Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor BASTÃO MÁGICO (Guia do Professor) PROFs. ORIENTADORES: LUCIDÉA G. REBELLO COUTINHO NELSON ANGELO DE SOUZA ALUNOS: Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor INTRODUÇÃO As reações químicas e interações intermoleculares sempre estão acompanhadas de uma liberação ou absorção de energia, ainda que a quantidade de energia seja às vezes pequena. Se a energia dos produtos é menor que a energia dos reagentes, então, enquanto a reação ou as interações avança, a energia é liberada. Por outro lado, se a energia dos produtos é maior que a dos reagentes, o sistema absorve energia das vizinhanças durante o curso da reação ou interações. Em qualquer caso, a quantidade de energia liberada ou absorvida expressa a variação da energia na mistura que reage ou interage entre si, (Lei da Conservação de Energia). A Termoquímica é a parte da Química que estuda as transferências de Calor nas transformações químicas e físicas. O Calor é uma forma de energia simbolizada pela letra “Q” que pode assumir valores positivos (Q > 0) quando o sistema absorve calor das vizinhanças (processo endotérmico) ou negativo (Q < 0), quando o sistema perde calor para as vizinhanças (processo exotérmico). Quando os processos endotérmicos ou exotérmicos ocorrem à pressão constante, como exemplo a pressão atmosférica, o calor absorvido ou liberado é igual a entalpia (∆H) do sistema. Para melhor elucidarmos uma reação exotérmica, sugerimos o desenvolvimento de um experimento, denominado “Bastão Mágico”, apresentado através de um filme, demonstrando todas as etapas macroscópicas do processo reacional. OBJETIVO Contextualizar o Ensino de Química sobre o conteúdo de uma reação química de oxi-redução, procurando observar todas as etapas envolvidas, construindo possibilidades de um estudo mais diversificado. PRÉ-REQUISITOS ► Conceitos sobre números de oxidação dos elementos químicos; ► Conceito sobre semi-reação de oxidação; ► Conceito sobre semi-reação de redução; ► Conceito sobre agente oxidante e agente redutor; ► Balanceamento de equações: método da variação do número de oxidação e método das semi-reações de oxidação e de redução; ► Compreender os processos exotérmicos e endotérmicos; Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor ► Conceito de entalpia e cálculos da energia das reações PROVÁVEIS REAÇÕES QUÍMICAS: 1ª) 2 a) 2 KMnO4 (s) + H2SO4 (conc.) 3 CH3CH2OH + 2 Mn2O7 CH3CH2OH + 3O2 → Mn2O7 + K2SO4 + H2O 3CH3CO2H + 4MnO2 + 3H2O + XCal 2 CO2(g) + H2O(g) + (FOGO) xCal PROVÁVEL EXPLICAÇÃO A mistura oxidante reagirá com o álcool etílico embebido em algodão, produzindo Calor, proveniente de uma reação de oxidação altamente exotérmica, Calor este suficiente para atingir o ponto de combustão do álcool etílico, juntamente com o Oxigênio do ar atmosférico, satisfazendo assim, a tríade ou triângulo do FOGO, que é a combinação do Oxigênio (do ar atmosférico), do combustível (álcool etílico) e do Calor. O experimento nos mostra que o fogo, uma manifestação da energia, é constituído de três elementos: comburente (oxigênio - O2), combustível (álcool etílico) e calor (processo de oxidação). O triângulo em vermelho que na equação acima representa o Calor, provém da reação de Oxidação do etanol a ácido acético, reação essa, que se desenvolve na ponta do bastão. Ver triângulo do fogo a seguir. O2 CombustívelLl Calor Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor PONTO DE IGNIÇÃO É a temperatura acima do ponto de fulgor e de combustão em que os vapores desprendidos entram em combustão espontaneamente, isto é, independentemente da presença de chama. COMBUSTÃO Definição: Devemos entender por combustão de um composto orgânico a sua reação com oxigênio molecular, na presença de calor. A combustão é conhecida também como queima. A combustão é uma reação de oxi-redução, onde o Hidrocarboneto é o agente redutor e denominado combustível e o oxigênio (ou o ar) é o agente oxidante, denominado comburente. Para que a reação de combustão ocorra são indispensáveis, além do combustível e do comburente, o calor. Na ausência de um desses elementos a reação não ocorre. Quando há oxigênio em excesso, a combustão é dita total ou completa, produzindo CO2 (gás carbônico) e H2O (vapor d’água) e pode ser representada pela seguinte equação geral: 2 CnH2n+2 + (3n + 1) O2 → 2n CO2 + (2n + 2) H2O + (Calor) À medida que o oxigênio começa a escassear, a combustão ocorre de forma incompleta ou parcial e em lugar de CO2 (gás carbônico) começam aparecer o CO (monóxido de carbono) e o C (carvão finamente dividido). O monóxido de carbono (CO), altamente tóxico, é o principal responsável pela poluição produzida pelos automóveis, ônibus e caminhões. O carbono é o responsável pela nuvem escura (fuligem) expelida por ônibus e caminhões. As equações químicas a seguir podem explicar as transformações descritas. 2 CH4 + 3 O2 → 2 CO + 4 H2O CH4 + O2 → C (negro de fumo) + 2H2O Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor ESQUEMA DO EXPERIMENTO DEMONSTRADO NO FILME: Fig.1: Algodão umedecido com Fig. 2: Mistura reacional de Fig. 3: Bastão de vidro comFig. 4: Fogo produzido ao do bastão mistura reacionalcontato álcool sobre a tela de amianto. KMnO4 e H2SO4 conc. em um a vidro de relógio. tocando no algodão comcontendo a mistura e o algodão umedecido em álcool. álcool. IMAGEM 01: Algodão umedecido com álcool sobre a tela de amianto; IMAGEM 02: Mistura reacional de KMnO4 e H2SO4 conc. em um vidro de relógio. IMAGEM 03: Bastão de vidro umedecido na mistura tocando no algodão com álcool; IMAGEM 04: Efeito produzido do contato do bastão com a mistura e o algodão umedecido em álcool. REQUERIMENTOS TÉCNICOS 1) Versão mínima de navegador (Browser): - Internet Explorer versão 5 - Netscape versão 7 2) PLUG-INS que, obrigatoriamente devem ter no computador: - Plug-in do Adobe Flash - Acrobat Reader Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor CURIOSIDADES SOBRE ALGUNS ELEMENTOS PARTICIPANTES ● MANGANÊS Origina do francês manganése ou manganésio (designação preterida pela sua semelhança com o magnésio). O manganês é um elemento químico: ● SÍMBOLO: Mn; ● Nº. ATÔMICO: 25; ● MASSA ATÔMICA: 55 u; ● SÓLIDO A TEMPERATURA AMBIENTE; ● USO: usado em ligas, principalmente na do aço e, também, na produção de pilhas; ● HISTÓRICO: foi descoberto em 1774, pelo sueco Johan Gottlieb Gahn, reduzindo o seu óxido com carbono. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS O manganês é um metal de transição de coloração branco-acinzentado, parecido com o ferro. É um metal duro e muito frágil, refratário e facilmente oxidável. O manganês metálico pode ser ferromagnético, mas somente depois de sofrer um tratamento especial. Os estados de oxidação mais comuns são: +2, +3, +4, +6 e +7, sendo o +1 e o +5 os estados de oxidação mais raros. Os compostos que apresentam o manganês com estado de oxidação +7 são considerados agentes oxidantes muito enérgicos. Nos sistemas biológicos, o cátion Mn+2 compete frequentemente com o Mg+2. APLICAÇÕES É importante para liga de aços. O manganês reage com enxofre presente formando sulfeto de manganês, MnS, evitando que o enxofre reaja com o ferro, aumentando a fragilidade e tornando-o mais difícil de forjar, também o excesso pode reagir com o carbono, formando carbetos de manganês, melhorando as propriedades químicas do aço. O manganês apresenta propriedades desoxidantes, evitando assim a formação de bolhas. Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor A maior parte do manganês está empregada para obtenção de ferromanganês, que possui cerca de 80% de manganês. A liga metálica de ferro e manganês é obtida por um processo de redução do trióxido de diferro (Fe2O3), e do dióxido de manganês (MnO2). ● OXIGÊNIO ● SÍMBOLO: O ● Nº. ATÔMICO: 8 ● MASSA ATÔMICA: 16 u ● NA FORMA, O2, é um gás a temperatura ambiente, incolor, insípido, inodoro, comburente, não combustível e pouco solúvel em água ● HISTÓRICO: sua descoberta está ligada ao farmacêutico sueco Carl Wilhelm Scheele em 1771, porém muitos atribuem a Joseph Priestley o seu descobrimento, em 01 de agosto de 1774, como também ao francês Antoine Laurent Lavoisier, em 1774. ● O nome OXIGÊNIO foi dado por Lavoisier em 1774, após ter observado que existiam muitos ácidos que continham oxigênio. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS O oxigênio representa aproximadamente 21% da composição da atmosfera terrestre. É considerado um dos elementos mais importante da Química Orgânica, pois participa de forma relevante no ciclo energético dos seres vivos, sendo essencial na respiração celular dos organismos aeróbicos. Em condições normais de temperatura e pressão (CNTP) o oxigênio se encontra no estado gasoso, formando moléculas de O2. Esta molécula é formada durante a fotossíntese das plantas, para posteriormente, serem utilizadas pelos seres vivos no processo de respiração. O oxigênio líquido e sólido tem uma ligeira coloração azulada. O oxigênio reage praticamente com todos os metais, provocando a corrosão, exceto com os metais nobres como ouro, platina. ATIVIDADES COMPLEMENTARES Desenvolver em sala de aula, o experimento demonstrado no filme, para que os alunos possam tocar no recipiente que contém a mistura reacional, e poder sentir o calor liberado na reação, como também, poder escutar mais nitidamente o ruído que a reação produz. Acredita-se que um experimento desenvolvido em sala de aula, poderá despertar nos aprendizes a observação do “Princípio da Transformação de Energia”. Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor DESENVOLVIMENTO DO EXPERIMENTO Reagentes: • • • Permanganato de potássio sólido, KMnO4 (s); Ácido sulfúrico concentrado, H2SO4 (conc.); Álcool etílico líquido ou gel. Materiais: • • • • Algodão; Tela metálica com amianto; Bastão de vidro; Vidro de relógio ou recipiente refratário pequeno. Procedimento: 1º PASSO Umedecer um chumaço de algodão com álcool etílico em um vidro de relógio ou em uma placa de Petri e colocá-lo sobre a tela de amianto. 2º PASSO Adicionar a um outro vidro de relógio uma pequena quantidade de KMnO4 sólido, ± 01 (uma) colher de café e, em seguida colocar duas gotas de H 2SO4 (conc.) (mistura reacional). OS FRASCOS COM ÁCIDO SULFÚRICO CONCENTRADO, PERMANGANATO DE POTÁSSIO E ÁLCOOL ETÍLICO NÃO PODEM FICAR PRÓXIMOS. Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor 3º PASSO Umedeça uma das extremidades do bastão de vidro na mistura reacional (KMnO4 + H2SO4 (conc.)) e com encoste rapidamente esta extremidade do bastão de vidro no algodão umedecido com álcool e observe o efeito produzido. IMPORTANTE: USAR JALECO, LUVAS E ÓCULOS DE PROTEÇÃO. SIGNIFICADO DOS TERMOS EM DESTAQUE – (GLOSSÁRIO) REAÇÃO QUÍMICA DE OXI-REDUÇÃO Em uma reação de oxi-redução sempre ocorre à perda e ganho simultâneos de elétrons, pois os elétrons perdidos por um átomo, íon ou molécula são imediatamente recebidos por outros átomos, íons ou moléculas. REDUÇÃO O processo de redução consiste na diminuição da carga formal ou do número de oxidação. O átomo, íon ou molécula recebe elétrons de outra espécie química. OXIDAÇÃO O processo de oxidação consiste no aumento da carga formal ou do número de oxidação. O átomo, íon ou molécula transfere elétrons para outra espécie química. AGENTE OXIDANTE É a espécie química que sofre redução (ganha elétrons). Ao ganhar elétrons, a espécie química promove a perda de elétrons (oxidação) de outra espécie química, comportando-se como agente oxidante. AGENTE REDUTOR É a espécie química que sofre oxidação (perde elétrons). Ao perder elétrons, a espécie química promove o ganho de elétrons (redução) de outra espécie química, comportando-se como agente redutor. Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor PERMANGANATO DE POTÁSSIO Figura 01: Permanganato de potássio sólido O permanganato de potássio (KMnO4) é um sal inorgânico inodoro de coloração roxo-bronze, composto pelos íons potássio (K+) e permanganato (MnO4-). É considerado um forte agente oxidante, logo podem explodir por ocasião de uma batida (atrito) ou exposição ao calor (chama). O contato com agentes redutores ou combustíveis pode ocasionar ignição, e o contato com substâncias oxidáveis pode ocasionar uma combustão violenta. Em contato com a pele causa queimaduras. Tóxico se ingerido ou inalado. O permanganato de potássio (KMnO4) deve ser mantido em recipiente bem fechado, em local fresco, seco e bem ventilado. O permanganato de potássio é usado em indústrias e laboratórios como agentes oxidantes em diversas reações químicas, e com ação desinfetante em desodorantes. É utilizado no tratamento de algumas enfermidades parasitárias dos pés; para tratar água, tornando-a potável, e em casos de envenenamento por fósforo pode ser usado como antídoto. As soluções diluídas de permanganato de potássio (0,25%) são geralmente usadas como enxaguantes bucais e na concentração de 1% as soluções diluídas são utilizadas como desinfetante para mãos. ÁCIDO SULFÚRICO O ácido sulfúrico (H2SO4) é um ácido mineral forte, solúvel em água. É um líquido com aspecto oleoso, límpido e incolor. Em contato com a pele pode causar queimaduras severas. Ingerir ácido sulfúrico pode causar a morte, pois ele é altamente corrosivo e cancerígeno. Nocivo se for inalado. A solução a 98% é considerada a mais estável para armazenagem e por isto é a forma utilizada de ácido sulfúrico "concentrado". O ácido sulfúrico (H2SO4) deve ser mantido em frasco bem fechado e identificado resistente à corrosão, e armazenado em local fresco, seco e bem ventilado. O frasco contendo ácido sulfúrico deve ser guardado ao abrigo da luz, e Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor longe da água, calor e materiais incompatíveis como cloratos e cromatos, que reagem violentamente com o ácido sulfúrico. ● MEDIDAS DE PRIMEIROS SOCORROS ► INALAÇÃO Deve-se remover o acidentado ao ar livre e chamar um médico. Caso o acidentado não esteja respirando deve-se fazer respiração artificial. ► INGESTÃO Não induza o vômito! Deve-se dar ao acidentado uma grande quantidade de água, caso não esteja inconsciente. Chame imediatamente um médico. ► CONTATO COM A PELE Lavar imediatamente com água corrente as partes atingidas por 15 minutos. O excesso de ácido sulfúrico na pele pode ser neutralizado com uma solução de bicarbonato de sódio 2%. Procure um médico. ► CONTATO COM OS OLHOS Lavar imediatamente por 15 minutos com água corrente, abrindo e fechando as pálpebras. Procure um médico. ÁLCOOL ETÍLICO Líquido incolor solúvel em água. É uma substância obtida na fermentação de açucares, encontrado em bebidas como: cerveja, vinho e aguardente, e na indústria de perfumes. No Brasil o etanol é utilizado como combustível de motores de explosão. O abuso no consumo de etanol pelo homem é considerado a principal causa de mortalidade da humanidade. TELA METÁLICA COM AMIANTO Serve para sustentar peças de vidro, que serão aquecidas. A função do amianto é distribuir o calor recebido, de maneira uniforme e sem danificar a vidraria. Figura 02: tela metálica com amianto Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor BASTÃO DE VIDRO, VARETA OU BAQUETA Figura 03: bastão de vidro Serve para agitar e facilitar as dissoluções, possibilitando a homogeneização, mantendo as massas líquidas em movimento constante. Pode também auxiliar os processos de filtração e de transferência de líquidos de um recipiente para outro. VIDRO DE RELÓGIO Recipiente de vidro, onde sólidos e líquidos podem ser evaporados lentamente. Figura 04: vidro de relógio OXIGÊNIO NASCENTE Radical livre resultante da reação de oxidação do oxigênio de O-2 para O0. CALOR É a maneira de inserir energia interna (energia relacionada ao movimento contínuo dos átomos ou moléculas, e as forças interativas entre elas) entre dois corpos que tira proveito da diferença de temperatura existente entre eles. ÁCIDO ACÉTICO Nome oficial ácido etanóico (CH3COOH). O vinagre é o ácido acético na forma impura e o ácido acético glacial é o ácido acético sem água. O ácido acético é um ácido fraco e corrosivo, seus vapores causam irritação nos olhos, nariz e garganta, e congestão pulmonar. Reagente químico utilizado na produção de politereftalato de etila (PET), usado em garrafas de refrigerantes; do acetato de celulose, usado na película fotográfica e do acetato de polivinil, usado na cola de madeira. O ácido acético também pode ser utilizado como produto de limpeza e desinfecção. Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor REAÇÃO EXOTÉRMICA É a reação química que libera calor. Ocorre quando a energia dos produtos (energia final) é menor que a energia dos reagentes (energia inicial), resultando em uma variação de energia negativa. COMBUSTÃO É uma reação exotérmica que ocorre entre o combustível e o comburente, liberando calor. A Combustão de um composto orgânico resulta da reação com oxigênio molecular, na presença de calor. Pode-se também conceituar como Combustão, uma reação de oxi-redução, onde o Álcool etílico (Hidrocarboneto – composto orgânico constituído de carbono e hidrogênio) é o agente redutor, denominado combustível, e o Oxigênio (ou o ar) é o agente oxidante, denominado comburente. Para que a reação de combustão ocorra são indispensáveis, além do combustível e do comburente, o Calor. Na ausência de um desses elementos a reação não ocorre. Quando há oxigênio em excesso, a Combustão é dita total ou completa, produzindo CO2 (gás carbônico) e H2O (vapor d’água) e pode ser representada pela seguinte equação geral: 2 CnH2n+2 + (3n + 1) O2 → 2n CO2 + (2n + 2) H2O + (Calor) À medida que o oxigênio começa a escassear, a combustão ocorre de forma incompleta ou parcial e em lugar de CO2 (gás carbônico) começam aparecer o CO (monóxido de carbono) e o C (carvão finamente dividido). O monóxido de carbono (CO), altamente tóxico, é o principal responsável pela poluição produzida pelos automóveis, ônibus e caminhões. O carbono é o responsável pela nuvem escura (fuligem) expelida por ônibus e caminhões. As equações químicas a seguir podem explicar as transformações descritas. 2 CH4 + 3 O2 → 2 CO + 4 H2O CH4 + O2 → C (negro de fumo) + 2H2O Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor COMBURENTE Substância oxidante, que possui um elemento capaz de sofrer redução em uma reação de combustão. O comburente alimenta a combustão. O oxigênio é o comburente mais comum. COMBUSTÍVEL Qualquer substância que reage com o comburente, geralmente o oxigênio, produzindo calor, chamas e gases. TRIÂNGULO DO FOGO É a representação dos três elementos importantes e necessários para iniciar uma combustão. Estes elementos são o combustível, que fornece energia para a queima, o comburente, que reage quimicamente com o combustível e o calor, necessário para iniciar a reação entre comburente e combustível. ESTADOS DE OXIDAÇÃO Indica o número de elétrons que um átomo ou íon ganha ou perde, adquirindo a estabilidade química. CARBETOS São compostos inorgânicos binários que contêm carbono, ExCy, onde E é o elemento mais eletropositivo e C é o elemento carbono. Os carbetos podem ser classificados como: carbetos iônicos e carbetos covalentes. QUÍMICA ORGÂNICA É um ramo da Química que estuda as estruturas, propriedades, composições, reações e as sínteses dos compostos orgânicos, que contêm carbono, mas que também podem conter outros elementos como hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, halogênios e mais raramente, fósforo e enxofre. ORGANISMOS AERÓBICOS Organismos que necessitam de oxigênio para sobreviver. Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor FOTOSSÍNTESE No processo de fotossíntese as plantas, seres autotróficos, seres que são capazes de produzir o seu próprio alimento, e alguns outros organismos transformam a energia luminosa em energia química, processando o dióxido de carbono (CO2), água (H2O) e minerais em compostos orgânicos, produzindo oxigênio (O2). CORROSÃO É a tendência de um composto em retornar a sua composição mais estável. Por exemplo, quando uma peça de ferro enferruja, o ferro (Fe o), principal componente, está retornando à forma de óxido (Fe2O3), composto original do minério, mais estável. ÁTOMO É a menor partícula capaz de caracterizar um elemento químico. O átomo abriga em seu núcleo partículas elementares de carga elétrica positivas (prótons) e neutras (nêutrons), e ao redor deste núcleo atômico fica uma nuvem de elétrons em um movimento contínuo (eletrosfera). MOLÉCULA É uma espécie eletricamente neutra, que possui mais de um átomo. Uma molécula corresponde a uma depressão na superfície de potencial suficiente para confinar pelo menos um estado vibracional. Um conjunto mínimo de moléculas determina as propriedades químicas de uma substância. ÍON É uma espécie química eletricamente carregada, átomo ou molécula que ganhou ou perdeu elétrons. Os íons carregados negativamente são conhecidos como ânions (atraídos para anodos) e os íons carregados positivamente são chamados de cátions (atraídos por catodos). ELÉTRONS São partículas elementares que possuem uma unidade de carga negativa. Os elétrons formam órbitas ao redor do núcleo dos átomos carregados positivamente. Um átomo considerado eletricamente neutro possui o número de elétrons igual ao número de prótons (cargas positivas) contidos no núcleo. Quando os átomos se combinam, formando moléculas, alguns elétrons da camada de valência (mais externa) são transferidos ou compartilhados com os átomos vizinhos, formando ligações químicas. Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor CARGA FORMAL É um procedimento de contabilidade eletrônica. Por intermédio da carga formal o químico pode determinar a localização de uma carga na molécula, comparar várias estruturas de Lewis possíveis e determinar a estrutura que melhor descreve a molécula (ou íon composto). IGNIÇÃO É o ponto de partida para mistura (combustível + comburente) inflamar. Exemplo: uma faísca. CLORATOS São sais que contém o ânion clorato, ClO3-, derivados do ácido clórico HClO3. O estado de oxidação do elemento químico cloro neste ânion é +5. O clorato é considerado forte oxidante, pois pode ser oxidado a perclorato, ClO4-. Os cloratos não são encontrados na natureza devido ao elevado caráter oxidante e a alta instabilidade. Os cloratos são utilizados na formulação de materiais pirotécnicos e explosivos. Misturar cloratos com materiais inflamáveis é extremamente perigoso, pois podem detonar sem razão aparente. CROMATOS São sais que contém o ânion cromato CrO42-, derivados do ácido crômico H2CrO4. O estado de oxidação do elemento químico cromo neste ânion é +6. O cromato é considerado forte oxidante, pois pode ser oxidado a dicromato Cr2O72-. FERMENTAÇÃO É um processo anaeróbico (sem oxigênio) de transformação de uma substância em outra, produzida inicialmente por microorganismos, como fungos e bactérias, denominados nestes casos de fermentos. Existem dois tipos de fermentação: ► Fermentação Aeróbica (respiração celular) Ocorre na presença de oxigênio presente no ar. Por exemplo em: vinagre e ácido cítrico. Vídeo: “Bastão Mágico” Guia do Professor ► Fermentação Anaeróbica Ocorre na ausência de oxigênio. Por exemplo em: Iogurte, cerveja e vinho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ATKINS, P.W. ; JONES, L., Princípios de Química, trad. Inês Caracelli et al., Porto Alegre: editora Bookman, 2001. BRADY, J. E., RUSSEL, J. W., HOLUM, J. 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