MODELOS USADOS EM QUÍMICA: CINÉTICA NO NÍVEL SUPERIOR. Palavras-chave: Modelos; Cinética Química; Compostos de Coordenação.

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1 MDELS USADS EM QUÍMICA: CINÉTICA N NÍVEL SUPERIR André Luiz Barboza Formiga Deparameno de Química Fundamenal, Insiuo de Química, Universidade de São Paulo. C.P. 6077, CEP , São Paulo, SP, Brasil. aformiga@iq.usp.br Joana Mara Sanos Dep. de Química Geral e Inorgânica, Insiuo de Química, Universidade do Esado do Rio de Janeiro. Rua São Francisco Xavier, 54, RJ, Brasil. CEP joanams@uerj.br Resumo Uma meodologia de ensino do ema 'Cinéica Química' é proposa para o nível superior, valorizando as aiudes consruivas. Diversas aividades são apresenadas, de modo que o esudo do ema seja conexualizado pela invesigação de reações envolvendo composos de coordenação. raameno dos dados cinéicos é realizado aravés de inegração numérica uilizando-se planilhas elerônicas, cujo objeivo é desenvolver, com os alunos, a uilização do microcompuador como ferramena para a ciência. Essas aividades permiem desenvolver os raciocínios necessários para a consrução dos modelos explicaivos de mecanismos de reações, uma vez que os alunos são moivados a enconrar resposas aravés da invesigação cienífica. Palavras-chave: Modelos; Cinéica Química; Composos de Coordenação. Inrodução Na química moderna, os modelos explicaivos esão longe de serem definiivos ou eernos. Um problema pouco discuido em educação é a quesão dos modelos de mecanismos de reações químicas. Se a própria reação nada mais é do que um modelo para aconecimenos, seus mecanismos, ou seja, a maneira como as ransformações realmene ocorrem é, para nós, um problema cenral. Muios mecanismos só podem ser deduzidos com o auxílio de complexos sisemas cinéicos que permiem julgar a maneira como as moléculas esão se comporando. prêmio Nobel de Química de 1999 foi ouorgado ao químico Ahmed Zewail, por seus esudos de esados de ransição de reações químicas por meio de especroscopia em femosegundos [1]. Quando valorizamos as aiudes consruivas na formação do professor de química, além de incenivarmos a idéia do professor-pesquisador, esaremos eviando que no ensino de química a aprendizagem seja passiva pelo formao exposiivo das aulas. Esse rabalho propõe uma nova abordagem do ema cinéica química no ensino de química de composos de coordenação no nível superior. Duas esraégias didáicas seriam uilizadas em conjuno: a uilização de dados experimenais reirados de arigos cieníficos e a realização de experimenos de acompanhameno cinéico com os alunos, empregando-se planilhas elerônicas para resolver cálculos numéricos. 1 de 5

2 odologia LIMA, PINA e al [] aponam que uma das causas da falência do ensino de química no nível médio é a deficiência na formação de professores, que reforça a aprendizagem passiva pelo formao exposiivo das aulas, fazendo com que os fuuros professores esejam mais adapados a aiudes recepivas do que consruivas, fao que é reproduzido nas suas práicas docenes. LAGWSKI [3] discue a formação de profissionais de química no nível superior, sugerindo que deve haver maior esudo e aplicação das Teorias da Aprendizagem pelos professores universiários, redefinindo a inegração das aulas experimenais com as aulas eóricas. Esse auor ambém lembra a uilização da ecnologia digial, que deve ser explorada no ensino superior. Esses faos moivaram-nos a propor uma nova abordagem do ema "Cinéica Química" no ensino de Química de Composos de Coordenação no nível superior. A esraégia didáica inicial consise em uilizar dados experimenais reirados de arigos cieníficos previamene escolhidos pelo professor. s alunos são convidados a enconrar os arigos em insrumenos de busca e em biblioecas. Dessa forma os alunos são levados a se familiarizar com a pesquisa e a busca de informações em fones de comunicação cienífica. De posse dos dados e dos problemas a serem esudados, o professor leva os alunos a consruírem as idéias e os modelos. A uilização do microcompuador é inroduzida para a análise dos dados, empregando planilhas elerônicas para resolver equações diferenciais aravés do cálculo numérico. Esse ipo de raameno de dados em se mosrado muio eficiene no esudo de complexos sisemas cinéicos [4] e a proposa desse rabalho é inroduzí-lo de forma simples e, lenamene, aumenar a complexidade dos sisemas analisados com os alunos. As aividades proposas nese rabalho devem ser uilizadas para desenvolver os conceios de reações de composos de coordenação. Para al, o professor já deve er abordado modelos de ligação e esruura de composos de coordenação. Resulados e Discussão Cinco aividades referenes ao ensino de cinéica química, numa ordem crescene de complexidade, são apresenadas no esquema abaixo. Inicialmene, os alunos são convidados a enconrar e ler os arigos que serão uilizados nas aividades seguines. Esses arigos fornecem dados para os esudos cinéicos e permiem desenvolver o modelo maemáico de cálculo, bem como diversos ópicos da química de coordenação, da química analíica, da físicoquímica e da química orgânica. Busca de informações na lieraura Consrução do modelo maemáico de cálculo em planilhas elerônicas Cinéica de um sisema simples reversível Inrodução dos parâmeros de aivação e Modelo de mecanismo de reação Procedimeno Experimenal de 5

3 Primeira Aividade: a Busca de Informações Nesa proposa de abordagem serão uilizados, nesa seqüência, os rabalhos lisados a seguir: A) WEISS, H. M.; TUCHETTE, K. "A simple second-order kineics experimen". Journal of Chemical Educaion, v. 67, n o. 8, , [5] B) BRDERIE, B.; LAVABRE, G. e al. "A simple mehod for analyzing firs-order kineics". Journal of Chemical Educaion, v. 67, n o. 6, , [6] C) PHILLIPS, W. M.; CHI, S.; LARRABEE, J. A. "Kineics of penaammine-niriocobal(iii) o penaamminenirocobal(iii) linkage isomerizaion, revisied". Journal of Chemical Educaion, v. 67, n o. 3, 67-69, [7] professor deve fornecer as esraégias para enconrar os arigos, além de incenivar a cooperação enre os alunos, ano na busca das informações quano na inerpreação dos arigos. Ao ler o primeiro arigo, os alunos serão apresenados ao problema e ao raameno maemáico clássico enconrado na lieraura. Segunda Aividade: a Consrução do Modelo Maemáico Tomando o arigo A como exemplo para dealhameno da proposa: Ao ler esse arigo, os alunos poderão perceber que o acompanhameno de uma reação pode ser feio aravés da variação da inensidade da absorção de luz ao longo do empo. A reação esudada no arigo é a dimerização de,5-dimeil-3,4-difenilciclopenadiona. monômero (mono) é colorido, mas o dímero (di) não. Dessa forma, os alunos podem perceber que a absorção de luz é devida somene à presença do monômero. arigo fornece o coeficiene de exinção (consane de absorividade molar a 460 nm, ε 460 5), que permie calcular as concenrações pelos dados fornecidos de absorvância ao longo do empo. Aravés desses dados os alunos podem calcular as concenrações do monômero e do dímero ao longo do empo. A concenração do dímero pode ser esimada da seguine forma, de acordo com a reação: 1). κ monômero dímero κ Logo, em um empo qualquer: inicial [ di] Dessa forma, as concenrações das espécies presenes podem ser calculadas (Tabela Tabela 1. Concenrações das espécies monomérica e dimérica em função do empo. Tempo (min) A 460 a [mono] [di] b 0 1,0 5,33 x ,00 5 1,10 4,89 x 10 3, x ,00 4,44 x ,44 x ,89 3,96 x ,89 x ,81 3,60 x ,67 x ,77 3,4 x ,56 x ,7 3,0 x ,07 x ,67,98 x ,18 x ,59,6 x ,36 x 10 3 a) concenração / mol.l -1 b) Equações de a ordem [mono] [di] empo / min 3 de 5

4 55 0,54,40 x ,47 x ,48,13 x ,60 x ,45,00 x ,67 x ,33 1,47 x ,93 x 10 3 a Dado fornecido no arigo; b Calculado nese rabalho concenração / mol.l -1 Equações de 1 a ordem [mono] [di] empo / min Figura 1. Gráfico de concenrações versus empo, (a) considerando-se cinéica de a ordem. (b) considerandose cinéica de 1 a ordem. Também no arigo, os alunos podem verificar que a equação da velocidade pode ser expressa da n seguine forma: velocidade κ C, onde C é a concenração do monômero e n a ordem da reação. Quesionando a possível exisência de ouros méodos para deerminar o valor da ordem (n) da reação, diferenes daqueles apresenados no arigo, surge a idéia de confronar uma curva calculada e oura experimenal, de modo que, por enaiva-e-erro, enconre-se um valor de κ que sobreponha as duas curvas. Para isso, uiliza-se como sugesão o méodo numérico de Euler- Cauchy para resolver equações diferenciais [8]. méodo deve ser apresenado inuiivamene aos alunos. As equações de velocidade podem ser escrias para diferenes ordens. s alunos são esimulados a escrever as equações, supondo a reação de segunda ordem como descrio no arigo: mono] di] velocidade κ d d Essa equação pode ser desenvolvida assim: mono] + + κ d ( + ) + κ (1) Dessa forma, a concenração do monômero pode ser previsa com base na concenração de um pono anerior. mesmo raciocínio pode ser seguido para a concenração do dímero: 1 [ di] + [ di] + κ () Com base nas equações (1) e (), pode-se consruir uma planilha elerônica de modo a simular uma curva de variação da concenração ao longo do empo. Consruindo um gráfico em que possam ser superposas as duas curvas, experimenal e calculada, os alunos enariam enconrar um valor de κ para que a curva calculada seja idênica à experimenal. Quando se uiliza o valor de κ enconrado no arigo (κ 4,1 L.mol 1.min 1 ), o gráfico da Figura 1a é obido, onde as figuras geoméricas represenam os dados experimenais e as linhas cheias as curvas calculadas. s alunos poderão ser esimulados a desenvolver as equações para o caso da ransformação ocorrer em primeira ordem e, após consrução da nova planilha elerônica, perceberão que não será possível enconrar um valor de κ adequado usando as equações de primeira ordem (Figura 1b). Deve ficar bem claro que os valores calculados se sobrepõem aos valores experimenais somene quando se uilizam as equações correas e que esse méodo é úil para calcular a ordem e ambém para enconrar os valores das consanes de velocidade. Nesse caso esudado, uma reação orgânica, os alunos ambém poderão perceber que a análise cinéica pode ser empregada em qualquer sisema químico. Esse pono é imporane para levar os alunos a compreenderem que as diversas disciplinas que compõem o esudo da química esão inerligadas. A 4 de 5

5 físico-química, a química orgânica e a química inorgânica, por exemplo, não são pares isoladas do conhecimeno e seus conceios devem esar sempre presenes na análise de um problema de química. Conclusões conjuno de aividades proposas em como criério básico a idéia da dinamicidade que deve exisir no processo ensino-aprendizagem. Ao longo das aividades, os alunos são apresenados a problemas cada vez mais complexos, favorecendo a compreensão, uma vez que cada aividade necessia de conhecimenos consruídos aneriormene e inroduz novos conceios que serão uilizados em aividades poseriores. Esse nível crescene de complexidade pode ser observado no que diz respeio aos modelos maemáicos e aos modelos microscópicos envolvidos. Quano aos arigos proposos, o arigo A compreende um sisema com uma reação nãoreversível de a ordem. s arigos B e C compreendem sisemas reversíveis de 1 a ordem nos dois senidos, sendo que nese úlimo são inroduzidos os cálculos dos parâmeros de aivação. Quano aos modelos microscópicos, primeiramene é uilizada uma dimerização e poseriormene duas isomerizações. Referências bibliográficas [1] RCHA-FILH, R. C.; Quím. Nova Esc., 10, 14-16, [] LIMA, J. F. L.; PINA, M. S. L. e al.; Quím. Nova Esc., 11, 6-9, 000. [3] LAGWSKI, J. J.; J. Chem. Educ., 77, , 000. [4] SANTS, J. M.; CIPRIAN, C. e al.; Can. J. Chem., 75, , [8] CE, D. A.; J. Chem. Educ., 64, , de 5