Atividade prática - Estudando a água Parte 17 9º ano do Ensino Fundamental e 1º ano do Ensino Médio Objetivo Diversos experimentos, usando principalmente água e materiais de fácil obtenção, são possíveis e importantes para vivenciar as principais propriedades físicas e químicas da água, bem como de sua interação com outras substâncias. É desnecessário falar da importância de se conhecer as propriedades da água, principalmente em tempos que anunciam a escassez desse recurso. Além disso, o estudo da água também permite introduzir a compreensão das propriedades de outras substâncias, ampliando os horizontes do entendimento científico de diversos fenômenos do cotidiano; que, por sua vez, são inerentes às questões ambientais, industriais, culinárias, medicinais e muitas outras. Introdução É a chama que faz o ovo cozido e a água entrar na garrafa? Como foi visto na parte 16, é frequente que um mesmo fenômeno tenha, ao longo da história, diferentes explicações. Nos dois experimentos realizados, você viu que o ovo tem a tendência de entrar na garrafa, porque ela foi aquecida por uma chama ou por outra fonte de calor. Sendo assim, o ar no seu interior teve suas moléculas mais agitadas, mais distantes, fazendo parte do ar escapar da garrafa. Portanto, o ar interno ficou mais rarefeito; mas, na medida em que foi esfriando, a pressão do ar interno tende a diminuir, porque as moléculas gasosas tendem a reduzir sua agitação e se reaproximar. Assim, a pressão atmosférica fica maior que a pressão interna, e tende a empurrar o ovo para dentro da garrafa. A antiga explicação para o fenômeno é bastante conhecida e foi bastante difundida no meio estudantil há algumas décadas, tendo sido considerada válida por muito tempo. Segundo essa explicação, a pressão interna sofreria redução devido ao consumo do oxigênio pela queima do álcool (C2H6O) do algodão [C6H12O6]n. Ora, analisando as equações de combustão das duas substâncias combustíveis, temos: Equação 1: 1 C2H6O (l) + 3 O2 (g) 2 CO2 (g) + 3 H2O (v) Equação 2: 1 C2H6O (l) + 2 O2 (g) 2 CO (g) + 3 H2O (v) Equação 3: 1 [C6H12O6]n (s) + 6n O2 (g) 6n CO2 (g) + 6n H2O (v) Equação 4: 1 [C6H12O6]n (s) + 3n O2 (g) 6n CO (g) + 6n H2O (v) Verifica-se que a queima completa do álcool (equação 1) consome 3 moléculas de oxigênio por mol, liberando 5 moléculas gasosas como produto, sendo 2 de dióxido de carbono e 3 de vapor d água. Nessa equação e também em todas as outras, percebe-se que a proporção de gases formada é maior que a de gás consumido, e não o contrário; o que aparentemente invalida a explicação. No entanto, o argumento geral é mais complexo e afirma que o dióxido de carbono (CO2) produzido dissolveria rapidamente na água; e que, portanto, não deveria ser contabilizado; afirma também que o vapor de água produzido sofreria condensação rapidamente com o resfriamento da garrafa e do ar interno; e, portanto, também não deveria ser contabilizado. Há ainda uma grande coincidência a favor da explicação, que é o resultado da medição de volume perdido de ar interno no processo, cerca de 20%, bem próximo do que realmente existe de oxigênio no ar. Essa medição pode ser feita pelo experimento da vela que faz a água subir, muito
semelhante ao experimento do ovo com álcool e algodão. O resultado certo da medição dá a sensação de que a explicação também estaria correta. Será? Contestando as falácias da explicação Acontece que o dióxido de carbono não é tão solúvel assim, nem se dissolve tão rapidamente na água. O dióxido de carbono é o mesmo gás dos refrigerantes; sabe-se que, se o refrigerante está quente, boa parte do gás é expelida rapidamente da garrafa, assim que ela é aberta. E o experimento da vela na garrafa é bastante rápido; não dá tempo de o dióxido de carbono dissolver no meio aquoso, durante os poucos segundos do teste, principalmente por estar aquecido pela chama da vela. Da mesma forma, o vapor d água também não condensa dentro da garrafa de vidro tão rapidamente, pois ela está ainda morna ao final do experimento. Se isso acontecesse, seria de se esperar que o vidro embaçasse, formando gotas de água líquida em toda a superfície interna da garrafa. Além disso, outros experimentos demonstraram que, no teste da água que sobe pela garrafa, mesmo depois que a vela apaga, ainda há oxigênio gasoso no ar capaz de manter vivo um rato durante alguns minutos. Ou seja, o oxigênio não foi totalmente consumido no processo. O experimento realizado na parte 16 com a garrafa aquecida por água fervente sem chama fornece uma pista bem clara do que realmente acontece: a água também entra na garrafa, embora em menor quantidade, mesmo que não tenha uma chama no interior da garrafa. Ora, então, a causa não é a queima em si, mas o aquecimento do ar interno. O ar aquecido dilata e parte dele é expulso do recipiente, enquanto ele está aberto. Quando a garrafa começa a resfriar, já fechada pelo ovo ou pela água, o ar interno contrai novamente, reduzindo a pressão interna e a pressão atmosférica faz o resto. Na pressão! Normalmente, a pressão atmosférica não é muito valorizada, porque estamos acostumados a ela. A pressão interna das nossas células e a pressão sanguínea equilibra a pressão atmosférica externa, para não sermos esmagados pelo ar. Isso mesmo! A pressão do ar equivale a cerca de 1kg por centímetro quadrado! Uma folha de papel qualquer de 20 por 30cm sofre uma pressão atmosférica de 600kg em sua superfície, somente de um dos lados. Mas, como o ar pressiona igualmente de todos os lados, parece que a pressão atmosférica simplesmente não existe. De forma parecida, como não vemos o ar, não é fácil entender o que acontece quando ele é aquecido ou resfriado. Por exemplo, partindo da temperatura ambiente (cerca de 300K) e dobrando a temperatura absoluta (600K) de certa quantidade restrita de ar, estamos dobrando o volume ocupado por ele. Na escala Celsius, isso representa aquecer o ar de 27ºC até 327ºC (600K 273 = 327ºC). Ora, sabe-se que a temperatura de uma chama comum alcança valores em torno de 350 a 450ºC, sendo então capaz de aquecer o ar de seu entorno pelo menos até cerca de 250ºC, dependendo do tamanho do recipiente, provocando, assim, a saída de parte significativa de ar de dentro da garrafa. Depois que a chama apaga, o ar esfria, voltando à temperatura ambiente original. Então, ele tende a ocupar um volume proporcional à quantidade de moléculas que restou no recipiente, reduzindo a pressão interna. Considerando o quanto a pressão interna fica menor que a pressão atmosférica, se o recipiente estivesse totalmente lacrado, provavelmente o vidro seria implodido de fora para dentro. É o que acontece no experimento da latinha vazia esmagada pelo ar, resfriada bruscamente quando entra em contato com a água fria.
Experimento 1: A vela que faz a água subir pela garrafa Material A) Uma vela. B) Fósforos. C) Uma cuba de vidro, aquário pequeno, bacia pequena ou prato fundo. Obs.: Quanto mais fundo o recipiente, melhor, para que seja possível fazer a medição do volume perdido de ar. Mas, certamente, a água não pode encobrir a vela. D) Água de torneira. E) Corante à base de água, de qualquer cor (opcional). F) Uma garrafa comum, grande, de preferência de vidro grosso e incolor. G) Proveta de 500mL. H) Caneta pincel ou canetinha para escrever no vidro. I) Câmera filmadora ou celular com esse recurso. Procedimento 1. Risque um fósforo para derreter um pouco a base da vela, fixando-a no fundo da cuba de vidro. 2. Ligue a câmera filmadora. 3. Coloque água na cuba até cerca de 1/3 da altura da vela. Dissolva algumas gotas de corante na água. 4. Acenda a vela. 5. Emborque a garrafa de vidro sobre a vela, sem apagá-la, levando a boca da garrafa até abaixo do nível da água da cuba. Obs.: Fique atento nesse ponto, para não deixar entrar ar, senão a água que começa a entrar na garrafa vai sair de novo. 6. Aguarde até que a chama apague e o nível da água estabilize. 7. Ajuste a altura da garrafa com as mãos, igualando o nível da água internamente e externamente. Marque com uma caneta pincel ou canetinha esse nível o mais exatamente possível. Obs.: Essa etapa é muito importante para a medição exata do volume de ar que foi perdido no experimento, pois o nível igual da água dentro e fora da garrafa garante que a pressão do ar interno está igual à pressão atmosférica externa. 8. Encha a garrafa com água totalmente até à borda e transfira para uma proveta. Anote o valor do volume total da garrafa. 9. Coloque mais água na garrafa, dessa vez até a marca feita com a caneta pincel. Transfira para uma proveta e anote o volume correspondente à quantidade de ar contida na garrafa no final do experimento. 10. Subtraia os dois volumes anotados; a diferença será a quantidade de ar perdido no experimento. Observações e questões 1) Qual foi o volume total de ar na garrafa, no início do experimento? 2) Qual foi o volume de ar no final do experimento, sob pressão normal? 3) Qual foi o volume de ar perdido ao final do experimento? Qual foi o percentual de redução do volume de ar ao final do experimento? Calcule e comente.
4) Assista com cuidado a gravação de vídeo feita durante o experimento. Responda: Depois que a chama da vela apaga, ainda acontece entrada de água na garrafa? O volume de água que entra depois que a chama apaga é significativo? Por quanto tempo entra água depois que a chama apaga? Comente as informações. Quais conclusões são possíveis para a explicação do fenômeno, a partir dessas informações? Experimento 2: Esmagando uma latinha em menos de 1 segundo com a pressão atmosférica Material A) Cuba de vidro ou bacia de qualquer tamanho. B) Água de torneira. C) Duas latinhas de refrigerante vazias e não amassadas. D) Pinça metálica de laboratório para segurar objetos quentes. E) Bico de Bunsen ligado a um sistema de gás. F) Fósforos. G) Câmera de filmar ou celular com câmera. Procedimento 1 Aquecendo a latinha por dentro 1. Coloque água na cuba ou bacia até quase na borda. 2. Estude cuidadosamente como você vai segurar a latinha com a pinça metálica, para atender a duas condições: 1) a chama deve ser dirigida para dentro da latinha; e, 2) A forma de segurar precisa ser de tal forma que seja fácil emborcar a latinha na água com rapidez. Obs.: Só passe para o próximo item, depois que se sentir seguro sobre as recomendações acima. Faça alguns ensaios dos movimentos recomendados. 3. Acenda a chama do bico de Bunsen. 4. Ligue a câmera filmadora. 5. Segure a latinha conforme o recomendado no item 2, aquecendo-a, por dentro, no contato com a chama. Aguarde pelo menos uns 10 segundos. 6. Emborque rapidamente a latinha na água, sem deixar entrar ar. Observe. Procedimento 2 Aquecendo a latinha por fora
Repita todo o procedimento, alterando apenas o posicionamento da latinha em relação à chama do bico de Bunsen, de forma que o aquecimento seja na parte externa da latinha. Todo o restante do procedimento deve ser feito exatamente da mesma forma. Observações e questões 1) Explique o fenômeno observado, utilizando as expressões abaixo, em ordem lógica de causa e efeito: Agitação das partículas gasosas. Temperatura. Pressão interna. Pressão atmosférica. Dilatação do ar. Aquecimento. Resfriamento. 2) Houve diferença significativa de resultados observados nos procedimentos 1 e 2? Comente. 3) Reveja a filmagem realizada e tente marcar o tempo que levou para que a latinha fosse esmagada pelo ar. O fenômeno demorou mais de 1 segundo? Comente. 4) Depois do experimento realizado, você mudou sua impressão pessoal sobre o valor da pressão atmosférica? A pressão atmosférica tem valor pequeno ou grande? Comente.