Guia do professor

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. 5a 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. 1a ed. São
Paulo: editora Scipione – série parâmetros, 2003.
Silva, E.R, Nóbrega, O.S. e Silva, R.H. Química – conceitos básicos. 1a ed. São
Paulo: editora Ática, 2001.
Beltran, N.O. e Liegel, R.M. Química – ensino médio, volume 1. 1a 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:
Massa 1:
Tempo de aquecimento 1:
Temperatura inicial 2:
Massa 2 :
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:
Tempo de aquecimento 1:
Massa 2 :
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.