Uso das reações de equilíbrio químico do ácido carbônico no ensino do Princípio de Le Châtelier. Juliani Conti Martins 1 (IC), Luana Milak Furmanski 1 (IC), Lucas Dominguini 2* (PG) lucas.dominguini@ifsc.edu.br 1 Universidade do Extremo Sul Catarinense (Unesc). Avenida Universitária, n. 1105, CP 3167, Criciúma-SC. CEP: 88806-000 2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina (IF-SC). Rodovia SC-443, km 01, Bairro Próspera, Criciúma-SC. CEP: 88813-600. Palavras-Chave: Princípio de Le Châtelier, Equilíbrio Químico, Ácido Carbônico. Área Temática: Experimentação no Ensino de Química RESUMO: O CONTEÚDO DE EQUILÍBRIO QUÍMICO É COMUMENTE MINISTRADO NO SEGUNDO ANO DO ENSINO MÉDIO. DENTRE OS VÁRIOS TÓPICOS TRABALHADOS NESSE CONTEÚDO ESTÁ O PRINCÍPIO DE LE CHÂTELIER, QUE AFIRMA QUE UM SISTEMA EM EQUILÍBRIO SUJEITO A UMA PERTURBAÇÃO TENDE A ADAPTAR-SE DE MODO A REDUZIR O EFEITO PERTURBADOR. COMPREENDER ESSE FENÔMENO SOMENTE NO ÂMBITO DA ABSTRAÇÃO É, MUITAS VEZES, DIFÍCIL PARA OS ALUNOS. COM ISSO, O PRESENTE TRABALHO TEM COMO OBJETIVO EXPLICITAR UMA FORMA DE CONTEXTUALIZAÇÃO DESTE CONTEÚDO VIA EXPERIMENTAÇÃO. PARA TAL, PRODUZIRAM-SE PERTURBAÇÕES NAS REAÇÕES DE EQUILÍBRIO QUÍMICO DO ÁCIDO CARBÔNICO PRESENTE EM REFRIGERANTES. VARIOU-SE A PRESSÃO, A TEMPERATURA, ALÉM DE SE TESTAR O EFEITO DO ÍON COMUM. AO FINAL, PERCEBEU- SE QUE O USO DA EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DO CONTEÚDO DE EQUILÍBRIO QUÍMICO PRODUZIU RESULTADOS POSITIVOS NO PROCESSO DE ENSINO-APRENDIZAGEM. INTRODUÇÃO O ensino do conteúdo de equilíbrio químico tem sido objeto de estudos e discussões, abrangendo aspectos variados sobre concepções de estudantes, dificuldades conceituais, abordagens em livros didáticos e outros. Entre diversas publicações que se referem ao ensino do conteúdo Equilíbrio Químico, destaca-se os trabalhos de Teixeira e Silva (2006, 2009), Machado e Aragão (1996), Milagres e Justi (2001) e Uehara (2005). Segundo Teixeira Jr. e Silva (2006), o conteúdo Equilíbrio Químico é relacionado pelos professores de Ensino Médio como um dos conteúdos mais difíceis de ser ensinado. As discussões que consideram as dificuldades conceituais dos alunos apontam que os mesmos não têm clareza do significado de Equilíbrio Químico e não sabem representar adequadamente os sistemas. Os resultados indiciam que os alunos confundem equilíbrio com velocidade da reação, representam inadequadamente as reações químicas, têm concepção de sistema em equilíbrio como dois compartimentos separados e entendem e aplicam de maneira incorreta o princípio de Le Châtelier. Teixeira Jr. e Silva (2009, p. 571) evidenciam que A problemática que envolve o ensino sobre Equilíbrio Químico (...) e as aprendizagens sobre o mesmo (...) revelam preocupações com o conhecimento academicamente estruturado e apontam a responsabilidade dos futuros professores pela qualidade da formação científica adquirida no Ensino Médio. Tal responsabilidade compreende um relacionamento de dois níveis, com os mundos da escola e da universidade, o que expõe e notifica
a formação inicial docente no sentido de capacitar o futuro professor para uma ação mediada mais efetiva nas aprendizagens escolares. Machado e Aragão (1996) investigaram uma classe do segundo ano do Ensino Médio, constituída por 37 alunos, com o objetivo de perceber como os estudantes compreendem o que ocorre em um sistema em estado de Equilíbrio Químico, no nível atômico-molecular. Os resultados evidenciaram dificuldades dos alunos perceberem a dinamicidade de um sistema em equilíbrio químico, o significado da constante de equilíbrio e a diferença entre fenômenos e suas representações. Milagres e Justi (2001, p. 45) sublinham que alguns gráficos apresentados nos livros didáticos estão associados a desenhos em que o aluno pode ver a ocorrência da reação, ao mesmo tempo em que, através do gráfico, acompanha o processo de o estado de equilíbrio ser atingido. Uehara (2005, p. 39), destaca que o equilíbrio químico não é um sistema, nem uma reação, mas consiste de uma situação ou estado final em que chega o sistema em condições de reversibilidade. Os processos de equilíbrio não são apenas dinâmicos e reversíveis para uma dada reação, mas também sua natureza de estado é invariável, qualquer que seja o sentido da sua aproximação. (...) Isso significa reconhecer que não existe variação das propriedades do sistema e, em particular, da composição do mesmo, apesar da presença de substâncias reativas no sistema. A autora evidencia que em nível médio, é necessário que os alunos saibam caracterizar de forma macroscópica um sistema em equilíbrio, para que possam compreender determinadas transformações químicas. Vários podem ser os fatores que levam à formação desses conceitos errôneos ou até mesmo a sua não formação. A representação de uma reação em recipientes separados apresentada por um alto percentual de alunos é preocupante, pois o aluno demonstra não entender a necessidade da interação entre as substâncias para a ocorrência de uma reação (MACHADO; ARAGÃO, 1996). Dentro dos conteúdos de ensino referentes ao Equilíbrio Químico, situa-se o Princípio de Le Châtelier. Segundo este, quando um sistema em equilíbrio é sujeito a qualquer perturbação, tende-se a ajustar-se ou adaptar-se, de modo a reduzir o efeito perturbador, restabelecendo a condição de equilíbrio (RUSSEL,1994, p. 478). Pressão, temperatura e concentração dos partícipes são exemplos de perturbações que deslocam um equilíbrio químico. Compreender as condições que produzem deslocamento de um sistema em equilíbrio tão somente na esfera abstrata é difícil para o aluno. Com o intuito de aumentar o interesse do aluno pela química, facilitar a apreensão deste conceito e superar as dificuldades elencadas pelos autores acima, o presente trabalho objetivou associar o ensino do Princípio de Le Châtelier às reações de composição e hidrólise do ácido carbônico presente em refrigerantes, inserindo a experimentação no ensino desse conteúdo. O PRINCÍPIO DE LE CHÂTELIER E O ENSINO DE EQUILÍBRIO QUÍMICO O equilíbrio químico ocorre em reações reversíveis. Considera-se uma reação reversível, segundo Feltre (2000, p. 249), aquela que se processa
simultaneamente nos dois sentidos, ou ainda, a reação na qual os reagentes se transformam nos produtos, e estes, à medida que se formam, regeneram os reagentes iniciais. Desta forma, o equilíbrio químico descreve o estado no qual as velocidades das reações direta e inversa são iguais. A partir do momento em que as reações que contrabalançam o sistema permanecem como se nenhuma reação estivesse ocorrendo, considera-se que a reação obteve o estado de equilíbrio, ou seja, as concentrações dos reagentes e dos produtos permanecem inalterados. Segundo Chang (2010), esse estado de equilíbrio dinâmico é caracterizado por uma constante de equilíbrio, que dependendo da natureza das espécies reagentes, pode ser expressa em termos de molaridade, para soluções, ou pressão parcial, para gases. A constante de equilíbrio fornece informações sobre o sentido de uma reação reversível e concentrações das misturas em equilíbrio. De acordo com Russel (1994), considerando uma reação química genérica (1), a constante de equilíbrio é descrita como sendo. Henry Louis Le Châtelier foi quem percebeu que era possível prever o sentido do deslocamento de equilíbrios químicos. Esta afirmativa criou o Princípio de Le Châtelier, o qual quando um fator externo age sobre um sistema em equilíbrio (submissão de perturbação), este de desloca, com o intuito de minimizar a ação do fator aplicado. O deslocamento de equilíbrio é considerado por Feltre (2000, p. 277) como toda e qualquer alteração da velocidade da reação direta ou da inversa, provocando modificações nas concentrações das substâncias e levando o sistema a um novo estado de equilíbrio. Os fatores externos que podem deslocar um equilíbrio químico são alterações na concentração, por meio da adição ou remoção de reagentes, na pressão, no volume e na temperatura do sistema. Outras perturbações podem ser introduzidas nas reações de equilíbrio químico, como o efeito do íon comum. Conforme Chang (2010, p. 498), uma variação na concentração, pressão ou volume podem alterar a posição de equilíbrio, ou seja, a quantidade relativa de produtos e reagentes, mas não o valor da constante de equilíbrio. Sendo assim, somente uma variação na temperatura pode alterar a constante de equilíbrio. O ácido carbônico (H 2 CO 3 ) é um exemplo de substância que encontra sempre em equilíbrio químico. Em refrigerantes, por exemplo, este composto encontra-se em duas condições de equilíbrio: em decomposição e em hidrólise. A reação de decomposição do ácido carbônico é representada pela equação (2). O ácido carbônico é um diácido, pois possui dois hidrogênios ionizáveis, que podem ser liberados quando este é adicionado em água, conforme equações (3) e (4). As constantes de ionização do primeiro e segundo hidrogênio ionizável são, respectivamente, 4,2.10-7 e 5,6.10-11 (RUSSEL, 1994). (1) (2) (3)
Como a constante de equilíbrio é maior que a constante de equilíbrio, haverá maior concentração da espécie química HCO 3 do que CO 3. Como a reação (2) apresenta uma espécie química em equilíbrio na forma gasosa, a pressão influenciará no equilíbrio. Segundo Usberco e Salvador (2005, p. 370), quando, a uma temperatura constante, aumentamos a pressão sobre o equilíbrio gasoso, ele se desloca no sentido da reação capaz de diminuir essa pressão e vice versa. Assim, o aumento da pressão provoca contração de volume e o equilíbrio se desloca no sentido de menor volume (esquerda), pois a redução do volume minimiza o efeito da pressão aplicada. A redução da pressão desloca o equilíbrio para o lado de maior volume (direita), pois a expansão do volume minimiza a redução da pressão (FELTRE, 2000). No que se refere à temperatura, o seu aumento desloca o equilíbrio para o sentido endotérmico, de modo que a absorção de calor pela reação venha a minimizar a elevação da temperatura, enquanto a diminuição da temperatura desloca o equilíbrio para o sentido exotérmico, de modo que a liberação de calor pela reação venha a minimizar a diminuição da temperatura (FELTRE, 2000). Como a reação (2) direta é endotérmica, o aumento da temperatura favorece a liberação de CO 2 e H 2 O. No que tange a variações nas concentrações dos partícipes do equilíbrio, o aumento ou diminuição da concentração de qualquer componente de um sistema no equilíbrio irá promover o deslocamento da reação no sentido de consumir um componente adicionado ou recompor um componente removido, conforme Chang (2010). Em equilíbrios iônicos, isso pode ocorrer pela adição de um íon comum. O efeito íon comum é considerado como a diminuição da ionização de um ácido ou base fraca, por influência de um íon comum. Segundo Feltre (2000), efeito íon comum é o deslocamento da posição de equilíbrio de um eletrólito, causado pela adição de um segundo eletrólito, em geral mais forte, possuidor de um íon em comum com o primeiro. Assim, a adição de qualquer outro ácido (HX) mais forte sobre o ácido carbônico produz deslocamento do equilíbrio químico. Um exemplo é a adição de ácido acético (CH 3 COOH). Este ácido possui um k a igual a 1,8.10-5 e sofre ionização, conforme reação (5). Este ácido, em solução aquosa, libera o íon H +, íon comum em ambas reações de ionização dos ácidos. O aumento da concentração de H + na solução desloca o equilíbrio da reação (3), no sentido de consumir o excesso de íon hidrogênio na solução, visto que este ácido é o mais fraco, aumentando a concentração de ácido carbônico. Conforme o ácido carbônico se regenera, há um deslocamento do equilíbrio da reação (2), no sentido de decompor o ácido carbônico, liberando CO 2 e água. (4) (5) (3)
METODOLOGIA Com o intuito de contextualizar o Princípio de Le Châtelier de forma experimental, simulou-se por meio de um procedimento aos alunos os efeitos provocados pela pressão, temperatura e adição de um íon comum sobre as reações de equilíbrio do ácido carbônico H 2 CO 3, em um refrigerante do tipo cola. Para exemplificar o efeito da pressão sobre o sistema, aprisionou-se uma alíquota do refrigerante em uma seringa de 50 ml, vedou-se a entrada e puxou-se o êmbolo, com o intuito de diminuir a pressão sobre o sistema e produzir um deslocamento no equilíbrio químico. Para demonstrar o experimento aos alunos à respeito do efeito da temperatura, uma amostra do refrigerante foi submetida a aquecimento no interior de um sistema aberto (béquer) sobre uma manta de aquecimento. Para verificar o deslocamento de equilíbrio produzido pela adição de um íon comum, foi adicionado a uma alíquota do refrigerante uma quantidade de ácido acético. Tal metodologia foi aplicada em sala de aula, a uma turma de segundo ano do Ensino Médio, de uma escola pública da rede estadual de Santa Catarina. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os experimentos foram realizados em sala de aula junto com os alunos. Descreve-se, aqui, os efeitos oriundos do deslocamento do equilíbrio químico do ácido carbônico, em refrigerantes do tipo cola, quando modificada a pressão do sistema, a temperatura, a concentração dos reagentes e a adição de um íon comum. a) Efeito Pressão Com o auxílio de uma seringa, foi possível simular o efeito da pressão sobre um sistema em equilíbrio, no qual pelo menos uma espécie química é gasosa, de maneira experimental aos alunos. Para tal, colocou-se uma amostra de refrigerante no interior de uma seringa, vedou-se o sistema e puxou-se o êmbolo com o intuito de forçar a diminuição da pressão. Isso levou ao aparecimento de um borbulhamento intenso de CO 2, conforme sequência apresentada na figura 01. (a)
(b) (c) (d) Figura 01: Efeito da pressão no equilíbrio químico do ácido carbônico em refrigerante do tipo cola. Conforme apresentado na fundamentação, a diminuição da pressão do sistema reacional (1) em equilíbrio desloca para o lado de maior volume, ou seja, no sentido de liberação de CO 2, conforme visualizado na experimentação. Tal atividade metodológica facilitou a compreensão, por parte dos alunos, sobre o efeito da pressão em equilíbrios químicos que envolvam espécies gasosas. b) Efeito Temperatura Ao se submeter uma amostra do refrigerante do tipo cola ao aquecimento, os alunos observaram o aumento na formação de bolhas de CO 2. O aquecimento foi realizado sobre uma manta térmica. O fenômeno observado é ilustrado na figura 2.
(a) (b) Figura 02: Efeito da temperatura no equilíbrio químico do ácido carbônico no refrigerante. De acordo com a equação (2), a reação de decomposição do ácido carbônico é endotérmica e o aumento da temperatura facilita o deslocamento da reação direta. A experimentação facilitou a compreensão dos alunos sobre a influência do aumento da temperatura sobre o equilíbrio químico. c) Efeito Íon Comum Ao ser adicionado, o ácido acético sofre hidrólise e libera H + em solução, conforme reação (5), deslocando o equilíbrio da reação (3) para a direita, devido ao efeito do íon comum. Com o aumento da concentração de H 2 CO 3 na solução, o equilíbrio da reação (2) é deslocado para a direita, liberando CO 2. Figura 03: Efeito do íon comum no equilíbrio químico do ácido carbônico em refrigerante do tipo cola. A realização das três experimentações durante a explicação do conteúdo de Equilíbrio Químico facilitou a compreensão dos alunos e tornou a aula mais dinâmica. CONSIDERAÇÕES FINAIS Compreender como se comporta o equilíbrio químico diante de uma perturbação é uma necessidade para entender o comportamento de inúmeras
reações químicas. Trata-se de um fenômeno químico de suma importância em vários processos industriais e está presente em várias situações na vida cotidiana. Os professores precisam ultrapassar e superar as dificuldades que os alunos enfrentam na apropriação do conceito de Equilíbrio Químico. É fundamental que estes compreendam que a igualdade das velocidades diretas e inversas em um estado de equilíbrio não significa o fim da atividade reacional nesse meio. Para tal, é necessário a realização de discussões sobre os conceitos de constante de equilíbrio (K), de reversibilidade do processo de equilíbrio, de homogêneo ou de heterogêneo, entre outros assuntos. Além disso, para facilitar a compreensão tornou-se essencial simular, experimentalmente, uma reação de equilíbrio. Isso levou os alunos a compreensão dos efeitos e evolução de um sistema químico, quando o mesmo é perturbado, identificando as implicações que originaram o Princípio de Le Châtelier, como demonstrou o presente trabalho. Investindo na experimentação em sala de aula, diminui-se as dificuldades de compreensão de Equilíbrio Químico por parte dos educandos. Uma abordagem adequada deste tema, como o trabalho apresentou, facilita a abstração por parte do aluno e diminui as dificuldades conceituais mantidas nos diferentes níveis de ensino. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CHANG, R. Química geral: conceitos essenciais. 4. ed. Porto Alegre: AMGH, 2010. FELTRE, R. Química: físico-química. 5. ed. v. 2. São Paulo: Moderna, 2000. MACHADO, A. H.; ARAGÃO, R. M. R. Como os estudantes concebem o estado de equilíbrio químico. Revista Química Nova na Escola. v. 4, 1996. MILAGRES, V. S.; JUSTI, R. S. Modelos de ensino de equilíbrio químico: algumas considerações sobre o que tem sido apresentado em livros didáticos do ensino médio. Revista Química Nova na Escola. n. 13, 2001. RUSSELL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Macgraw-Hill do Brasil, 1994. TEIXEIRA Jr.; J. G.; SILVA, R. M. G. Quais dificuldades os alunos dizem ter no tópico equilíbrio químico? In: Anais da 29ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química. Águas de Lindóia: SBQ, 2006.. Investigando a temática sobre equilíbrio químico na formação inicial docente. Revista Eletrónica de Enseñanza de las Ciencias. v. 8. n. 2. 2009. UEHARA, F. M. G. Refletindo dificuldades de aprendizagem de alunos do ensino médio no estudo do equilíbrio químico. Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências e Matemática. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. 2005. Dissertação. USBERCO, J.; SALVADOR, E. Química: físico-química. 9. ed. v. 2. São Paulo: Saraiva, 2005.