outra é a que se quer conhecer.
130
Um ponto importante em uma titulação, é detecção do ponto final ou
ponto onde uma estequiometria conhecida é atingida. Esta detecção é feita
utilizando-se indicadores instrumentais ou visuais.
No caso específico desse filme, é possível obterem-se várias grandezas,
entre as quais se podem-se destacar: a concentração de uma solução de ácido
sulfúrico, a constante de solubilidade do hidróxido de bário em água ou a
estequiometria da reação entre ácido sulfúrico e hidróxido de bário. No filme
observa-se uma titulação entre duas soluções: ácido sulfúrico e hidróxido de
bário, utilizando-se como detector do ponto final um dispositivo que monitora
a variação de condutância elétrica do meio reacional através da mudança
gradual na intensidade de luz de uma lâmpada incandescente (figura 17).
Figura 32: Dispositivo utilizado na titulação condutométrica de solução de ácido sulfúrico com solução saturada de hidróxido de bário.
Lâmpada Eletrodos
Agitador magnético
131
6.3 – Discussão
No início do filme-experimento, é enfatizado que a lâmpada só acende
se houver o contato elétrico entre os eletrodos que fazem parte do dispositivo
de detecção de condutividade. A figura 18, mostra a cena em que isso é
evidenciado.
Figura 33: Acendimento da lâmpada provocado pela colocação de um contato elétrico entre os eletrodos.
Logo em seguida, o condutor metálico é retirado, adicionando-se cerca de 50
mL de água pura ao béquer. A cena, figura 19, mostra que a lâmpada não
acende, o que indica que a água pura não propicia o contato elétrico entre os
eletrodos, suficiente para a passagem de corrente.
132
Figura 19: Adição de água no detector de condutividade e a lâmpada
permanecendo apagada.
Em seguida, a bureta é preenchida com a solução saturada de hidróxido de
bário (0,123 mol dm-3) e o detector de condutividade recebe 2 mL de ácido
sulfúrico, cuja concentração é o que se quer determinar. No momento da
adição da solução de ácido sulfúrico, a lâmpada começa a acender. Neste
momento, o professor pode pedir aos alunos que proponham uma explicação
para tal observação.A figura 20 mostra tal cena.
Após a adição do ácido ao béquer e da base à bureta, a titulação é
iniciada. Quando o hidróxido de bário começa a gotejar na solução ácida
contida no detector a intensidade de luz da lâmpada diminui, figura 21. Seria
interessante o professor questionar os alunos sobre o porque da intensidade de
luz da lâmpada diminuir gradativamente devido à adição do hidróxido de
bário. Será que está ocorrendo uma reação química? E se estiver, por que
provoca o apagamento da lâmpada? É importante observa que, ao mesmo
tempo que a intensidade luminosa diminui a solução contida no béquer vai se
tornando turva, o que se deve à formação do sulfato de bário pouco solúvel.
133
Figura 34: Adição de ácido sulfúrico no detector de condutividade e o acendimento da lâmpada.
A reação química entre estas substâncias produz água e sulfato de bário,
este último muito pouco solúvel (Kps =1 x 10-10).
Ba2+(aq) + 2OH-(aq) + 2H+(aq) + SO42-(aq) = BaSO4(s) + 2 H2O(l)
(30)
Devido à diminuição da quantidade de íons para o transporte de carga
elétrica, conforme a reação procede, a condutância da solução vai diminuindo
até o apagamento completo da lâmpada, o que é tomado como indicador do
ponto final da titulação.
134
Figura 35: Diminuição da intensidade de luz da lâmpada causada pela adição de hidróxido de bário.
O ponto final da titulação ocorre quando o volume de hidróxido de
bário é de 18,0 mL, conforme mostra a figura 22. O professor pode alertar os
alunos sobre a correta maneira de ler um determinado volume na bureta, e que
o menisco da solução adquire esta forma côncava devido às interações entre as
moléculas da água presentes na solução e o vidro que constitui a bureta.
No filme, após a determinação do ponto final da titulação, a adição de
hidróxido de bário é novamente iniciada, figura 23, para demonstrar que o
acendimento da lâmpada depende da presença de substâncias que podem
efetuar o transporte de carga entre os dois eletrodos, e que essa condutividade
não é uma característica exclusiva da substância que estava inicialmente em
solução.
135
Figura 36: Leitura do volume de hidróxido de bário utilizado na titulação.
Figura 37: Cena mostra que a lâmpada acende novamente devido à adição de solução de hidróxido de bário após o ponto final da titulação.
menisco
136
6.4 – Dados experimentais e cálculos
A tabela 18 mostra os dados experimentais obtidos a partir do
experimento presente no filme.
Tabela 39: Dados experimentais e concentração do ácido sulfúrico, conforme obtidos pelo filme.
Concentração hidróxido de bário / mol dm-3 1,23 x 10-1 *
Volume da base / mL 18,00
Quantidade de base / mol 2,20 x 10-2
Volume do ácido / mL 2,00
Quantidade de ácido / mol 2,20 x 10-2
Concentração do ácido / mol dm-3 1,107
* o filme não mostra esse dado. Ele pode ser obtido usando-se a constante do
produto de solubilidade do hidróxido de bário.
Para calcular a concentração do ácido sulfúrico utiliza-se a proporção
estequiométrica definida pela equação química 30 e os dados experimentais
que estão na tabela 18. Como a proporção estequiométrica entre o ácido e a
base é de 1 mol para 1 mol, a quantidade de adicionada da base, em mols, é,
no ponto final, igual a do ácido.
n° de mols de Ba(OH)2 = n° de mols de H2SO4
[Ba(OH)2] x V Ba(OH)2 = [H2SO4] x V H2SO4 (31)
Os dados de concentração da base e os volumes de base e ácido são
obtidos do filme e a concentração de ácido sulfúrico pode ser calculada. Todas
essas grandezas encontram-se na tabela 40.
137
Tabela 40: Dados experimentais e concentração do ácido sulfúrico, conforme obtidos pelo filme.
Concentração hidróxido de bário / mol dm-3 1,23 x 10-1
Volume da base / mL 18,00
Quantidade de base / mol 2,20 x 10-2
Volume do ácido / mL 2,00
Quantidade de ácido / mol 2,20 x 10-2
Concentração do ácido / mol dm-3 1,107 *
*obtidos pelos cálculos.