Projeto: Praticando a eletroquímica Apresentação Justificativa Muitos conteúdos que constam no currículo da disciplina de Química dão origem a fenômenos que podem ser visualizados em nosso dia-a-dia. No entanto, na maior parte das vezes, os alunos não conseguem fazer correlação entre o que aprendem durante as aulas e fatos que observam em seu cotidiano. Dessa forma, por considerarem os assuntos trabalhados como distantes de sua realidade, apresentam dificuldades e desinteresse. Reações de oxirredução são comumente vistas e utilizadas pela população em geral nas atividades diárias. Apesar disso, o fato de um portão enferrujar, um cordão de prata ficar escurecido, uma pilha permitir o funcionamento de diferentes aparelhos e o significado de termos com folheado a ouro ou cromado, não são relacionados pelos alunos ao aprendizado da eletroquímica. Através deste projeto, busca-se fazer a contextualização do assunto proposto para o 2º bimestre do 3º ano do Ensino Médio, com a realização de atividades práticas e mais dinâmicas, a fim de promover uma experiência pedagógica mais significativa junto aos alunos. Objetivos - Visualizar com o uso de um multímetro e calcular a energia elétrica envolvida numa transformação química, compreendendo a sua aplicação em pilhas e baterias. - Construir o conceito de espontaneidade de uma reação de oxirredução a partir da observação, sendo capaz de utilizar uma série de reatividade para realizar previsões. - Observar e entender o fenômeno da corrosão e de proteção dos metais a partir da série de reatividade de óxido-redução. - Compreender a eletrólise como um processo não espontâneo através de sua visualização e exemplificar com alguns de seus principais usos (cromação, obtenção dos gases hidrogênio e oxigênio e produção de sulfato de cobre). - Reconhecer os aspectos ambientais envolvidos no descarte de pilhas e baterias utilizadas em equipamentos eletrônicos e na reciclagem das embalagens de alumínio.
Recursos necessários - Vidrarias: placas de Petri, béqueres, tubos de ensaio - Sulfato de cobre - Palha de aço (bombril), pregos novos, placas de zinco, de alumínio, fios rígidos de cobre, grafite de lápis - Limões - Pedaço de suporte de ovos para fixar os limões - 6 garras de jacaré montadas nas pontas de 3 pedacos de fio comum - Pilhas comerciais de 1,5 volts (AA e AAA), baterias de 9 volts e de 12 volts - Pilha comercial zinco carbono aberta para visualização dos componentes - Leds de 1,5 volts - Multímetro - Livro didático - Ácido sulfúrico - Pote de vidro de 500mL com tampa de metal - 2 espiras de fios de cobre - Fonte de notebook com a extremidade dos fios desencapada Conteúdos Curriculares envolvidos no Projeto - Conceitos de número de oxidação, reação de oxirredução, agente redutor e oxidante. - Transformações de energia (química em elétrica e vice-versa) - Histórico e funcionamento da Pilha de Daniell - Força eletromotriz - Metais de sacrifício - Aspectos históricos, quantitativos e funcionamento da eletrólise - Química ambiental - poluíção
Abrangência/Campo de Aplicação O projeto foi realizado com duas turmas do 3º ano do Ensino Médio (3001 e 3002) abrangendo um total de 32 alunos. Metodologia A primeira aula da sequência proposta foi teórica, onde foi feita uma revisão do conceito de átomo e de suas partes constituintes, cátions, ânions e tabela periódica. A partir disso, chegamos ao NOX ( número de oxidação) e estudamos as regras para o cálculo em substâncias isoladas. Na sequência discutimos a aplicação disso nas reações químicas. Na segunda aula, foi explicado o conceito de agente redutor e agente oxidante; foram realizados dois experimentos adicionando palha de aço (bombril) a uma placa de Petri que continha solução de sulfato de cobre (líquido de cor azul) e um pedaço de zinco em outra placa também com CuSO 4(aq). Após observar as mudaças de coloração ocorridas (o bombril - constituído de ferro - e a superfície do zinco adquiriram a cor amarronzada e a solução ficou incolor), as reações químicas ocorridas foram explicadas e os agentes (redutor e oxidantes) foram identificados em cada caso e foi solicitado um relatório da atividade: Fe (s) + CuSO 4(aq) Cu (s) + FeSO 4(aq) A.R = Fe A.O = Cu +2 Zn (s) + CuSO 4(aq) Cu (s) + ZnSO 4(aq) A.R = Zn A.O = Cu +2 Na terceira aula, teórica, foram apresentados aspectos históricos das pilhas e o funcionamento da pilha de Daniell, com a utilização do livro didático, imagens e vídeos no computador (https://www.youtube.com/watch?v=oeuwye1csii e https://www.youtube.com/watch?v=ov81rxsprry). Foram enfatizados o significados dos termos cátodo, ânodo, ponte salina, eletrodos, além de mostrar nas imagens a corrosão, o aumento de massa dos eletrodos e a diferença entre reações espontâneas e não-espontâneas. Na quarta aula, foi realizado o experimento da pilha de limão, a princípio usando eletrodos de zinco e cobre; com esta montagem foi possível fazer funcionar uma calculadora - originalmente alimentada por uma pilha de 1,5 volts (AA) - e acender um led (também da mesma voltagem). O multímetro digital foi apresentado aos alunos e utilizamos este aparelho para aferir a DDP (diferença de potencial) dos metais nessa montagem, que nos dá a voltagem produzida pela pilha. Foram feitas diferentes combinações com os eletrodos disponíveis (ferro - alumínio, zinco - alumínio, ferro - cobre, zinco - cobre, alumínio - cobre, grafite - ferro, grafite - alumínio, grafite - zinco, grafite - cobre) e para cada uma foi feita a aferição com o multímetro. Depois dessa primeira parte, foi apresentada aos alunos a fila de reatividade dos metais e a tabela de potenciais-padrão de redução, assim como a fórmula que pode ser usada para o cálculo da fem(força eletromotriz). Foram feitos os cálculos das combinações de eletrodos citadas acima e discutiu-se que a divergência observada entre os dados obtidos do multímetro e do cálculo, deve-se a fatores como a
temperatura e pressão do ambiente, assim como a pureza dos materiais. A seguir, utilizamos o multímetro para aferir a voltagem das pilhas comerciais e das baterias, aproveitando para comentar que as últimas são associações de pilhas (a de 9 volts, por exemplo, tem em seu interior 6 pilhas de 1,5 volts). Correlacionamos ainda o esquema de uma pilha comercial com os seus componentes, enfatizando a função de cada um para a geração de energia. Foi solicitado que os alunos trouxessem para a próxima semana uma pesquisa sobre os problemas ambientais acarretados pelo descarte incorreto das pilhas e baterias. Na quinta aula, realizamos uma mesa redonda a fim de expor os resultados da pesquisa e comentar particularidades relacionadas ao assunto como as pilhas miniaturas usadas em aparelhos auditivos, as pilhas/baterias recarregáveis e as células de combustível. Foi montado um experimento sobre corrosão para ser observado na semana seguinte: colocamos 5 pregos novos dentro de 5 tubos de ensaio presos a um suporte. O primeiro tubo ficou apenas com o prego; ao segundo tubo acrescentou-se água de torneira; ao terceiro, água destilada e uma fina camada de óleo de cozinha; ao quarto, água da torneira e sal de cozinha; no quinto tubo, o prego foi lixado e adicionou-se água da torneira e sal de cozinha. O objetivo do experimento era visualizar fatores que favorecem e fatores que dificultam a formação de ferrugem. Na sexta aula, iniciamos com a observação do experimento montado na semana anterior. Os alunos fizeram anotações e registros fotográficos para a elaboração de um relatório, onde também deveriam abordar técnicas usadas para a proteção dos metais (pintura, lubrificação, utilização de metais de sacrifício). Dando continuidade à aula, foram abordados aspectos históricos, significado, aplicações, tipos e particularidades em relação à eletrólise. Foram projetados vídeos sobre a obtenção industrial do alumínio e do cobre a partir dos seus minérios (https://www.youtube.com/watch?v=4mi9e3_nyg0 e https://www.youtube.com/watch?v=ljlfwx5 inf4&t=104s). Na sétima aula, foram explicados e montados experimentos sobre eletrólise: > produção do CuSO 4 a partir de ácido sulfúrico em contato com as espiras de cobre ligadas a uma fonte de notebook com os fios da ponta separados, retirados do conector; > cobreação de uma chave utilizando sulfato de cobre em solução e uma fonte de 19V; > eletrólise da água, utilizando dois tubos de ensaio onde foram inseridos bastões de grafite ligados a pedaços de fio. Adicionou-se aos tubos água com uma pequena quantidade de NaOH e os dois foram emborcados em um recipiente retangular contendo a mesma solução; os fios foram ligados a uma fonte de 8,5V. Após aproximadamente 50 minutos, pudemos ver o resultado, ouvindo um pequeno estouro ao aproximar um fósforo aceso do tubo que acumulou gás hidrogênio (inflamável) e o aumento da chama do fósforo quando próximo à boca do tubo que continha O 2 (comburente). Na última aula da sequência observamos o resultado dos dois primeiros experimentos relatados acima, quando aproveitamos para realizar o cálculo (a partir das leis de Faraday) da quantidade em gramas do cobre depositado. Discutimos sobre a diferença entre as reações espontâneas (pilhas) e não-espontâneas (eletrólise), assim como sobre os resultados obtidos no experimento de corrosão dos pregos, falando sobre a importância das transformações de energia e suas aplicações em nossas atividades diárias.
Adequação das propostas caso haja alunos com necessidades educacionais especiais NEE As turmas alvo do projeto não possuem alunos com necessidades educacionais especiais. Avaliação Os alunos, durante as aulas, tiveram contato e visualizaram de diferentes formas como o assunto proposto no currículo está presente no cotidiano deles e puderam compreender melhor algumas informações sobre as pilhas e baterias. Durante as atividades prática, eles tiveram contato com um multímetro e puderam relacionar o uso das fórmulas para o cálculo da DDP. Os alunos foram avaliados durante toda a sequência didática em relação à sua interação e participação nas discussões, através da pesquisa proposta, dos relatórios de prática realizados e pela aplicação de uma avaliação escrita ao final do processo. Autoavaliação Durante a realização desta sequência o meu aprendizado foi relacionado à didática das atividades a serem realizadas e também à organização e controle das turmas durante as mesmas, pois ao fugir do padrão da sala de aula os alunos ficam mais dispersos. Ao pesquisar os experimentos que fossem adequados ao tema, também pude aprofundar meus conhecimentos teóricos. Já havia trabalhado este conteúdo anteriormente de forma tradicional e verifiquei que os resultados foram melhores com a utilização desta sequência. Materiais Vídeo: Eletrólise da água, disponível em https://youtu.be/_og-kay-g-e Experimento: oxidação