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Revisitando o Equilíbrio Químico Química 3o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Autores: Leandro Trindade Pinto e Roseli Martins de Souza Organizadores: Esteban Lopez Moreno, Denise Celeste Godoy de Andrade Rodrigues. 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Uma Palavra Antes de Começar Sob o céu todos podem ver a beleza, só porque há feiúra. Todos podem conhecer o bem, só porque existe o mal. Portanto ter e não ter surgem juntos. Complemento difícil e fácil entre si. Cap. 2 - Tao te king Fonte: http://bit.ly/1sCtxhS O tei-gi , a forma mais conhecida de representar o conceito de yin-yang Fonte: http://bit.ly/V5Qixo Segundo o Taoísmo, existe um equilíbrio dinâmico entre duas forças que geram todo movimento e mutação do Universo. As duas forças são complementares, o Yang e o Yin. Yang é o princípio ativo, diurno, luminoso, quente, a fala, o princípio. O Yin é o princípio passivo, noturno, escuro, frio, o silêncio, o fim. Ou seja, um antagonismo que produz equilíbrio! (Fonte: http://bit.ly/SxJhFk) 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Revisitando Equilíbrio Químico O tema equilíbrio químico talvez seja um dos princípios químicos que requerem maior capacidade de abstração dos estudantes. Afinal, uma reação química tem sido entendida por eles basicamente como reagentes químicos se combinando e formando produtos, mas nenhuma reação ocorre 100% assim! Este modelo explica muito bem a maioria das reações visíveis, sobretudo para os estudantes iniciais da Química. Observemos o fenômeno da combustão, por exemplo: um combustível em condições apropriadas com fornecimento de uma energia de ativação, através de um fósforo aceso e com a presença do oxigênio do ar, facilmente resultará em uma reação com formação de produtos. A reação é bem evidente e os produtos claramente formados. Mas, o fenômeno químico não é tão simples assim que possa ser explicado pelo mero modelo de reagir e formar produtos. Então, antes do tempo fechar, com as inúmeras discussões que envolvem a didática sobre o equilíbrio químico, vamos analisar o nosso velho conhecido, o galinho do tempo (Figura 1). Figura 1: Galinho do tempo. Fonte: http://bit.ly/1dX2OCw 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Ver a imagem deste antigo souvenir, muito comum nas casas de descendentes portugueses, me fez lembrar alguns momentos de infância, dentre eles quando ficava na casa da minha avó. Quando queria sair da casa da mãe de meu pai para brincar na rua, mesmo ignorando a evidência do tempo fechando, ouvia a minha avó dizer: “- Menino, não sai para rua brincar porque vai chover.” Eu ignorava seus conselhos e dizia: “- Como é que a senhora sabe?” Em tom carinhoso, que só as avós sabem falar, minha avó dizia: -“É que o senhor galo me disse que vai chover!” Depois de ouvir isso, na ansiedade de jogar bola na rua, respondia: “-Mas galo não fala, vó!” E ia para a rua. O resultado disso: quase como uma profecia, quando ia nestas condições caía o maior temporal. Voltava para casa da minha avó ensopado, e ao entrar percebia o olhar irônico da minha avó para mim que dizia: - “eu falei que o senhor galo me avisou”, e só não posso descrever neste tipo de texto o que vinha na minha cabeça quando entrava na cozinha e via aquele “bendito galo rosa”. O tempo passou e este fato se perdeu nos meus tempos de infância. Hoje bem mais velho e como professor de química, posso perceber que o galinho do tempo, além de me fornecer um dos parâmetros importantes sobre a previsão do tempo, percebo que ele pode ser um exemplo do cotidiano de muitas pessoas para entender o equilíbrio químico. Então, vamos a algumas explicações: O galinho do tempo apresenta duas colorações variáveis: azul e rosa (Figura 2). 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Figura 2: As duas diferentes colorações do galinho do tempo. Fonte: http://bit.ly/1kuvLgA A umidade do ar é um dos parâmetros mais importantes para a previsão do tempo em curto prazo. Mesmo não sendo um fator determinante, não deixa de ser uma referência caseira para estimar dias chuvosos. O galinho do tempo funciona com base numa propriedade, percebida pela mudança de coloração do cloreto de cobalto. Em dias de tempo de baixa umidade, com tempo seco e baixa probabilidade de chuva, o galinho do tempo fica azul, enquanto que nos dias úmidos, ele fica rosa. Este fenômeno pode ser observado através da análise isolada do cloreto de cobalto quando é hidratado (Figura 3). Sensorial = (capacidade de impressionar os nossos sentidos, neste caso específico a nossa visão 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Figura 3: Cobalto nas formas desidratada e hidratada Fonte: http://bit.ly/1g7hMGy O processo de equilíbrio químico nesta substância acontece para o deslocamento na formação de um cristal hidratado (onde apresenta coloração rosa) e o deslocamento do equilíbrio químico quando o cloreto de cobalto se desidrata em um meio seco (apresentando a coloração azul). CoCl2 + 6H2O CoCl2.6H2O Azul Rosa Outro exemplo do efeito da umidade que facilmente pode ser observado é a sílica. Um produto que parte do mesmo princípio, mas é resultante de um processo de absorção é a utilização de indicadores de umidade, como os exemplificados anteriormente, absorvidos na sílica gel, SiO2. O dióxido de silício possui larga função no combate da umidade pois possui propriedade de absorver a água do ambiente. Este produto é conhecido comercialmente como “tira mofo”, usados para combater a umidade em casa e comprados em diferentes supermercados. Ao atingir o máximo de adsorção de umidade, a sílica gel fica rosa. Ela pode ser reaproveitada várias vezes, sendo necessário para isto, ser levado ao micro-ondas por alguns minutos (onde a 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 umidade é removida), volta para a sua coloração azul e desta forma pode ser introduzido ao uso novamente. Outras formas de equilíbrio químico percebidas pela variação de cor O fotocromismo é a propriedade de algumas moléculas alterarem a sua cor de forma reversível quando irradiadas com a luz ultravioleta. Um dos compostos mais representativos do comportamento fotocrômico são os naftopiranos (Figura 4). Figura 4: Naftopiranos e fotocromismo Fonte da imagem: http://bit.ly/1qRJVbV Segundo Coelho (2006), o 3,3-difenil-3H-nafto [2,1-b] pirano 1 é um dos naftopiranos mais pesquisados. Estes compostos são incolores, mas quando irradiadas por luz solar passam a ter uma coloração amarela. Quando a fonte de luz é removida o sistema reverte ao estado inicial. 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Outros links que mostram sobre o comportamento fotocrômico: http://www.forscher.com.br/foto_cromicos.htm http://www.hsw.uol.com.br/tecido-display2.htm O vídeo disponível em http://bit.ly/1AQuPsR mostra um bom exemplo de aplicação de equilíbrio químico deslocado pela variação da temperatura. O carro foi pintado com tinta termossensível. O efeito fotocrômico também pode ser observado através da variação de temperatura de compostos que tenham essa propriedade. Latas de cerveja e refrigerantes, por exemplo, pintadas com tintas que tenham em sua composição substâncias com propriedades fotocrômicas podem indicar se a bebida está adequadamente gelada para o consumo. Essa moda tem se espalhado por brinquedos, roupas, adereços e, recentemente, até sorvete termo sensíveis (http://abr.ai/1yjXzt1). Outro fenômeno explicado pelo equilíbrio químico é o processo de formação de camadas de hidratação de sais, conforme abordado a seguir. O fenômeno da solvatação é observado em saleiros normalmente usados em bares e restaurantes, que ficam constantemente “entupidos” em dias chuvosos. Esse entupimento sefaz devido à formação de cristais hidratos de cloreto de sódio que devido ao seu volume obstruem a saída do saleiro dificultando o uso do sal: a solvatação ocorre no saleiro. O exemplo do processo que envolve solvatação e equilíbrio é quando ao se colocar sal de cozinha na água, os íons Na+ tendem a ser atraídos pela região negativa de moléculas de água, paralelamente aos íons Cl- presentes no 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 reticulado cristalino do sal são atraídos pela região positiva de outras moléculas da água. Através desta atração, a água paulatinamente desfaz o reticulado do cloreto de sódio e os íons Na+ e Cl- são cercados por várias moléculas de água e dissolvidos. Esse processo é um exemplo de solvatação de íons. O processo de solvatação é uma dissolução em que íons ficam cercados por moléculas de solvente. Este fenômeno acontece quando algum composto polar ou iônico ou é dissolvido num composto polar, sem que haja a formação de uma nova substância, como mostra a imagem da Figura 5. Figura 5: Solvatação do cloreto de sódio Fonte: http://abr.ai/1fLRdNu Este fenômeno que ocorre na substância empregada no galinho do tempo, e no saleiro volta à discussão iniciada anteriormente: uma reação química não pode ser entendida como um fenômeno em que simplesmente reagentes formam produtos. A questão do equilíbrio químico não pode ser ignorada no estudo das reações químicas, porque ela está presente em todas as reações químicas, mesmo naquelas em que o equilíbrio químico se descoloque quase integralmente para a formação dos produtos. 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Truque doméstico Aqui vai um “macete” para conseguir usar o saleiro em dias úmidos ou chuvosos em que ele fica todo entupido. Segundo, Chemello (2005), adicione alguns grãos de arroz e o saleiro ficará desentupido, na imagem a seguir consta a explicação da proeza química. Outra alternativa é guardar o saleiro no dessecador, mas acho que não vão fazer isso no boteco. Fonte: da imagem: http://bit.ly/1q0Q6em 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 O fenômeno do equilíbrio químico na questão ambiental Nas últimas décadas, a polêmica sobre aquecimento global do nosso planeta, decorrente de uma exacerbação do efeito estufa, passou a fazer parte das preocupações da humanidade, com constante cobertura pela mídia. O efeito estufa é essencial para a manutenção da vida na Terra, pois é ele que mantém o clima terrestre ameno e sem muitas variações de temperatura. Porém, o aumento da produção do gás CO2 pelo ser humano tem feito com que mais radiação solar seja absorvida, aumentando a temperatura da Terra, o que resulta no chamado aquecimento global. Essa radiação tem a propriedade de bronzear a nossa pele, porém pode também danificar nosso DNA, causando até mesmo mutações genéticas. A camada de ozônio funciona como uma capa protetora que reduz a quantidade desta radiação UV que chega à superfície terrestre. No entanto, algumas das substâncias poluentes, como o CO2 deslocam o equilíbrio dessa reação no sentido da decomposição do ozônio. O resultado é a destruição da camada de ozônio, porque diminui a concentração de O3(g) na estratosfera e o planeta fica exposto a radiações perigosas. A camada de ozônio - O3(g) - situa- se principalmente numa altitude entre 20 km a 35 km da superfície do planeta, ficando na estratosfera (10 a 50 km) e que também pode aparecer na composição da troposfera (10 km) em menor quantidade (Figura 6). A formação do ozônio se dá em duas etapas: 1ª etapa: O2(g) ⇌ 2 O(g) 2ª etapa: O(g) + O2(g) ⇌ O3(g) 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Primeiro o gás oxigênio - O2(g) - é decomposto pela radiação solar, depois os átomos de oxigênio livres reagem com o gás oxigênio, sob a ação da radiação ultravioleta (UV), formando o ozônio (Figura 7). Figura 6: Camada de ozônio em diferentes altitudes Fonte da imagem: http://bit.ly/1FWLgJA Figura 7: Equilíbrio químico de formação e de decomposição do ozônio Fonte: http://bit.ly/1BqNzAK 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 A radiação UV também pode quebrar as moléculas de ozônio e formar novamente as moléculas de oxigênio e átomos livres de oxigênio. Portanto, na estratosfera se estabelece o seguinte equilíbrio químico de formação e de decomposição do ozônio: 2 O2 (g) ⇌ O3 (g) + O (g) ΔH = + 142,35 kJ/mol Anualmente, os oceanos absorvem cerca de 25% deste CO2 emitido para a atmosfera, reduzindo drasticamente o impacto deste gás de efeito estufa sobre o clima. Quando o CO2 se dissolve na água do mar, forma-se o ácido carbônico. Este processo, denominado de acidificação oceânica, está tornando a água do mar mais corrosiva para conchas e esqueletos de numerosos organismos marinhos, bem como afetando seus processos de reprodução e fisiologia. A distribuição do dióxido de carbono entre os oceanos e a atmosfera terrestre mantêm um equilíbrio precário com uma consequência muito importante, a variação do pH da água dos oceanos O dióxido de carbono dissolvido nos oceanos reage com a água. Nesta reação são libertados íons H3O+, o que provoca a diminuição do pH, ou seja, a acidificação dos oceanos. Para compensar o excesso de íons H+, estes reagem com os íons de carbonato presentes na água, como mostra a Figura 8, destacando que os processos são reversíveis. A acidez do CO2 dissolvido na água do oceano é medida com a ajuda da escala pH (potencial hidrogeniônico). Um declínio nos valores de pH indica que uma solução é mais ácida. Pelos critérios da EPA (Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos), em regiões oceânicas que apresentam profundidades muito maiores que a zona eufótica, o nível de pH não pode apresentar variações maiores que 0,2 unidades, respeitando-se a variação 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 natural do local. A zona eufótica se estende desde a superfície do oceano até aproximadamente 200 metros de profundidade (Figura 9). Figura 8: Equilíbrios que ocorrem no oceano Fonte: http://bit.ly/1gyYElH Figura 9: Acidez do oceano na zona eufótica Fonte: http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarTema.php?idTema=7 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Após se dissolver na superfície marinha, o CO2 fica disponível para ser absorvido pelo fitoplâncton marinho e também passa a participar de um sistema de equilíbrio químico importantíssimo chamado sistema CO2 – carbonato. Este sistema envolve os seguintes equilíbrios químicos: CO2(g) ⇌ CO2(aq) H = 3,4 x 10-2 mol L-1 atm-1 CO2(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3 (aq) K = 2,0 x 10-3 H2CO3(aq) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + HCO3-(aq) K1 = 4,3 x 10-7 mol L-1 HCO3-(aq) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + CO32- (aq) (6) K2= 4,7 x 10-11 mol L-1 A espécie predominante irá depender do pH da água e das respectivas constantes de equilíbrio das reações. De modo aproximado, a 15 0C e valores de pH abaixo de 5,0, prevalece o CO2(aq), enquanto para pH acima de 10,5 prevalece o CO32-(aq). Para pH próximo a 8,0 praticamente só existe o íon HCO3-. No caso de oceanos, em que o pH da água está próximo a 8,0, a espécie solúvel predominante será, portanto, o íon bicarbonato, HCO3-. O aumento da concentração de CO2(g) nos oceanos, desloca o equilíbrio CO2(g) + H2O(l) + CO32-(aq) ⇌ 2HCO3- (aq), para a direita, para consumir o CO2(g) adicionado (princípio de Le Châtelier). O deslocamento do equilíbrio para a direita, provoca o consumo dos íons CO32- (aq) e consequentemente a dissolução do CaCO3 dos corais, para repor os íons CO32- (aq) consumidos (princípio de Le Châtelier). Esse sistema de reações é muito importante, uma vez que regula o pH da água do mar e controla a circulação de CO2 entre a 3 o Ano | 1o Bimestre| Parte 1 biosfera, atmosfera e os oceanos. Esse controle do pH caracteriza a água do mar como uma solução tampão. Porém, a capacidade do oceano de absorver gás carbônico sem alterar sua acidez é limitada. Segundo trabalhos científicos apresentados em 2003 nos Estados Unidos, a maior dissolução de CO2 nos oceanos baixou o pH médio dos oceanos em cerca e 0,1 unidade em relação ao nível pré-industrial, o que representa um aumento da acidez da água do mar. Esses impactos já foram detectados em organismos vivos de diversas regiões do planeta. A acidez dos oceanos aumentou 30% desde o início da Revolução Industrial. Se a concentração do CO2 atmosférico continuar a aumentar no ritmo atual, dentro de décadas, a química dos oceanos tropicais não sustentará o crescimento dos recifes de corais e grandes extensões dos oceanos polares se tornarão corrosivas aos organismos marinhos calcificados (Figura 10). Estas alterações terão impacto sobre a cadeia alimentar, a biodiversidade e os recursos pesqueiros. (Fonte: http://bit.ly/1juOmUZ) Figura 10: Recifes de corais Fonte: http://bit.ly/U3T9qE 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Atualmente, a concentração média de CO2 atmosférico é igual a 385 partes por milhão (ppm), 38% mais abundante do que o nível pré-industrial (280 ppm). Metade deste aumento ocorreu nos últimos 30 anos (Figura 11). O INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) divulgou em seu site que as emissões atuais de CO2 são maiores do que as piores projeções do cenário elaborado pelo Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas, divulgado há uma década. Estudos indicam uma redução no processo de calcificação, inclusive na formação de conchas e esqueletos, à medida que a acidificação aumenta. Para os animais marinhos, inclusive os invertebrados e alguns peixes, o acúmulo de CO2 nos seus corpos também poderá perturbar outros processos, além da calcificação. (Fonte: http://www.inpe.br/igbp/contato.php). Figura 11: Aumento da concentração média de CO2 na atmosfera e no oceano Fonte: http://www.inpe.br/igbp/contato.php. A poluição em si, o aquecimento global/efeito estufa, as consequências das alterações climáticas, aumento das queimadas de ordem natural, as 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 doenças respiratórias, o aumento na incidência de câncer de pele e de tantas outras partes do nosso corpo, entre outras podem ser um bom pano de fundo para levar os alunos a questionarem, e refletirem sobre estas questões cada vez mais presentes em nossas vidas. O aumento da urbanização que ocorreu a partir da revolução industrial, causou um enorme crescimento populacional, favorecido também pelo avanço da medicina e consequente aumento da expectativa de vida. Desde então, os impactos ambientais tornaram-se cada vez maiores, devido aos mais diversos tipos de poluição, dentre eles a poluição gerada pelo lixo. Este crescimento populacional associado às mudanças de consumo está mudando o perfil do lixo brasileiro. O lixo eletroeletrônico, resultante do consumo crescente de equipamentos eletroeletrônicos, como, celulares, i-phones, aparelhos de som, i-pads, i-pods e computadores são exemplos típicos em que ocorre o lançamento constante de novas versões, fazendo com que os muitos usuários, principalmente, jovens, adolescentes e até as crianças, busquem substituir os equipamentos antigos pelos mais recentes. Face ao constante avanço da tecnologia, a vida útil dos eletroeletrônicos está cada vez menor. Nos países desenvolvidos, essa vida útil caiu de seis para apenas dois anos entre 1997 e 2005. Todos têm o direito de dispor de produtos que facilitem a vida cotidiana, porém, não nesta velocidade tão grande em que vem ocorrendo. A sociedade se tornou vítima de um consumo compulsivo e sem controle, alimentado pela última palavra da tecnologia e insustentável do ponto de vista ambiental. A educação ambiental é primordial para uma mudança de atitude: crianças, adolescentes e jovens são particularmente decisivos para criar uma nova cultura comprometida com a sustentabilidade do planeta, envolvendo família, educadores e alunos, voltada para o consumo 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 consciente e à participação em programas de coleta seletiva desse lixo, valorizando-o como insumo para reciclagem, além, de entender a importância em adquirir produtos apenas de empresas certificadas e comprometidas com o meio ambiente. Do ponto de vista ambiental, a produção cada vez maior e mais rápida de novos eletroeletrônicos traz dois grandes problemas: o elevado consumo dos recursos naturais empregados na fabricação destes e a destinação final inadequada. Estudos mostram que, para se fazer um computador novo e seu monitor, são necessárias cerca de duas toneladas de insumos (combustível, matéria-prima e, principalmente, água). Um simples chip eletrônico, exige 72 g de substâncias químicas e 32 L de água para ser produzido. Por isso, o primeiro grande impacto do lixo eletroeletrônico é a extração dos insumos necessários à sua fabricação. Dados de caracterização química mostram que até cerca de 60 elementos da Tabela Periódica se encontram presentes nos computadores atuais, alguns bastante tóxicos aos seres vivos (OLIVEIRA, R. S. et al, 2010). Pensando nisso, podemos desenvolver uma atividade com os alunos a fim de conscientizá-los da importância deste consumo consciente e do descarte adequado, envolvendo o desmonte de um destes eletroeletrônicos tão utilizado e presente em suas vidas. O mito da felicidade e o consumo Conforme vimos acima, os vários problemas ambientais originados pelo efeito estufa, não obstante ao desenvolvimento de novas tecnologias, o consumo de combustíveis fósseis ainda é a base da economia, principalmente com o aumento da população e consequentemente, da produção, a liberação 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 de gases estufa para a atmosfera continua crescendo e é muito superior ao início da revolução industrial. - Mas e eu com isso? - Sobretudo no dia de hoje, muita coisa... Lembre-se da casa de seus avós, ou de pessoas mais velhas em geral. Observe que as residências destas pessoas em média tinham bem menos aparelhos eletrodomésticos que hoje. Atualmente uma casa também consome muito mais energia elétrica e água. Com as lavadoras de roupa, de louça, ferros elétricos de passar roupa, chuveiro elétrico, computadores, televisores variados, micro-ondas, e várias outras invenções que fazem parte do nosso dia a dia. Trazem-nos conforto e praticidade, mas consumiram energia na produção e continuam consumindo no uso. Ou seja, contribuem para o efeito estufa. Mas devemos abrir mão de um conforto que gerações anteriores não tiveram para salvar o planeta? Trabalho tanto para não ter a felicidade de usufruir das minhas coisas? Entretanto, devemos parar e pensar na relação: o mito da felicidade, consumo e meio ambiente. Vivemos na era do consumo. E por mais que sejamos cientes disto esquecemos às vezes o quanto somos massacrados diariamente com essa ideia. Queremos sempre ter mais dinheiro para comprar. Sonhamos em comprar algo que nos falta. Quer porque seja mais bonito ou moderno. Sempre tem algo a comprar. Na televisão, internet ou qualquer outra mídia na propaganda vinculada aparece geralmente alguém sorrindo e feliz usando o produto que você não tem ( quase sempre alguém novo, esbelto e aparentemente bem resolvido emocionalmente e financeiramente) , ou seja 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 um ser raro no planeta com todos esses atributos ao mesmo tempo e tentando de vender a ideia subliminar que o produto que você não tem o ajudou a ser feliz assim. Ou seja, mais que vender alguma coisa a mídia vende primeiramente a seguinte ideia: Consuma e seja feliz. Mas seja feliz sempre, ou seja, consuma sempre e cadavez mais! Pode parecer muito pouco que as suas compras façam diferença no meio ambiente do planeta, mas com sete bilhões de pessoas sonhando em comprar e consumir cada vez mais, não existe planeta que resista. Mas, neste caso o velho ditado funciona: Não adianta querer mudar o mundo sem mudar a nossa casa. Sendo assim antes de sairmos à rua pelo meio ambiente, podemos pensar se os trinta pares de sapatos que temos apenas para uma pessoa em casa realmente foram necessários. O consumo sustentável deve ter como base o seguinte princípio: Consumo este produto porque realmente preciso. Pense em tudo o que você tem em casa e não usa mais. Você ficou feliz porque comprou o produto ou porque ele foi útil? Você realmente precisa de um celular mais moderno se você não sabe usar metade das funções do celular antigo? A alegria de comprar o trigésimo par de sapatos vai realmente trazer a felicidade pretendida? O nosso consumo não deve ser limitado pela nossa quantidade de dinheiro. E sim pelo aquilo que precisamos. Um europeu produz 5 toneladas 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 por ano de CO2 em média. Uma pessoa de um país em desenvolvimento produz dez vezes menos CO2. Este dado aponta que está na hora de pensarmos em uma sociedade com menor desigualdade de renda paralela a uma sociedade que não transforme a renda em um consumo desnecessário. Por fim, reduzir o consumo, reutilizar e reciclar possa além de reduzir a nossa ignorância diante o consumo diminuir toneladas de CO2 em nosso planeta. Algumas considerações sobre o equilíbrio químico O princípio de Le Châtelier é uma das ferramentas mais importantes para a compreensão do equilíbrio químico e suas alterações. Fatores como a concentração, temperatura, pressão e o uso de catalisadores afetam o equilíbrio químico e são estudados por este princípio. O desenvolvimento e aplicação destes princípios foram fundamentais para o desenvolvimento da indústria e consequentemente para a sociedade em que vivemos. “Todo sistema em equilíbrio químico estável submetido à influência de uma causa externa que tenda a fazer variar, seja sua temperatura, seja seu estado de condensação (pressão, concentração, número de moléculas numa unidade de volume), em sua totalidade ou somente em algumas de suas partes, sofre apenas modificações internas, as quais se ocorressem isoladamente, acarretariam modificação de temperatura ou de estado de condensação de sinal contrário àquela resultante da ação exterior.” Em 1884, na formulação desse princípio, Le Châtelier se baseou nos trabalhos de J. H. van’t Hoff e nas ideias de G. Lippmann a respeito dos 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 fenômenos recíprocos. Vale lembrar que esta generalização não é válida em todas as condições; por exemplo, nem toda a perturbação em um sistema levaria a uma perturbação no estado de equilíbrio. Isso é o que acontece no caso da adição de um gás inerte a um sistema gasoso a volume constante. Nesse caso, há uma perturbação no sistema: a pressão total, uma de suas propriedades, aumenta, mas as pressões parciais dos gases participantes na transformação ou suas concentrações, não são alteradas (já que o volume se mantém constante), logo o equilíbrio químico não é afetado por esta perturbação. Temos que considerar também, a sua limitação à aplicação em equilíbrios heterogêneos, onde a adição de um sólido não afetará o equilíbrio. Para entendermos os fenômenos envolvidos nesses equilíbrios heterogêneos temos que conhecer o conceito de fase e da troca de material entre duas fases que estejam em contato nesse tipo de equilíbrio. Assim, levaremos o aluno a perceber que não importa, por exemplo, a quantidade de sólido presente no sistema (gramas ou quilogramas), mas que é imprescindível a presença desse sólido como uma das fases. Outro aspecto fundamental a ser compreendido é que a quantidade de sólido presente em uma unidade de volume é constante, ou seja, sua “concentração” é constante, e seu valor está embutido na constante de equilíbrio (SKOOG et al, 2007). Assim, generalizando, sólidos e líquidos puros não fazem parte da expressão de K e deve-se considerar que mudanças nas massas de líquidos ou sólidos puros não afetam o estado de equilíbrio. Nos casos de equilíbrios heterogêneos, a correta utilização da expressão da constante de equilíbrio, ou seja, a comparação do valor do quociente de reação, Q, após a alteração promovida no sistema em equilíbrio com o valor de K, no qual a “concentração” do sólido não toma parte, pode promover um entendimento mais significativo dos fenômenos envolvidos nos equilíbrios heterogêneos, além de evitar possíveis erros devido a uma aplicação mecânica do Princípio de Le Châtelier. 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Uma outra condição que vale a pena ressaltar aos alunos, é adição do catalisador, que não afeta os valores das concentrações dos reagentes e nem dos produtos, sendo constantes em função do tempo, o que muda é apenas o tempo necessário para atingir o equilíbrio, que no caso, será menor quando em presença do catalisador. A Figura 12 nos ajuda a entender esta ação do catalisador ao comparar a concentração dos reagentes e produtos em função do tempo para a reação N2O4(g) ⇄ 2NO2(g) na presença e ausência de catalisador com o gráfico para a reação na ausência de catalisador, mas a uma temperatura maior, em que a formação de NO2 é favorecida. Através destes gráficos (Figura 12), podemos mostrar aos nossos alunos quais são as condições que promovem alterações no estado de equilíbrio por meio da comparação das concentrações finais de reagentes e produtos quando o equilíbrio químico é alcançado. Neste momento, também pode ser importante, apresentar a equação da constante de equilíbrio, para que o aluno perceba que a adição de um catalisador não afeta o valor de Kc, enquanto que um aumento de temperatura sim. Isso pode ajudar os alunos a terem uma correta concepção do significado da expressão matemática de Kc e em que condições seu valor pode ou não ser alterado. A equação matemática de Kc também nos ajuda a entender a afirmação “o aumento da pressão total desloca o equilíbrio para o lado do volume menor (ou seja, da menor quantidade total de mols)”, vejamos como, aplicando a equação matemática para o nosso exemplo dos gases acima: N2O4(g) ⇄ 2NO2(g): Nesse caso, a equação derivada será: Kc = (n2NO2/nN2O4) . 1/V 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Figura 10: Gráficos que relacionam a variação da concentração de reagentes e produtos em função do tempo, até atingir o estado de equilíbrio químico, na ausência e na presença de catalisador Fonte: OLIVEIRA et al (2010) Esta equação ilustra melhor as relações envolvidas entre as diferentes variáveis, uma vez que um aumento de pressão (diminuição de V) exige que o quociente (n2NO2/nN2O4) diminua para que o valor de Kc se mantenha constante. Ao tratar o fator temperatura, não podemos esquecer de ressaltar aos alunos, que K varia com a temperatura. Podemos demonstrar isso utilizando exemplos empíricos por meio de tabelas que relacionam, para uma mesma transformação química, diferentes temperaturas em que o experimento é realizado e os respectivos valores de constante de equilíbrio ou na forma de gráficos, nos quais o sentido do gráfico é diretamente relacionado à variação de entalpia da reação. Essa abordagem é útil, justamente, porque mostra de maneira explícita como K pode variar com a temperatura. Vale lembrar que, além da dependência de K com a temperatura, para equilíbrios iônicos em solução aquosa, a constante de equilíbrio depende também da força iônica da solução, ou seja, depende da concentração total de íons presentes na solução. 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Quando tratamos o fator concentração “aumentando a concentraçãode um participante, o equilíbrio se desloca na direção de seu consumo”, temos que avaliar melhor aplicação desta afirmação, quando ocorre a adição de um constituinte a pressão constante ou a diluição de uma solução aquosa em equilíbrio químico, no qual o aumento do volume do sistema provoca a diminuição de todas as concentrações dos participantes do equilíbrio ao mesmo tempo, e o sentido da alteração do estado de equilíbrio só pode ser verificado por meio da análise correta da equação de Kc. Podemos citar como exemplo, o equilíbrio de ionização de um ácido fraco monoprótico: HA(aq) ⇄ H+(aq) + A-(aq). Pode-se demonstrar facilmente que Ka = (nH+• nA– /nHA) • 1/V, portanto, a diluição da solução (aumento do volume, V) leva ao aumento da ionização do ácido HA, uma vez que para se manter o valor de Kc constante, o sistema deve reagir de modo a aumentar nH+ e nA- e diminuir nHA. Assim, ao abordar as alterações que um sistema em equilíbrio pode sofrer, é necessário considerar todos os fatores que afetam o sistema de uma maneira mais rigorosa, fazendo principalmente um uso mais extensivo da equação da constante de equilíbrio na resolução de problemas dessa natureza (OLIVEIRA et al, 2010). A definição de equilíbrio é “o estado de um corpo que se mantém sobre um apoio, sem se inclinar para nenhum dos lados”(Fonte: Dicionário Michaelis de Língua Portuguesa). O equilíbrio químico não é muito diferente disso, e pode ser descrito por dois aspectos distintos, a cinética química e a termodinâmica. Cineticamente, o equilíbrio é um estado dinâmico, em que cada espécie participante da reação se forma exatamente na mesma razão em que é consumida. Do ponto de vista termodinâmico, o equilíbrio é um estado de máxima estabilidade para o qual um sistema químico fechado tende, a partir 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 de quaisquer outros estados, através de transformações espontâneas na composição do sistema. Shrödinger em seu livro “O que é a Vida” afirma: "É por evitar o rápido decaimento no estado inerte de “equilíbrio” que um organismo parece tão enigmático" (p. 81). Ele diferencia o vivo do não-vivo através do equilíbrio dinâmico, ressaltando que quando um sistema não-vivo é isolado ou colocado em um ambiente uniforme, normalmente, todo o movimento cessa de forma rápida, como resultado da equalização das diferenças de potencial químico ou elétrico. Quando todo o sistema míngua para um bloco inerte e morto de matéria atinge um estado permanente, no qual não ocorre nenhum evento observável, entropia máxima. Um organismo vivo aumenta continuamente sua entropia (produz entropia positiva) e, assim, tende a se aproximar do perigoso estado de entropia máxima, que é a morte. Logo, o autor afirma que para manter-se vivo, retira entropia negativa do ambiente; e que o essencial no metabolismo é que o organismo tenha sucesso em se livrar de toda a entropia que ele não pode deixar de produzir por estar vivo, reconhecendo como equilíbrio termodinâmico (Fonte: bit.ly/1qwKnhp). 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Amarrando as Ideias Buscamos neste texto sobre equilíbrio químico apresentar diferentes formas de trabalhar de forma contextualizada este tema com os seus alunos. Começamos comentando que o conhecimento do equilíbrio químico pode ser observado em pequenas coisas como o galinho do tempo e do saleiro alteram as suas características em função do clima. Mostramos também que somos agentes atuantes no “equilíbrio do planeta”, conversando sobre questões ambientais como o efeito estufa que está diretamente relacionado ao nosso comportamento. Com base nestes conhecimentos aqui expostos propusemos que o equilíbrio químico possa não só promover a cidadania dos alunos pelo conhecimento químico que por si só já é relevante, mas também de ser um instrumento valioso para nos posicionarmos um pouco mais criticamente sobre o impacto que o uso da tecnologia pode fazer em nossas vidas. 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Pensando no Aprendiz Professor, veja a sugestão de Oliveira et al (2010) em desmontar alguns eletroeletrônicos comuns ao dia-a-dia dos alunos em sala de aula e a proposta da discussão de todos os insumos envolvidos e de um relatório em que eles responderão sobre estas questões envolvidas, o que fará com que continuem pensando a respeito deste assunto em suas casas, pesquisando e conversando com outras pessoas sobre este assunto, enriquecendo assim o seu conhecimento sobre a sua parcela no desenvolvimento sustentável e na manutenção da qualidade de vida. 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Referências Bibliográficas Bibliografia Consultada OLIVEIRA, R. S., GOMES, E.S. E AFONSO, J. C. O Lixo Eletroeletrônico: Uma Abordagem para o Ensino Fundamental e Médio. Química Nova na Escola, v.32, n.4, 2010. Explica detalhadamente toda a problemática do lixo eletroeletrônico e sugere atividade relativa ao desmonte de alguns eletroeletrônicos comuns ao nosso cotidiano para despertar no aluno o consumo consciente, conforme sugerido no Pensando no Aprendiz. bit.ly/1qwKnhp. Blog que explica sobre alguns trechos selecionados do livro “O que é a Vida” de Schröndiger, relacionando ao equilíbrio dinâmico. Acesso em 04 de agosto de 2014. CHEMELLO, E.. A Química na Cozinha apresenta: O Sal. Revista Eletrônica ZOOM da Editora Cia da Escola – São Paulo, Ano 6, n. 3, 2005. [versão para impressão]. Original disponível on-line em: http://bit.ly/1nhPL72 Este trabalho apresenta exemplos interessantes de experimentos químicos que podem ser realizados em casa e em sala de aula. COELHO, P.J. Estudo do comportamento fotocrómico de um naftopirano: uma experiência simples ilustrativa do fotocromismo. Química Nova, v.29, n.3. São Paulo. Maio/Junho de 2006. 3 o Ano | 1o Bimestre | Parte 1 Este artigo descreve detalhadamente o equilíbrio químico presente nas moléculas com comportamento fotocrômico. INPE, online. 2014. Disponivel em: http://www.inpe.br/igbp/contato.php. Acesso em: 15 de julho de 2014. MICHAELIS. Moderno Dicionário da Língua Portuguesa. Disponível em: http://michaelis.uol.com.br/moderno/portugues/index.php. Acesso em: 10 de julho de 2014. SKOOG, D. A., WEST, D.M; HOLLER, F.J., STANLEY, R.C., Fundamentos de Química Analítica, 8ª ed., São Paulo:Thomson, 2007.
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