Utilizando conceitos termodinâmicos na explicação de uma reação química

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1 Utilizando conceitos termodinâmicos na explicação de uma reação química Carlos Neco da Silva Júnior 1, Márcia Gorette Lima da Silva a, Fabiana Roberta Gonçalves e Silva 2, Fernanda Marur Mazzé 1 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Departamento de Química. Natal, RN Brasil. CEP Universidade Tecnológica Federal do Paraná DAQBI, Campus Curitiba, Curitiba-PR. CEP fabianah@utfpr.edu.br Resumo O conceito de energia é a base do entendimento da termodinâmica química. Neste trabalho identificamos algumas concepções de alunos da licenciatura em química sobre as formas de energia utilizadas para quantificar as reações químicas. De acordo com a análise realizada identificamos que os alunos recém egressos do curso de química da UFRN conseguem identificar que as formas de energia são estudadas no conteúdo de termodinâmica química, mas não conseguem relacioná-las com uma situação de uma transformação química ou sua aplicação em outros conteúdos termodinâmicos. Para auxiliar a compreensão dos diferentes usos do conceito de energia realizamos um ciclo de estudos utilizando uma situação experimental, envolvendo material de baixo custo, para trabalharmos os conceitos de energia numa transformação química. As principais respostas dos alunos a situação experimental em estudo está em detrimento aos aspectos macroscópicos evidenciados na reação, não conseguindo, na maioria das questões realizadas, abordar as explicações em função dos aspectos energéticos da reação. Palavras Chave. Termodinâmica Química, Energia, Graduandos em Química Abstract The concept of energy is based on the understanding of chemical thermodynamics, which in turn is the basis for understanding the spontaneous or non spontaneous character of a chemical reaction. In this paper we identified some ideas of the students on degree in chemical about forms of energy used to quantify the chemical reaction. Keywords: Chemical Thermodynamics, Energy, students. Introdução O desenvolvimento da termodinâmica geral aplicada aos sistemas químicos (termodinâmica química) se deve ao norte-americano W. Gibbs ( ) que implantou a condição de equilíbrio aos sistemas termodinâmicos, introduzindo a chamada função de Gibbs ou energia livre (Gil, 2003). A termodinâmica química estuda a energia envolvida nas transformações químicas. Um dos problemas sobre as ideias os alunos no estudo das reações químicas refere-se às descrições macroscópicas do fenômeno fundamentado em uma concepção contínua da Página 947

2 matéria sem atribuir significado conceitual a reação em estudo (Justi e Ruas, 1997). Do ponto de vista conceitual, o difícil entendimento dado aos conceitos abordados na termodinâmica química por alunos de qualquer nível de ensino, se dá pelo fato do ensino fragmentado que esse conteúdo recebe (Jacques e Milaré, 2007; Amaral e Mortimer, 2004; Silva et. al, 2007). Este trabalho apresenta uma análise das concepções de estudantes de licenciatura em química sobre as formas de energia utilizadas para quantificar as transformações químicas. Contexto e desenvolvimento da pesquisa Neste trabalho utilizamos um questionário com perguntas abertas e fechadas para identificar a relação do conceito de energia com conceitos químicos e com transformações químicas. O questionário foi elaborado a partir do trabalho desenvolvido por C. N. Silva Jr, 2010, onde um amplo estudo sobre o uso do conceito de energia e suas implicações no ensino-aprendizagem da química é realizado. O objetivo do questionário era caracterizar as concepções dos alunos do ensino superior, recém egressos no curso de química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN). Na primeira pergunta foi solicitado aos alunos que listassem cinco conteúdos químicos, estudados na disciplina de química geral (disciplina ofertada nos primeiros semestres da graduação em química), que envolve o conceito e/ou termo energia. As duas outras perguntas, realizadas de forma objetiva, questionaram respectivamente qual o conteúdo químico que faz uso de formas de energia para quantificar as reações químicas e quais dessas formas ou variáveis termodinâmicas podem ser utilizadas para quantificar as transformações químicas em termos energéticos. Todas as perguntas foram realizadas no intuito de compreender se os alunos da graduação em química da UFRN conseguiriam estabelecer relações de significado entre as formas de energia e os conceitos químicos, como também entre as transformações químicas. Para abordar os conceitos do conteúdo de termodinâmica química apresentamos um experimento, utilizando material alternativo, proposta anteriormente no trabalho de COSTA et. al., 2006, como estratégia de ensino que pode ser utilizada para abordar tanto os conceitos termodinâmicos envolvidos em uma transformação química, quanto o formalismo matemático necessário a quantificação da transformação. O experimento pode ser realizado utilizando ácido clorídrico comercial (ácido muriático) com anel de latas de bebidas de alumínio (material constituído de alumínio), ambos reagindo em um tubo de ensaio para produzir gás hidrogênio e cloreto de alumínio espontaneamente. A reação abaixo representa a reação proposta. Als+ 3HClaq Alaq3++ 3Claq-+ 32H2g A situação experimental foi aplicada em um ciclo de estudos com alunos do curso de licenciatura em química da UFRN que estavam cursando entre o sexto e oitavo período. Durante a aplicação da situação experimental foi realizada uma entrevista semi-estruturada onde solicitamos aos alunos que explicassem e descrevessem os fatores energéticos envolvidos na reação em estudo. Para explicar e descrever o que acontece com a reação em estudo seria necessário abordar aspectos tanto no nível macroscópico quanto no nível microscópico da reação em estudo. Organizamos as principais falas dos alunos em cinco que Página 948

3 evidenciam a reação em estudo, são elas: liberação de gás, consumo de um dos reagentes, aquecimento do tubo de ensaio, velocidade da reação e diferenças entre as fases formadas. Essas categorias de evidência foram assim organizadas devido a maioria das respostas dos alunos abordarem aspectos macroscópicos da reação em estudo do que os aspectos microscópicos. Resultados e discussão Na primeira pergunta, apresentamos todas as respostas que foram expressas pelos alunos quando tentaram listar cinco conteúdos químicos estudados nas disciplinas de química geral que envolve o conceito de energia. Após análise das várias respostas dadas a essa pergunta, as categorizamos e apresentamos o percentual de cada uma na Tabela 1. N o citações Conteúdo químico ou conceito Porcentagem (%) 13 Termodinâmica 23,63 6 Cinética química 10,90 Forças intermoleculares 4 Equilíbrio químico 7,27 3 Entalpia 5,45 Estrutura atômica 2 Átomo de Bohr 3,64 Eletroquímica Energia de ligação Energia livre Entropia Ligação química 1 Equação de Schrödinger 1,82 Estrutura atômica Físico- química Função de onda Geometria Orbital atômico Orbitais moleculares Tabela periódica e suas propriedades Reações químicas Tabela 1 - Percentual dos conteúdos químicos pelos alunos. A partir da Tabela 1, podemos observar inicialmente que os alunos não conseguem fazer distinção entre conceito químico e conteúdo químico, uma vez que apresentam termos como orbital atômico, átomo de Bohr e função de onda como conteúdo químico estudado ao invés de estrutura atômica. Observa-se também que o conteúdo mais relacionado ao conceito de energia é a Termodinâmica. Por outro lado, a questão dois dava como opção de resposta cinco conteúdos estudados em química geral e solicitava aos alunos que identificassem qual conteúdo, estudado no curso de química, se utilizava de formas de energia para quantificar as reações químicas. Um dos fatos mais interessantes nessa resposta é que apenas 23% dos participantes associaram à resposta a conteúdos como forças intermoleculares, eletroquímica e cinética química e que 77% associaram à resposta ao conteúdo de termodinâmica química. Em Página 949

4 nossa análise isso indica que esses alunos parecem ter certeza de que o conteúdo de termodinâmica química utiliza de formas de energia para estudar as reações químicas, mas parece não compreender que as formas de energia podem ser relacionadas a outros conteúdos químicos ou conceitos químicos. Ainda na análise das concepções de graduandos em química sobre formas de energia para quantificar as reações químicas, a questão 03 (três) solicitou aos alunos que respondessem qual(is) forma(s) de energia (energia interna, entalpia, entropia e/ou energia livre) poderia(m) ser utilizada(s) para quantificar essas reações. Das respostas a essa questão, observa-se que a maioria dos alunos marcou apenas a entalpia, quando poderiam ter assinalado também outras variáveis macroscópicas termodinâmicas como, por exemplo, energia interna, entropia e energia livre. De forma geral, pode-se sinalizar pelas respostas que os alunos reconhecem que o conceito de energia é estudado em termodinâmica, porém não relacionam que outras variáveis macroscópicas podem ser utilizadas para quantificar as reações químicas. A Figura 01 mostra a porcentagem das respostas da terceira questão em relação à quantidade total de respostas na terceira questão. Acreditamos que esse grande número de marcações na função entalpia pode estar relacionado à ênfase dada apenas ao cálculo da variação de entalpia das reações químicas, em detrimento das outras funções termodinâmicas, na disciplina de química geral ou ainda pelas concepções advindas de outros níveis de ensino, como por exemplo o nível médio, quando o próprio livro didático não faz uso de outras variáveis termodinâmicas. Isto pode levar os alunos, em qualquer nível de ensino, a acreditar que a única variável termodinâmica que pode ser utilizada para determinar as variações de energia é a entalpia. Segundo Furió et al. (2005), analisar apenas a variação de entalpia em detrimento das outras funções termodinâmicas pode limitar a aplicação da termodinâmica as reações químicas. A análise do caráter espontâneo da reação em estudo foi feita calculando os valores de variáveis termodinâmicas macroscópicas como entalpia, entropia e energia livre de Gibbs, Tabela 2. Variável Termodinâmica Macroscópica Valor Encontrado sisth -524,7 kj.mol -1 sists -154,01 J.K-1.mol-1 TotalS 1,6 kj.k-1.mol-1 n G -478,78 kj.mol-1 Tabela 2 - Valores das variáveis macroscópicas termodinâmicas calculadas a partir de apêndices de livros de química geral. Esses valores, além de ilustrar de forma quantitativa os valores energéticos de uma transformação química possibilitaram aos alunos que participaram do ciclo de estudos como as variáveis termodinâmicas poderiam ser calculadas em qualquer transformação química que ocorre a pressão constante e na temperatura ambiente. Quando solicitamos aos alunos que participaram do ciclo como eles explicariam e descreveriam a reação química em estudo, encontramos as principais falas descritas na Tabela 3: Página 950

5 Recorte da fala Desprendimento de gás/libera uma fumaça/formação de bolhas/houve ebulição nesta reação Destruição da amostra/o anel se dissolve formando uma solução/até que o anel da lata derrete Liberação de Calor/ esquentando o tubo de ensaio Categoria evidência de n o de uma reação citações liberação de gás 25 consumo de um dos 18 reagentes aquecimento do tubo de 17 ensaio Reação na qual a cada momento ficava mais agitada velocidade da reação 12 Incolor/Formação de um sal solúvel de alumínio distintas fases 12 A Tabela 3 deixa em evidência que as principais explicações que os alunos conseguem dar em relação ao fenômeno em estudo são de caráter apenas descritivo e não explicativas, onde os principais termos utilizados por eles se referem às evidências macroscópicas do fenômeno em estudo não abordando os aspectos energéticos envolvidos na reação. Considerações finais As dificuldades de inter-relacionar conceitos do conteúdo de termodinâmica química com outros conteúdos químicos e/ou ainda nas transformações químicas, pode estar relacionado à forma como livros didáticos, tanto do nível médio de ensino quanto do nível superior, apresentam o conteúdo de termodinâmica ou ainda como este conteúdo é abordado por professores de diferentes níveis de ensino, o que pode levar os estudantes a compreenderem a termodinâmica como parte da ciência que estuda fenômenos relacionados às transformações energéticas, mas que os seus conceitos não se aplicam a explicação de outros conteúdos químicos. A reação proposta, além de ser uma proposta que utiliza material de baixo custo para abordar conceitos químicos, pode ser utilizada tanto com alunos do nível médio de ensino quanto no nível superior, uma vez que conceitos como sistema aberto, vizinhança, energia interna, entalpia, entropia e energia livre de Gibbs podem ser discutidos durante a situação experimental em estudo. Bibliografía AMARAL, E. M. R. e MORTIMER, E. F. (2004). Un perfil conceptual para entropía y espontaneidad: una caracterización de las formas de pensar y hablar en el aula de Química. Educación Química. v. 3, n. 15, p COSTA, T. S. et. al. (2006). Experimentos com alumínio. Química Nova na Escola. n. 23, p FURIÓ, C., SOLBES, J. e FURIÓ, C. (2005). Cómo se presentan los conceptos y modelos en la enseñanza de la termoquímica? Visiones distorcionadas de la ciencia en libros de texto. Número Extra VII Congreso Internacional sobre Investigación en Didáctica de las Ciencias, Barcelona. GIL, E. M. (2003). Temas de historia de la física. Havana: editorial Pueblo y Educación. Página 951

6 JACQUES, V. e MILARÉ, T. (2007). O conceito de energia em um livro didático de oitava série do ensino fundamental. In: VI Encontro Nacional de Pesquisadores em educação em Ciências. Trabalho completo. JUSTI, R. S. e RUAS, R. M. (1997). Aprendizagem de química reprodução de pedaços isolados de conhecimento? Química Nova na Escola, n. 5, p SILVA, Jr. C. N. (2010). A energia e suas implicações no ensino-aprendizagem da química f. 188 Tese (Doutorado em Química) Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, RN. SILVA, S. M. et. al. (2007). Concepções alternativas de calouros de química para os conceitos de termodinâmica e equilíbrio químico. In: VI Encontro Nacional de Pesquisadores em educação em Ciências, Trabalho completo. Página 952