Universidade de São Paulo Instituto de Química. Título do trabalho: Aluno: Gustavo Frigi Perotti

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1 Universidade de São Paulo Instituto de Química Título do trabalho: Implementação de Experimentos para Disciplinas de Graduação Aluno: Gustavo Frigi Perotti São Paulo - SP Dezembro de 2008

2 1. Introdução A atualização e diversificação do material didático experimental oferecido em disciplinas cuja prática é vinculada são de grande interesse tanto por parte do docente, responsável pela implementação de tais modificações na estrutura da disciplina oferecida, quanto para os alunos, que podem contemplar experimentos mais instigantes e que por fim, acaba por despertar o interesse e o espírito investigativo dos estudantes, culminando em um aprendizado mais eficiente, por haver quase sempre uma melhor assimilação de um determinado conteúdo quando este se mostra atraente. Por parte dos docentes, possuir um maior número de possibilidade de experimentos que possam ser passados aos seus alunos significa estar em contato com diferentes experimentos a cada ano em que a disciplina será oferecida, aumentando por vezes a sua motivação por passar um conteúdo sempre diversificado, porém não lhe custando muito esforço, uma vez que o esboço do experimento já está feito, sendo possíveis de serem feitas apenas pequenas adaptações no roteiro do mesmo à medida que o responsável julgue necessário. Outro fator positivo oriundo de presença de novos experimentos é a não-reciclagem do mesmo material sempre que a disciplina é oferecida, o que por vezes acaba por desmotivar muitos alunos a prender sua atenção no decorrer dos experimentos, uma vez que é perfeitamente possível conseguir com seus colegas cópias de relatórios anteriores do experimento a ser realizado. Sob o ponto de vista dos alunos, a presença de novos experimentos, e sempre que possível, que produzam um resultado intrigante, ou interessante, ou que apenas aticem os seus instintos de procurar resposta àquilo que não sabem explicar e que com isso, acabam por assimilar conceitos e conteúdos de uma forma muito menos penosa e custosa. Por isso, pretende-se com este trabalho fornecer uma opção a mais de experimento que pode ser utilizado nas disciplinas básicas de graduação do IQ-USP, focando o trabalho experimental a partir de conceitos vistos previamente em sala de aula.

3 2. Objetivos A proposta do presente trabalho é de acrescentar um experimento na disciplina QFL Química dos Elementos, discutindo as principais dificuldades encontradas pelos alunos através da correção dos seus relatórios referentes a este experimento. 3. Materiais e métodos Para a construção do roteiro deste experimento foi utilizada a seguinte referência obtidas do periódico Journal of Chemical Education, intitulado The Golden Penny Demonstration, de S. H. Szczepankiewicz, J. F. Bieron e M. Kozik, Os materiais empregados neste experimento foram: - Raspas de zinco; - Hidróxido de sódio; - Óxido de zinco; - Vinagre; - Moeda de cobre (moeda de 5 centavos); O roteiro experimental utilizado está descrito a seguir: - Deposição de zinco em moeda de cobre A reação que será realizada é um exemplo de reação eletroquímica, na qual um objeto de cobre atua como um eletrodo no qual o zinco é depositado. A reação estudada é reversível e depende do fato dos dois metais se tocarem. a) Primeiramente, prepare uma solução do íon tetrahidroxizincato dissolvendo cerca de 2 g de hidróxido de sódio em aproximadamente 10 ml de água destilada e, então, adicione uma espátula de óxido de zinco ou sal de zinco. Deve-se obter uma solução límpida (e não uma suspensão com aspecto leitoso...)

4 b) Pegue uma moeda de cobre (preferencialmente, uma moeda nova) e limpe-a colocando-a em um béquer contendo vinagre. Espere até perceber que o metal está brilhando. Remova a moeda do béquer com uma pinça, lave-a com água e a coloque em um outro béquer contendo 1 cm de altura de solução de tetrahidroxizincato previamente preparada. c) Aqueça moderadamente a solução com a moeda em contato. Observe e anote. Cuidadosamente, introduza algumas raspas de zinco metálico na solução, de modo que toquem na moeda (figura 1). Assim que a moeda se cobrir com uma camada de zinco (figura 2), adicione todo o conteúdo do béquer (solução alcalina e moeda) em um recipiente grande contendo água de torneira. Agite com cuidado para diluir a base. Figura 1: Processo de aquecimento da solução de tetrahidroxizincato contendo raspas de zinco e a moeda de cobre. Figura 2: Deposição de zinco sobre a moeda de cobre. d) Rapidamente, decante o líquido em outro recipiente (e guarde-o para posterior descarte). Após esta etapa, pegue a moeda com uma pinça e lave-a várias vezes com papel absorvente e a seque com papel absorvente. Não toque a moeda com os seus dedos. e) Com a moeda já seca, introduza-a dentro da chama de um bico de Bunsen por aproximadamente 20 segundos. Observe todos os resultados e anote.

5 4. Discussão dos resultados Este experimento teve nota atribuída a 1,0 caso todos os objetivos de compreensão deste tivessem sido atingidos, como entender e explicar o fenômeno por trás do experimento, além de equacionar corretamente as reações químicas envolvidas e utilizar uma linguagem condizente a um relatório científico. Primeiramente, a fim de comentar posteriormente os resultados dos alunos, ir-se-á fazer uma breve discussão sobre os principais pontos que deveriam ser discutidos em seus relatórios: 1. A solução de aspecto leitoso aparece devido à formação de hidróxido de zinco, de aparência leitosa: Zn 2+ (aq) + 2 OH - (aq) Zn(OH) 2 (s) A adição de excesso de base à mistura anterior promove a formação de um complexo aniônico entre os íons Zn 2+ e OH -, desaparecendo o precipitado: Zn(OH) 2 (s) + 2 OH - (aq) [Zn(OH) 4 ] 2- (aq) 2. A remoção de gorduras e outras sujeiras da superfície da moeda é necessária para que haja uma melhor deposição da camada metálica de zinco sobre o substrato de cobre, uma vez que a transferência eletrônica das espécies ocorre na superfície de Cu: 3. No processo de deposição do zinco, é possível notar que o zinco, nas suas diferentes espécies, é tanto o agente redutor quanto o agente oxidante, sendo que em uma primeira etapa as raspas de zinco são oxidadas, formando Zn 2+ e posteriormente, ocorre redução dos íons [Zn(OH) 4 ] 2- e sua deposição sobre a superfície do cobre. Portanto, como reação global tem-se:

6 Zn Zn (s) + [Zn(OH) 4 ] 2- (aq) [Zn(OH) 4 ] 2- (aq) + Zn Cu E = + 1,1 V Através da análise do valor do potencial da reação verifica-se que há uma maior estabilidade da deposição de zinco sobre a superfície de cobre do que ocorrer a sua redeposição sobre a própria superfície do zinco. 4. Ao aquecer a moeda prateada, isto é, após a deposição de zinco na superfície do cobre, há a formação de uma liga intersticial de Zn-Cu conhecida como latão, cuja coloração depende fortemente do teor de Zn na liga. Em quase todos os casos, a moeda se tornou amarela, cor esta associada à fase α-latão, cujo teor de Zn está abaixo de 35%. Ao analisar os relatórios dos alunos, foram encontrados alguns erros com elevado grau de freqüência, como: I - Não equacionar a reação global que mostra o processo de deposição de zinco sobre a superfície do Cu e o consumo das raspas de zinco metálico; II - Quando indagados sobre qual seria o motivo da limpeza das moedas de cobre pela adição de vinagre e por métodos abrasivos, poucos tentaram justificar este procedimento; III - Não equacionaram a reação de formação do ânion complexo tetrahidroxizincato; IV - Houve, em certos casos, a falta de atenção em alguns relatórios onde a equação de formação da espécie complexa foi feita utilizando o zinco metálico, quando na verdade, foi utilizada a forma oxidada do metal (ZnO); V - Dificuldade em deixar explícito no relatório quem era o agente oxidante e o agente redutor neste experimento; VI - Mostrar as equações químicas sem os estados físicos das espécies (sólido, líquido, aquoso, etc.);

7 VII - Representar espécies que se dissociam em água em grande extensão na forma agregada ( NaOH ao invés de Na + (aq) e OH - (aq) ); VIII - Dificuldade na explicação do papel do cobre na deposição do zinco; IX - Dificuldade de identificar o tipo de liga formada (neste caso, é intersticial); X - Utilização de linguagem imprópria para relatórios científicos (como puxa os elétrons do cobre, que puxa os elétrons do zinco, que por sua vez... ); XI - Alguns grupos simplesmente colocaram apenas as observações experimentais, sem dar nenhuma explicação aos fatos observados; XII - Não mostram a viabilidade ou espontaneidade da reação ocorrer com base no E ( G) global da reação. A seguir está representado o gráfico das notas obtidas em função do número de duplas que obtiveram esta nota (figura 3): 8 Distribuição de notas Duplas ,2 0,4 0,6 0,8 1 Nota Figura 3: Relação entre as notas obtidas pelas duplas e o número de duplas que obtiveram uma dada nota.

8 Pode se observar que a distribuição das notas obtidas pelos alunos possui uma distribuição próxima à distribuição normal, com média aritmética igual a 0,66, sendo possível afirmar que houve uma razoável assimilação do experimento por parte dos alunos, salvo alguns conceitos básicos que ainda não foram sedimentados de maneira correta e que, portanto, merecem atenção por parte do docente, com o intuito de fornecer mais atividades ou até uma explanação tradicional sobre estas questões em sala de aula para os alunos, de forma geral. 5. Conclusão Foi possível implementar na parte experimental da disciplina de graduação QFL Química dos Elementos, matéria esta dada neste Instituto, um experimento rápido e de fácil execução, conhecido na literatura como a Moeda Dourada, no qual, após análise dos relatórios dos alunos, verificou-se que os principais pontos que deveriam ser discutidos se faziam presente, embora alguns conceitos fundamentais estivessem presente de forma errônea ou mal explicadas, necessitando serem mais trabalhadas em sala de aula para melhor formação dos alunos. 6. Bibliografia - S. H. Szczepankiewicz, J. F. Bieron, M. Kozik J. Chem. Educ., vol. 72, , 1995.