Guia do professor Introdução Um dos objetivos comuns ao ensino de química e de física é a caracterização da matéria a partir de suas propriedades. Uma substância pode ser definida como uma porção de matéria que apresenta propriedades específicas. São exemplos de propriedades específicas estudadas no ensino médio: densidade, temperatura de ebulição, temperatura de fusão, solubilidade (especialmente em água), entalpia de fusão e entalpia de vaporização, calor específico, coeficiente de dilatação, índice de refração, calor latente de fusão e calor latente de vaporização, entre outros. Entretanto, essas grandezas são, geralmente, apresentadas de maneira independente pelas disciplinas de química e de física, e muitas vezes sem que haja referência à sua importância ou sua aplicação na caracterização das substâncias. Frequentemente, esse papel é relegado apenas aos conceitos de densidade, temperatura de fusão, temperatura de ebulição e solubilidade. Compreender o significado do que é uma substância e perceber como a ciência classifica e caracteriza os diferentes materiais são processos fundamentais para o desenvolvimento do conhecimento científico. A partir dessa caracterização é que serão estabelecidos os modelos atômicos e os modelos de ligação química e de interações intermoleculares, procurando explicar as diferenças entre os materiais e suas propriedades. O presente objeto de aprendizagem se propõe a simular a caracterização de substâncias a partir de sua curva de aquecimento. São seis amostras a serem analisadas. O aluno/pesquisador deve escolher a amostra a ser investigada (A a F), sua temperatura inicial, sua massa e o tempo de aquecimento. O resultado da análise é fornecido através da curva de aquecimento da amostra selecionada, nas condições escolhidas e uma animação indica o seu estado físico. O aluno deve realizar, pelo menos, mais uma análise com a mesma amostra em condições diferentes para, então, tentar
determinar qual é a substância procurada. Para isso, durante todo o processo, o usuário pode acessar uma tabela de propriedades. Pretende-se que o aluno perceba a regularidade das curvas de aquecimento de uma substância sob fonte de calor constante. Essas curvas apresentam elevação de temperatura linear em função do tempo e patamares com temperatura constante durante as mudanças de fase (sólido-líquido e líquido-gás). A atividade permite verificar que as temperaturas de fusão e ebulição são características da substância, e independem do tempo de aquecimento, da massa da amostra ou da temperatura de início de aquecimento e, portanto, podem ser um parâmetro prático para a identificação da amostra. O programa também permite uma análise quantitativa das curvas de aquecimento obtidas, possibilitando o desenvolvimento dos conceitos de calor latente de fusão e ebulição e de calor específico. Dessa forma, esse objeto de aprendizagem permite o diálogo entre as disciplinas química e física, aproximando conceitos trabalhados, geralmente, de forma independente em cada disciplina. O aluno compreende que os conceitos desenvolvidos nas duas disciplinas apresentam o objetivo comum de caracterizar a matéria e o seu comportamento frente ao aquecimento. Para o desenvolvimento do segundo objetivo é necessário preparar um roteiro que incentive a análise dos gráficos obtidos, seja das retas de aquecimento, seja dos patamares de mudança de estado. O aluno deve perceber que o tempo de mudança de estado ou de determinado intervalo de aquecimento depende da substância e da massa envolvida, para uma mesma fonte de aquecimento constante. Objetivos O presente objeto de aprendizagem permite que o aluno seja capaz de analisar e interpretar curvas de aquecimento; estabelecer o conceito funcional de substância; reconhecer as temperaturas de fusão e ebulição como propriedades específicas da matéria;
reconhecer o calor específico, calor latente de fusão e vaporização como propriedades específicas da matéria; determinar graficamente o calor específico e calores latente de fusão e ebulição. Pré-requisitos Os pré-requisitos necessários dependem de como o professor pretende aplicar o objeto de aprendizagem e quais os seus principais objetivos. Essa atividade pode tanto servir para despertar o aluno para o desenvolvimento dos conceitos para posterior sistematização em sala de aula, como ainda, para consolidar conceitos desenvolvidos previamente. Sugerimos, abaixo, algumas situações de aprendizagem. a) Desenvolvimento dos conceitos de propriedades específicas. Pré-requisitos: noções do conceito de substância, leitura de gráficos, noções de temperatura e calor. b) Consolidação dos conceitos de propriedades específicas caracterização das curvas de aquecimento. Pré-requisitos: conceito de substância e de suas propriedades específicas; temperatura de fusão, temperatura de ebulição, densidade e solubilidade; noções de temperatura e calor. c) Apresentação das propriedades calor específico e calor latente. Pré-requisitos: conceito de substância e de suas propriedades específicas; temperatura de fusão, temperatura de ebulição, densidade e solubilidade; noções de temperatura e calor. d) Determinação dos valores de calor específico e de calor latente. Pré-requisitos: conceito de substância e de suas propriedades específicas: temperatura de fusão, temperatura de ebulição, densidade e solubilidade; noções de temperatura e calor; conceito de calor específico e de calor latente de mudança de estado.
Tempo previsto para a atividade A atividade em si pode ser realizada em uma aula (50 minutos) na sala de informática. Os gráficos podem ser analisados em outra aula, buscando regularidades. Se entre os objetivos estiver a determinação dos calores específicos e dos calores latentes das substâncias, recomenda-se a utilização de mais uma aula para os cálculos. Na sala de aula Acreditamos não haver a necessidade de uma aula preparatória. Na sala de computadores: Preparação Aconselhamos que o professor execute o programa com antecedência para se familiarizar com a sua execução, facilitando a orientação dos alunos. Nesse tipo de atividade, convém testar o programa em cada máquina, prevenindo transtornos durante a atividade com os alunos. Caso o objetivo principal da atividade seja a caracterização de substâncias utilizando-se a análise das curvas de aquecimento, não há necessidade de um roteiro específico. Para essa situação, recomendamos que os alunos sejam instruídos a observar atentamente os gráficos obtidos, fazendo um esboço do mesmo em papel milimetrado, utilizando as coordenadas dos principais pontos (basta passar o mouse sobre a curva). Para esse caso, necessita-se de papel milimetrado, régua e lápis. A análise do gráfico é bastante útil para o desenvolvimento do conceito de calor específico e de calor latente de fusão e vaporização. Para essa situação, recomendamos a utilização de roteiro para facilitar a obtenção de dados interessantes para análise (em anexo). Se a proposta for a resolução de problemas, procurando desenvolver habilidades referentes à aquisição de dados em busca de regularidades, pode-se deixar tudo a cargo do aluno, mas o tempo reservado para a atividade poderá ser maior.
Caso o foco do trabalho seja a determinação do calor específico e dos calores latentes, é recomendável a utilização de um roteiro que indique como obter as curvas de aquecimento que serão posteriormente analisadas (em anexo). Acreditamos que a formação em duplas seja a mais proveitosa para a atividade, pois pode ocorrer a análise e a discussão dos resultados em conjunto, com boa visualização para todos. Grupos maiores podem ser utilizados caso haja limitação de máquinas. Material necessário Pode-se preparar um roteiro para análise das curvas obtidas, principalmente, caso o foco seja a determinação do calor específico e dos calores latentes. Requerimentos técnicos Configuração mínima processador Pentium II ou equivalente, 64 Mb de memória RAM e software Flash player 7.0 instalado (ou superior). Durante a atividade Sugerimos que a atividade seja introduzida como um problema a ser resolvido pelos alunos. Assim que os alunos começarem a realizar os primeiros experimentos virtuais, recomendamos que sejam alertados quanto à necessidade de se analisar as curvas de aquecimento, posteriormente. O roteiro de estudo pode ser distribuído nesse momento, com um detalhamento de como se deve obter as curvas de aquecimento para a análise posterior. Depois da atividade
Recomendamos uma aula após a atividade para a discussão dos resultados e formalização dos conceitos desenvolvidos. Caso haja interesse na determinação dos calores específicos e dos calores latentes das substâncias, recomenda-se a utilização de mais uma aula para os cálculos. Questões para discussão Para a aula seguinte após a atividade com o objeto de aprendizagem, sugerimos a divisão da turma em pequenos grupos de alunos (3 a 5 integrantes). Pode-se pedir para que cada grupo resuma suas observações e analise as curvas de aquecimento obtidas durante a atividade. Frequentemente, utilizamos o recurso de um aluno de cada grupo ficar responsável por anotar e resumir as conclusões da equipe. Desse modo, fica mais fácil a socialização das análises entre os grupos, mediada pelo professor. Dica: caso os alunos tenham dificuldade em chegar a uma generalização, recomenda-se orientá-los pedindo para que comparem os gráficos e levantem semelhanças e diferenças entre as curvas de aquecimento de uma mesma substância e entre as curvas de aquecimento de substâncias diferentes. Caso a atividade seja a de determinação dos calores específicos e dos calores latentes das substâncias, é necessário fornecer a potência da fonte de calor (bico de Bunsen), que no caso do experimento em questão é de 4,0 kcal.min 1. Avaliação A avaliação da atividade pode ser realizada a partir da análise dos roteiros, o que de certa forma evidencia se os alunos atingiram os objetivos propostos. O êxito da proposta pode ser avaliado por meio da análise de curvas de aquecimento de substâncias distintas e da capacidade dos alunos em retirar as informações relevantes das mesmas. Sendo capaz de identificar substâncias,
determinar temperatura de fusão, temperatura de ebulição, calor específico e os calores latentes de fusão e de vaporização. Para saber mais GREF, Física 2: física térmica e óptica. 5 a ed. São Paulo: EDUSP, 2002. Alvarenga, B. e Máximo, Curso de Física. 5ª ed. São Paulo: editora Scipione, 2000. Mortimer, E.F. e Machado, A.H. Química para o ensino médio. 1 a ed. São Paulo: editora Scipione série parâmetros, 2003. Silva, E.R, Nóbrega, O.S. e Silva, R.H. Química conceitos básicos. 1 a ed. São Paulo: editora Ática, 2001. Beltran, N.O. e Liegel, R.M. Química ensino médio, volume 1. 1 a ed. Brasília: CIB Cisbrasil, 2005.
ANEXO 1: Roteiro de estudo sugerido OBS. Esse roteiro de estudo é recomendado caso o objetivo do trabalho seja desenvolvimento dos conceitos de calor específico e calor latente de fusão e de ebulição. Objetivos: Determinar 6 (seis) substâncias desconhecidas utilizando suas propriedades específicas. Comparar curvas de aquecimento, procurando regularidades em seu comportamento para uma mesma substância e entre substâncias distintas. Resumo teórico: Na determinação destas substâncias, você deverá obter curvas de aquecimento das mesmas. Através da análise destas curvas, você poderá encontrar algumas regularidades. Para isto, considere que a fonte de aquecimento apresenta potência constante de 4.000 cal/min. Procedimento: 1. Através da seqüência de telas da atividade, você deverá escolher a primeira substância a ser determinada. Neste momento, anote as propriedades específicas da substância que você escolheu para caracterizá-las: 2. A dupla deverá repetir a atividade para a substância 1, alterando seu tempo de aquecimento e sua massa. A cada etapa, anote os valores escolhidos para uma determinada substância 1: Dica: se você procura relações no comportamento das substâncias, procure fixar algumas variáveis mantendo as demais fixas até perceber quais são as alterações significativas. Substância: Temperatura inicial 1: Temperatura inicial 2: Massa 1: Massa 2 : Tempo de aquecimento 1: Tempo de aquecimento 2: 3. Esboce as curvas de aquecimento da substância em uma folha de papel milimetrado (ou papel sulfite) Não se esqueça de anotar as coordenadas dos principais pontos da curva passando o mouse pela tela; 4. Repita os procedimentos anteriores para as demais substâncias (explore pelo menos 3). Não se esqueça que você pretende comparar as curvas de aquecimento de substâncias distintas, procure fixar as demais variáveis para uma análise mais fácil. 5. Analise os gráficos obtidos para uma mesma substância. Quais propriedades são independentes das condições do experimento? É possível relacionar algum comportamento do gráfico em relação às massas das amostras? Explique.
6. Compare os gráficos obtidos para substâncias diferentes, quais as semelhanças e quais as diferenças? O que pode ser considerado como propriedade específica da substância, ou seja, independente da massa da amostra. Anote as impressões do grupo e aguarde a discussão coordenada pelo professor com toda a classe.
ANEXO 2: Roteiro de estudo sugerido OBS. Esse roteiro de estudo é recomendado caso o objetivo do trabalho seja a determinação dos valores de calor específico e calor latente de fusão e de ebulição. Objetivo: Determinar 2 (duas) substâncias desconhecidas utilizando, para tanto, pelo menos 3 (três) propriedades específicas destas substâncias. Resumo teórico: Na determinação destas substâncias, você deverá obter curvas de aquecimento das mesmas. Através da análise destas curvas, você poderá calcular quantidades como calor específico e calor latente de determinadas fases da substância. Para isto, é necessário conhecer a potência da fonte de calor: adote o valor de 4.000 cal/min. Procedimento: 1. Através da seqüência de telas da atividade, você deverá escolher a primeira substância a ser determinada. Neste momento, anote as propriedades específicas da substância que você escolheu para caracterizá-las: Substância 1: Propriedade 1: Propriedade 2: Propriedade 3: 2. O grupo deverá repetir a atividade para a substância 1, alterando seu tempo de aquecimento e sua massa. A cada etapa, anote os valores escolhidos para a substância 1; Substância 1: Massa 1: Massa 2 : Tempo de aquecimento 1: Tempo de aquecimento 2: 3. Esboce as curvas de aquecimento da substância em uma folha de papel milimetrado (ou papel sulfite) Não se esqueça de anotar as coordenadas dos principais pontos da curva passando o mouse pela tela; 4. A seguir, o grupo deverá anotar os valores obtidos a partir das curvas de aquecimento (no caso de temperatura de fusão, ebulição e etc.), das propriedades escolhidas ou calcular os calores específico ou latente para as diferentes fases da substância escolhida. Com estes valores, identifique a substância escolhida;
5. Repita os procedimentos anteriores para a segunda substância escolhida pelo grupo.