universidade de são paulo fernando reinoldo scremin - IQ-USP

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
FERNANDO REINOLDO SCREMIN
PROPOSIÇÃO DE AULA PRÁTICA
POTENCIAL ENERGÉTICO DOS ALIMENTOS: CONTEXTUALIZANDO A
TERMOQUÍMICA
Trabalho entregue como forma de avaliação da
disciplina de Orientação pedagógica do curso de
Doutorado em Química da Universidade de São
Paulo.
SÃO PAULO
Dezembro de 2008
1. Introdução
1.1 Energia dos alimentos
Caloria é a quantidade de calor o alimento libera após sua digestão e metabolização,
sendo então a energia armazenada nas ligações químicas dos alimentos. A energia química é
liberada no organismo através do metabolismo dos nutrientes absorvidos pelo sistema
digestório. É ela responsável por todas as atividades vitais dos seres vivos. 3
Os alimentos energéticos ou calóricos são aqueles que quando metabolizados
liberam energia química aproveitável pelo organismo. Esta energia é quantificada através da
unidade caloria, que é a quantidade de energia necessária para elevar de 1°C um grama de
água. Costuma-se utilizar a quilocaloria, que equivale a 1000 calorias. Para simplificar, a
quilocaloria também é chamada de Caloria. 3
Os alimentos fornecem diferentes quantidades de energia. A determinação da
quantidade de energia que está armazenada em cada alimento é importante, especialmente
no planejamento de uma dieta para balancear a quantidade de energia que é ingerida e que
é gasta. As calorias em excesso se acumulam em forma de gordura. 3
A determinação do valor energético pode ser realizada por meio de calorimetria direta.
Para tanto, as amostras devem ser desidratadas pois a água é desprezada, uma vez que ela
tem índice calórico igual a zero.A amostra é colocada em uma bomba calorimétrica e a
quantidade de energia é obtida pelo aumento da temperatura da água. A análise
comparativa dos valores energéticos pode ser feita entre os valores obtidos por calorimetria
direta e os informados nos rótulos dos produtos.3
Dessa forma uma porção de alimentos a queima de um grama de carboidrato libera
4,1 kcal, um grama de proteína produz 5,6 kcal e um grama de gordura libera 9,5 kcal.
Em termos práticos, utiliza-se uma tabela de composição química de vários alimentos
que apresenta os valores já calculados
1.2 Conceitos de termodinâmica
O trabalho é a propriedade fundamental da Termodinâmica. Há trabalho quando um
corpo é deslocado contra uma força que se opõe ao deslocamento. A capacidade de um
sistema realizar trabalho é denominada de energia interna do sistema, U. 1
A energia de um sistema pode variar de diversas maneiras que não envolvem
trabalho. Em um sistema, quando a energia se modifica decorrente da diferença de
temperatura entre o sistema e sua vizinhança se diz que a energia foi transferida na forma
de calor. Uma fronteira que não permite a passagem de energia na forma de calor é dita
adiabática. 1
A energia transferida na forma de calor é medida em joules, contudo a unidade
muito utilizada é a caloria, onde em sua definição original, 1 cal correspondia a energia
necessária para elevar de 1°C a temperatura de 1 g de água. Na definição moderna tem-se: 2
1 cal= 4,184J
Em um processo onde calor é liberado para a vizinhança é denominado de processo
exotérmico, como por exemplo, as reações de combustão. As reações que absorvem calor
da vizinhança são denominadas endotérmicas, como por exemplo, a vaporização. 2
O único modo de variar a energia interna de um sistema fechado é transferir energia
para ele como calor ou trabalho. Se um sistema está isolado, isso não é possível, ou seja, a
energia interna não pode variar. Esse fato é conhecido como a primeira lei da
termodinâmica onde: a energia interna de um sistema isolado é constante. Se w é o trabalho
feito sobre o sistema e q for a energia transferida como calor para o sistema, então a
variação de energia é ∆U= q+w. 2
Sendo este o enunciado matemático da primeira lei da termodinâmica, uma vez que
resume a equivalência entre o calor e o trabalho mostra que a energia interna é constante
em um sistema isolado. 1
Uma aplicação desta lei é a calorimetria, onde se utiliza um calorímetro para estudar
as trocas de calor em um sistema. Na figura 01 abaixo se pode observar uma representação
de um bomba calorimétrica: 1
Figura 1: Bomba calorimétrica a volume constante. 1
O processo a ser investigado, como por exemplo, uma reação química, é disparado
no interior de um vaso a volume constante (bomba calorimétrica). O vaso é mergulhado em
um banho de água e o conjunto de montagem é o denominado calorímetro. Este opera
mergulhado em um banho externo e as temperaturas dos dois banhos são acompanhadas
permanentemente e mantidas iguais. Logo não há perda nem ganho de calor do calorímetro
paras as vizinhanças, operando adiabaticamente. A variação de temperatura é proporcional
ao calor que a reação absorve ou libera. 1
2. Justificativa.
A contextualização da termodinâmica em qualquer fase do aprendizado não é uma
tarefa muito trivial, é comum dificuldade do receptor de perceber que energia interna do
sistema pode ser transferida na forma de calor ou como trabalho e entender suas relações.
Dessa forma a elaboração de práticas palpáveis e contextualizadas é uma boa
alternativa para conduzir à um bom entendimento.
Apresenta-se aqui uma proposta de aula prática que busca trazer conceitos básicos
de termodinâmica, como entalpia de combustão e liberação de energia na forma de calor a
partir de um experimento muito simples com materiais rotineiros.
A proposta é a montagem de um calorímetro com embalagens longa vida e a
verificação de potenciais energéticos de alguns alimentos.
Apresenta-se em anexo um modelo do que poderia ser o roteiro para a prática
proposta.
3. Teste do Experimento:
O experimento proposta para a prática foi testado o calorímetro montado pode ser
visto na figura 2:
i
a
F
gur
2:
Calorímetro proposto para realização do experimento.
O experimento seguiu o procedimento detalhado no roteiro em anexo. Foi utilizado
como amostra biscoito a base de leite, torrada a base de fibras e pipoca doce todas as
amostras comerciais e os resultados obtidos estão descritos na tabela 1:
Tabela 1: resultados obtidos na para a queima das 3 amostras sendo amostra 1 torrada, amostra 2 biscoito e amostra3 pipoca
Tubo/g
Amostra/g
Temp1 /oC
Temp2 /oC
Qmed /cal
Qmed /Kcal
Qmed/J
Qmed/KJ
μq/Kcalg-1
9,5620
9,8419
9,7540
9,5470
9,7251
9,7173
9,8396
9,6819
9,8160
0.3373
(am1) 0,3345
(am1) 0,4467
(am2) 0,6397
(am2) 0,5520
(am2) 0,6122
(am3) 0,3246
(am3) 0,2944
(am3) 0,5001
(am1)
27
27
27
27
27
27
27
27
27
34
33
35
74
69
75
47
44
54
83,387
71,810
95,606
561,688
501,691
573,286
237,558
202,918
323,006
0,0833
0,0718
0,0956
0,5616
0,5016
0,5732
0,2375
0,2029
0,3230
348,558
300,166
399,633
2347,856
2097,068
2396,335
992,992
848,197
1350,165
0,3485
0,3001
0,3996
2,3478
2,0971
2,3963
0,9929
0,8482
1,3502
0,2460
0,2146
0,2140
0,8779
0,9087
0,9363
0,7317
0,6892
0,6459
μqmédio/Kcalg-1
0,2249
0,9076
0,6889
μq/KJg-1
0,9337
0,8973
0,8946
3,6702
3,7990
3,9143
3,0591
2,8811
2,6997
μqmédio/KJg-1
0,9085
3,7945
2,8800
Observando os resultados fica claro que o experimento mesmo com que
notavelmente a adiabaticidade do sistema seja pequena devido às condições do calorímetro
proposto, tem resultados satisfatórios uma vez que gerou resultados coerentes entre as
mesmas amostras, deve-se também ressaltar ao aluno que realizar esta prática a
fundamental importância do alto poder qualitativo do experimento onde pode concluir
claramente que o, por exemplo, que os biscoitos são mais calóricos que as torradas
observando o potencial energético.
Na tabela 2 pode-se observar o erro obtido no experimento quando comparado aos
valores contidos nas embalagens dos alimentos
Tabela 2: Erro porcentual obtido durante as análises
Amostra
biscoito a base de leite
torrada a base de fibras
pipoca doce
Erro %
60,217
55,129
61,569
Comparando os resultados obtidos com valores tabelados nos alimentos observa-se
um alto erro provindo essencialmente da não adiabaticidade do modelo proposto, ou seja,
muito do calor gerado não diretamente transferido para a massa de água.
Observa-se também que os erros têm valores próximos o que ressalta ainda mais o
caráter qualitativo do experimento e discrepâncias entre valores da mesma amostra podem
ser relacionados à combustão incompleta das amostras ou posicionamento inadequado da
amostra dentro do calorímetro ou a não homogeneidade da composição do alimento.
4. Conclusão
Pode-se concluir que o experimento sugerido tem uma grande aplicabilidade
qualitativa na análise de alimentos
Também se pode dizer que o experimento sugerido pode ajudar na contextualização
de alguns conceitos termoquímicos fundamentais para formação de alunos onde a química
tem faz parte de um currículos obrigatório durante o curso.
6. Referências Bibliográficas
1. ATKINS, P.W. Físico-química, 6ª edição, vol 1, Rio de Janeiro, LTC,1999, p.37-45.
2. ATKINS, P; JONES, L.Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente,
3ªedição, Porto Alegre, Bookman, 2006, p.304-311.
3. GOMES, Márcio Augusto de Oliveira. Determinação da energia contida em alguns alimentos.
Curitiba, 1999.26f. Monografia (Especialização em Ensino de Química Experimenal para o 2o.
Grau) - Setor de Ciências Exatas, Departamento de Química, Universidade Federal do Paraná,
p.112-124.
4. CROCKFORD, H.D; KNIGHT, S.B. Fundamentos de Físico-química, LTC, Rio de Janeiro, 1977,
p.53.
POTENCIAL ENERGÉTICO DOS ALIMENTOS: CONTEXTUALIZANDO A TERMOQUÍMICA
1) Objetivos:
Medir o potencial energético de alguns alimentos.
2) Introdução:
Inicialmente, definiremos provisoriamente calor, como uma quantidade de energia
que se transfere de um corpo a outro por efeito exclusivo de uma diferença de temperatura
entre ambos.
A quantidade de calor recebida por um sistema simples, sob pressão constante (por
exemplo, a pressão atmosférica local), é proporcional ao acréscimo de temperatura
produzido, isto é:
Q = C(T2-T1)
Onde C é um fator de proporcionalidade, chamado capacidade calorífica, que depende da
natureza da substância, da massa considerada, e que varia também, sensivelmente com o
intervalo de temperatura (T2-T1).
A unidade utilizada para a energia no Sistema Internacional de Unidades é o joule, J.
Porém, a unidade caloria (1 cal = 4,184 J), continua sendo utilizada na indústria alimentícia, e
uma caloria nutricional é igual a 1000 calorias químicas (1kcal). Atualmente, os rótulos dos
alimentos devem conter as informações em calorias químicas. A capacidade calorífica em
calorias por grau e a capacidade calorífica específica em calorias por grau e por grama.
Calorimetria é a determinação da quantidade de calor liberada ou absorvida como
decorrência de uma transformação química ou física. Esta determinação baseia-se na
aplicação da 1ª Lei da Termodinâmica: “para qualquer sistema, existe uma propriedade
denominada energia, que é conservada e que pode ser transferida para ou do sistema por
interações de calor ou de trabalho”. Medidas calorimétricas são feitas para determinar a
capacidade calorífica de materiais, bem como os ganhos ou perdas de energia decorrente de
transformações físicas (vaporização, fusão, etc.) ou químicas (reações de combustão,
neutralização, Tc). A parte da calorimetria que trata especificamente das variações de
temperatura causadas por reações químicas é conhecida como Termoquímica.
Medidas calorimétricas mais precisas são feitas em calorímetros, aparelhos que
permitem isolar termicamente do meio o sistema a ser estudado. Deste modo pode-se
trabalhar adiabaticamente. Um calorímetro consiste usualmente de uma câmara de reação,
a qual contém um termômetro e um agitador.
Quando uma transformação qualquer é realizada em calorímetro, uma fração do
calor liberado ou absorvido é gasta para aquecer ou resfriar os diversos componentes do
próprio calorímetro. Consequentemente, antes de utilizar um calorímetro é necessário
conhecer a sua capacidade calorífica, Ccal.
Nas experiências termoquímicas realizadas em laboratórios, basicamente, o que se
faz é medir a variação de temperatura dos calorímetros e seu conteúdo, decorrente da
reação química. Pode0se então calcular o calor absorvido ou cedido no frasco, denominado
calor medido qmed. Como as variações térmicas que ocorrem em um calorímetro adiabático
são causadas só pela ocorrência de reação química, um aumento na temperatura do frasco
(qmed > 0) implica que a reação é exotérmica (ΔH < 0), e uma diminuição (q med < 0) implica que
a reação é endotérmica (ΔH > 0). Daí que a relação entre o calor medido e a variação de
entalpia da reação é:
ΔH = - qmed
A determinação da variação de temperatura que acompanha a ocorrência de uma
transformação química ou física exige paciência e meticulosidade. Tanto antes (estado
inicial) como após (estado final) à ocorrência de um processo, faz-se necessário acompanhar
a evolução da temperatura com o tempo.
Nesta atividade, vamos calcular a quantidade de energia (em calorias) que um grão
de amendoim e uma certa porção de pão pode fornecer ao corpo. Para isso, vamos queimar
o pão e o amendoim respectivamente, e usar o calor produzido nesse processo para aquecer
uma quantidade conhecida de água. Isso irá provocar um aumento na temperatura da água
e, com esse dado, será possível calcular a energia fornecida pelo amendoim e o pão,
aplicando os dados na fórmula:
qmed = (Mágua . Cágua . ΔT + Mvidro . Cvidro . ΔT)
como
qliberado = -qmed
obteremos o valor da quantidade de energia liberada pela queima dos alimentos analisados.
3) Procedimento experimental
•
Preparação Prévia
Os alimentos devem ser previamente selecionados, aconselha-se alimentos com
baixo teor de água, pois os alimentos devem ser bem secos antes do início da prática.
A montagem do calorímetro consiste em retirar as partes de cima e de baixo de uma
embalagem longa vida, de outra embalagem longa vida retire uma placa suficiente para
tapar uma das extremidades da embalagem longa vida, nesta placa recorte um orifício
pouco menor que o diâmetro de um tudo de ensaio,encaixe um tubo de ensaio nesse orifício
e monitore a temperatura da água com um termômetro.
•
Procedimento:
Pese as amostras que devem ter em torno de 0,5g, que foram secas previamente,
pese também o tudo de ensaio e adicione água destilada (10 mL para alimentos menos
calóricos e 15 ou 20 ml para alimentos mais calóricos), meça cuidadosamente a temperatura
da água neste instante (temperatura ambiente).
Coloque o tubo de ensaio no sistema montado como na figura 2. Fixe as amostras em
hastes metálicas. Inflame o alimento com um fósforo ou bico de gás e coloque-o
rapidamente dento do cilindro para que a chama atinja diretamente o tubo de ensaio.
Quando a combustão terminar meça a temperatura da água homogeneizando
levemente o líquido. Repita o procedimento com outros alimentos para comparação.
Todas as medidas realizadas no experimento devem ser realizadas em triplicata.
Figura 1: Modelo do calorímetro proposto
4) Análise de dados e discussão.
•
Deve se calcular o calor medido (Qmed) em cal, kcal, j e kj:
•
Calcular o potencial energético (μq) em Kj/g e Kcal/g:
•
Considerar densidade da água como 1 g/cm3:
•
Considerar como calor específico do vidro 0,2cal/g:
•
Discuta sobre a viabilidade do experimento:
•
Discussão sobre possíveis fontes de erro:
•
Correlacionar os valores obtidos com valores reais:
5) Referências Bibliográficas
•
ATKINS, P.W. Físico-química, 6ª edição, vol 1, Rio de Janeiro, LTC,1999, p.37-45.
•
ATKINS, P; JONES, L.Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio
ambiente, 3ªedição, Porto Alegre, Bookman, 2006, p.304-311.
•
GOMES, Márcio Augusto de Oliveira. Determinação da energia contida em alguns
alimentos. Curitiba, 1999.26f. Monografia (Especialização em Ensino de Química
Experimenal para o 2o. Grau) - Setor de Ciências Exatas, Departamento de Química,
Universidade Federal do Paraná, p.112-124.
•
CROCKFORD, H.D; KNIGHT, S.B. Fundamentos de Físico-química, LTC, Rio de Janeiro,
1977, p.53.