Equipamentos alternativos para laboratório de ensino de Química: chapa de aquecimento e calorímetro

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1 Equipamentos alternativos para laboratório de ensino de Química: chapa de aquecimento e calorímetro Jailson Rodrigo Pacheco 1 (FM)*, Arilson Sartorelli Ribas 1 (FM), Flavio Massao Matsumoto 2 (PQ) jpacheco@positivo.com.br 1 Editora Positivo. Rua Major Heitor Guimarães, 174. Seminário, Curitiba PR. CEP Departamento de Química UFPR. Centro Politécnico. Jardim das Américas, Curitiba PR. CEP Palavras Chave: Equipamentos alternativos, Calorímetro, chapa de aquecimento. RESUMO: O laboratório de ensino nas escolas de educação básica sofreu com a falta de investimento dos setores responsáveis, por esse motivo, sugeriu-se montar equipamentos alternativos de baixo custo para o desenvolvimento de algumas atividades práticas. Os equipamentos montados foram uma chapa de aquecimento utilizando um ferro elétrico de passar roupa adaptado para esse fim e um calorímetro que utiliza espuma de poliuretano como isolante térmico. Os equipamentos foram montados com um custo baixo e os experimentos usados como testes apresentam uma excelente reprodutibilidade com segurança. EQUIPAMENTOS ALTERNATIVOS PARA LABORATÓRIO DE ENSINO O laboratório de ensino, muitas vezes é equipado em função das necessidades da escola e do orçamento disponível para esse fim, não havendo uma legislação que determine os equipamentos mínimos que deveriam estar presentes. Em virtude dessa característica, muitas atividades experimentais do ensino médio são adaptadas a realidade da escola, enquanto outras não podem ser realizadas. Outro fator que deve ser levado em consideração é que a parcela de escolas, públicas e particulares, que dispõem de um espaço físico para realização de aulas práticas ainda é restrito. A tabela 1 apresenta a infraestrutura das escolas de educação básica conforme os dados do censo da educação de 2006, publicados em 2007 do Instituto de Pesquisas Educacionais Darci Ribeiro (INEP), vinculado ao Ministério da Educação (MEC). Tabela 1: Infra-estrutura das escolas de educação básica no Brasil conforme os dados do censo escolar de 2006 do MEC/INEP. Infra-estrutura Brasil Norte Nordeste Sudeste Sul Centro-Oeste Públ. Priv. Públ. Priv. Públ. Priv. Públ. Priv. Públ. Priv. Públ. Priv. Biblioteca 54,9 79,7 42,2 71,5 33,7 75,4 65,4 81,9 78,5 82,5 54,9 78,6 Lab. Informática 25,9 64,2 12,9 51,6 11,9 49,3 37,9 71,5 34,0 68,3 19,2 65,0 Lab. Ciências 19,5 46,2 6,2 26,8 5,8 29,5 27,4 53,7 37,6 58,7 13,1 39,4 Sala TV/vídeo 37,5 63,2 28,8 52,3 25,0 51,5 47,8 69,2 43,8 69,1 32,5 57,6 Acesso à Internet 27,0 65,9 6,8 55,8 10,2 45,1 49,1 75,3 20,5 72,3 18,2 67,2 Uma análise rápida dos dados da tabela podemos notar que a menos de 20% das escolas públicas 47% das particulares do Brasil dispõem de um espaço físico para realização das aulas práticas, e que regiões norte, nordeste e centro-oeste a situação acaba sendo mais crítica. Esse

2 fato dificulta o trabalho do professor e compromete a segurança dos alunos no desenvolvimento de aulas experimentais nessas escolas. Uma reflexão que deve ser feita é que entre as escolas que possuem laboratório, nem todos são equipados com os materiais mínimos para a realização da atividade prática, com isso, o risco envolvido nessas atividades também deve ser levado em consideração. Muitas vezes certos acidentes são decorrentes de pequenas adaptações feitas para contornar a falta de recursos. Em virtude dessa demanda, a idéia do trabalho surgiu como uma proposta de equipamentos alternativos, de baixo custo que permitisse, com segurança, a realização dos experimentos em laboratório de ensino de Ciências, mais especificamente ensino de Química. Foram montados dois equipamentos alternativos: uma chapa de aquecimento montada a partir de um ferro elétrico de passar roupa convencional; e um calorímetro feito com espuma isolante de poliuretano (PU) e outros materiais alternativos. Estruturalmente o artigo será dividido em duas partes conforme o equipamento montado, e são apresentadas os processos e experimentos usados para testar a aplicabilidade do equipamento em uma situação real de ensino médio. MONTAGEM DE UMA CHAPA DE AQUECIMENTO Uma chapa de aquecimento é um aparelho pouco difundo no laboratório de ensino em escolas de educação básica em virtude do seu elevado custo e, como alternativa para o aquecimento de substâncias em geral, as escolas utilizam bicos de gás 1 ou lamparinas. A preocupação na manipulação desses sistemas que envolvem chamas é o fato de que eles podem provocar acidentes graves durante o aquecimento de substâncias inflamáveis, como solventes orgânicos, ou ainda, para as lamparinas há o risco associado a seu combustível, que, em geral, trata-se de álcool etílico ou querosene. Uma chapa de aquecimento alternativa pode ser montada usando a base de um ferro de passar roupa previamente desmontado. MATERIAIS E MONTAGEM Foi utilizado um ferro elétrico usado para passar a seco da Marca Britânia, modelo FB23, de potência 1000 W, operando sob uma tensão de 127 V e a freqüência da rede elétrica 1 Existem vários tipos de bico de gás, o bico de Bunsen é o mais comum em laboratórios de ensino de educação básica; temos ainda o modelo chamado de bico de Meker e o bico de Teclu.

3 entre 50 e 60 Hz; furadeira e parafusos metálicos para serem usados como os pés de sustentação. Inicialmente toda a parte plástica externa do ferro de passar roupa foi retirada, cuidando para que o controle de temperatura ficasse protegido e mantendo a luz indicativa do funcionamento do sistema. Em seguida, furou-se, em três pontos da parte plástica interna que permaneceu intacta e inseriu-se os parafusos que funcionam como suporte da chapa de aquecimento, após controle da altura dos parafusos, a chapa está pronta para funcionar. O botão de controle da temperatura ficou na posição de máximo aquecimento e houve um cuidado para manter a lâmpada indicativa do aquecimento. As figuras 1 e 2 mostram a chapa de aquecimento após a montagem. Figura 1: Chapa de Aquecimento vista de baixo. Figura 2: Chapa de aquecimento em funcionamento. TESTES DE EFICIÊNCIA DO EQUIPAMENTO Foram realizados três testes para verificar a eficiência no funcionamento do equipamento: (1) aquecimento de uma massa de água conhecida, afim de relacionar a potência do equipamento com o tempo; (2) medida direta da temperatura da superfície com o objetivo de verificar a estabilidade no controle da temperatura; (3) utilização em uma situação real de funcionamento, a chapa foi usada para calibrar um sensor de temperatura montado com uma

4 resistência elétrica de uma lâmpada de 40 W e 110 V, conforme a figura 3, para esse último teste objetivou-se a viabilidade prática de utilização do equipamento. Figura 3: Montagem experimental para construção de um sensor de temperatura utilizando uma chapa de aquecimento alternativa. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados dos tetes de eficiência do equipamento são sumarizados na tabela 2 apresentada a seguir: Tabela 2: Resultados dos testes realizados com a chapa de aquecimento. Teste (1) Aquecimento de uma massa de água (2) Medida da temperatura na superfície da chapa (3) Utilização da chapa de aquecimento em uma situação real Resultado observado Usando 200 ml de água, verificamos que a temperatura passou de 30 a 60 C em 10 min e 2 s. A temperatura máxima do líquido é 80 C, independente da quantidade de água utilizada e do tempo de aquecimento. Em uma medida direta com um termômetro de 20 a 300 C, verificou-se que a temperatura ficou estável entre 153 e 155 C. A chapa de aquecimento foi usada para calibrar um sensor de temperatura e foi criada a curva de calibração, apresentada pela figura 4, cuja equação, obtida pelo método dos mínimos quadrados,

5 é dada por y = 0,3814 x + 84,482, o coeficiente de correlação (R²) para a curva é 0, Resistência (ohm) y = 0,3814x + 84,482 R 2 = 0, Temperatura ( C) Figura 4: Curva de calibração para um sensor de temperatura usando uma chapa de aquecimento. Durante o aquecimento verificou-se que elevada potência do ferro de passar roupa (1000 W), se comparado a uma chapa de aquecimento convencional (aproximadamente 600 W) faz com que o tempo de aquecimento seja rápido, isso facilita o tempo relativamente curto das aulas práticas do ensino médio. Uma desvantagem desse sistema de aquecimento é a temperatura máxima que a água consegue atingir, pois limita o uso a sistemas orgânicos. Com relação à medida direta com o termômetro, não se objetivava medir a temperatura na superfície, visto que para isso são usados equipamentos especiais, a medida direta é usada apenas para verificar a estabilidade da temperatura. A variação de 2 C na temperatura da superfície nos mostra a grande estabilidade desse equipamento. E, graças à estabilidade do sistema, e com um ajuste no controle da temperatura, a chapa pode ser utilizada com um substituto de um banho-maria. Podemos notar que há uma pequena lâmpada, mostrada na figura 5 a seguir, que nos informa o processo de aquecimento quando ligada, e esse teste nos mostra o funcionamento adequado desse sistema de controle. Com relação ao teste de uma situação real, um sensor de temperatura foi calibrado em um sistema aquecido diretamente na chapa de aquecimento. Observamos que o valor do coeficiente de correlação R² para a curva em questão apresenta um alto grau de confiabilidade da equação obtida, o que nos permite extrapolar a utilização para situações cotidianas e a constância do aquecimento nos permite utilizar na situação indicada. Essa chapa de aquecimento foi utilizada cerca de 20 h em atividades experimentais em cursos de extensão promovidos pela

6 Editora Positivo nos meses de março e abril, e os resultados foram consistentes com os obtidos nos testes preliminares. Figura 5: Lâmpada indicativa do termostato na chapa de aquecimento. MONTAGEM DE UM CALORÍMETRO Um calorímetro é um equipamento utilizado tanto na disciplina de Química quanto em Física, e nos permite estudar as trocas de calor entre sistemas de maneira conservativa, ou seja, ele evita que parte do calor trocado em um processo perca-se para o ambiente. Conceitualmente podemos dizer que é a situação mais próxima de um sistema isolado, e, apesar de sabemos que na prática isso não ocorre, podemos efetuar medidas com alto grau de confiabilidade. A proposta de montagem envolve uma espuma de poliuretano comercial que depois de expandida apresenta pequenos espaços de ar seco, essa característica faz com que ela atue como isolante térmico. MATERIAIS E MONTAGEM A base externa de sustentação do calorímetro foi feita com um pote plástico, com tampa, usado para guardar alimentos. O sistema de isolamento é obtido de uma espuma de poliuretano comercial, utilizada para vedar portas e janelas em construção civil. A parte interna, que servirá de recipiente é um béquer de 100 ml. Pela tampa é inserido um termômetro de escala 10 a 110 C protegido por uma borracha, adaptada de um conta-gotas. A montagem iniciou-se furando, com o auxílio de uma faca, o pote plástico, com orifícios do tamanho de 0,5 a 1 cm, com cerca de 10 furos por face lateral, conforme pode ser visto na figura 6. Essa etapa é importante, pois, para que a reação de polimerização do poliuretano ocorra é necessário a presença do oxigênio do ar. Utilizando luvas, colocou-se a espuma de poliuretano no interior do pote plástico até aproximadamente 60% do seu volume. Em seguida, inseriu-se o béquer centralizado na espuma e

7 manteve-se um controle da altura desse béquer por aproximadamente 45 min para a expansão final da espuma, conforme as figuras 7 e 8. Após esse tempo deixou-se secar por 24 h e cortou-se os excessos com uma faca de cozinha. A secagem completa só se deu em 48 h. Enquanto ocorre a secagem completa, furou-se a tampa do pote plástico e inseriu-se a parte de borracha de um conta-gotas cortada na extremidade, essa etapa é necessária para proteger o termômetro, conforme as figuras 9, 10 e 11. Figura 6: Preparação inicial para montagem do calorímetro. Figura 7: Primeira etapa de montagem do calorímetro, com a adição da espuma de poliuretano. Figura 8: Controle da altura do béquer durante a secagem prévia.

8 Figura 9: Calorímetro seco após 24 h. Figura 10: Preparação da tampa do calorímetro para acoplagem do termômetro. Figura 11: Calorímetro pronto com o termômetro adaptado.

9 TESTES DE EFICIÊNCIA DO EQUIPAMENTO Foram realizados dois testes para verificar o funcionamento do equipamento: o primeiro foi a determinação da capacidade térmica do calorímetro, considerando o equilíbrio térmico de duas massas de água em diferentes temperaturas, adaptado de Matsumoto, Esse procedimento consiste em adicionar 40 ml de água destilada, à temperatura ambiente, no calorímetro e anotar a sua temperatura (T 1 ). Em seguida, aquecer uma porção de água destilada até uma temperatura aproximada de 50 C. Medir 40,0 ml desta água quente numa proveta e anote a sua temperatura (T 2 ). Adicionar rapidamente a água aquecida à água fria, no interior do calorímetro, tampá-lo e anotar a temperatura da mistura em intervalos de dez segundos, até que o equilíbrio térmico seja atingido (T 3 ). O procedimento foi feito em duplicata, tomando o cuidado de aguardar o resfriamento do calorímetro até a temperatura ambiente, antes de iniciar uma nova medida. Uma vez que a quantidade de calor cedido pela água quente é igual à quantidade de calor recebido pelos componentes do sistema (considerando desprezível qualquer perda de calor para o ambiente), pode-se dizer que q (total) é igual a 0. Assim se pode calcular: q (recebido p/ água fria) + q (recebido p/ calorímetro) + q (cedido p/ água quente) = 0 q (recebido p/ água fria) = m (H2 O) c (H2 O) (T 3 T 1 ) q (cedido p/ água quente) = m (H2 O) c (H2 O) (T 3 T 2 ) q (recebido p/ calorímetro) = C (calorím.) (T 3 T 1 ) O segundo teste foi adaptado do mesmo referencial e determinou-se a entalpia de neutralização de um ácido forte com uma base forte, cuja reação pode ser representada por: H + (aq) + OH (aq) H 2 O (l) Os reagentes utilizados foram 40 ml de ácido clorídrico em solução aquosa 1,0 mol/l e 40 ml de hidróxido de sódio na mesma concentração em quantidade de matéria. O procedimento consiste em medir, em uma proveta, 40 ml de solução de ácido clorídrico, 1,0 mol/l e colocar no calorímetro. Medir o volume da solução de hidróxido de sódio, necessário para neutralizar os 40 ml de ácido. Anotar a temperatura do hidróxido de sódio, que deve ser aproximadamente a mesma do ácido, podendo-se tolerar uma diferença de até 0,2 C. Adicionar com cuidado a solução de hidróxido de sódio à solução ácida contida no calorímetro e agite. Anotar a temperatura máxima alcançada. Calcular a entalpia através do balanço energético da reação de neutralização de hidróxido de sódio e ácido clorídrico. q (reação) + q (solução) + q (calorím.) = 0. Cada termo da equação acima é dado pelas fórmulas:

10 q (reação) = calor liberado pela reação = n (H2 O, formada). H (neutral.) ; q (solução) = calor absorvido pela solução = m (H2 O). c (H2 O). T; q (calorím.) = calor absorvido pelo calorímetro = C (calorím.). T. RESULTADOS E DISCUSSÃO Inicialmente a determinação da capacidade térmica do calorímetro foi feita com utilizando a metodologia citada anteriormente, em duplicata, os resultados e a sua média estão apresentados na tabela 3. Tabela 3: Resultados para a determinação da capacidade térmica do calorímetro. Determinação T 1 ( C) T 2 ( C) T 3 ( C) Média 20, Calculando a capacidade térmica do calorímetro, usando o valor médio, temos: (30 20,5) (30 47) + C (calorím.). (30 20,5) = 0 C (calorím.). 9,5 = C (calorím.) = 31,6 cal/ C = 132,2 J/K Utilizando o calorímetro para determinar a entalpia de neutralização ácido-base, temos que a variação de temperatura ( T) foi de 5,0ºC na média da duplicata do experimento. Calculando a entalpia, temos então: q (reação) + q (solução) + q (calorím.) = 0 n (H2 O, formada). H (neutral.) + m (H2 O) c (H2 O) T + C (calorím.) T = 0, Usando 40 ml de uma solução 1 mol/l, temos n = 0,04 mol de água formada. A massa total de água é 80 g e C do calorímetro é 132,2 J/K, então: 0,04. H (neutral.) ,18. 5, ,2. 5,0 = 0 H (neutral.) = J = 58,4 kj/mol Na literatura o valor encontrado para a reação citada é 55,8 kj/mol, com isso, calculamos o erro experimental igual a 4,66%. CONCLUSÕES

11 Com base nas montagens efetuadas e nos testes elaborados, concluímos que os equipamentos propostos substituem, com alto grau de segurança, os equipamentos convencionais. Além da estabilidade durante o uso, situações reais em laboratório de ensino puderam ser reproduzidas com alto grau de confiabilidade. Outro ponto importante é o baixo custo da elaboração dos equipamentos sugeridos se comparados com os equipamentos originais. REFERÊNCIAS ALIDE, David (editor). Handbook of Chemistry and Physics. London: CRC Press, 84 th INEP. Estatísticas da Educação Básica. Disponível em: Acesso: 10 set MATSUMOTO, Flávio M. Manual de instrução para aulas práticas. UFPR: Curitiba. Disponível em: Acesso: 03 set