representaciones sociales acerca del cambio climatico

Tecné, Episteme y Didaxis: TE. Año 2011, Número Extraordinario. ISSN 0121-3814
Quinto Congreso Internacional sobre Formación de Profesores de Ciencias. 26 al 28 de octubre de 2011
Ponencia
Utilizando conceitos termodinâmicos na explicação de uma reação
química
Carlos Neco da Silva Júnior1, Márcia Gorette Lima da Silvaa, Fabiana Roberta Gonçalves e Silva2,
Fernanda Marur Mazzé1
1
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Departamento de Química. Natal, RN – Brasil. CEP
59078-000. 2Universidade Tecnológica Federal do Paraná – DAQBI, Campus Curitiba, Curitiba-PR.
CEP 80230-901.
[email protected]
Resumo
O conceito de energia é a base do entendimento da termodinâmica química. Neste trabalho
identificamos algumas concepções de alunos da licenciatura em química sobre as formas de
energia utilizadas para quantificar as reações químicas. De acordo com a análise realizada
identificamos que os alunos recém egressos do curso de química da UFRN conseguem
identificar que as formas de energia são estudadas no conteúdo de termodinâmica química,
mas não conseguem relacioná-las com uma situação de uma transformação química ou sua
aplicação em outros conteúdos termodinâmicos. Para auxiliar a compreensão dos diferentes
usos do conceito de energia realizamos um ciclo de estudos utilizando uma situação
experimental, envolvendo material de baixo custo, para trabalharmos os conceitos de energia
numa transformação química. As principais respostas dos alunos a situação experimental em
estudo está em detrimento aos aspectos macroscópicos evidenciados na reação, não
conseguindo, na maioria das questões realizadas, abordar as explicações em função dos
aspectos energéticos da reação.
Palavras Chave. Termodinâmica Química, Energia, Graduandos em Química
Abstract
The concept of energy is based on the understanding of chemical thermodynamics, which in
turn is the basis for understanding the spontaneous or non spontaneous character of a
chemical reaction. In this paper we identified some ideas of the students on degree in chemical
about forms of energy used to quantify the chemical reaction.
Keywords: Chemical Thermodynamics, Energy, students.
Introdução
O desenvolvimento da termodinâmica geral aplicada aos sistemas químicos (termodinâmica
química) se deve ao norte-americano W. Gibbs (1839-1903) que implantou a condição de
equilíbrio aos sistemas termodinâmicos, introduzindo a chamada função de Gibbs ou energia
livre (Gil, 2003). A termodinâmica química estuda a energia envolvida nas transformações
químicas.
Um dos problemas sobre as ideias os alunos no estudo das reações químicas refere-se às
descrições macroscópicas do fenômeno fundamentado em uma concepção contínua da
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matéria sem atribuir significado conceitual a reação em estudo (Justi e Ruas, 1997). Do ponto
de vista conceitual, o difícil entendimento dado aos conceitos abordados na termodinâmica
química por alunos de qualquer nível de ensino, se dá pelo fato do ensino fragmentado que
esse conteúdo recebe (Jacques e Milaré, 2007; Amaral e Mortimer, 2004; Silva et. al, 2007).
Este trabalho apresenta uma análise das concepções de estudantes de licenciatura em química
sobre as formas de energia utilizadas para quantificar as transformações químicas.
Contexto e desenvolvimento da pesquisa
Neste trabalho utilizamos um questionário com perguntas abertas e fechadas para identificar a
relação do conceito de energia com conceitos químicos e com transformações químicas. O
questionário foi elaborado a partir do trabalho desenvolvido por C. N. Silva Jr, 2010, onde um
amplo estudo sobre o uso do conceito de energia e suas implicações no ensino-aprendizagem
da química é realizado. O objetivo do questionário era caracterizar as concepções dos alunos
do ensino superior, recém egressos no curso de química da Universidade Federal do Rio Grande
do Norte (UFRN).
Na primeira pergunta foi solicitado aos alunos que listassem cinco conteúdos químicos,
estudados na disciplina de química geral (disciplina ofertada nos primeiros semestres da
graduação em química), que envolve o conceito e/ou termo energia. As duas outras perguntas,
realizadas de forma objetiva, questionaram respectivamente qual o conteúdo químico que faz
uso de formas de energia para quantificar as reações químicas e quais dessas formas ou
variáveis termodinâmicas podem ser utilizadas para quantificar as transformações químicas em
termos energéticos. Todas as perguntas foram realizadas no intuito de compreender se os
alunos da graduação em química da UFRN conseguiriam estabelecer relações de significado
entre as formas de energia e os conceitos químicos, como também entre as transformações
químicas.
Para abordar os conceitos do conteúdo de termodinâmica química apresentamos um
experimento, utilizando material alternativo, proposta anteriormente no trabalho de COSTA et.
al., 2006, como estratégia de ensino que pode ser utilizada para abordar tanto os conceitos
termodinâmicos envolvidos em uma transformação química, quanto o formalismo matemático
necessário a quantificação da transformação. O experimento pode ser realizado utilizando
ácido clorídrico comercial (ácido muriático) com anel de latas de bebidas de alumínio (material
constituído de alumínio), ambos reagindo em um tubo de ensaio para produzir gás hidrogênio
e cloreto de alumínio espontaneamente. A reação abaixo representa a reação proposta.
Als+ 3HClaq → Alaq3++ 3Claq-+ 32H2g↑
A situação experimental foi aplicada em um ciclo de estudos com alunos do curso de
licenciatura em química da UFRN que estavam cursando entre o sexto e oitavo período.
Durante a aplicação da situação experimental foi realizada uma entrevista semi-estruturada
onde solicitamos aos alunos que explicassem e descrevessem os fatores energéticos
envolvidos na reação em estudo. Para explicar e descrever o que acontece com a reação em
estudo seria necessário abordar aspectos tanto no nível macroscópico quanto no nível
microscópico da reação em estudo. Organizamos as principais falas dos alunos em cinco que
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evidenciam a reação em estudo, são elas: liberação de gás, consumo de um dos reagentes,
aquecimento do tubo de ensaio, velocidade da reação e diferenças entre as fases formadas.
Essas categorias de evidência foram assim organizadas devido a maioria das respostas dos
alunos abordarem aspectos macroscópicos da reação em estudo do que os aspectos
microscópicos.
Resultados e discussão
Na primeira pergunta, apresentamos todas as respostas que foram expressas pelos alunos
quando tentaram listar cinco conteúdos químicos estudados nas disciplinas de química geral
que envolve o conceito de energia. Após análise das várias respostas dadas a essa pergunta, as
categorizamos e apresentamos o percentual de cada uma na Tabela 1.
No citações
13
6
4
3
2
1
Conteúdo químico ou conceito Porcentagem (%)
Termodinâmica
23,63
Cinética química
10,90
Forças intermoleculares
Equilíbrio químico
7,27
Entalpia
5,45
Estrutura atômica
Átomo de Bohr
3,64
Eletroquímica
Energia de ligação
Energia livre
Entropia
Ligação química
Equação de Schrödinger
1,82
Estrutura atômica
Físico- química
Função de onda
Geometria
Orbital atômico
Orbitais moleculares
Tabela periódica e suas propriedades
Reações químicas
Tabela 1 - Percentual dos conteúdos químicos pelos alunos.
A partir da Tabela 1, podemos observar inicialmente que os alunos não conseguem fazer
distinção entre conceito químico e conteúdo químico, uma vez que apresentam termos como
orbital atômico, átomo de Bohr e função de onda como conteúdo químico estudado ao invés
de estrutura atômica. Observa-se também que o conteúdo mais relacionado ao conceito de
energia é a Termodinâmica. Por outro lado, a questão dois dava como opção de resposta cinco
conteúdos estudados em química geral e solicitava aos alunos que identificassem qual
conteúdo, estudado no curso de química, se utilizava de formas de energia para quantificar as
reações químicas. Um dos fatos mais interessantes nessa resposta é que apenas 23% dos
participantes associaram à resposta a conteúdos como forças intermoleculares, eletroquímica
e cinética química e que 77% associaram à resposta ao conteúdo de termodinâmica química. Em
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nossa análise isso indica que esses alunos parecem ter certeza de que o conteúdo de
termodinâmica química utiliza de formas de energia para estudar as reações químicas, mas
parece não compreender que as formas de energia podem ser relacionadas a outros conteúdos
químicos ou conceitos químicos.
Ainda na análise das concepções de graduandos em química sobre formas de energia para
quantificar as reações químicas, a questão 03 (três) solicitou aos alunos que respondessem
qual(is) forma(s) de energia (energia interna, entalpia, entropia e/ou energia livre) poderia(m)
ser utilizada(s) para quantificar essas reações. Das respostas a essa questão, observa-se que a
maioria dos alunos marcou apenas a entalpia, quando poderiam ter assinalado também outras
variáveis macroscópicas termodinâmicas como, por exemplo, energia interna, entropia e
energia livre. De forma geral, pode-se sinalizar pelas respostas que os alunos reconhecem que
o conceito de energia é estudado em termodinâmica, porém não relacionam que outras
variáveis macroscópicas podem ser utilizadas para quantificar as reações químicas. A Figura 01
mostra a porcentagem das respostas da terceira questão em relação à quantidade total de
respostas na terceira questão.
Acreditamos que esse grande número de marcações na função entalpia pode estar relacionado
à ênfase dada apenas ao cálculo da variação de entalpia das reações químicas, em detrimento
das outras funções termodinâmicas, na disciplina de química geral ou ainda pelas concepções
advindas de outros níveis de ensino, como por exemplo o nível médio, quando o próprio livro
didático não faz uso de outras variáveis termodinâmicas. Isto pode levar os alunos, em
qualquer nível de ensino, a acreditar que a única variável termodinâmica que pode ser utilizada
para determinar as variações de energia é a entalpia. Segundo Furió et al. (2005), analisar
apenas a variação de entalpia em detrimento das outras funções termodinâmicas pode limitar a
aplicação da termodinâmica as reações químicas. A análise do caráter espontâneo da reação
em estudo foi feita calculando os valores de variáveis termodinâmicas macroscópicas como
entalpia, entropia e energia livre de Gibbs, Tabela 2.
Variável Termodinâmica Macroscópica
∆sistH°
∆sistS°
∆TotalS°
n ∆G°
Valor Encontrado
-524,7 kJ.mol-1
-154,01 J.K-1.mol-1
1,6 kJ.K-1.mol-1
-478,78 kJ.mol-1
Tabela 2 - Valores das variáveis macroscópicas termodinâmicas calculadas a partir de apêndices
de livros de química geral.
Esses valores, além de ilustrar de forma quantitativa os valores energéticos de uma
transformação química possibilitaram aos alunos que participaram do ciclo de estudos como as
variáveis termodinâmicas poderiam ser calculadas em qualquer transformação química que
ocorre a pressão constante e na temperatura ambiente. Quando solicitamos aos alunos que
participaram do ciclo como eles explicariam e descreveriam a reação química em estudo,
encontramos as principais falas descritas na Tabela 3:
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Recorte da fala
Desprendimento de gás/libera uma fumaça/Formação de
bolhas/Houve ebulição nesta reação
Destruição da amostra/O anel se dissolve formando uma
solução/Até que o anel da lata derrete
Liberação de Calor/ esquentando o tubo de ensaio
Reação na qual a cada momento ficava mais agitada
Incolor/Formação de um sal solúvel de alumínio
Categoria evidência de
uma reação
liberação de gás
no de
citações
25
consumo de um dos
reagentes
aquecimento do tubo de
ensaio
velocidade da reação
distintas fases
18
17
12
12
A Tabela 3 deixa em evidência que as principais explicações que os alunos conseguem dar em
relação ao fenômeno em estudo são de caráter apenas descritivo e não explicativas, onde os
principais termos utilizados por eles se referem às evidências macroscópicas do fenômeno em
estudo não abordando os aspectos energéticos envolvidos na reação.
Considerações finais
As dificuldades de inter-relacionar conceitos do conteúdo de termodinâmica química com
outros conteúdos químicos e/ou ainda nas transformações químicas, pode estar relacionado à
forma como livros didáticos, tanto do nível médio de ensino quanto do nível superior,
apresentam o conteúdo de termodinâmica ou ainda como este conteúdo é abordado por
professores de diferentes níveis de ensino, o que pode levar os estudantes a compreenderem a
termodinâmica como parte da ciência que estuda fenômenos relacionados às transformações
energéticas, mas que os seus conceitos não se aplicam a explicação de outros conteúdos
químicos.
A reação proposta, além de ser uma proposta que utiliza material de baixo custo para abordar
conceitos químicos, pode ser utilizada tanto com alunos do nível médio de ensino quanto no
nível superior, uma vez que conceitos como sistema aberto, vizinhança, energia interna,
entalpia, entropia e energia livre de Gibbs podem ser discutidos durante a situação
experimental em estudo.
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