Chapa de Aquecimento e Calorímetro

8/16/2019 Chapa de Aquecimento e Calorímetro

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EX XIV Encontro Nacional de Ensino de Química (X IV ENEQ)

Equipamentos alternativos para laboratório de ensino de Química:chapa de aquecimento e calorímetro

Jailson Rodrigo Pacheco1 (FM)*, Arilson Sartorelli Ribas 1 (FM), Flavio Massao Matsumoto2 (PQ)

[email protected] Editora Positivo. Rua Major Heitor Guimarães, 174. Seminário, Curitiba – PR. CEP 80.440-020.

2 Departamento de Química – UFPR. Centro Politécnico. Jardim das Américas, Curitiba – PR. CEP 81.531-990.

Palavras Chave: Equipamentos alternativos, Calorímetro, chapa de aquecimento.

R ESUMO: O laboratório de ensino nas escolas de educação básica sofreu com a falta de investimento dossetores responsáveis, por esse motivo, sugeriu-se montar equipamentos alternativos de baixo custo para odesenvolvimento de algumas atividades práticas. Os equipamentos montados foram uma chapa deaquecimento utilizando um ferro elétrico de passar roupa adaptado para esse fim e um calorímetro queutiliza espuma de poliuretano como isolante térmico. Os equipamentos foram montados com um custo baixo

e os experimentos usados como testes apresentam uma excelente reprodutibilidade com segurança.

EQUIPAMENTOS ALTERNATIVOS PARA LABORATÓRIO DE ENSINO

O laboratório de ensino, muitas vezes é equipado em função das necessidades da escola

e do orçamento disponível para esse fim, não havendo uma legislação que determine os

equipamentos mínimos que deveriam estar presentes.

Em virtude dessa característica, muitas atividades experimentais do ensino médio são

adaptadas a realidade da escola, enquanto outras não podem ser realizadas. Outro fator que deve

ser levado em consideração é que a parcela de escolas, públicas e particulares, que dispõem de

um espaço físico para realização de aulas práticas ainda é restrito. A tabela 1 apresenta a infra-

estrutura das escolas de educação básica conforme os dados do censo da educação de 2006,

publicados em 2007 do Instituto de Pesquisas Educacionais Darci Ribeiro (INEP), vinculado ao

Ministério da Educação (MEC).

Tabela 1: Infra-estrutura das escolas de educação básica no Brasil conforme os dados do censo escolar de2006 do MEC/INEP.

Brasil Norte Nordeste Sudeste Sul Centro-OesteInfra-estruturaPúbl. Priv. Públ. Priv. Públ. Priv. Públ. Priv. Públ. Priv. Públ. Priv.

Biblioteca 54,9 79,7 42,2 71,5 33,7 75,4 65,4 81,9 78,5 82,5 54,9 78,6

Lab. Informática 25,9 64,2 12,9 51,6 11,9 49,3 37,9 71,5 34,0 68,3 19,2 65,0

Lab. Ciências 19,5 46,2 6,2 26,8 5,8 29,5 27,4 53,7 37,6 58,7 13,1 39,4

Sala TV/vídeo 37,5 63,2 28,8 52,3 25,0 51,5 47,8 69,2 43,8 69,1 32,5 57,6

Acesso à Internet 27,0 65,9 6,8 55,8 10,2 45,1 49,1 75,3 20,5 72,3 18,2 67,2

Uma análise rápida dos dados da tabela podemos notar que a menos de 20% das escolas

públicas 47% das particulares do Brasil dispõem de um espaço físico para realização das aulas

práticas, e que regiões norte, nordeste e centro-oeste a situação acaba sendo mais crítica. Esse


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EX XIV Encontro Nacional de Ensino de Química (XIV ENEQ)

UFPR, 21 a 24 de julho de 2008. Curitiba/PR.

fato dificulta o trabalho do professor e compromete a segurança dos alunos no desenvolvimento

de aulas experimentais nessas escolas.

Uma reflexão que deve ser feita é que entre as escolas que possuem laboratório, nem

todos são equipados com os materiais mínimos para a realização da atividade prática, com isso, o

risco envolvido nessas atividades também deve ser levado em consideração. Muitas vezes certos

acidentes são decorrentes de pequenas adaptações feitas para contornar a falta de recursos.

Em virtude dessa demanda, a idéia do trabalho surgiu como uma proposta de

equipamentos alternativos, de baixo custo que permitisse, com segurança, a realização dos

experimentos em laboratório de ensino de Ciências, mais especificamente ensino de Química.

Foram montados dois equipamentos alternativos: uma chapa de aquecimento montada

a partir de um ferro elétrico de passar roupa convencional; e um calorímetro feito com espuma

isolante de poliuretano (PU) e outros materiais alternativos. Estruturalmente o artigo será

dividido em duas partes conforme o equipamento montado, e são apresentadas os processos e

experimentos usados para testar a aplicabilidade do equipamento em uma situação real de ensino

médio.

MONTAGEM DE UMA CHAPA DE AQUECIMENTO

Uma chapa de aquecimento é um aparelho pouco difundo no laboratório de ensino emescolas de educação básica em virtude do seu elevado custo e, como alternativa para o

aquecimento de substâncias em geral, as escolas utilizam bicos de gás1 ou lamparinas.

A preocupação na manipulação desses sistemas que envolvem chamas é o fato de que

eles podem provocar acidentes graves durante o aquecimento de substâncias inflamáveis, como

solventes orgânicos, ou ainda, para as lamparinas há o risco associado a seu combustível, que,

em geral, trata-se de álcool etílico ou querosene.

Uma chapa de aquecimento alternativa pode ser montada usando a base de um ferro de

passar roupa previamente desmontado.

MATERIAIS E MONTAGEM

Foi utilizado um ferro elétrico usado para passar a seco da Marca Britânia, modelo

FB23, de potência 1000 W, operando sob uma tensão de 127 V e a freqüência da rede elétrica

1 Existem vários tipos de bico de gás, o bico de Bunsen é o mais comum em laboratórios de ensino de

educação básica; temos ainda o modelo chamado de bico de Meker e o bico de Teclu.


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entre 50 e 60 Hz; furadeira e parafusos metálicos para serem usados como os “pés” de

sustentação.

Inicialmente toda a parte plástica externa do ferro de passar roupa foi retirada, cuidando

para que o controle de temperatura ficasse protegido e mantendo a luz indicativa do

funcionamento do sistema. Em seguida, furou-se, em três pontos da parte plástica interna que

permaneceu intacta e inseriu-se os parafusos que funcionam como suporte da chapa de

aquecimento, após controle da altura dos parafusos, a chapa está pronta para funcionar. O botão

de controle da temperatura ficou na posição de máximo aquecimento e houve um cuidado para

manter a lâmpada indicativa do aquecimento. As figuras 1 e 2 mostram a chapa de aquecimento

após a montagem.

Figura 1: Chapa de Aquecimento vista de baixo.

Figura 2: Chapa de aquecimento em funcionamento.

TESTES DE EFICIÊNCIA DO EQUIPAMENTO

Foram realizados três testes para verificar a eficiência no funcionamento do

equipamento: (1) aquecimento de uma massa de água conhecida, afim de relacionar a potência

do equipamento com o tempo; (2) medida direta da temperatura da superfície com o objetivo de

verificar a estabilidade no controle da temperatura; (3) utilização em uma situação real de

funcionamento, a chapa foi usada para calibrar um sensor de temperatura montado com uma


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resistência elétrica de uma lâmpada de 40 W e 110 V, conforme a figura 3, para esse último teste

objetivou-se a viabilidade prática de utilização do equipamento.

Figura 3: Montagem experimental para construção de um sensor de temperatura utilizando uma chapa de

aquecimento alternativa.

R ESULTADOS E DISCUSSÕES

Os resultados dos tetes de eficiência do equipamento são sumarizados na tabela 2

apresentada a seguir:

Tabela 2: Resultados dos testes realizados com a chapa de aquecimento.

Teste Resultado observado

(1) Aquecimento de uma

massa de água

Usando 200 mL de água, verificamos que a temperatura passou de

30 a 60°C em 10 min e 2 s. A temperatura máxima do líquido é

80°C, independente da quantidade de água utilizada e do tempo de

aquecimento.

(2) Medida da tempera-

tura na superfície da

chapa

Em uma medida direta com um termômetro de –20 a 300°C,

verificou-se que a temperatura ficou estável entre 153 e 155°C.

(3) Utilização da chapa

de aquecimento em uma

situação real

A chapa de aquecimento foi usada para calibrar um sensor de

temperatura e foi criada a curva de calibração, apresentada pela

figura 4, cuja equação, obtida pelo método dos mínimos quadrados,


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é dada por y = 0,3814 x + 84,482, o coeficiente de correlação (R²)

para a curva é 0,9969.

y = 0,3814x + 84,482

R2 = 0,9969

90

95

100

105

110

115

20 30 40 50 60 70 80

Temperatura (°C)

R e s i s t ê n c i a ( o h m )

Figura 4: Curva de calibração para um sensor de temperatura usando uma chapa de aquecimento.

Durante o aquecimento verificou-se que elevada potência do ferro de passar roupa

(1000 W), se comparado a uma chapa de aquecimento convencional (aproximadamente 600 W)

faz com que o tempo de aquecimento seja rápido, isso facilita o tempo relativamente curto das

aulas práticas do ensino médio. Uma desvantagem desse sistema de aquecimento é a temperatura

máxima que a água consegue atingir, pois limita o uso a sistemas orgânicos.

Com relação à medida direta com o termômetro, não se objetivava medir a temperatura

na superfície, visto que para isso são usados equipamentos especiais, a medida direta é usada

apenas para verificar a estabilidade da temperatura. A variação de 2°C na temperatura da

superfície nos mostra a grande estabilidade desse equipamento. E, graças à estabilidade do

sistema, e com um ajuste no controle da temperatura, a chapa pode ser utilizada com um

substituto de um banho-maria. Podemos notar que há uma pequena lâmpada, mostrada na figura

5 a seguir, que nos informa o processo de aquecimento quando ligada, e esse teste nos mostra o

funcionamento adequado desse sistema de controle.

Com relação ao teste de uma situação real, um sensor de temperatura foi calibrado em

um sistema aquecido diretamente na chapa de aquecimento. Observamos que o valor do

coeficiente de correlação R² para a curva em questão apresenta um alto grau de confiabilidade da

equação obtida, o que nos permite extrapolar a utilização para situações cotidianas e a constância

do aquecimento nos permite utilizar na situação indicada. Essa chapa de aquecimento foi

utilizada cerca de 20 h em atividades experimentais em cursos de extensão promovidos pela


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Editora Positivo nos meses de março e abril, e os resultados foram consistentes com os obtidos

nos testes preliminares.

Figura 5: Lâmpada indicativa do termostato na chapa de aquecimento.

MONTAGEM DE UM CALORÍMETRO

Um calorímetro é um equipamento utilizado tanto na disciplina de Química quanto em

Física, e nos permite estudar as trocas de calor entre sistemas de maneira conservativa, ou seja,

ele evita que parte do calor trocado em um processo perca-se para o ambiente. Conceitualmente

podemos dizer que é a situação mais próxima de um sistema isolado, e, apesar de sabemos que

na prática isso não ocorre, podemos efetuar medidas com alto grau de confiabilidade.

A proposta de montagem envolve uma espuma de poliuretano comercial que depois de

expandida apresenta pequenos espaços de ar seco, essa característica faz com que ela atue como

isolante térmico.

MATERIAIS E MONTAGEM

A base externa de sustentação do calorímetro foi feita com um pote plástico, com

tampa, usado para guardar alimentos. O sistema de isolamento é obtido de uma espuma de

poliuretano comercial, utilizada para vedar portas e janelas em construção civil. A parte interna,

que servirá de recipiente é um béquer de 100 mL. Pela tampa é inserido um termômetro de

escala –10 a 110°C protegido por uma borracha, adaptada de um conta-gotas.

A montagem iniciou-se furando, com o auxílio de uma faca, o pote plástico, com

orifícios do tamanho de 0,5 a 1 cm, com cerca de 10 furos por face lateral, conforme pode ser

visto na figura 6. Essa etapa é importante, pois, para que a reação de polimerização do

poliuretano ocorra é necessário a presença do oxigênio do ar.

Utilizando luvas, colocou-se a espuma de poliuretano no interior do pote plástico até

aproximadamente 60% do seu volume. Em seguida, inseriu-se o béquer centralizado na espuma e


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manteve-se um controle da altura desse béquer por aproximadamente 45 min para a expansão

final da espuma, conforme as figuras 7 e 8.

Após esse tempo deixou-se secar por 24 h e cortou-se os excessos com uma faca de

cozinha. A secagem completa só se deu em 48 h. Enquanto ocorre a secagem completa, furou-se

a tampa do pote plástico e inseriu-se a parte de borracha de um conta-gotas cortada na

extremidade, essa etapa é necessária para proteger o termômetro, conforme as figuras 9, 10 e 11.

Figura 6: Preparação inicial para montagem do calorímetro.

Figura 7: Primeira etapa de montagem do calorímetro, com a adição da espuma de poliuretano .

Figura 8: Controle da altura do béquer durante a secagem prévia.


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Figura 9: Calorímetro seco após 24 h.

Figura 10: Preparação da tampa do calorímetro para acoplagem do termômetro.

Figura 11: Calorímetro pronto com o termômetro adaptado.


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TESTES DE EFICIÊNCIA DO EQUIPAMENTO

Foram realizados dois testes para verificar o funcionamento do equipamento: o primeiro

foi a determinação da capacidade térmica do calorímetro, considerando o equilíbrio térmico de

duas massas de água em diferentes temperaturas, adaptado de Matsumoto, 2005. Esse

procedimento consiste em adicionar 40 mL de água destilada, à temperatura ambiente, no

calorímetro e anotar a sua temperatura (T1). Em seguida, aquecer uma porção de água destilada

até uma temperatura aproximada de 50°C. Medir 40,0 mL desta água quente numa proveta e

anote a sua temperatura (T2).

Adicionar rapidamente a água aquecida à água fria, no interior do calorímetro, tampá-lo

e anotar a temperatura da mistura em intervalos de dez segundos, até que o equilíbrio térmico

seja atingido (T3). O procedimento foi feito em duplicata, tomando o cuidado de aguardar o

resfriamento do calorímetro até a temperatura ambiente, antes de iniciar uma nova medida.

Uma vez que a quantidade de calor cedido pela água quente é igual à quantidade de

calor recebido pelos componentes do sistema (considerando desprezível qualquer perda de calor

para o ambiente), pode-se dizer que q(total) é igual a 0. Assim se pode calcular:

q(recebido p/ água fria) + q(recebido p/ calorímetro) + q(cedido p/ água quente) = 0

q(recebido p/ água fria) = m(H2O) c(H2O) (T3 – T1)

q(cedido p/ água quente) = m(H2O) c(H2O) (T3 – T2)

q(recebido p/ ca lorímetro) = C(calorím.) (T3 – T1)

O segundo teste foi adaptado do mesmo referencial e determinou-se a entalpia de

neutralização de um ácido forte com uma base forte, cuja reação pode ser representada por:

H+(aq) + OH –

(aq) → H2O(l)

Os reagentes utilizados foram 40 mL de ácido clorídrico em solução aquosa 1,0 mol/L e

40 mL de hidróxido de sódio na mesma concentração em quantidade de matéria. O procedimento

consiste em medir, em uma proveta, 40 mL de solução de ácido clorídrico, 1,0 mol/L e colocar

no calorímetro. Medir o volume da solução de hidróxido de sódio, necessário para neutralizar os

40 mL de ácido. Anotar a temperatura do hidróxido de sódio, que deve ser aproximadamente a

mesma do ácido, podendo-se tolerar uma diferença de até 0,2 °C. Adicionar com cuidado a

solução de hidróxido de sódio à solução ácida contida no calorímetro e agite. Anotar a

temperatura máxima alcançada. Calcular a entalpia através do balanço energético da reação de

neutralização de hidróxido de sódio e ácido clorídrico.

q(reação) + q(solução) + q(calorím.) = 0.

Cada termo da equação acima é dado pelas fórmulas:


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q(reação) = calor liberado pela reação = n(H2O, formada) . ∆H(neutral.);

q(solução) = calor absorvido pela solução = m(H2O) . c(H2O) . ∆T;

q(calorím.) = calor absorvido pelo calorímetro = C(calorím.) . ∆T.

R ESULTADOS E DISCUSSÃO

Inicialmente a determinação da capacidade térmica do calorímetro foi feita com

utilizando a metodologia citada anteriormente, em duplicata, os resultados e a sua média estão

apresentados na tabela 3.

Tabela 3: Resultados para a determinação da capacidade térmica do calorímetro.

Determinação T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C)

1 20 47 29

2 21 47 31

Média 20,5 47 30

Calculando a capacidade térmica do calorímetro, usando o valor médio, temos:

40 . 1 . (30 – 20,5) + 40 . 1 . (30 – 47) + C(calorím.) . (30 – 20,5) = 0

C(calorím.) . 9,5 = – 380 + 680

C(calorím.) = 31,6 cal/°C = 132,2 J/K

Utilizando o calorímetro para determinar a entalpia de neutralização ácido-base, temos

que a variação de temperatura (∆T) foi de 5,0ºC na média da duplicata do experimento.

Calculando a entalpia, temos então:

q(reação) + q(solução) + q(calorím.) = 0

n(H2O, formada) . ∆H(neutral.) + m(H2O) c(H2O) ∆T + C(calorím.) ∆T = 0,

Usando 40 mL de uma solução 1 mol/L, temos n = 0,04 mol de água formada. A massa

total de água é 80 g e C do calorímetro é 132,2 J/K, então:

0,04 . ∆H(neutral.) + 80 . 4,18 . 5,0 + 132,2 . 5,0 = 0

∆H(neutral.) = –58365 J = –58,4 kJ/mol

Na literatura o valor encontrado para a reação citada é –55,8 kJ/mol, com isso,

calculamos o erro experimental igual a 4,66%.

CONCLUSÕES


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Com base nas montagens efetuadas e nos testes elaborados, concluímos que os

equipamentos propostos substituem, com alto grau de segurança, os equipamentos

convencionais. Além da estabilidade durante o uso, situações reais em laboratório de ensino

puderam ser reproduzidas com alto grau de confiabilidade.

Outro ponto importante é o baixo custo da elaboração dos equipamentos sugeridos se

comparados com os equipamentos originais.

R EFERÊNCIAS

ALIDE, David (editor). Handbook of Chemistry and Physics . London: CRC Press, 84th . 2003.

INEP. Estatísticas da Educação Básica. Disponível em: http://www.inep.gov.br. Acesso: 10 set.2007.

MATSUMOTO, Flávio M. Manual de instrução para aulas práticas. UFPR: Curitiba. Disponívelem: http://www.quimica.ufpr.br/~fmatsumo/Ensino/2005/CQ409_ManualPratica.pdf. Acesso: 03

set. 2007.

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