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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 19, MAIO 2004De massas e massas atômicas

A seção ‘Conceitos científicos em destaque’ tem por objetivo abordar, de maneira crítica e/ou inovadora, conceitoscientíficos de interesse dos professores de Química. Neste número a seção apresenta dois artigos.

CONCEITOS CIENTÍFICOS EM DESTAQUE

N a maior parte dos livrosdidáticos de Ensino Médio, omodelo atômico de Dalton é

apresentado apenas através dos seuspostulados, e pouca ou nenhumarelação é feita com as leis ponderaisdas reações químicas. Importantes cor-relações entre o universo macroscó-pico e o universo atômico, tais como aindestrutibilidade dos átomos ao longode uma reação química, de um lado, ea lei da conservação da matéria de La-voisier, de outro, não são trazidas à to-na. Perde-se, assim, uma excelenteoportunidade de discutir a própria es-trutura metodológica da Química, tran-sitando entre modelos, fatos e sua des-crição. É verdadeque, em suas refle-xões originais a res-peito da teoria atômi-ca, Dalton não se re-meteu diretamente àsleis ponderais, masnão se pode ignorarque a ampla aceitação dos postuladosdessa teoria tenha decorrido exata-mente de suas implicações na interpre-tação dessas leis. O fato é que, quandoda publicação da obra clássica deDalton, essas relações estavam bem

Recebido em 8/4/03, aceito em 19/2/04

Reinaldo Calixto de Campos e Reinaldo Carvalho Silva

Sugere-se uma atividade experimental para duas sessões de laboratório de Química, com o propósito defavorecer aos alunos do Ensino Médio o exercício do trânsito interdisciplinar entre os domínios da teoriaatômica e das leis ponderais das reações químicas. Na primeira sessão, estudando as relações de massa naqueima do ferro, os alunos obtêm evidências diretas da lei de Proust. Na segunda sessão, usando clipes depapel como modelos de partículas materiais, os alunos estudam as relações conceituais entre massas emassas atômicas.

modelo atômico de Dalton, leis ponderais, trânsito interdisciplinar

estabelecidas e fundidas no próprioconceito de massa atômica, a despeitode ali aparecerem valores inexatos pa-ra massas atômicas de alguns elemen-tos.

Entretanto, a compreensão da cor-relação entre as leis ponderais e áto-mos indestrutíveis, indivisíveis e carac-terizados por massas próprias a cadaelemento não surge de modo fácil eimediato para os estudantes, exigindoestratégias de ensino apropriadas.Experimentos laboratoriais poderiamajudar; porém, é preciso que conju-guem simplicidade e resultados de pre-cisão satisfatória, de modo a seremexecutados facilmente por alunos do

Ensino Médio, lan-çando mão das con-dições usualmenteencontradas nos la-boratórios das esco-las desse nível.

A atividade aquiproposta divide-se

em dois experimentos, previstos paraduas sessões de laboratório. No pri-meiro experimento, os alunos, transi-tando no nível macroscópico, obtêmevidências concretas da lei de Proust:a constância das relações de massa

entre as espécies participantes dereações químicas. No segundo expe-rimento, os alunos travam contato comum sistema modelo que favorece aaquisição da conexão conceitual en-tre massas e massas atômicas.

A reação escolhida para a primeiraparte dá-se entre o ferro (provenientede palha de aço comercializada paralimpeza doméstica) e o oxigênio do ar,ou seja, a queima do ferro. Assim, commateriais facilmente acessíveis, pode-se chegar a uma das regularidadesmais importantes envolvendo as mas-sas dos materiais participantes de umareação química. Uma balança de duascasas decimais pode ser utilizada, des-de que livre das oscilações geradaspor correntes de ar. Alternativamentepode-se usar uma balança analítica, sedisponível.

Primeira parte experimental – Lei deProust

A queima do ferro, descrita a se-guir, liberta grandes quantidades deenergia sob a forma de luz e calor, detal modo que se deve recomendaraos alunos cuidados para evitar quei-maduras. De nossas tentativas, ficouclara a necessidade de um rápido su-primento de oxigênio, sem o que areação não se completa, havendo so-bra de ferro numa condição em que

Na maior parte dos livrosdidáticos, pouca ou

nenhuma relação é feitaentre o modelo atômico deDalton e as leis ponderais

das reações químicas

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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 19, MAIO 2004De massas e massas atômicas

é justamente o oxigênio o reagente emexcesso.

Uma porção de aproximadamentea metade de uma palha de aço é pe-sada, e o valor obtido anotado como“massa de ferro”. A porção pesada ésegurada com o auxílio de uma pinçade hastes longas, encostando-se a pa-lha na chama oxidante do bico de Bun-sen, o que dará imediato início à rea-ção. Alternativamente, pode-se utilizara chama de um isqueiro ou mesmo deum palito de fósforo. Rapidamente,conduz-se a palha para o interior deum béquer de 500 mL, de forma alta,mantendo-se a palha a uns 5 cm daextremidade superior do béquer (asfagulhas produzidas durante a reaçãopodem danificar o béquer. Para evitaristo, pode-se substituí-lo por uma latade dimensões semelhantes). Imedia-tamente em seguida, sopra-se ar sobrea massa reacional, utilizando um se-cador de cabelos. Cuidado! Nessemomento, a reação torna-se muitovigorosa, projetando muitas fa-gulhas. O conjunto deve ser mantidoafastado do corpo do aluno que exe-cuta a operação, até que a reaçãocesse (Figura 1).

Cessada a reação, solta-se a pe-lota de óxido de ferro (II) formado, demodo que caia no interior do béquer,tomando-se cuidados para evitar per-das de material. Aguarda-se o resfria-mento total do conjunto. O material éentão transferido do béquer para umafolha de papel liso, previamente tarada,e o óxido é pesado. Esse valor é entãoanotado como “massa de FeO”. O pro-cedimento acima descrito é repetidopelos diferentes grupos, com pedaçosmaiores e menores de palha de aço.

Os resultados obtidos portoda a turma são lançados emuma tabela, como a Tabela 1,que contém os dados obtidospor nós.

O valor médio para a rela-ção de massa entre o ferro eo oxigênio (resultados regis-trados na quarta coluna) foi3,56, com um desvio padrãorelativo de 3,3% (n = 8). O va-lor teórico (3,49) e o obtidonão apresentaram diferençasignificativa, no nível de signi-ficância de 95%.

Após o preenchimento da primeirae segunda colunas da tabela, osalunos são instruídos para que façamos cálculos que permitem preencher aterceira e quarta colunas. A regulari-dade de Proust torna-se, então, eviden-te. Pode ser interessante que o profes-sor forneça o valor teoricamente espe-rado da relação massa Fe/massa O2,com o propósito de desencadeardiscussões sobre o tipo e a magnitudedos erros ocorridos ao longo da execu-ção do experimento. A questão “comopodemos explicar tal regularidade?”conduz à segunda parte da atividade.

Segunda parte experimental – Clipescomo modelos de partículas

O segundo experimento, descritoa seguir, propõe uma visão de modelode uma reação química com o auxíliode clipes de papel. Devem ser adquiri-das caixas de clipes de diferentestamanhos, isto é, de diferentes mas-sas. Os clipes são colocados em umenvelope de papel, ou outro recipientequalquer, que permita sua fácil mani-pulação. Cada recipiente contém cli-pes de um só tamanho. Três alunossão chamados a atuar como “reato-res”: eles devem se postar de frentepara a turma,mas com asmãos escondi-das atrás de umanteparo de pa-pelão, à seme-lhança de umaurna eleitoral.Chamemos osenvelopes declipes de A, B, Cetc, conforme

seu tamanho. Deve-se começar a ativi-dade considerando o caso de uma rea-ção 1:1 (estabelecendo conexão coma reação Fe + 1/2O2). Um dos “reato-res” toma uma porção aleatória de cli-pes do saco A e pesa-a. Uma balançade prato externo, de duas casasdecimais, é suficiente. O outro “reator”toma uma outra porção aleatória declipes do recipiente B e pesa-a. Deposse dos punhados de clipes A e B,o terceiro aluno executa a “reação” 1:1,enganchando, aos pares, os clipes Ae B e pesando o conjunto de clipes ABobtido, assim como as sobras. Repete-se esse procedimento várias vezes,lançando-se os dados em uma tabela.Na Tabela 2 estão mostrados algunsdados reais, obtidos por nós.

Esta é a tabela com os dados pri-mários. Agora, constrói-se uma outratabela, conforme mostrado na Tabe-la 3.

Vê-se, claramente, que a relaçãoentre as massas de A e B que efetiva-mente “reagiram” é a mesma em to-dos os casos, dentro do erro experi-mental, apresentando uma média de1,97 e um desvio padrão de 0,03, queequivale a um desvio padrão relativode 1,5%. Finalmente, pesam-se, à vistade todos, vários clipes do envelope A

Tabela 2: Resultados obtidos com o sistema modelo.

Experimento mA / g mB / g mAB / g mAR / g mBR / g

1 16,91 13,19 25,17 – 4,87

2 6,19 5,18 9,38 – 2,02

3 8,45 2,86 8,46 2,83 –

4 3,39 3,47 5,05 – 1,74

5 11,82 4,62 13,50 2,83 –

mA: massa de A; mB: massa de B; mAB: massa de AB; mAR: massade A residual; mBR: massa de B residual.

Figura 1: Reação do ferro com oxigêniodo ar. 1) Béquer de forma alta; 2) Palhade aço queimando; 3) Pinça de hasteslongas; 4) Secador de cabelo.

Tabela 1: Resultados experimentais relativos à queimado ferro.

mFe / g mFeO / g mO2 / g mFe/mO2

1,6413 2,1360 0,4947 3,318

1,7994 2,2802 0,4808 3,742

3,8672 4,9382 1,0710 3,611

2,8853 3,7009 0,8156 3,538

3,2046 4,1071 0,9025 3,551

3,3173 4,2371 0,9198 3,606

3,4349 4,3936 0,9587 3,583

4,7293 6,0564 1,3271 3,564

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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 19, MAIO 2004

Abstract: On masses and atomic masses – An experimental activity for two chemistry laboratory sessions is suggested with the goal of favoring high-school students the interdisciplinary transitbetween the domains of the atomic theory and the weight laws of chemical reactions. In the first session, by studying the mass relationships associated to the combustion of iron, the students obtaindirect evidences of Proust’s law. In the second session, by using paper clips as models for material particles, the students study the conceptual relationships between masses and atomic masses.Keywords: Dalton’s atomic model, weight laws, interdisciplinary transit

De massas e massas atômicas

e do envelope B, mostrando, assim,que as relações de massa obtidas paradiferentes punhados de clipes A e Bque efetivamente combinaram-se é amesma que a obtida entre as massasmédias de clipes do envelope A e declipes do envelope B. No caso do nos-so experimento, esse valor foi de 1,98,relativo à média de três pesagens declipes do envelope A e três do envelo-pe B. Pode-se, assim, explorar a rela-ção entre os postulados de Dalton e aconstância da relação de massa. Deve-se apontar que, para haver constâncianessas relações, é fundamental aconstância das mas-sas de um mesmo tipode clipe, isto é, de áto-mo. Novas “reações”podem ser feitas, en-volvendo agora umareação 2A + B → A2B,e outras. Podem-se fa-zer reações entre A e C(outro conjunto de cli-pes, com outro tama-nho), entre B e C etc.,e até construir uma ta-bela de massas relati-vas, seguindo o mesmo tipo de pro-cedimento.

Sugestões de tarefas a serempropostas aos alunos

1) Determinar a massa de óxidoferro que será obtida a partir de umadada massa de ferro, usando a rela-ção massa de Fe/massa de O2 obtidapela turma.

2) Determinar a massa atômica do

ferro, atribuindo amassa de 16 upara o oxigênio.Se o oxigênio pos-suísse massa de100 u, como admi-tia Berzelius, qualseria, então, amassa atômica doferro? Considereque a reação ocor-rida tenha sido

Fe(s) + 1/2O2(g) → FeO(s) + energia

3) Discutir a seguinte afirmação:é mais apropriado usar como padrãode massas atômicas a massa de umátomo (ou parte dele) em lugar doquilograma-padrão, unidade demassa usual no cotidiano.

4) Usando clipes, reproduzir asconsiderações que levaram Dalton ainferir a lei das proporções múltiplas.

Considerações finaisSegundo Jantsch e Bianchetti

(1995), o trânsito in-terdisciplinar entreo macro e o micro,materiais e átomos,o concreto e o abs-trato, constitui a es-sência daquilo quehoje conhecemospor Química. Osautores estão con-vencidos de que éimportante engajaros alunos nesseprocesso, seja re-

metendo-os ao momento históricoem que Dalton desenvolveu e publi-cou a teoria atômica, seja através deexperimentos como os que aqui sepropõe.

Segundo Bachelard (1982),

A ciência precisa constante-mente voltar-se contra suaspremissas. Se ela começaexperimentando, é preciso ra-ciocinar. Se ela começa racio-

Referências bibliográficasBACHELARD, G. O novo espírito

científico. Trad. J. Hahne Jr. S. Paulo:Editora Tempo Brasileiro, 1982.

BROCK, W.H. The Norton history ofchemistry. Nova Iorque: WW Nortonand Company, 1993.

JANTSCH, A.P. e BIANCHETTI, L.(Orgs.). Interdisciplinaridade: para alémda filosofia do sujeito. Rio de Janeiro:Editora Vozes, 1995.

Para saber maisBENSAUDE-VINCENT, B. e STEN-

GERS, I. História da Química. Trad. R.Gouveia. Lisboa: Instituto Piaget, 1996.

cinando, é preciso experi-mentar.

Raciocinar em Química requer, fre-qüentemente, a intervenção de mo-delos estruturais. Ensinar Químicasem promover o estabelecimento deconexões entre teorias (fruto do espí-rito humano) e leis (fruto da experi-mentação disciplinada e da capaci-dade descritiva) é uma falha grave,que pode conduzir a uma Ciêncianão-humana ou a um misticismo sembase material.

Dalton não foi o primeiro a pensara matéria constituída de átomos. A im-portância de sua contribuição deve-seà concepção da massa atômica(Brock, 1993). Através dessa idéia, osátomos deixaram o domínio da exclu-siva abstração, como vinha acon-tecendo desde o século V a.C. comDemócrito, e ganharam massa - aqui-lo que se pode detectar com uma ba-lança. Conectados ao universo con-creto, ultrapassaram os limites dacrença, passando a compor o caudalteórico que, no século XIX, permitiu aconstrução da Química moderna.

Reinaldo Calixto de Campos (rccampos@rdc.puc-rio.br), doutor em Química pela Pontifícia Univer-sidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), é do-cente do Departamento de Química da PUC-Rio.Reinaldo Carvalho Silva (reicarvalho@uol.com.br),doutor em Química pela Universidade Federal deSanta Catarina, é professor do Centro Federal deEducação Tecnológica de Santa Catarina.

Tabela 3: Processamento dos resultados para o sistema modelo.

Experimento (mA-mAR) / g (mB-mBR) / g (mA-mAR)/(mB-mBR)

1 16,91 8,32 2,03

2 6,19 3,16 1,96

3 5,62 2,86 1,97

4 3,39 1,73 1,96

5 8,99 4,62 1,95

mA-mAR: massa de A que “reagiu”; mB-mBR: massa de B que“reagiu”; (mA-mAR)/(mB-mBR): massa de A que reagiu/massa de Bque reagiu.

Dalton não foi o primeiro apensar a matéria

constituída de átomos. Aimportância de sua

contribuição deve-se àconcepção da massa

atômica, o que fez comque os átomos deixassem o

domínio da exclusivaabstração, como vinhaacontecendo desde o

século V a.C.