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Reações foram substituídas pelas                que constam no CA, pg. 39.       tante ter claro que, à medida que novos f...
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2010 volume1 cadernodoaluno_quimica_ensinomedio_3aserie_gabarito (1)

  1. 1. Caro Professor,Em 2009 os Cadernos do Aluno foram editados e distribuídos a todos os estudantes darede estadual de ensino. Eles serviram de apoio ao trabalho dos professores ao longo detodo o ano e foram usados, testados, analisados e revisados para a nova edição a partirde 2010.As alterações foram apontadas pelos autores, que analisaram novamente o material, porleitores especializados nas disciplinas e, sobretudo, pelos próprios professores, quepostaram suas sugestões e contribuíram para o aperfeiçoamento dos Cadernos. Notetambém que alguns dados foram atualizados em função do lançamento de publicaçõesmais recentes.Quando você receber a nova edição do Caderno do Aluno, veja o que mudou e analiseas diferenças, para estar sempre bem preparado para suas aulas.Na primeira parte deste documento, você encontra as respostas das atividades propostasno Caderno do Aluno. Como os Cadernos do Professor não serão editados em 2010,utilize as informações e os ajustes que estão na segunda parte deste documento.Bom trabalho!Equipe São Paulo faz escola. 1
  2. 2. GABARITO Caderno do Aluno de Química – 3ª série – Volume 1Respostas às questões Professor, as respostas às questões que exigem sínteses, pesquisas, avaliações ou ponderações são indicações do que pode ser esperado das reflexões dos alunos. De maneira nenhuma são “gabaritos” para ser seguidos em eventuais correções de tarefas ou discussões em sala de aula. Deve-se chamar atenção para o fato de se ter procurado utilizar a linguagem que envolve termos científicos de maneira adequada, o que, certamente, não corresponde ao modo como os alunos se expressam. Muitas vezes, eles expressam ideias pertinentes, porém sem a devida apropriação da terminologia química. Bom trabalho! 2
  3. 3. SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 1 A ATMOSFERA PODE SER CONSIDERADA UMA FONTE DE MATERIAIS ÚTEIS PARA O SER HUMANO?Página 41. Temperatura de ebulição é aquela em que a substância “ferve” ao passar do estado líquido para o gasoso. Observação: como não foi estudada a pressão de vapor, não se espera que os alunos definam temperatura de ebulição como aquela em que a pressão parcial da substância se iguala à pressão externa. Essa questão busca permitir que os alunos se lembrem das evidências macroscópicas do processo de ebulição.2. O valor numérico da TE e da TL de uma dada substância em determinadas condições de temperatura e de pressão é o mesmo. Costuma-se usar o termo temperatura de ebulição (TE) quando se está fazendo referência à mudança de estado de uma substância do líquido para o gasoso. Já ao se descrever a mudança de estado do gasoso para o líquido, costuma-se usar o termo temperatura de liquefação (TL). Observação: Esta questão busca mostrar para os alunos que, apesar do valor numérico de TE e TL ser o mesmo para uma mesma substância nas mesmas condições, ao se usar TE ou TL estão sendo fornecidas mais informações sobre o processo a que se está fazendo referência do que somente fornecendo um dado numérico.3. A –200 oC, o nitrogênio encontra-se no estado líquido.4. A –190 oC, o criptônio, o xenônio e o argônio encontram-se no estado sólido; o oxigênio, no estado líquido; e o nitrogênio, o hidrogênio, o hélio e o neônio, no estado gasoso. Observação: Muitos alunos têm apresentado dificuldades para entender que, quanto mais negativa for uma temperatura de ebulição de um líquido, maior será o seu valor numérico e menos calor será necessário para que passe do estado líquido para o gasoso. Uma sugestão para facilitar o entendimento dos alunos seria a construção de um diagrama que inter-relacione as temperaturas de ebulição de diferentes 3
  4. 4. substâncias. O 0 oC deve aparecer. Esta questão busca dar oportunidade aos alunos para que desenvolvam ou exercitem a habilidade de organizar e relacionar dados e informações apresentados em tabelas e também a de organizar conhecimentos a fim de compreender o processo industrial utilizado na separação dos gases presentes no ar atmosférico, assim como algumas dificuldades envolvidas nesse processo. A construção de uma tabela de conversão entre oC e K pode facilitar o entendimento, pois na escala Kelvin as temperaturas são sempre positivas. Por outro lado, o uso dessa escala nem sempre permite aos alunos que compreendam, quase no nível sensitivo, quão “frio” é 0 K (–273 oC). Espera-se também que os alunos consigam aplicar os conceitos de temperaturas de fusão e de ebulição (a pressões definidas) para predizerem o estado físico em que uma substância se encontra.Página 4 - 65. É possível que o gás hélio não seja obtido a partir da destilação fracionada do ar atmosférico pelo fato do processo não ser economicamente viável, dada sua baixa concentração na mistura gasosa e sua baixa temperatura de ebulição (–269 oC). Os alunos provavelmente não saberão, mas neste momento pode lhes ser informado que o resfriamento do ar atmosférico (para que seja liquefeito) ocorre por meio de sua expansão: a mistura de gases é inicialmente comprimida e expandida. Ao ser expandidos, os gases liberam calor para o meio, resfriando-se. Esse efeito é chamado “efeito Joule-Thomson”. A dificuldade de separação do hélio por meio da destilação fracionada está no fato de que esse gás, quando comprimido, somente sofre o efeito Joule-Thomson de resfriamento a temperaturas inferiores a –267 oC. O hélio apresenta dois estados líquidos diferentes: o hélio I, que se comporta como um líquido normal, e o hélio II, que se comporta como um superfluido. Para que o hélio se solidifique, não basta baixar a temperatura. É necessário também que seja aumentada a pressão. Mais informações podem ser encontradas no livro Química inorgânica não tão concisa, de J. D. Lee, disponível na biblioteca do professor. 4
  5. 5. 6. O nitrogênio líquido deve ser obtido na região superior da coluna de destilação porque sua temperatura de ebulição é mais baixa do que a temperatura de ebulição do oxigênio. Os alunos deverão relacionar temperaturas de ebulição fornecidas em tabelas com as diferentes temperaturas em uma torre de destilação fracionada para compreenderem o processo de obtenção de gases industriais. O professor poderá retomar a importância da destilação fracionada como processo de separação ao estudar a separação das frações do petróleo, no volume 3.Página 6 A discussão e a construção de uma síntese – utilizando ou não a tabela como formade apresentação – devem ser realizadas usando-se as informações trazidas pelos alunospara a sala de aula. É interessante que todas as informações colhidas pelos alunos sejamdiscutidas e que eles anotem em seus cadernos detalhes que acharem interessantes. Estaatividade tem por objetivo permitir a eles que aprendam a buscar informações e areconhecer a importância da atmosfera como fonte de materiais úteis aos sereshumanos. Algumas informações que podem ser trazidas para a sala de aula sobre a obtenção eos usos de alguns gases obtidos a partir do ar atmosférico: Os gases oxigênio, nitrogênio, argônio, neônio, criptônio e xenônio são obtidosprincipalmente pela destilação fracionada do ar. Alguns usos do gás oxigênio: na siderurgia, em soldas e cortes metálicos; comocomburente para foguetes; para respiração (misturado com gás hélio) em mergulhos outrabalhos em minas profundas; usos médicos (para auxiliar a respiração, em aparelhosde respiração artificial, em terapias hiperbáricas); no tratamento de efluentes (esgotos),entre outros. Alguns usos do gás nitrogênio: como matéria-prima para a síntese da amônia e doácido nítrico; para a manutenção de atmosferas inertes (empacotamento demedicamentos, comercialização de flores, conservação de alimentos, indústria do aço); 5
  6. 6. como agente criogênico (congelamento de carnes, manutenção de materiais biológicoscomo sêmen e sangue). Alguns usos do gás argônio: na produção de metais como zircônio e titânio;soldagem de metais; em iluminação. Os gases neônio, criptônio e xenônio são bastante usados em iluminação. Também podem ser pesquisadas e discutidas as utilizações do gás hélio. É, contudo,interessante que seja frisado que o gás hélio comercializado não é extraído do aratmosférico, e sim de jazidas de gases naturais, dado que esses gases chegam aapresentar até 7% de hélio. Alguns usos do gás hélio: • permitir a ascensão de balões e dirigíveis; • como constituinte de atmosferas sintéticas, misturado com oxigênio e nitrogênio (trimix), usadas em mergulhos profundos e em trabalhos em minas profundas; é vantajoso o uso do hélio por ser menos solúvel no sangue do que o nitrogênio, o que diminui o tempo necessário para a descompressão; • na pressurização de tanques de naves espaciais; • como atmosfera protetora na fabricação de titânio e zircônio; • em pesquisas sobre a supercondutividade; • como gás transportador inerte em cromatografia gasosa. Mais informações sobre aplicações de gases podem ser encontradas em Químicainorgânica não tão concisa, de J. D. Lee, disponível na biblioteca do professor.Página 71. As moléculas de nitrogênio, oxigênio e de hidrogênio são apolares porque são formadas por dois átomos que apresentam a mesma eletronegatividade; os núcleos de ambos atraem os elétrons dos átomos vizinhos com a mesma força elétrica. Dessa maneira, as nuvens eletrônicas estão igualmente distribuídas ao redor dos dois 6
  7. 7. núcleos e, consequentemente, as moléculas não apresentam momentos de dipolo permanente.2. As moléculas do gás oxigênio apresentam uma nuvem eletrônica maior do que a das moléculas do gás hidrogênio, sendo, portanto, mais deformáveis. Quanto mais deformável for a nuvem eletrônica, maior será sua polarizabilidade. Por isso, os momentos de dipolo induzido que nelas aparecem são mais intensos e as atrações intermoleculares são maiores, sendo, portanto, necessária uma maior energia para separar essas moléculas umas das outras. Por esses motivos, a temperatura de ebulição do oxigênio é maior do que a temperatura de ebulição do hidrogênio. Espera-se que, nesta pesquisa, os alunos apliquem conhecimentos estudados na 2a série sobre interações interpartículas para entenderem as diferentes temperaturas de ebulição de diferentes substâncias. Com isso, espera-se que valorizem a importância de saber explicar as diferentes propriedades no nível microscópico para que se possa entender processos de obtenção de materiais e, até mesmo, eventualmente, para sugerir outros processos. 7
  8. 8. SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 2 ESTUDO DA SÍNTESE E DA PRODUÇÃO INDUSTRIAL DA AMÔNIA A PARTIR DOS GASES NITROGÊNIO E HIDROGÊNIOPáginas 9 - 101. 200 mol2. Não. Formou-se uma quantidade menor do que a estequiometricamente prevista.3. Estão presentes os gases hidrogênio, nitrogênio e amônia. Neste primeiro momento, os alunos deverão ser capazes de analisar dados apresentados em tabela referentes à síntese da amônia e, ao compararem o rendimento obtido com o previsto pela estequiometria da transformação, deverão concluir que a reação de síntese da amônia aparentemente não se completa, entrando em um estado de equilíbrio químico, em que produtos e reagentes coexistem indefinidamente no meio reacional.Página 111. Não, pois para que uma transformação química seja considerada de equilíbrio químico, não há a formação da quantidade de produtos prevista pela estequiometria. Após certo tempo, a transformação parece parar de ocorrer. Nesse momento, reagentes se transformam em produtos e produtos se transformam em reagentes com a mesma rapidez. No caso da combustão do álcool etílico, conforme descrito no enunciado, a previsão teórica da quantidade de produtos formada se confirma na prática.2. A reação de formação do tetróxido de dinitrogênio (N2O4) entra em equilíbrio químico, pois o rendimento obtido é menor do que o esperado pela previsão teórica. No sistema coexistem os gases dióxido de nitrogênio NO2(g) e tetróxido de dinitrogênio (N2O4), que se interconvertem com a mesma rapidez. 8
  9. 9. Nesta tarefa, espera-se que os alunos estendam o entendimento do estado de equilíbrio químico a outros sistemas além do da síntese da amônia.Páginas 12 - 141. De acordo com a tabela, a 400 oC e 500 atm, obtém-se a maior quantidade possível de amônia.2. Aumentaria a pressão.3. “Ao se aumentar a pressão, aumenta-se o rendimento da reação de síntese da amônia.”4. A 500 atm e 400 oC, o rendimento da síntese da amônia é de 60,6%. À mesma pressão e a 600 oC, o rendimento é de 20,8%.5. “Ao se aumentar a temperatura, diminui-se o rendimento da reação de síntese da amônia.”6. Como a amônia é sintetizada a altas temperaturas e pressões, os custos operacionais são muito altos, pois há grande gasto de energia. Quanto maior for o tempo desprendido na produção, maiores serão os gastos. O aumento da temperatura diminui o tempo para que a reação de síntese da amônia entre em equilíbrio, porém a extensão alcançada diminui. O aumento da pressão aumenta o rendimento, porém os custos operacionais para que ocorra a compressão dos gases são altos. É importante que se saiba escolher e controlar as condições de pressão e de temperatura na produção da amônia para que os gastos de sua produção sejam os menores possíveis, levando-se em conta as condições tecnológicas disponíveis.Páginas 14 - 151. No frasco deve haver os gases nitrogênio, hidrogênio e amônia, pois, como a síntese da amônia é uma transformação que atinge um estado de equilíbrio químico, ela se processa até certa extensão; portanto, ainda restam reagentes, ou seja, coexistem reagentes e produtos. 9
  10. 10. 2. No frasco continuam presentes os gases nitrogênio, hidrogênio e amônia, pois se trata de uma transformação que alcança um estado de equilíbrio químico. Mudando- se as condições de temperatura e de pressão, a extensão muda e as proporções entre as quantidades dos gases se modificam, porém os três gases continuam a coexistir.3. Como a temperatura foi aumentada e a pressão foi mantida constante, a quantidade de amônia no equilíbrio deve ter diminuído.4. A quantidade de gás amônia deve ter aumentado, pois a temperatura diminuiu. A quantidade de gás amônia deve ser igual à quantidade obtida inicialmente pelo químico (antes de ter aumentado a temperatura para 450 oC). Observação: As questões de 1 a 6 para análise do texto, assim como a Lição de casa, solicitam aos alunos que observem, analisem e relacionem dados experimentais apresentados em tabelas com o intuito de ampliar a ideia que já possuem sobre o estado de equilíbrio químico e de compreender que mudanças nas condições de pressão e de temperatura de um sistema gasoso em equilíbrio químico afetam as quantidades de espécies nele presentes. A questão 6, especificamente, permite aos alunos perceberem a importância dese conhecer os fatores que podem influenciar na velocidade e na extensão com que umatransformação química acontece, principalmente em se tratando de processosindustriais. 10
  11. 11. SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 3 É POSSÍVEL ALTERAR A RAPIDEZ COM QUE UMA TRANSFORMAÇÃO QUÍMICA OCORRE?Páginas 20 - 23 Parte I Espera-se que, nesta resposta, o aluno explicite o efeito que ele acredita que atemperatura exerce sobre a rapidez das reações. Ele poderá responder que o aumento datemperatura aumenta a rapidez, diminui a rapidez ou até mesmo que não tem efeitonenhum. O importante é que ele registre suas ideias iniciais para, ao final doexperimento, poder discuti-las com seus colegas, compará-las e verificar se sãocoerentes com os resultados experimentais obtidos. A discussão de todas as respostasiniciais, corretas ou não, permite aos alunos confrontar suas ideias, tirar dúvidas,reconstruir conceitos e aplicá-los à situação-problema.1. Com água quente, as bolhas aparecem em menos tempo e a transformação termina mais rapidamente.2. Quanto menor o tempo da transformação, maior a sua rapidez.3. Sim. A transformação feita a uma temperatura maior foi mais rápida; portanto, a temperatura influencia na rapidez da transformação estudada.4. O aluno deverá comparar os resultados do experimento com suas previsões, verificando se estão coerentes ou não. Caso não estejam, deve-se discutir as discrepâncias. Parte II Espera-se que, nesta resposta, o aluno explicite o efeito que ele acredita que asuperfície de contato exerce sobre a rapidez das reações. Ele poderá responder que oaumento da superfície de contato aumenta a rapidez, diminui a rapidez ou até mesmoque não tem efeito nenhum. O importante é que ele registre suas ideias iniciais para, aofinal do experimento, poder discuti-las com seus colegas, compará-las e verificar se são 11
  12. 12. coerentes com os resultados experimentais obtidos. A discussão de todas as respostasiniciais, corretas ou não, permite aos alunos confrontar suas ideias, tirar dúvidas,reconstruir conceitos e aplicá-los à situação-problema.1. Houve maior superfície de contato na situação em que o comprimido estava triturado. Pelo fato de estar triturado, partes que se encontravam em seu interior antes de ser triturado entram em contato com a água assim que são adicionadas a ela. Por esse motivo, diz-se que a superfície de contato entre a água e o comprimido triturado é maior do que a superfície de contato entre a água e o comprimido inteiro.2. Quando o comprimido está triturado, as bolhas aparecem em menos tempo e a transformação termina mais rapidamente.3. Sim. Observa-se que, quanto maior a superfície de contato, maior será a rapidez da transformação.4. O aluno deverá comparar os resultados do experimento com suas previsões, verificando se estão coerentes ou não. Caso não estejam, deve-se discutir as discrepâncias.Experimento 2 – Estudando a rapidez da transformação químicaenvolvendo hidrogenocarbonato de sódio e vinagrePáginas 23 - 25 Espera-se que, nesta resposta, novamente, o aluno reflita sobre o efeito que eleacredita que a concentração de um dos reagentes tem sobre a rapidez das reações. Elepoderá responder que o aumento da concentração aumenta a rapidez, diminui a rapidezou até mesmo que não tem efeito nenhum. O importante é que ele registre suas ideiasiniciais para poder discuti-las com seus colegas, compará-las e verificar se sãoconsistentes com os resultados experimentais obtidos. A discussão de todas as respostasiniciais, corretas ou não, permite aos alunos confrontar suas ideias, tirar dúvidas,reconstruir conceitos e aplicá-los à situação-problema.1. Diferentes. Como o volume de água era o mesmo nos dois copos, naquele em que foram colocadas quatro colheres de vinagre a concentração é maior.2. Quando a concentração de ácido é maior, a transformação é mais rápida. 12
  13. 13. 3. O aluno deverá comparar os resultados do experimento com suas previsões, verificando se estão coerentes ou não. Caso não estejam, deve-se discutir as discrepâncias.4. Adicionando água à solução, a concentração iria diminuir; por esse motivo, a rapidez da transformação deve diminuir. Se a quantidade de água adicionada for suficiente para dobrar o volume, a concentração cairá pela metade e ficará igual à do copo 1.5. Não, pois estaríamos modificando duas variáveis ao mesmo tempo e não daria para saber se as mudanças observadas seriam decorrentes da variação da temperatura ou da variação da superfície de contato.6. Não, pois novamente estaríamos alterando duas variáveis ao mesmo tempo e não daria para saber se as mudanças observadas seriam decorrentes da variação da concentração ou da temperatura.Desafio!Página 26 Para analisar a influência da concentração de cada reagente, é necessário observar natabela que a concentração de um dos reagentes analisados muda e a do outro é mantidaconstante. Sendo assim, temos:• Nos experimentos 1, 2 e 3, a concentração do tiossulfato muda (cai pela metade) e a concentração do ácido permanece a mesma. Quando a concentração do tiossulfato é reduzida pela metade, o tempo de transformação aumenta. Pode-se, então, concluir que um aumento na concentração do tiossulfato acarreta um aumento na rapidez da transformação.• Nos experimentos 4 e 5, a concentração de ácido muda (diminui três vezes) e a concentração do tiossulfato permanece a mesma. Quando a concentração do ácido é reduzida, o tempo de transformação permanece praticamente inalterado. Pode-se, então, concluir que a variação na concentração do ácido não afeta a rapidez da transformação.• No experimento com o vinagre, verifica-se que o aumento da concentração de vinagre aumenta a rapidez da transformação. No entanto, isso não é uma regra que vale sempre. Existem transformações em que a variação da concentração de um ou 13
  14. 14. mais reagentes não causa mudança na rapidez. Por isso, a importância de discutir este exercício com os alunos.Páginas 27 - 291. Catalisador é uma substância que aumenta a rapidez de uma transformação química e é regenerado no final da transformação. Aqui é importante não exigir que o aluno defina catalisador exatamente desse modo, mas que ele explique com suas palavras o que é catalisador.2. O uso de catalisadores é importante nos processos industriais, como na síntese da amônia e na hidrogenação de óleos; na transformação do CO(g) em CO2(g) em escapamentos de automóveis; na etapa da coagulação do leite durante a fabricação de queijos etc. Nesta resposta poderão aparecer outras aplicações de catalisadores. É importante verificar se elas são condizentes com o seu significado. Inúmeros processos industriais utilizam catalisadores.3. Foram mantidos constantes a massa dos metais, o volume da solução de ácido clorídrico e a concentração de ácido clorídrico. O que variou foi o metal usado: em um experimento usou-se zinco e, em outro, cobre.4. Sim. Percebe-se a ocorrência de uma transformação química quando há interação do zinco com a solução de ácido clorídrico, mas não se percebe a ocorrência de transformação química quando há interação do cobre com a solução de ácido clorídrico.5. Foram mantidos constantes a massa de zinco, o volume e a concentração da solução de ácido clorídrico. O que variou foi a presença de cobre: no primeiro experimento não havia cobre e, no segundo, esse metal estava presente.6. Sim. No primeiro experimento o tempo gasto para a formação de 30 cm3 de gás hidrogênio foi bem maior do que no segundo experimento, em que o cobre estava presente.7. Para mostrar que o metal zinco reage com a solução de ácido clorídrico em um tempo mensurável e que o metal cobre, nesse tempo, não reage. Se o cobre reagisse, não poderia ser usado como catalisador. 14
  15. 15. 8. O cobre agiu como catalisador. Pode-se chegar a essa conclusão observando-se que o tempo gasto para a obtenção de um mesmo volume de H2(g) foi menor no experimento que continha cobre.Páginas 29 - 30 Nesta pesquisa, espera-se que os alunos busquem informações para ampliar seusconhecimentos sobre catalisadores automotivos. No texto estudado em sala de aula jáexistem algumas informações sobre esses catalisadores, mas, com a pesquisa, eles vãopoder encontrar várias outras, como, por exemplo:• Além da platina e do paládio também pode-se usar outros metais, como ródio e molibdênio.• O conversor catalítico dos automóveis, em geral, tem estrutura em forma de colmeia para aumentar a superfície de contato entre os gases e o catalisador.• O conversor catalítico dos automóveis é chamado de “três vias”, pois transforma monóxido de carbono, hidrocarbonetos voláteis e óxidos de nitrogênio em substâncias como gás nitrogênio e gás carbônico. Aqui, é interessante discutir que, apesar do gás carbônico ser menos nocivo do que o monóxido de carbono, ele é considerado poluente por ser um dos gases responsáveis pelo efeito estufa.• O catalisador não elimina totalmente os gases poluentes emitidos pelos automóveis porque parte dos gases tóxicos não é convertida e também porque o automóvel continua emitindo gás carbônico, que causa o efeito estufa.• Recentemente, alguns cientistas publicaram que provavelmente o mecanismo de atuação dos catalisadores de automóveis é diferente do que se imaginava e que eles são mais eficientes do que se pensava. 15
  16. 16. Página 311. a) Porque na geladeira a temperatura é menor; portanto, as transformações químicas que levam à deterioração dos alimentos ocorrem de maneira mais lenta. b) 500 g de carne moída vão estragar mais rapidamente, pois, nesse caso, existe uma superfície de contato maior entre a carne e as substâncias ou os microrganismos presentes no ambiente, o que aumenta a rapidez com que as transformações químicas que levam à deterioração se processam.2. Pode-se colocar mais vinagre no prato sem mudar o volume de água. Dessa maneira, haverá um aumento da concentração do vinagre, o que pode levar a um aumento na rapidez de transformação. Pode-se também usar água quente, pois o aumento da temperatura aumenta a velocidade das reações.Páginas 32 - 33 As respostas obtidas nas entrevistas podem ser organizadas de forma a mostrar quaisas porcentagens das pessoas entrevistadas que consideram ou não importante observaros prazos de validade e as condições de armazenamento de alimentos. Podem tambémser destacadas as respostas que contenham conhecimentos sobre os fatores que afetam avelocidade de degradação dos alimentos, tais como temperatura ou superfície de contatocom o ar. Na resposta da questão proposta ao final da pesquisa, pretende-se que o aluno discutaque é importante verificar os prazos de validade dos alimentos, mas que esses prazos sóvalem se forem seguidas as recomendações de armazenamento. Por exemplo, quandoum produto com prazo de validade de seis meses se conservado em congelador(T  -18 oC) for armazenado em geladeira (T = - 4 oC), seu prazo de validade diminui,pois, como foi discutido anteriormente, o aumento da temperatura acelera a rapidez dastransformações químicas. 16
  17. 17. SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4 COMO UTILIZAR MODELOS MICROSCÓPICOS PARA EXPLICAR AS DIFERENÇAS NA RAPIDEZ DAS TRANSFORMAÇÕES?Atividade 1 – Exercícios em sala de aulaPáginas 34 - 351. Para que ocorra a quebra de ligações nos reagentes e a formação de novas ligações para dar origem ao produto, é necessário que a colisão ocorra com uma energia suficiente para quebrar ligações nos reagentes e também com uma orientação adequada.2. Quando a temperatura é aumentada, a rapidez com que as partículas se movimentam e suas energias vibracionais também aumentam, o que ocasiona um acréscimo na probabilidade de ocorrência de colisões interpartículas com energia suficiente e orientação adequada para que ocorra a transformação química.3. Quando aumenta a concentração do reagente, aumenta a probabilidade das partículas se chocarem. Se ocorrer mais choques, a rapidez da transformação pode aumentar, porque há mais chances de ocorrerem colisões efetivas.4. Quando aumenta a superfície de contato, mais moléculas “ficam expostas”, aumentando a probabilidade da ocorrência de colisões. Quanto maior o número de colisões, maior a probabilidade de colisões efetivas, o que aumenta a rapidez da transformação química.Páginas 35 - 401. Deve ter energia suficiente e orientação adequada.2. É a energia mínima necessária para que a transformação ocorra.3. A transformação que tem a menor energia de ativação (Ea2) será mais rápida, pois, como a energia mínima necessária para que a reação ocorra é menor, mais choques efetivos podem ocorrer justamente por haver esse tanto de energia mínima. 17
  18. 18. 4. O catalisador funciona mudando o “caminho percorrido pela reação”. Nesse novo “caminho”, são necessárias energias de ativação mais baixas do que a energia de ativação da etapa lenta da reação sem a adição do catalisador. Dessa forma, a transformação é mais rápida. Uma ideia indesejável que pode ser associada à expressão “caminho percorrido pela reação” é a de que as substâncias, ao reagirem, vão se deslocando em certa direção. Alguns alunos chegam a acreditar que as substâncias se deslocam da esquerda para a direita, talvez influenciados pela maneira como as equações químicas são escritas: reagentes → produtos. É recomendável tomar cuidado para que essa ideia não seja formada, além da ideia das etapas ser reforçada.Páginas 40 - 411. Alternativa e.2. Alternativa d.3. Observa-se na tabela que as quantidades de ácido, tiossulfato e água foram colocadas totalizando um volume de 10 mL. Desse modo, pode-se perceber que a concentração de ácido se mantém constante, enquanto a concentração de tiossulfato varia. Observa-se que, quando a concentração de tiossulfato aumenta, ocorre uma diminuição no tempo de transformação, o que nos leva a concluir que, quanto maior a concentração desse reagente, maior a rapidez da reação. Uma reação mais rápida significa que o produto (enxofre, no caso) leva menos tempo para aparecer. Na segunda tabela, todas as concentrações foram mantidas constantes e variou-se a temperatura. Percebe-se que as concentrações são iguais às do último experimento da primeira tabela. Na segunda tabela, o tempo que mais se aproxima do obtido para essas concentrações é o que corresponde ao experimento feito à temperatura de 30 ºC. 18
  19. 19. Páginas 42 - 451. Nitrogênio: preservação de alimentos, medicamentos, sêmen e sangue; matéria-prima na produção da amônia e do ácido nítrico; manutenção de atmosferas inertes. Oxigênio: soldas e cortes metálicos; obtenção do gás hidrogênio do metano por reforma catalítica; produção do acetileno; tratamento de esgoto; terapias hiperbáricas. Hélio: balões e dirigíveis; mistura com oxigênio para uso em mergulhos e trabalhos em minas profundas; pesquisas sobre supercondutividade.2. a) É esperado um rendimento em torno de 35,9% de amônia. b) Para que o rendimento fosse o maior possível, faria a síntese em temperaturas próximas a 400 oC. c) Podem ser encontrados os gases nitrogênio, hidrogênio e amônia, pois, como o sistema está em equilíbrio químico, há coexistência entre reagentes e produtos. Como a porcentagem de amônia formada é de 8,8, esta se encontrará em menor proporção em relação aos gases nitrogênio e hidrogênio.3. Porque a mastigação diminui o estado de agregação dos alimentos, aumentando a superfície de contato entre eles e as substâncias químicas que farão parte do processo de digestão.4. Na experiência III, pois utiliza a maior temperatura, possui maior superfície de contato entre o magnésio e o ácido clorídrico e maior concentração da solução de ácido clorídrico.5. Alternativa a. Pois, observando as etapas da transformação, percebe-se que o iodeto (I-) atua como catalisador, já que ele participa da reação, mas é regenerado no final do processo.6. Alternativa a. Pois, nas soluções aquosas a possibilidade de colisões é muito maior. É importante lembrar que no estado sólido a mobilidade das partículas é praticamente nula e se os dois reagentes estiverem sólidos a probabilidade de ocorrerem colisões efetivas é muito baixa. 19
  20. 20. AJUSTES Caderno do Professor de Química – 3ª série – Volume 1 Professor, a seguir você poderá conferir alguns ajustes. Eles estão sinalizados a cadapágina. 20
  21. 21. Química – 3a série, 1o bimestre Texto e questões Nessas máscaras, o ar atmosférico é misturado O ar atmosférico, o ar que nos rodeia, por ser com gás oxigênio puro. O resultado é um ar mais transparente e muitas vezes inodoro, é tomado rico em oxigênio, o que facilita a respiração dos como um nada, como um espaço vazio. Mesmo doentes. Poucos sabem como esse oxigênio puro quando sopra um vento, quando se ouvem notícias é obtido pelas empresas que o comercializam. de furacões, quando as previsões do tempo apre- sentam falas como “Uma massa de ar fria vinda Nas aulas de Ciências, aprendemos que o ar do litoral deverá atingir a costa...”, não pensamos atmosférico é composto principalmente pelos no ar como matéria, como uma mistura de gases. gases nitrogênio e oxigênio. A tabela a seguir apresenta dados sobre a composição média do Em hospitais são usadas máscaras de oxigê- ar seco e as temperaturas de ebulição dos com- nio por pacientes com dificuldades respiratórias. ponentes do ar à pressão de 1 atm. Composição do ar atmosférico seco e propriedades de seus constituintes à pressão de 1 atm Componente Volume (%) Temperatura de ebulição (oC) Temperatura de fusão (oC) Nitrogênio 78,08 -196 -210 Oxigênio 20,95 -183 -219 Argônio 0,934 -186 -189 Neônio 0,001818 -246 -249 Hélio 0,0005239 -269 -272* Hidrogênio 0,00005 -253 -259 Xenônio 0,0000086 -107 -112 Criptônio 0,0001139 -153 -157* A temperatura de fusão do hélio é determinada a 26 atm.Extraído de: GEPEQ. Interações e transformações III: a química e a sobrevivência: atmosfera, fonte de materiais. São Paulo:Edusp, 2000, p. 54.ff O que é temperatura de ebulição? expressão “temperatura de ebulição” e, às ve- zes, usarmos “temperatura de liquefação”.ff Para uma mesma substância nas mesmas con- dições de temperatura e de pressão, o valor da ff A temperatura de ebulição do nitrogênio, de temperatura de ebulição é igual ao valor da acordo com a tabela acima, é de -196 oC. temperatura de liquefação, ou seja, a TE = A -200 oC, o nitrogênio encontra-se em TF. Explique a razão de, às vezes, usarmos a que estado físico? 13
  22. 22. Química – 3a série, 1o bimestre Esquema de uma Sugestão para o aprofundamento coluna de fracionamento do estudo relacionando forças interpartículas e ponto de ebulição: Neste estudo, serão retomadas e aprofunda- das as relações entre as forças interpartículas e a estrutura da matéria para explicar as tempe- raturas de ebulição (2a série, 2o e 3o bimestres). Detalhe Retome algumas informações importantes: do prato que o gás argônio é monoatômico; que os ga- ses nitrogênio e oxigênio são diatômicos; que, no estado gasoso, as partículas estão afasta- das umas das outras e não apresentam inte- rações; e que no estado líquido há interações entre as partículas. A aula poderá ser encaminhada com per- guntas como: “As moléculas de nitrogênio, de oxigênio e de hidrogênio são polares ou apo- lares? Pode haver forças elétricas agindo entre essas partículas (entenda-se por partículas as moléculas e o átomo de argônio)? Vocês lem- bram qual a diferença entre o estado líquido e o gasoso? Então, como explicar que a mistu-Extraído de: GEPEQ. Interações e transformações III: aquímica e a sobrevivência: atmosfera, fonte de materiais. ra acima pode ser liquefeita? Vocês se lembramSão Paulo: Edusp, 2000, p. 54. do que são forças de London? O que é um di- polo instantâneo? Como pode aparecer? Vocês acham que eletrosferas grandes, com muitos elé- trons, são mais ou menos deformáveis que ele- O ar atmosférico é considerado fonte de trosferas pequenas, com poucos elétrons? Qual materiais úteis ao ser humano. Segundo o o número atômico do nitrogênio, do oxigênio, texto, quais seriam esses materiais? Como são do hidrogênio e do argônio? O que precisa acon- úteis ao ser humano? Essa pergunta será res- tecer para que a mistura líquida de ar atmosféri- pondida em parte por meio da pesquisa que co passe para o estado gasoso?”. Olhem a tabela será feita a seguir. apresentada no texto da página 13 – “Composi- ção do ar atmosférico seco e propriedades de 15
  23. 23. Química – 3a série, 1o bimestre As informações pesquisadas serão apre- teriais de outras fontes para que a consultasentadas na aula seguinte, ou na mesma, caso seja possível. A socialização das informaçõesse opte por uma pesquisa rápida em sala. pode ser feita mediante o preenchimento deNesse caso, você deve levar para a sala livros, uma tabela na lousa, conforme a sugestão arevistas e artigos de jornal, bem como ma- seguir. Métodos Gás de obtenção Usos industrial Oxigênio (O2) Nitrogênio (N2) Argônio (Ar) Neônio (Ne), criptônio (Kr) e xenônio (Xe)Grade de avaliação da Situação de frações cada vez mais ricas no componenteAprendizagem 1 mais volátil e que os gases assim obtidos são mais puros ou menos puros, dependendo do Após a realização desta Situação de Apren- dimensionamento das torres de destilação.dizagem, espera-se que os alunos reconheçamo ar atmosférico como sendo formado por É desejável também que eles consigam ler euma mistura de gases. Não se deve esperar que extrair informações da tabela da composiçãotodos entendam como os gases são separados média das temperaturas de ebulição dos compo-nas torres de destilação. Basta que saibam que nentes do ar atmosférico. Os alunos costumama separação industrial dos gases a partir do apresentar muitas dificuldades em entender oar atmosférico é feita com base nas diferen- significado físico de valores negativos de tempe-ças de suas temperaturas de ebulição e que, raturas; muitos custam a entender que, quantoquando se destilam misturas de componentes maior o valor numérico (o valor em módulo),com temperaturas de ebulição muito próxi- mais baixa é a temperatura de ebulição e maismas, não se consegue uma boa separação, e volátil é o componente. Por esse motivo, sugeri-sim uma mistura de gases mais rica no compo- mos que, ao analisar a tabela, se forem notadasnente mais volátil. É interessante entender que dificuldades, que sejam propostas mais questõesdestilações sucessivas permitem a obtenção de de análise, mesmo que sejam repetitivas. 17
  24. 24. é aplicada a outras transformações quími- a) Você diria que essa reação atingiu um cas. Isso se dá por intermédio da questão 3, equilíbrio químico? Justifique. que analisa se a reação de queima de álcool etílico é um equilíbrio químico, e a seguir b) Quantos mols de A e de B coexistem pela questão 4, a qual pede que se reconheça com C e D? qual entre as duas transformações químicas – a queima do carvão ou a formação do te- Ao prosseguir com a discussão, podem-se tróxido de dinitrogênio – atingiu um estado retomar as conclusões anteriores, em que no es- de equilíbrio químico. tado de equilíbrio químico coexistem reagentes e produtos em quantidades constantes, mas não Caso você ache necessário, outras pergun- necessariamente iguais, e pode-se continuar a tas e exercícios podem ser propostos para que leitura do texto ou sua aula, destacando os pas- se reflita sobre o que foi estudado até aqui. sos de Haber para tentar achar uma maneira de Por exemplo: obter maior quantidade de amônia a partir da reação entre os gases hidrogênio e nitrogênio. ff Foram colocadas para reagir uma substân- cia A e uma substância B em um sistema Os pontos a ser considerados seriam: fechado. Após certo tempo, não se pode mais detectar a presença nem de A nem de ff Fritz Haber, cientista alemão (1868-1934), B, mas pode-se detectar a presença de uma verificou que, se a síntese fosse realizada a nova substância X. Considerando que, du- temperaturas baixas (cerca de 100 oC), essa rante todo o processo, a massa do sistema transformação seria muito lenta, porém for- se manteve constante, você diria que essa maria bastante amônia, ou seja, o rendimento transformação atingiu um equilíbrio quí- da reação seria alto. Porém, a transformação mico? Justifique. química é tão lenta que se tornaria inviável em termos de produção industrial. ff Num recipiente vazio, de capacidade de 1 litro, é introduzido 0,8 mol de um compos- ff Se a síntese fosse realizada a temperaturas to A e 0,8 mol de um composto B. Esses altas (cerca de 1 000 oC), essa transformação compostos reagem lentamente segundo a seria muito rápida. Entretanto, obter-se-ia equação: muito pouca amônia gasosa, ou seja, o ren- dimento da reação seria muito baixo. Nes- 1A + 1B 1C + 1D sas condições, a transformação também não seria viável em escala industrial. Após certo tempo, verifica-se que se for- mou 0,6 mol de C e 0,6 mol de D, e que essas ff Haber testou em laboratório diferentes quantidades se mantêm constantes. combinações de pressões e temperaturas,22
  25. 25. mundial e para produzir matéria-prima para que tentem explicar o significado da sigla NPK. os biocombustíveis, o que pode acarretar uma Serão encontrados diferentes sais de potássio, de alta no preço dos fertilizantes, a qual se refle- amônio e de fósforo, fundamentais para uma boa tiria no preço final dos alimentos. O Brasil é o fertilização dos solos. Como o foco do estudo são quarto país consumidor de fertilizantes, tendo o nitrogênio e a amônia, pode-se então destacar consumido em 2006 cerca de 7% da produção algumas substâncias nitrogenadas fabricadas a mundial, dos quais 74% representam impor- partir da amônia e presentes em fertilizantes, tais tações. Essa dependência econômica pode ser como a ureia (NH2)2 CO), o nitrato de amônio discutida, assim como o impacto de uma alta (NH4NO3), o sulfato de amônio ((NH4)2SO4), o nos preços de alimentos na qualidade de vida cloreto de amônio (NH4Cl), o fosfato de cálcio da população. e amônio (CaNH4PO4) e o nitrato de amônio e cálcio (CaNH4(NO3)3), entre outras. Seguem as Para que se conheçam quimicamente as subs- reações envolvidas na obtenção de duas delas: tâncias presentes nos fertilizantes, você pode tra- zer rótulos desses produtos e pedir aos alunos Obtenção do sulfato de amônio: 2NH3(g) + 2H+(aq) + SO4 (aq) 2– 2NH4 (aq) + SO4 (aq) + 2– 2NH+ (aq) + SO4 (aq) evaporação (NH4)2SO4(s) 4 2– Obtenção do fosfato de cálcio e amônio: 2NH3(g) + 2H+(aq) + PO4 (aq)  2NH4 (aq) + PO4 (aq) 3– + 3– NH+4 (aq) + Ca2+ (aq) + PO43– (aq) evaporação CaNH4 PO4(s) A amônia também é importante matéria-pri­ 4NH3(g) + 5O2 (g)  4NO(g) + 6H2O(g) ma na fabricação de plásticos, de barrilha – processo Solvay, que será estudado com detalhes 2NO(g) + O2(g)  2NO2(g) no próximo bimestre – e do ácido nítrico. 3NO2(g) + H2O(l)  2HNO3(aq) + NO(g) O ácido nítrico era inicialmente obtido a partir da reação do salitre do Chile com áci- O ácido nítrico é importante matéria-prima do sulfúrico. Atualmente, é obtido a partir da industrial. É usado diretamente na decapagem oxidação da amônia. As reações envolvidas de metais, na síntese de ácido sulfúrico, para encontram-se abaixo representadas: fazer gravações em metais, entre outras aplica-30
  26. 26. Para iniciar a atividade, pode-se solicitar água. Essa transformação pode ser assim re- que os alunos retomem as ideias discutidas presentada: na Situação de Aprendizagem 2. Isso pode ser feito com a seguinte questão: retome o texto HCO– (aq) + H+(aq)  H2O(l) + CO2(g) 3 lido na atividade anterior e aponte os fato- res que podem afetar a rapidez da síntese da É possível modificar a rapidez dessa trans- amônia. Pode também perguntar: “Será que formação química? Como isso poderia ser existem outros fatores que podem modificar a feito? Neste experimento, encontraremos res- rapidez de transformações químicas?”. postas para essas questões. Dando continuidade ao estudo, você poderá Parte I – Como a temperatura pode afetar propor experimentos que os levem a reconhecer e a rapidez de uma transformação química? a analisar como as variações da temperatura e do estado de agregação dos materiais podem afetar Antes de iniciar o experimento, reflita e a rapidez de uma transformação química. responda por escrito: Cópias dos procedimentos experimentais ff Um comprimido efervescente leva o mes- poderão ser distribuídas para grupos de três ou mo tempo para reagir completamente na quatro alunos. Nesse caso, os comprimidos efer- água quente e na água gelada? Justifique. vescentes podem ser cortados previamente em quatro partes, de forma a usar dois quartos na Agora, leia o procedimento a seguir com parte I e o restante na parte II. Se não se dispuser atenção e execute o que for pedido. de laboratório, pode-se fazer o experimento na sala de aula, pedindo o auxílio de alguns alunos. Materiais A água quente e a água gelada podem ser arma- ff 1 comprimido efervescente; zenadas em garrafas térmicas. É importante pe- dir o registro por escrito das respostas às questões ff 2 copos transparentes e incolores; propostas nos roteiros para posterior discussão. ff Água gelada; Experimento 1 – Estudando a rapidez da transformação química envolvendo ff Água quente. comprimido efervescente1 e água Procedimento Certos comprimidos antiácidos contêm ff Divida o comprimido efervescente em qua- hidrogenocarbonato de sódio2 e ácido cítri- tro partes iguais. Preserve duas partes para co, que reagem entre si quando colocados em a Parte II deste experimento. 1 O comprimido pode ser de sal de fruta ou vitamina C efervescente. 2 Em todas as ocorrências, onde se lê “bicarbonato de sódio” leia-se “hidrogenocarbonato de sódio”.34
  27. 27. Química – 3a série, 1o bimestreff Coloque água quente em um dos copos até Agora, leia o procedimento a seguir com metade de sua capacidade. atenção e execute o que for pedido. Materiaisff Faça o mesmo com a água gelada no outro copo. ff Duas partes do comprimido efervescente reservadas na parte I do experimento;ff Adicione, simultaneamente, um pedaço do comprimido em cada copo. Observe e res- ff Água à temperatura ambiente; ponda às questões a seguir em seu caderno. ff 2 copos transparentes e incolores; Questões ff Colher de sopa;1. Quais diferenças você observa na transfor- mação química estudada quando se utiliza ff Pires. água em diferentes temperaturas? Procedimento2. Qual é a relação que pode ser estabelecida entre o tempo de ocorrência de uma trans- ff Coloque água à temperatura ambiente nos formação química e sua rapidez? dois copos até a metade da sua capacidade.3. A variação da temperatura da água afetou ff Utilizando a colher, triture um dos pedaços a rapidez da reação estudada? Por quê? do comprimido efervescente sobre um pires.4. Suas previsões foram coerentes com os re- ff Adicione simultaneamente o pedaço do sultados? Se isso não ocorreu, explique as comprimido inteiro em um dos copos e o diferenças. pedaço triturado no outro. Observe e res- ponda às questões a seguir em seu caderno. Parte II – Como a superfície de contatopode afetar a rapidez de uma transformação Questõesquímica? 1. Em qual das situações houve maior superfí- Antes de iniciar o experimento, reflita e cie de contato entre os reagentes? Justifique.responda por escrito: 2. Quais diferenças você observa na transfor- Um comprimido efervescente triturado leva mação química estudada quando se utilizao mesmo tempo para reagir completamente que comprimido efervescente em diferentes es-um comprimido efervescente inteiro? Justifique. tados de agregação? 35
  28. 28. 2. Baseado nos tempos de transformação ob- Pode-se também perguntar o que aconte- servados, o que você conclui a respeito das ceria com a concentração da solução 2 se ela velocidades dessa transformação quando a recebesse adição de água de forma que seu concentração do ácido é alterada? volume dobrasse, e se isso modificaria a rapi- dez da reação. A discussão da resposta a ser 3. Suas previsões (respostas à questão 1) fo- dada para esta questão permitirá relembrar ram coerentes com os resultados? Se isso que, no processo de diluição, ocorre adição não ocorreu, tente explicar as diferenças. de solvente a uma solução, causando dimi- nuição na sua concentração. Nesse caso, a 4. Faça uma previsão do que aconteceria concentração cairá para a metade, pois o vo- com a concentração da solução no copo 2 lume da solução terá dobrado, o que causará se fosse adicionada água de forma que seu a diminuição na rapidez da reação. A reação volume dobrasse. A velocidade da reação no copo 2 acontecerá com a mesma rapidez seria modificada? Justifique. da do copo 1. Neste momento, podem ser realizadas a sín- A realização do Experimento 2 deve tese e a análise das observações feitas. Podem-se levá-los a compreender que a solução que colocar na lousa os resultados obtidos pelos dife- contém a maior quantidade de vinagre é a rentes grupos. Devem ser retomadas as previsões mais concentrada e que, nesse caso, maior feitas antes do experimento, podendo os alunos concentração da solução faz com que a rea- ser estimulados a explicar possíveis incoerências. ção ocorra em menor tempo; portanto, será Para ajudá-los, você pode perguntar em qual mais rápida. copo a transformação química se deu em menos tempo, e em seguida, perguntar se diriam que a Dessa forma, pode-se dizer que o au- rapidez da transformação química foi maior no mento da concentração dos reagentes pode copo 1 ou no 2. Deve-se chegar à conclusão de aumentar a rapidez das transformações que o desprendimento de gás carbônico foi mais químicas. É importante alertá-los que exis- rápido na reação que utilizou como reagente uma tem transformações químicas nas quais solução de vinagre de maior concentração. É in- mudanças na concentração de um ou mais teressante também ressaltar a ideia de que a con- reagentes podem não influir em sua rapi- centração da solução do copo 2 é o dobro da do dez. Como exemplo, pode ser citada a re- copo 1, pois contém o dobro da quantidade de ação entre os íons S2O3 e H+, descrita pela 2– soluto para uma mesma quantidade de solução. equação a seguir: S2O3 (aq) + 2H+(aq)  SO2(g) + H2O(l) + S(s) 2–38
  29. 29. Química – 3a série, 1o bimestre1. O que se manteve constante quando se A Tabela 2 apresenta as observações feitas comparam os experimentos 1 e 2? O que quando zinco (Zn) e ácido clorídrico (HCl – foi variado? 0,5 mol/L) são misturados na presença e na ausência de cobre. Foram feitas medidas do2. Foram observadas diferenças nos resulta- tempo necessário para a formação de 30 cm3 dos? Quais? do gás hidrogênio (H2). Tabela 2 - Observações para os sistemas Zn/HCl e Zn/HCl/Cu Tempo para liberar 30 Experimento Reagentes Observações cm3 de H2(s) 0,5 g de Zn + 10 cm3 de 3 315 _ HCl (0,5 mol/L) 0,5 g de Zn + 10 cm3 de HCl Massa de cobre não 4 144 (0,5 mol/L) + 0,5 g de Cu se altera1. O que se manteve constante quando se com- catalisador em uma transformação aumentará param os Experimentos 3 e 4? O que variou? a sua rapidez. Podem também ser dados outros exemplos da ação de catalisadores, como a que2. Foram observadas diferenças nos resulta- ocorre na decomposição da água oxigenada em dos? Quais? presença de sangue ou a da digestão de alimen- tos em presença de enzimas.3. O que se pode dizer sobre a ação do cobre na transformação? Para finalizar esta Situação de Apren- dizagem, pode ser proposta uma atividade Uma apresentação oral das respostas per- extraclasse na qual os alunos levantem os co-mite retomar a discussão sobre a importância nhecimentos da comunidade em que vivemdo controle de variáveis ao se planejar uma ati- sobre os fatores que podem afetar o processovidade experimental. A análise dos resultados de degradação dos alimentos. Um exemplo dedeve levar à conclusão de que a presença de um roteiro está apresentado a seguir: Sugestão de roteiro para a entrevista degradação dos alimentos e o que sabem sobre o as- sunto. Podem ser utilizadas as seguintes questões: Faça uma entrevista com seus familiares e ami- gos para avaliar que importância eles atribuem ao Você costuma observar as datas de validade conhecimento dos fatores que afetam a rapidez de quando compra um alimento? 41
  30. 30. ff Em qual dos casos a água não terá forma trando que, no sólido, a interação é a maior fixa, mas ocupará um espaço definido? e, no gasoso, é a menor. É comum apresen- tarem concepções a respeito de espaços va- ff Em qual dos casos a água não terá forma zios entre as partículas, que seriam sempre fixa e ocupará todo o espaço disponível? menores no estado sólido ou sempre maio- res no estado líquido. Imagine como estariam as moléculas de água em cada um dos béqueres e faça um de- Essas concepções podem levar a conclu- senho representando o seu comportamento sões incorretas, como no caso da água, que, nos três estados. no estado sólido, apresenta uma organização de moléculas que ocupa um volume maior do Podem-se colocar essas questões na lousa, que no estado líquido, embora a interação en- dividir os alunos em grupos de 4 ou 5 e pe- tre elas seja maior no estado sólido. dir que, após uma breve discussão, deem as respostas por escrito. Os desenhos podem ser Um exemplo de desenho que pode ser feito transcritos na lousa por eles. para orientar a discussão é apresentado a seguir: Em seguida, proponha uma discussão © Claudio Ripinskas/R2-Criações sobre as diferenças de comportamento das moléculas de água com a variação de tem- peratura do material. Para iniciá-la, é im- portante resgatar o que foi estudado sobre o comportamento das partículas e átomos que compõem os materiais nos estados sólido, lí- quido e gasoso. Dessa forma, deve-se chegar à conclusão de Devem ser apresentadas inicialmente as que a matéria é constituída de partículas que características macroscópicas que diferen- se movem incessantemente, com certa rapidez ciam os três estados: os sólidos têm forma a cada temperatura. O aumento na temperatu- e volume definidos, os líquidos só têm volu- ra significa aumento na rapidez de movimen- me definido e os gases não têm nem forma tação das partículas, aumentando sua energia nem volume definidos, assumindo a forma e cinética e diminuindo sua interação. o volume do recipiente que os contém. Em seguida, podem ser analisados os desenhos Para retomar a visão microscópica a respei- feitos por eles, e você deverá chamar a aten- to da ocorrência das transformações químicas, ção para as diferenças de interação entre as pode ser proposta a seguinte questão, a ser res- moléculas de água nos três estados, mos- pondida em pequenos grupos, por escrito:44
  31. 31. Química – 3a série, 1o bimestre Conforme estudado na Situação de Apren- animações encontradas na internet. Seguemdizagem 2, sabemos que o gás hidrogênio re- duas sugestões de animações disponíveis em:age com o gás nitrogênio formando amônia. <http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbo-Essa transformação está representada pela we/sections/projectfolder/animations/HCl(aq).equação abaixo: htm> e <http://www.chem.iastate.edu/group/ Greenbowe/sections/projectfolder/animations/ 3H2 (g) + N2(g) → 2NH3(g) H2Osingleeq.html>. Acesso em: 6 ago. 2009. Represente, por meio de desenhos, o com- Dando continuidade à abordagem, é im-portamento das moléculas de hidrogênio e de portante que se estabeleçam relações entre anitrogênio durante a transformação. rapidez de movimentação das partículas e a rapidez das transformações. Para iniciar essa Alguns dos desenhos feitos podem ser reprodu- discussão, pode-se propor a seguinte questão:zidos na lousa pelos próprios alunos. Em seguida,deve-se relembrar que a transformação química en- Considerando o que já foi estudado sobrevolve um rearranjo de átomos e que há quebra das a formação da amônia a partir dos gases hi-ligações existentes entre os átomos dos reagentes drogênio e nitrogênio, podemos dizer que ae formação de novas ligações entre esses átomos, rapidez com que ocorre essa transformação éformando os produtos. Para iniciar essa discussão modificada quando aumentamos a tempera-podem ser utilizadas algumas questões, como: O tura do sistema. Por que isso ocorre?que ocorre com as ligações entre os átomos quecompõem os reagentes durante uma transforma- Após a elaboração das respostas pelos alu-ção? Como esses átomos formam os produtos? nos, pode-se retomar a questão, dizendo que a transformação ocorreria mais rapidamente Nesse momento, pode ser lançada a ideia com o aumento da temperatura, pois as molé-de que a quebra das ligações entre os áto- culas dos reagentes estariam se movendo commos que compõem os reagentes pode ocorrer maior rapidez e colidindo com mais força equando as partículas colidem e que essa coli- mais frequentemente. Dessa forma, seriam fa-são, chamada choque efetivo, deve ter certas cilitadas as quebras das ligações entre os áto-características que serão vistas mais adiante. mos dos reagentes e as formações das ligações entre os átomos do produto. A ideia de que choques entre partículaspodem provocar rupturas e formação de no- Para introduzir o conceito de choque efeti-vas ligações não é de difícil compreensão. vo, você poderia continuar perguntando: “To-Pode-se concretizá-la por meio de simulações das as colisões entre partículas possibilitam a(usando-se bolas de isopor ou outros objetos), quebra das ligações entre os reagentes e a for-dramatizações e mesmo, se houver condições, mação de novas ligações nos produtos?”. 45
  32. 32. Química – 3a série, 1o bimestreff Formule uma explicação para o fato de que utilizando zinco em raspas e zinco em pó, para a rapidez da reação em estudo aumenta avaliar a influência da superfície de contato quando são utilizadas soluções de HCl de entre os reagentes sobre a rapidez da reação. concentrações crescentes. O experimento mostrou que o aumento da su- perfície de contato entre o zinco e a solução de A discussão das respostas deve auxiliá-los a HCl causa aumento na rapidez de formaçãoperceber que o experimento foi feito à tempera- dos produtos. Novamente, caso se disponhatura constante e que os dois esquemas procu- de material, sugere-se que esse experimentoram representar que o estado de agregação do seja demonstrado.zinco e sua massa também são mantidos cons-tantes. Ao considerar que o número de íons H+ Para que se possa dar uma explicação mi-e Cl- é igual nos dois recipientes e que o número croscópica para esse fato, novamente se sugerede moléculas de água é maior no segundo, po- que seja feita uma análise dos esquemas 1 e 2,derão concluir que a solução de HCl está mais apresentados a seguir.concentrada no recipiente 1. Deverão, então,concluir que o fato de a rapidez da reação es- Considere que os esquemas representam atudada aumentar quando há um aumento da situação imediatamente anterior ao início daconcentração de HCl se deve à maior probabi- reação, ou seja, leve em consideração que oslidade das partículas dos reagentes colidirem. reagentes acabaram de ser misturados e que ainda não houve a formação dos produtos em Dessa forma, poderão concluir que o au- nenhum dos dois recipientes.mento na concentração dos reagentes envolvi- © Claudio Ripinskas/R2-Criaçõesdos em uma transformação pode aumentar arapidez com que esta ocorre, dado as partícu-las terem mais chance de se encontrar. Para que sejam estabelecidas relações entrea superfície de contato entre os reagentes, ascolisões entre partículas e a rapidez das trans-formações, pode ser feita outra análise datransformação envolvendo zinco e solução deácido clorídrico. Zn(s) + 2HCl (aq)  H2 (g) + ZnCl2 (aq) É importante informar que foi feito um es-tudo experimental, à temperatura constante, 47
  33. 33. Sugestões de perguntas que podem auxiliar ff Formule uma explicação para o fato de a análise dos esquemas: a rapidez da reação em estudo aumentar quando o zinco está mais desagregado. ff A temperatura foi mantida constante du- rante o experimento? Após as respostas, pode-se explicar que o esquema procura demonstrar que a superfí- ff O número de íons H+ e Cl- e de átomos de cie de contato entre os reagentes variou, en- Zn é igual nos dois recipientes? quanto todos os outros fatores (temperatura, massa de zinco e concentração de HCl) foram ff O número de moléculas de água é igual nos mantidos constantes. dois recipientes? Pode-se dizer que o zinco está menos agre- ff A massa de zinco é igual nos dois recipientes? gado no recipiente 2 e que há maior facilidade das partículas colidirem nesse caso. Dessa for- ff A concentração de H+ e de Cl- é igual nos ma, deve-se concluir que o aumento na super- dois recipientes? Por que isso é importante? fície de contato entre os reagentes envolvidos em uma transformação pode aumentar a ra- ff Em qual dos recipientes há maior superfí- pidez com que esta ocorre em razão da maior cie de contato entre os átomos de zinco e os chance das partículas colidirem. íons H+ e Cl-? Para iniciar a discussão sobre a ação dos ca- ff Em qual dos recipientes é mais fácil que os talisadores, pode-se apresentar o texto a seguir. átomos de Zn e os íons H+ e Cl- se encon- Pode ser feita uma leitura em conjunto com a trem? classe, destacando os pontos mais importantes. Texto 1 – Retomando o conceito de choque tivos e devem possuir energia suficiente e orien- efetivo e estudando o caminho percorrido du- tação adequada. rante uma transformação química Conforme visto nas aulas anteriores, não é Dessa forma, podemos supor que a trans- qualquer colisão entre partículas de reagentes formação química se desenvolve percorrendo que vai causar a quebra de ligações entre os um caminho onde exista um obstáculo, uma seus átomos e propiciar a formação de novas li- barreira de energia a ser vencida. Essa barreira gações, formando os produtos. As colisões que representa a energia mínima necessária para que possibilitam a ocorrência das transformações a transformação ocorra e é chamada energia de são chamadas colisões efetivas ou choques efe- ativação.48
  34. 34. Química – 3a série, 1o bimestre Quanto maior a energia de ativação de uma Quando ocorre uma colisão com energiatransformação, mais lenta ela tenderá a ser, pois suficiente e orientação adequada, forma-se umserá menor o número de partículas que terão aglomerado dos átomos dos reagentes, que écondições de colidir de modo a superar essa bar- chamado complexo ativado. Quando o com-reira energética. plexo é formado pela orientação adequada do choque, as ligações entre os átomos que com- Com relação à orientação do choque, é ne- põem os reagentes poderão ser rompidas e, nestecessário que as partículas colidam de forma a caso, se formarão novas ligações, formando osatingir certas regiões das partículas, como mos- produtos. Neste caso, a transformação químicatra a figura a seguir, que ilustra a ocorrência de ocorrerá. Se, por outro lado, o complexo ativadochoques para a transformação H2 + I2 → 2HI. for malformado, a transformação química não ocorrerá. Claudio Ripinskas/R2-Criações No esquema ao lado, foi considerada a coli- são envolvendo duas partículas. O que ocorreria se a transformação envolvesse um número maior de partículas de reagentes? Seria muito mais di- fícil ocorrer uma colisão efetiva se mais de duas a) olisão efetiva com orientação C partículas se chocassem de uma só vez, pois a adequada e energia suficiente chance do choque ter uma orientação adequada seria muito pequena. Dessa forma, quando a transformação en- volve mais de duas partículas, podemos supor que ela ocorre em etapas, nas quais as par- tículas colidem duas a duas. Em cada etapa malformado haverá a formação de um complexo ativado b) olisão não efetiva sem orientação C diferente e cada uma terá uma energia de ati- adequada vação própria. Considere a reação global representada a se- guir:Comparação entre as orientações de uma colisão efeti-va e de uma colisão não efetiva para a transformação:H 2 + I2 → 2HI. 49
  35. 35. Química – 3a série, 1o bimestre Claudio Ripinskas/R2-Criações 3 1 D D Ausência de catalisador: a decomposição ocorre em uma Presença de catalisador: a decomposição ocorre em 3 única etapa etapas 1. CH2O 2 + H+  (CH3O2) + etapa rápida CH2O 2  H 2O + CO 2. (CH3O2)  H2O + (COH) + + etapa lenta 3. (COH)  CO + H + + etapa rápida Extraído de: GEPEQ. Interações e transformações II: re-elaborando conceitos sobre transformações químicas: ciné- tica e equilíbrio. 3. ed. São Paulo: Edusp, 2005, p. 77. Nota-se que, no sistema sem catalisador, a de- Deve-se observar que o H+ é o catalisadorcomposição do ácido metanoico ocorre em uma dessa transformação, pois dela participa (éúnica etapa, envolvendo somente um complexo consumido na etapa 1), modifica o caminho daativado que exige, para se formar, uma energia transformação (seu mecanismo), diminui o tem-de ativação (Ea). Por outro lado, no sistema com po de decomposição do ácido fórmico e se rege-catalisador, a decomposição ocorre por outro ca- nera no final do processo (etapa 3).minho, que envolve três etapas nas quais se for-mam complexos ativados que exigem energias de Os químicos chamam de mecanismos deativação menores do que Ea. Como as energias de reação a uma descrição pormenorizada de comoativação Ea1, Ea2 e Ea3 são mais baixas do que Ea, uma transformação química acontece. Trata-semaior será o número de partículas que conseguirão de uma hipótese que se faz para explicar fatosatingir essas energias mais rapidamente, possibili- observados como, por exemplo, explicar a açãotando que um maior número de choques efetivos de catalisadores. Alguns mecanismos já estão bemaconteça em menos tempo. Dessa maneira, a rapi- estabelecidos, ou seja, explicam satisfatoriamentedez total da decomposição do CH2O2 será maior se muitos fatos, permitindo que se façam previsõeso catalisador tomar parte na transformação. que se verificam na realidade. Entretanto, é impor- 51
  36. 36. Reações foram substituídas pelas que constam no CA, pg. 39. tante ter claro que, à medida que novos fatos são 4a) NHads + Hads → NH2ads ou Fe – NHads + Fe – descobertos, os mecanismos podem ser modifica- Hads → Fe – NH2ads (representação da segunda dos e mesmo descartados, ou seja: um mecanismo etapa da reação entre nitrogênio (do Fe – não é uma descrição da realidade, e sim uma ten- NHads) e hidrogênio adsorvidos na superfície tativa de explicação de uma série de fatos relativos do ferro) a como ocorrem as transformações químicas. 5a) NH2ads + Hads → NH3ads ou Fe – NH2ads + Hoje, acredita-se que a síntese da amônia na Fe – Hads → Fe – NH3ads (representação da presença de ferro aquecido (catalisador) se dá de terceira etapa da reação entre nitrogênio (do acordo com as etapas: Fe – NH2ads) e hidrogênio adsorvidos na su- perfície do ferro ocorrendo a formação da 1 ) N2(g) + 2 Fe(g) → 2 Fe – Nads (etapa lenta) a amônia) (representação do composto intermediário 6a) NH3ads → NH3dessorv ou Fe – NH3ads → Fe + formado pelo metal ferro com gás nitrogê- NH3dessorv (representação da dessorção do gás nio adsorvido em sua superfície) amônia da superfície do ferro; observem que o metal ferro participa da transformação, 2 ) H2(g) + 2 Fe → 2 Fe – Hads a mas se regenera no final) (representação do composto intermediário Quando uma molécula se adsorve (ou se fixa) formado pelo metal ferro com gás hidrogênio à superfície do catalisador, suas ligações ficam adsorvido em sua superfície) mais fracas e mais fáceis de quebrar. No pro- cesso Haber, a adsorção de moléculas do gás ni- 3 ) Nads + Hads → NHads ou Fe – Nads + Fe – Hads a trogênio sobre o ferro é muito importante, pois, → Fe – NHads(representação da primeira eta- dessa maneira, a tripla ligação entre os átomos pa da reação entre nitrogênio e hidrogênio N2(g) é enfraquecida. adsorvidos na superfície do ferro) Depois da leitura do texto, pode-se respon- ff O que é energia de ativação? der às seguintes questões: ff Considere duas transformações com di- ff Quais as características de uma colisão efe- ferentes energias de ativação (Ea), sendo tiva? Ea1 Ea2. Considerando somente esse as-52
  37. 37. Química – 3a série, 1o bimestre pecto, qual transformação será mais rápi- que o catalisador possibilita que a transfor- da? Por quê? mação ocorra por outro caminho, com ener- gias de ativação menores, possibilitando queff Como funciona um catalisador? Para res- um maior número de choques atinja a energia ponder, considere a sua ação sobre o ca- mínima necessária para ocorrer a reação. minho percorrido em uma transformação química. Grade de avaliação da Situação de Aprendizagem 4 Na primeira questão, os alunos devemdizer que a colisão efetiva precisa ter uma Ao responder às questões propostas nasorientação correta e uma energia suficiente diferentes atividades, o aluno desenvolverá aspara que sejam rompidas as ligações entre os habilidades de leitura e interpretação de textosátomos dos reagentes e formadas as novas li- e diagramas. Será também levado a elaborargações dos produtos. Na segunda questão, e, em seguida, a analisar modelos propostosdevem ter dito que a energia de ativação é o para explicar os efeitos de cada um dos fatoresvalor de energia mínimo que deve ser atingi- estudados sobre a rapidez das transformaçõesdo pelo choque entre as partículas para que a químicas. Dessa forma, espera-se que ele de-transformação aconteça. Na terceira questão senvolva sua capacidade de abstração de for-pode-se responder que a transformação que ma a interpretar fenômenos tanto do ponto depossui menor energia de ativação será a mais vista macroscópico quanto do ponto de vistarápida. Na quarta questão, deve-se explicar microscópico de forma clara e plausível. proposta de Questões para aplicação em avaliação Seguem algumas sugestões de questões Nitrogênio: matéria-prima para síntese da amônia.para sua escolha e aplicação em avaliação. Oxigênio: uso médico (para auxiliar na res-1. Dê um exemplo de como cada um dos se- piração). guintes gases são usados pelo ser humano: nitrogênio, oxigênio e hélio. Hélio: em balões e dirigíveis 53
  38. 38. Química – 3a série, 1o bimestre3. Considerando seus estudos sobre os fa- que farão parte do processo de sua digestão, re- tores que podem afetar a velocidade das duzindo o tempo em que ela acontece. transformações químicas, explique por que mastigar bem os alimentos é indispensável 4. No laboratório, o gás hidrogênio pode ser para que sejam bem digeridos. preparado pela reação de magnésio com solução de ácido clorídrico. Em qual das Porque a mastigação diminui o estado de agre- experiências apresentadas na tabela a ra- gação dos alimentos, aumentando a superfície pidez de formação de gás hidrogênio será de contato entre eles e as substâncias químicas maior? Justifique sua resposta. Experiência Temperatura (oC) Magnésio Concentração de ácido clorídrico (mol/L) I 25 granulado 1,0 II 25 granulado 0,5 III 30 em pó 1,0 IV 30 em pó 0,5 V 30 em raspas 1,0 Na experiência III, pois utiliza a maior tem- Assinale a afirmativa correta: peratura, possui maior superfície de contato do magnésio e maior concentração da solu- a) o processo descrito utiliza catalisador; ção de ácido clorídrico. b) a energia de ativação da primeira etapa é5. O peróxido de hidrogênio, H2O2, comumen- menor do que a energia de ativação da se- te chamado de água oxigenada, pode reagir gunda etapa; com íons I- em solução aquosa, segundo uma reação que se processa em duas etapas: c) a equação global correspondente ao processo é 2 H2O2 → 2 H2O; (1ª etapa, lenta) H2O2(aq) + I-(aq) → H2O(l) + IO-(aq) d) o peróxido de hidrogênio (H2O2) não se transforma em água (H2O) e gás oxigê- (2ª etapa, rápida) nio (O2); H2O2(aq) + IO-(aq) → H2O(l) + O2(g) + I-(aq) e) o íon IO– produzido na primeira etapa não é consumido na segunda etapa. 55
  39. 39. Química – 3a série, 1o bimestre Na Situação de Aprendizagem 2, deve- fica ainda mais difícil. Para a recuperação darão ser exploradas transformações químicas Situação de Aprendizagem 3, por exemplo,reversíveis. Sugere-se que seja indicado por pode-se solicitar que seja feito um resumoque foi importante o controle da pressão e enumerando quais os fatores que modificam ada temperatura no desenvolvimento do pro- rapidez das transformações químicas e que secesso da síntese da amônia e que refaçam os encontrem pelo menos dois exemplos do co-exercícios, novamente modificados. Pode-se tidiano nos quais a influência desses fatores épedir que copiem a síntese final apresentada perceptível.no texto e que busquem nele as situações quepermitiram as conclusões apresentadas na A recuperação da Situação de Aprendiza-síntese. Por exemplo: “Resumindo o que foi gem 4 também é difícil, pois se trata de umaestudado, podemos dizer que existem trans- abordagem microscópica, que exige maiorformações químicas que são reversíveis”. O abstração, tarefa difícil para ser realizada au-aluno poderá dizer algo como: “O experi- tonomamente. Talvez possam ser aplicadosmento realizado pelo analista químico que questionários baseados em questões do pró-repetiu o experimento de Haber mostra isso, prio texto, que busquem estabelecer mais re-pois aumentou a temperatura e a quantida- lações entre aspectos macro e microscópicos.de de amônia, por sua vez, diminuiu. Como Por exemplo: Para discutir a ideia de choquenão saiu amônia do frasco (o sistema estava efetivo, faça uma analogia com batidas defechado), a amônia só pode ter se decompos- automóveis: compare as consequências en-to”. Você pode redimensionar essa sugestão tre batidas frontais com batidas de raspão.de acordo com seus alunos. Essa proposta Dê um exemplo do seu cotidiano que ajudeexige bom poder de síntese e de argumen- no entendimento de choque efetivo. “O quetação. Outra sugestão seria a elaboração de são choques efetivos?” Outro exemplo: “Se-perguntas mais diretivas, solicitando-se a lecione no texto as figuras que representambusca por respostas no texto. Se achar que soluções que acabaram de ser preparadas, noessa recuperação exige mais poder analítico momento imediatamente antes de começa-do que eles são capazes, talvez seja bom mo- rem a reagir, e que mostram concentraçõesdificar as perguntas do texto e pedir que se- diferentes dos reagentes. Procure explicarjam respondidas. com suas próprias palavras como o aumento da quantidade (da concentração, já que esta- As Situações de Aprendizagem 3 e 4 estão mos trabalhando em um determinado volu-relacionadas. Como foram realizadas a par- me) dos reagentes pode modificar a rapideztir de práticas experimentais, a recuperação das transformações químicas”. 57

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