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Nome: Es c ola: m  : l  : 3 a  SÉRIE  E N S IN O D I O Caderno do Professor  V olume 1 QUÍMICA  C i ê nci a s da N a t ure z a

Química 3S EM Volume 1 (2014)

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  • Nome:

    Escola:

    NNoomee:

    EEsscssoolaa:cc

    3a SRIEENSINO MDIOCaderno do ProfessorVolume 1

    QUMICACincias da Natureza

  • MATERIAL DE APOIO AOCURRCULO DO ESTADO DE SO PAULO

    CADERNO DO PROFESSOR

    QUMICAENSINO MDIO

    3a SRIEVOLUME 1

    Nova edio

    2014-2017

    GOVERNO DO ESTADO DE SO PAULO

    SECRETARIA DA EDUCAO

    So Paulo

  • Governo do Estado de So Paulo

    Governador

    Geraldo Alckmin

    Vice-Governador

    Guilherme Af Domingos

    Secretrio da Educao

    Herman Voorwald

    Secretrio-Adjunto

    Joo Cardoso Palma Filho

    Chefe de Gabinete

    Fernando Padula Novaes

    Subsecretria de Articulao Regional

    Rosania Morales Morroni

    Coordenadora da Escola de Formao e Aperfeioamento dos Professores EFAP

    Silvia Andrade da Cunha Galletta

    Coordenadora de Gesto da Educao Bsica

    Maria Elizabete da Costa

    Coordenadora de Gesto de Recursos Humanos

    Cleide Bauab Eid Bochixio

    Coordenadora de Informao, Monitoramento e Avaliao

    Educacional

    Ione Cristina Ribeiro de Assuno

    Coordenadora de Infraestrutura e Servios Escolares

    Ana Leonor Sala Alonso

    Coordenadora de Oramento e Finanas

    Claudia Chiaroni Afuso

    Presidente da Fundao para o Desenvolvimento da Educao FDE

    Barjas Negri

  • Senhoras e senhores docentes,

    A Secretaria da Educao do Estado de So Paulo sente-se honrada em t-los como colabo-

    radores nesta nova edio do Caderno do Professor, realizada a partir dos estudos e anlises que

    permitiram consolidar a articulao do currculo proposto com aquele em ao nas salas de aula

    de todo o Estado de So Paulo. Para isso, o trabalho realizado em parceria com os PCNP e com

    os professores da rede de ensino tem sido basal para o aprofundamento analtico e crtico da abor-

    dagem dos materiais de apoio ao currculo. Essa ao, efetivada por meio do programa Educao

    Compromisso de So Paulo, de fundamental importncia para a Pasta, que despende, neste

    programa, seus maiores esforos ao intensificar aes de avaliao e monitoramento da utilizao

    dos diferentes materiais de apoio implementao do currculo e ao empregar o Caderno nas aes

    de formao de professores e gestores da rede de ensino. Alm disso, firma seu dever com a busca

    por uma educao paulista de qualidade ao promover estudos sobre os impactos gerados pelo uso

    do material do So Paulo Faz Escola nos resultados da rede, por meio do Saresp e do Ideb.

    Enfim, o Caderno do Professor, criado pelo programa So Paulo Faz Escola, apresenta orien-

    taes didtico-pedaggicas e traz como base o contedo do Currculo Oficial do Estado de So

    Paulo, que pode ser utilizado como complemento Matriz Curricular. Observem que as atividades

    ora propostas podem ser complementadas por outras que julgarem pertinentes ou necessrias,

    dependendo do seu planejamento e da adequao da proposta de ensino deste material realidade

    da sua escola e de seus alunos. O Caderno tem a proposio de apoi-los no planejamento de suas

    aulas para que explorem em seus alunos as competncias e habilidades necessrias que comportam

    a construo do saber e a apropriao dos contedos das disciplinas, alm de permitir uma avalia-

    o constante, por parte dos docentes, das prticas metodolgicas em sala de aula, objetivando a

    diversificao do ensino e a melhoria da qualidade do fazer pedaggico.

    Revigoram-se assim os esforos desta Secretaria no sentido de apoi-los e mobiliz-los em seu

    trabalho e esperamos que o Caderno, ora apresentado, contribua para valorizar o ofcio de ensinar

    e elevar nossos discentes categoria de protagonistas de sua histria.

    Contamos com nosso Magistrio para a efetiva, contnua e renovada implementao do currculo.

    Bom trabalho!

    Herman Voorwald

    Secretrio da Educao do Estado de So Paulo

  • SUMRIOOrientao sobre os contedos do volume 5

    Situaes de Aprendizagem 10

    Situao de Aprendizagem 1 A atmosfera pode ser considerada uma fonte de materiais teis para o ser humano? 10

    Situao de Aprendizagem 2 Estudo da sntese e da produo industrial da amnia a partir dos gases nitrognio e hidrognio 20

    Situao de Aprendizagem 3 possvel alterar a rapidez com que uma transformao qumica ocorre? 35

    Situao de Aprendizagem 4 Como utilizar modelos microscpicos para explicar as diferenas na rapidez das transformaes qumicas? 48

    Situao de Aprendizagem 5 Composio das guas naturais e usos da gua doce 63

    Situao de Aprendizagem 6 Entendendo a escala de pH 69

    Situao de Aprendizagem 7 Como saber as quantidades de produtos e de reagentes que coexistem em equilbrio qumico? 82

    Situao de Aprendizagem 8 Influncia das variaes de temperatura e presso em sistemas em equilbrio qumico 94

    Situao de Aprendizagem 9 Como o ser humano usa a gua do mar para sua sobrevivncia? 99

    Propostas de Situao de Recuperao 123

    Recursos para ampliar a perspectiva do professor e do aluno para a compreenso do tema 125

    Consideraes finais 129

    Quadro de contedos do Ensino Mdio 131

  • 5Qumica 3a srie Volume 1

    Caro(a) professor(a),

    Nesta 3a srie, assim como nas sries ante-

    riores, propomos um ensino de Qumica que

    permita aos alunos compreender melhor o

    mundo em que vivem, usando as ferramentas

    dessa disciplina. No decorrer desta srie, se-

    ro estudadas as formas pelas quais diversos

    materiais so extrados da atmosfera, da hi-

    drosfera e da biosfera e como so utilizados

    para a sobrevivncia e o bem-estar da espcie

    humana. Sero propostas atividades que faci-

    litem a compreenso dos processos qumicos

    relacionando-os com suas aplicaes tecnol-

    gicas, ambientais e sociais para que os alunos

    possam emitir juzos de valor, bem como to-

    mar decises individuais e coletivas de manei-

    ra mais responsvel e crtica.

    Neste primeiro volume, a atmosfera ser

    enfocada como recurso natural para a obten-

    o industrial de gases como o nitrognio, o

    oxignio e os gases nobres, assim como algu-

    mas de suas utilizaes na vida cotidiana e na

    fabricao de outros compostos.

    O estudo do processo Haber-Bosch de

    produo da amnia permitir uma discus-

    so sobre a importncia de conhecer, prever e

    controlar as variveis temperatura, presso,

    superfcie de contato, presena de catalisado-

    res e concentrao de reagentes que influem

    na rapidez e na extenso com que uma trans-

    formao qumica acontece, para que se possa

    otimizar os custos de produo.

    O estudo da cintica qumica, iniciado na

    1a srie, ser ampliado e retomado com a apre-

    sentao de fatos qumicos, no nvel macros-

    cpico, seguido de explicaes baseadas no

    modelo cintico-molecular. O modelo explica-

    tivo ser valorizado como instrumento para a

    previso e o controle da rapidez das transfor-

    maes qumicas.

    O fato de a obteno da amnia a partir

    dos gases nitrognio e hidrognio se dar por

    intermdio de uma transformao qumica re-

    versvel permitir a introduo do estudo do

    equilbrio qumico. Nos volumes anteriores,

    mostramos que o conhecimento do clculo

    estequiomtrico nos permite estimar a quanti-

    dade de reagentes que ser utilizada, sem que

    haja desperdcio. Agora, essa ideia ser am-

    pliada ao serem estudadas reaes reversveis,

    isto , reaes que no se completam e cujo

    rendimento no de 100%. Ento, para que

    se encontrem formas de produo economica-

    mente viveis e ambientalmente favorveis,

    necessrio saber controlar os fatores que afe-

    tam a rapidez e a extenso da transformao

    qumica em questo. Portanto, a escolha da

    temperatura, da presso e da concentrao

    dos reagentes, bem como a deciso sobre o uso

    ORIENTAO SOBRE OS CONTEDOS DO VOLUME

  • 6de algum catalisador, deve priorizar a produ-

    o da maior quantidade possvel de produtos

    com o menor custo econmico e ambiental e

    o menor desperdcio possvel.

    Nesta proposta, a hidrosfera ser conside-

    rada fonte de recursos para a sobrevivncia

    humana, aprofundando os conhecimentos j

    trabalhados na srie anterior. Para tanto, se-

    ro estudadas algumas maneiras de utilizao

    da gua. Este material , portanto, um recurso

    que procura permitir aos alunos que, ao re-

    fletirem sobre a utilizao das guas salgadas

    e doces como recursos naturais, aprendam

    Qumica e desenvolvam habilidades procedi-

    mentais e atitudinais que os instrumentem a

    avaliar situaes de vida bem como a tomar

    decises que considerem contribuir para o

    bem comum. Ressaltamos tambm que a

    avaliao da qualidade da gua doce ser fei-

    ta levando-se em conta suas propriedades e

    os usos a que se destina: consumo humano,

    consumo animal, irrigao e usos industriais.

    Estudaremos como estimar a acidez da gua

    por meio do pH, que permite determinar a

    concentrao hidrogeninica de uma solu-

    o, sem precisar recorrer a nmeros forne-

    cidos pelas constantes de equilbrio qumico.

    O termo pH, frequentemente mencionado na

    mdia, tem significado qumico limitado para

    os alunos, que normalmente valorizam apenas

    o pH neutro, desconhecendo, por exemplo, a

    importncia do controle da acidez no sistema

    produtivo. Por esse motivo, esse parmetro

    ser usado como desencadeador do estudo

    quantitativo do equilbrio qumico, ou seja,

    como saber a quantidade de produto forma-

    do em uma determinada reao reversvel, em

    dadas condies de presso e temperatura. Os

    alunos tambm estudaro como a adio de

    solutos pode modificar o pH da gua.

    Para entender como o ser humano extrai

    materiais teis da gua do mar, sero retoma-

    dos processos industriais que exigem conhe-

    cimentos adquiridos anteriormente, como a

    solubilidade de sais (para o estudo de suas

    separaes) e a eletrlise (para a obteno do

    hidrxido de sdio, do sdio metlico e dos

    gases hidrognio e cloro). O entendimento

    da obteno do carbonato de sdio pelo pro-

    cesso Solvay depender da compreenso do

    conceito de solubilidade (contedo estudado

    na 2 srie) e da influncia da modificao da

    concentrao em um equilbrio qumico. No

    caso, ser estudada a perturbao no equil-

    brio estabelecido a partir da dissoluo do gs

    carbnico (CO2(aq)) em gua.

    Espera-se, ainda, que este estudo permita

    aos alunos repensar suas ideias sobre a utili-

    zao do ar atmosfrico e aplicar os conhe-

    cimentos construdos sobre os fatores que

    influenciam a rapidez das transformaes

    qumicas, tanto em sua vida diria quanto

    para entender alguns processos industriais.

    Nosso objetivo oferecer subsdios para fa-

    cilitar a formao de indivduos que saibam

    usar conhecimentos adquiridos na escola

    para entender o mundo onde vivem e que

    considerem a preservao do ambiente fun-

    damental para a manuteno da vida.

  • 7Qumica 3a srie Volume 1

    Conhecimentos priorizados

    Neste primeiro volume, o ar atmosfri-

    co ser reconhecido como uma mistura de

    gases e a destilao fracionada como um

    processo industrial utilizado na separao

    desses gases. As propriedades temperatura

    de ebulio e volatilidade sero considera-

    das para o entendimento desse processo.

    Sero tambm conhecidos alguns usos de

    gases obtidos da atmosfera para que sua

    importncia econmica e social possa ser

    valorizada.

    Outro ponto importante reconhecer sis-

    temas em que transformaes qumicas no

    se completam, em que reagentes e pro-

    dutos coexistem em concentraes que no

    variam com o tempo. Esses sistemas sero

    identificados como aqueles que alcanaram

    um estado de equilbrio qumico. Por meio

    do processo de obteno industrial da am-

    nia processo Haber , ser apresentada a

    ideia da necessidade do controle da presso

    e da temperatura para viabilizar e otimizar

    sua produo industrial. O papel econmico

    da amnia ser enfatizado mediante a dis-

    cusso do processo Haber e pela apresenta-

    o de outros produtos em que a amnia

    matria-prima.

    Ideias sobre a cintica qumica sero apre-

    sentadas por meio do estudo macroscpico

    dos fatores que podem influir na rapidez de

    transformaes qumicas temperatura, pres-

    so, superfcie de contato, uso de catalisadores

    e concentrao de reagentes. O estudo cintico

    ser aprofundado para o nvel microscpico

    com a introduo de explicaes baseadas no

    modelo cintico-molecular.

    Ao final deste volume, os alunos podero

    reconhecer o ambiente em especial a hidros-

    fera como fonte de materiais e de vida, alm

    de entender como os conhecimentos qumicos

    esto presentes no desenvolvimento dos pro-

    cessos de extrao e transformao de mate-

    riais da natureza.

    Competncias e habilidades

    1. Fazer uso da linguagem qumica para re-conhecer equaes que representam siste-

    mas em equilbrio e para conhecer as esp-

    cies qumicas presentes nesses sistemas.

    2. Relacionar o desenvolvimento do processo industrial de obteno da amnia com o

    momento histrico, com fatores econmi-

    cos e polticos envolvidos na importao

    do salitre do Chile, com sua importncia

    na fabricao de fertilizantes e de explo-

    sivos e com os conhecimentos disponveis

    na poca.

    3. Refletir sobre a importncia de conhecer e controlar fatores que influenciam o ren-

    dimento e a rapidez de transformaes

    qumicas no caso, a sntese industrial

    da amnia para que processos indus-

    triais economicamente viveis possam ser

    desenvolvidos.

  • 84. Relacionar e interpretar dados fornecidos em textos, tabelas e representaes para

    compreender processos de obteno de ga-

    ses industriais.

    5. Aplicar conhecimentos referentes s in-fluncias da presso e da temperatura

    para escolher condies reacionais mais

    adequadas. Usando modelos explicativos,

    fazer previses qualitativas sobre como

    composies de variveis podem afetar a

    rapidez de transformaes qumicas.

    6. Estabelecer relaes entre os conhecimen-tos desenvolvidos sobre fatores que alte-

    ram a rapidez de transformaes qumicas

    e condies de armazenamento de alimen-

    tos e avaliar o conhecimento de uma comu-

    nidade sobre esse assunto para, eventual-

    mente, assumir o papel de multiplicador de

    conhecimentos.

    7. Construir os conceitos de equilbrio qu-mico e de constante de equilbrio para

    estimar o rendimento de transforma-

    es qumicas reversveis e para entender

    como perturbaes externas mudanas

    de presso, de temperatura e de concen-

    traes podem modificar sistemas em

    equilbrio qumico.

    8. Escrever a expresso da constante de equi-lbrio a partir de equaes qumicas, reco-

    nhecendo as espcies que coexistem no sis-

    tema em equilbrio.

    9. Selecionar, organizar, relacionar e interpre-tar dados e informaes representados em

    textos, tabelas, grficos, esquemas e figuras

    para entender os processos produtivos re-

    lacionados extrao de materiais da hi-

    drosfera e os conhecimentos qumicos neles

    envolvidos.

    10. Relacionar informaes obtidas atravs de observaes diretas e de textos descri-

    tivos referentes s propriedades especfi-

    cas da gua doce e salgada para construir

    argumentaes consistentes sobre sua

    importncia.

    11. Refletir sobre os custos e benefcios en-volvidos na obteno e no uso de recursos

    provenientes da hidrosfera para avaliar

    escolhas individuais e coletivas.

    Metodologias e estratgias

    As metodologias utilizadas buscam esti-

    mular a participao e o envolvimento dos

    alunos no processo de construo de seus co-

    nhecimentos, assim como o desenvolvimento

    de competncias que permitam o exerccio de

    sua cidadania. As Situaes de Aprendizagem

    apresentam questes que envolvem a anlise de

    fatos relacionados ao dia a dia dos alunos para

    que seja possvel estabelecer relaes entre seus

    conhecimentos prvios e aqueles a ser constru-

    dos. Os textos contextualizam o estudo e apre-

    sentam informaes relevantes relacionadas

    ao sistema produtivo. Os problemas propostos

  • 9Qumica 3a srie Volume 1

    exigem a aplicao de conceitos apreendidos no

    decorrer das aulas, alm das atividades experi-

    mentais de carter investigativo, que abrangem

    o levantamento de hipteses e a elaborao de

    explicaes.

    Sugerimos a leitura de textos, interpretao

    de esquemas, tabelas e fluxogramas, exerccios

    e aulas expositivo-dialogadas. Recomendamos

    o uso do material Qumica e sobrevivncia (ver

    Recursos para ampliar a perspectiva do profes-

    sor e do aluno para a compreenso do tema)

    como estratgias de ensino para este Caderno.

    Avaliao

    O processo de ensino-aprendizagem poder

    ser avaliado por meio da participao dos alunos

    e do interesse demonstrado por eles e por meio

    das respostas aos exerccios e atividades propos-

    tos. Essas atividades envolvem estratgias como

    questes abertas, interpretao de textos, entre-

    vistas, interpretao de grficos e tabelas e an-

    lise de dados experimentais, entre outras. Dessa

    forma, voc poder acompanhar a aprendiza-

    gem de contedos especficos da Qumica e o de-

    senvolvimento das competncias de seus alunos.

  • 10

    Nesta Situao de Aprendizagem, os alunos

    reconhecero o ar atmosfrico como uma mis-

    tura de gases e a destilao fracionada como o

    processo industrial atualmente usado para se-

    parar esses gases. Por meio de pesquisas e entre-

    vistas, eles podero levantar informaes sobre

    alguns usos cotidianos e industriais dos gases

    nitrognio, oxignio, hidrognio e argnio.

    SITUAO DE APRENDIZAGEM 1 A ATMOSFERA PODE SER CONSIDERADA UMA FONTE DE

    MATERIAIS TEIS PARA O SER HUMANO?

    Contedos e temas: composio mdia do ar atmosfrico; obteno do oxignio, do nitrognio e dos gases nobres por destilao fracionada do ar atmosfrico; diversos usos do oxignio, do nitro-gnio e dos gases nobres.

    Competncias e habilidades: desenvolver a leitura e a interpretao de textos, de tabelas, de esquemas e de linguagens prprios da Qumica; desenvolver as habilidades de sntese e de argumentao consis-tentes exigidas em algumas questes que acompanham os textos; compreender o processo da destilao fracionada no nvel macroscpico para poder explic-lo no nvel microscpico; buscar, selecionar, orga-nizar e relacionar dados e informaes apresentados em diferentes mdias e representados em diferentes formas para resolver problemas.

    Sugesto de estratgias de ensino: discusses desencadeadas por perguntas e por anlises de informaes; leitura de textos seguida de discusses; pesquisas em material escrito e na internet.

    Sugesto de recursos: material escrito; cpias de textos acompanhados de perguntas abertas; livros di-dticos e paradidticos.

    Sugesto de avaliao: respostas dadas s questes propostas; realizao das tarefas requisitadas.

    Para iniciar o estudo sobre o ar atmosf-

    rico e para que os alunos relacionem o que

    estudaro com o mundo que os cerca, ques-

    tione-os sobre a composio do ar por meio

    de perguntas como:

    SITUAES DE APRENDIZAGEM

    f Ns respiramos o ar atmosfrico. Voc lem-bra qual o gs responsvel pela manuten-

    o da vida?

    f Quando inspiramos, quais gases entram pelas nossas narinas?

  • 11

    Qumica 3a srie Volume 1

    f Voc saberia dizer do que o ar (a atmosfera) formado?

    f Pessoas com insuficincia respiratria, mui-tas vezes, usam mscaras de oxignio. Nessas

    mscaras, o gs oxignio puro misturado

    com o ar atmosfrico, resultando em uma

    mistura mais rica em oxignio, o que fa-

    cilita a respirao. Os hospitais compram

    o oxignio puro de empresas. De onde e

    como ser que essas empresas obtm esse

    oxignio?

    No se espera que os alunos saibam res-

    ponder s perguntas corretamente. A inteno

    da discusso permitir que eles relacionem o

    que j sabem sobre o ar atmosfrico com o

    que ser estudado.

    Recomendaes para a leitura de texto sobre a composio do ar

    Aps o levantamento dessas primeiras

    ideias a respeito do assunto, apresente o texto

    a seguir, que fornecer informaes sobre os

    gases que compem o ar atmosfrico e sobre

    um processo industrial, a destilao fraciona-

    da, atualmente usado para separar esses gases.

    A classe poder ser organizada em um cr-

    culo e a leitura ser feita em voz alta. Essa or-

    ganizao evita disperses e possibilita maior

    controle do tempo e da participao durante a

    leitura e a discusso do texto.

    A leitura ser orientada pelas perguntas

    feitas ao longo do texto. Voc pode solicitar

    aos alunos que anotem as palavras desco-

    nhecidas e que as procurem em um dicio-

    nrio, que dever estar disposio na sala

    de aula. Caso no seja possvel a consulta,

    os significados das palavras podero ser es-

    clarecidos por voc e pelos prprios colegas.

    As respostas s questes devem ser anotadas

    no caderno. Aps a leitura, os alunos, que

    j estaro sentados em crculos, lero suas

    respostas e as discutiro a fim de chegarem

    a um consenso. Para sintetizar o estudo, eles

    devero completar ou modificar suas res-

    postas. Caso disponha de tempo, voc pode

    recolher as respostas para avaliar melhor e

    acompanhar o aprendizado individual.

    Outras sugestes de leituras podem ser en-

    contradas em referncia fornecida no item Re-

    cursos para ampliar a perspectiva do professor

    e do aluno para a compreenso do tema.

  • 12

    Composio do ar atmosfrico parte 1

    O ar atmosfrico, o ar que nos rodeia, por ser transparente e muitas vezes ino-doro, tido como um nada, como um espao vazio. Mesmo quando o vento sopra, quando ouvimos notcias sobre furaces, quando as previses do tempo apresentam falas como Uma massa de ar frio vinda do litoral dever atingir a costa..., no pensamos no ar como ma-tria, como uma mistura de gases.

    Em hospitais, pacientes com dificul-dades respiratrias utilizam mscaras

    de oxignio. Em algumas dessas ms-caras, o ar atmosfrico pode ser enri-quecido com diferentes quantidades de gs oxignio. A escolha da composio do ar oferecido indicada para que haja uma oxigenao adequada s ne-cessidades de cada paciente. O gs oxi-gnio comercializado em cilindros.

    Nas aulas de Cincias, aprendemos que o ar atmosfrico composto principal-mente pelos gases nitrognio e oxignio. A tabela a seguir apresenta dados sobre a composio mdia do ar seco, assim como as temperaturas de ebulio dos compo-nentes do ar presso de 1 atmosfera.

    Composio do ar atmosfrico seco e propriedades de seus constituintes presso de 1 atm

    Componente Volume (%) Temperatura de ebulio (C) Temperatura de fuso (C)

    Nitrognio 78,08 196 210

    Oxignio 20,95 183 219

    Argnio 0,934 186 189

    Nenio 0,001818 246 249

    Hlio 0,0005239 269 2721

    Hidrognio 0,00005 253 259

    Xennio 0,0000086 107 112

    Criptnio 0,0001139 153 157

    Tabela 1. 1 A temperatura de fuso do hlio determinada a 26 atm.Adaptado de: GEPEQ Grupo de Pesquisa em Educao Qumica (org.). Interaes e transformaes III: Qumica Ensino Mdio: a Qumica e a sobrevivncia: atmosfera, fonte de materiais. So Paulo: Edusp, 1998. p. 55.

    Elaborado por Hebe Ribeiro da Cruz Peixoto e Maria Fernanda Penteado Lamas especialmente para o So Paulo faz escola.

  • 13

    Qumica 3a srie Volume 1

    Questes para anlise do texto

    1. O que temperatura de ebulio?Temperatura de ebulio aquela em que a substncia fer-

    ve ao passar do estado lquido para o gasoso. Essa questo

    permite aos alunos que se lembrem das evidncias macros-

    cpicas do processo de ebulio.

    2. Para uma mesma substncia a uma dada presso, o valor da temperatura de ebu-

    lio igual ao valor da temperatura de

    liquefao, ou seja, TE = TL. Explique a

    razo de, s vezes, usarmos a expresso

    temperatura de ebulio e, s vezes, usar-

    mos temperatura de liquefao.

    O valor numrico da TE e da TL de uma dada substncia em

    determinadas condies de temperatura e de presso o

    mesmo. Costuma-se usar o termo temperatura de ebulio

    (TE) quando se est fazendo referncia mudana de estado

    de uma substncia do lquido para o gasoso. Ao descrever

    a mudana de estado do gasoso para o lquido, costuma-se

    usar o termo temperatura de liquefao (TL).

    Observao: Essa questo tem como objetivo mostrar aos

    alunos que, apesar do valor numrico de TE e TL ser o mes-

    mo para uma mesma substncia nas mesmas condies, ao

    usar TE ou TL esto sendo fornecidas mais informaes sobre

    o processo a que se est fazendo referncia do que somente

    fornecendo um dado numrico.

    3. A temperatura de ebulio do nitrognio, de acordo com a tabela, de 196 oC. A

    temperatura de 200 oC, o nitrognio en-

    contra-se em que estado fsico?

    A 200 C, o nitrognio encontra-se no estado lquido.

    4. A 190 C e presso de 1 atm, quais componentes do ar esto no estado slido,

    quais esto no estado lquido e quais esto

    no estado gasoso?

    A 190 C, o criptnio, o xennio e o argnio encontram-se

    no estado slido; o oxignio, no estado lquido; o nitrognio,

    o hidrognio, o hlio e o nenio, no estado gasoso.

    Composio do ar atmosfrico parte 2

    Do ar atmosfrico so obtidos os gases in-

    dustriais nitrognio, oxignio, argnio, nenio,

    criptnio e xennio por um processo chamado

    destilao fracionada. O primeiro passo para a

    separao dos gases atmosfricos a liquefao

    deles. Em seguida, a mistura vai sendo aquecida

    e seus componentes so separados com base em

    suas temperaturas de ebulio.

    Quando as temperaturas de ebulio de duas ou

    mais substncias lquidas volteis so muito prxi-

    mas, uma destilao simples no suficiente para

    separ-las, pois a frao obtida (o destilado gasoso)

    uma mistura de gases mais rica nos compo-

    nentes com menores temperaturas de ebulio,

    ou seja, mais rica nos componentes mais vol-

    teis. Ao observar a tabela na parte 1 deste texto,

    percebe-se que as temperaturas de ebulio do

    oxignio, do argnio e do nitrognio, por exem-

    plo, so prximas. Para separar esses gases aps

    sua liquefao, usado um processo chamado

    destilao fracionada.

    Inicialmente, vamos entender como so rea-

    lizadas destilaes fracionadas de uma mistu-

    ra que j se apresenta como lquida tempe-

    ratura e presso ambientes do petrleo ou

  • 14

    do alcatro da hulha, por exemplo em uma

    coluna de fracionamento. Esse tipo de coluna

    possui vrios pratos horizontais, localizados

    em diferentes alturas, que se intercomuni-

    cam conforme mostrado no esquema. Como

    o aquecimento feito pela base da coluna,

    quanto mais alto estiver localizado o prato,

    menor ser sua temperatura. medida que a

    mistura a ser separada aquecida, seus com-

    ponentes vo se gaseificando e sobem pela co-

    luna. A composio do vapor ser mais rica

    no componente mais voltil, ou seja, no com-

    ponente com a menor temperatura de ebulio.

    Quando os gases encontram um prato a uma

    temperatura igual ou menor que suas temperatu-

    ras de ebulio, liquefazem-se e escorrem para um

    prato inferior, que possui uma temperatura mais

    alta, pois est mais prximo fonte de calor. Nes-

    se prato, parte da mistura se gaseifica novamente,

    e essa frao gasosa, ainda mais rica no compo-

    nente mais voltil, sobe novamente para o pra-

    to superior, e o processo vai se repetindo. Dessa

    maneira, as fraes gasosas vo se enriquecendo

    cada vez mais com o componente mais voltil, e,

    por isso, em diferentes alturas da coluna podem

    ser obtidos gases bastante puros.

    A separao dos gases presentes no ar atmos-

    frico segue esse processo de fracionamento e

    exige, no entanto, um equipamento um pouco di-

    ferente, dado que o ar se liquefaz a temperaturas

    muito mais baixas que a do ambiente. Para que a

    destilao fracionada se processe a temperaturas

    muito mais baixas que a temperatura ambiente,

    so usadas duas colunas acopladas, com controle

    externo de temperatura; essas fraes so obtidas

    por aquecimentos e resfriamentos sucessivos, e os

    componentes so separados no estado lquido.

    Elaborado por Hebe Ribeiro da Cruz Peixoto e Maria Fernanda Penteado Lamas especialmente

    para o So Paulo faz escola.

    Figura 1. Esquema de uma coluna de fracionamento. Adaptado de: GEPEQ Grupo de Pesquisa em Educao Qumica (org.). Interaes e transformaes III: Qumica Ensino Mdio: a Qumica e a sobrevivncia: atmosfera, fonte de materiais. So Paulo: Edusp, 1998. p. 54.

    Detalhedo prato

  • 15

    Qumica 3a srie Volume 1

    5. Embora o gs hlio esteja presente no ar atmosfrico e em uma quantidade maior

    que a dos gases criptnio e xennio, comer-

    cialmente obtido de jazidas subterrneas

    de gs natural. Procure dar uma explicao

    para esse fato.

    possvel que o gs hlio no seja obtido a partir da desti-

    lao fracionada do ar atmosfrico pelo fato de o processo

    no ser economicamente vivel, dada sua baixa concentra-

    o na mistura gasosa e sua baixa temperatura de ebulio

    (269 C). Os alunos provavelmente no sabero, mas, neste

    momento, voc pode inform-los que o resfriamento do ar

    atmosfrico (para que seja liquefeito) ocorre por meio de

    sua expanso: a mistura de gases inicialmente comprimi-

    da e expandida. Ao serem expandidos, os gases liberam ca-

    lor para o meio, resfriando-se. Esse efeito chamado efeito

    Joule-Thomson. A diculdade de separao do hlio por

    meio da destilao fracionada est no fato de que esse gs,

    quando comprimido, somente sofre o efeito Joule-Thomson

    de resfriamento a temperaturas inferiores a 267 C. O h-

    lio apresenta dois estados lquidos diferentes: o hlio I, que

    se comporta como um lquido normal, e o hlio II, que se

    comporta como um superuido. Para que o hlio se solidi-

    que, no basta baixar a temperatura. necessrio tambm

    que seja aumentada a presso. Mais informaes podem ser

    encontradas no livro Qumica inorgnica no to concisa, de

    J. D. Lee, disponvel na biblioteca do professor.

    6. Em uma torre de destilao fracionada do ar, o nitrognio deve ser obtido em um

    prato situado acima do prato de onde sai o

    oxignio. Procure dar uma explicao para

    essas posies.

    O nitrognio lquido deve ser obtido na regio superior da

    coluna de destilao porque sua temperatura de ebulio

    mais baixa do que a temperatura de ebulio do oxignio. Os

    alunos devero relacionar temperaturas de ebulio forneci-

    das em tabelas com as diferentes temperaturas em uma torre

    de destilao fracionada para compreenderem o processo

    de obteno de gases industriais. O professor poder reto-

    mar a importncia da destilao fracionada como processo

    de separao ao estudar a separao das fraes do petrleo.

    O ar atmosfrico considerado fon-

    te de materiais teis ao ser humano.

    Segundo o texto, quais seriam esses

    materiais? Qual a utilidade deles para o ser

    humano? Como so obtidos? Siga as orienta-

    es do professor para fazer uma pesquisa e

    responder a essas perguntas. Utilize a tabela a

    seguir para sintetizar as informaes sobre os

    gases que voc e seus colegas pesquisaram.

    Algumas informaes que podem ser trazidas para a sala de

    aula sobre a obteno e os usos de alguns gases presentes no

    ar atmosfrico esto listadas na Tabela 2 a seguir.

    Tambm podem ser pesquisadas e discutidas as utilizaes

    do gs hlio. , contudo, interessante repetir que o gs hlio

    comercializado no extrado do ar atmosfrico, e sim de

    jazidas de gases naturais, dado que 7% desses gases com-

    posto de gs hlio.

    Alguns usos desse gs:

    tQFSNJUFBBTDFOTPEFCBMFTFEJSJHWFJT

    tTFSWFEFDPOTUJUVJOUFEFBUNPTGFSBTTJOUUJDBToNJTUVSBEP

    com oxignio e nitrognio (trimix) , que so usadas em

    mergulhos profundos e em trabalhos em minas profundas;

    seu uso vantajoso por ser menos solvel no sangue do que

    o nitrognio, o que diminui o tempo necessrio para a des-

    compresso;

    tBVYJMJBOBQSFTTVSJ[BPEFUBORVFTEFOBWFTFTQBDJBJT

    t TFSWF DPNPBUNPTGFSBQSPUFUPSBOB GBCSJDBPEF UJUOJP

    e zircnio;

    tVTBEPFNQFTRVJTBTTPCSFBTVQFSDPOEVUJWJEBEF

    tGB[BGVOPEFHTUSBOTQPSUBEPSJOFSUFFNDSPNBUPHSBmB

    gasosa.

  • 16

    Mais informaes sobre aplicaes de gases podem ser en-

    contradas em Qumica inorgnica no to concisa, de J. D.

    Lee, disponvel na biblioteca do professor.

    Um dos objetivos dessa tarefa permitir

    que os alunos aprendam como esses gases so

    utilizados no dia a dia e no sistema produti-

    vo para que possam estabelecer relaes en-

    tre matrias-primas, processos produtivos e

    qualidade de vida. Outro objetivo aprender

    a buscar e selecionar informaes; para isso,

    ser necessrio desenvolver as competncias

    ligadas ao domnio de linguagens, compre-

    enso de fenmenos e ao enfrentamento de

    situaes-problema.

    aconselhvel que a pesquisa seja realiza-

    da em grupos, dentro ou fora da sala de aula.

    A orientao dever ser dada de acordo com

    a autonomia que os alunos j possuem. in-

    teressante que se tenha claro algumas pala-

    vras-chave referentes pesquisa, assim como

    quais perguntas devero ser respondidas aps

    a pesquisa. Voc deve verificar se eles sabem

    usar ndices, sumrios, ndices remissivos e

    glossrios, e auxili-los, caso seja necessrio.

    GsMtodos de obteno

    industrialUsos

    Oxignio (O2) Destilao fracionada do ar

    Na siderurgia, em soldas e cortes metlicos; em foguetes, como comburente; em mer-gulhos ou trabalhos em minas profundas (misturado com gs hlio) para respirao; na medicina (para auxiliar a respirao, em aparelhos de respirao articial, em terapias hiperbricas); no tratamento de euentes (esgotos), entre outros

    Nitrognio (N2) Destilao fracionada do ar

    Como matria-prima para a sntese da amnia e do cido ntrico; para a manuten-o de atmosferas inertes (empacotamen-to de medicamentos, comercializao de ores, conservao de alimentos, indstria do ao); como agente criognico (conge-lamento de carnes, manuteno de mate-riais biolgicos como smen e sangue)

    Argnio (Ar) Destilao fracionada do ar Na produo de metais como zircnio e ti-tnio; soldagem de metais; em iluminao

    Nenio (Ne), criptnio (Kr) e xennio (Xe)

    Destilao fracionada do ar Em iluminao

    Tabela 2.

  • 17

    Qumica 3a srie Volume 1

    A internet um meio de comunicao mui-

    to eficiente, rpido e democrtico, ou seja, toda

    e qualquer pessoa pode publicar informaes,

    sem que haja um controle sobre elas. Uma

    pgina pode ser colocada e retirada da rede

    a qualquer momento e pode conter informa-

    es de qualidade ou no. importante que

    os alunos entendam isso e que reconheam a

    necessidade de tentar se precaver em relao

    a informaes equivocadas quando forem

    pesquisar algo. Pginas ligadas a institutos de

    pesquisa, universidades e outras instituies

    podem ser acessadas com mais confiana.

    Mesmo assim, sempre aconselhvel consultar

    diferentes fontes e comparar as informaes.

    As informaes pesquisadas sero apresen-

    tadas na aula seguinte, ou na mesma, caso se

    opte por uma pesquisa rpida em sala. Nesse

    caso, voc deve levar para a sala livros, revistas

    e artigos de jornal, bem como materiais de ou-

    tras fontes para que a consulta seja possvel.

    Sugesto para o aprofundamento do estudo relacionando foras interpartculas e ponto de ebulio

    Neste estudo, voc pode retomar e apro-

    fundar as relaes entre as foras interpart-

    culas e a estrutura da matria para explicar as

    temperaturas de ebulio (contedo abordado

    na 2a srie).

    Retome algumas informaes importan-

    tes: o gs argnio monoatmico; os gases

    nitrognio e oxignio so diatmicos; no

    estado gasoso, as partculas esto afastadas

    umas das outras e no apresentam intera-

    es; e no estado lquido h interaes entre

    as partculas.

    A aula poder ser encaminhada com per-

    guntas como: As molculas de nitrognio, de

    oxignio e de hidrognio so polares ou apo-

    lares? Pode haver foras eltricas agindo entre

    essas partculas (entenda-se por partculas as

    molculas e o tomo de argnio)? Vocs lem-

    bram qual a diferena entre o estado lquido e

    o gasoso? Ento, como explicar que o ar atmos-

    frico pode ser liquefeito? Vocs se lembram

    do que so foras de London? O que um di-

    polo instantneo? Como pode aparecer? Vocs

    acham que eletrosferas grandes, com muitos el-

    trons, so mais ou menos deformveis que ele-

    trosferas pequenas, com poucos eltrons? Qual

    o nmero atmico do nitrognio, do oxignio,

    do hidrognio e do argnio? O que precisa acon-

    tecer para que a mistura lquida de ar atmos-

    frico passe para o estado gasoso? Analisem a

    tabela apresentada no texto "Composio do ar

    atmosfrico parte 1" e tentem explicar as dife-

    renas nas temperaturas de ebulio usando as

    ideias que acabamos de discutir.

    Aps esse estudo, espera-se que os alunos

    expliquem que, no estado lquido, existem

    foras interpartculas fortes o suficiente para

    que as partculas se mantenham relativamen-

    te prximas. Eles devem entender que, como

    essas foras so de carter eltrico e como

    os gases componentes do ar atmosfrico so

    apolares, as eletrosferas das partculas (dos

  • 18

    tomos e das molculas) tm de ser deforma-

    das para que apaream momentos de dipolo

    instantneos e, consequentemente, para que

    apaream foras de atrao entre as partculas

    vizinhas, instantaneamente polarizadas. So

    as foras de London. Os alunos podero ex-

    plicar tambm que a temperatura de ebulio

    do hlio (Z = 2, TE = 269 oC) mais baixa

    que a do argnio (Z = 10, TE = 186 oC),

    pois seus tomos diferem em tamanho. O raio

    atmico do hlio bem menor; sua eletrosfe-

    ra , portanto, menos deformvel, menos po-

    larizvel e, consequentemente, as interaes

    eltricas instantneas entre seus tomos sero

    mais fracas. A mesma explicao se aplica s

    baixssimas temperaturas de ebulio apresen-

    tadas pelos gases hidrognio e nenio.

    Como explicar as diferentes temperaturas de ebulio dos gases que compem a atmosfera?

    Para responder a essa questo, os alunos

    podem realizar uma pesquisa, tendo como

    base as ideias de fora interpartculas estuda-

    das na 2a srie. Eles devem considerar que: os

    gases hlio, nenio, argnio, criptnio e xen-

    nio so monoatmicos; os gases nitrognio,

    oxignio e hidrognio so molculas diat-

    micas; no estado gasoso, as partculas prati-

    camente no interagem; no estado lquido, h

    interaes entre elas.

    Pesquise informaes sobre foras

    intermoleculares em livros didti-

    cos, em suas anotaes feitas na 2 srie e em

    outras fontes e responda s questes propostas.

    1. Explique: as molculas de nitrognio, oxi-gnio e de hidrognio so apolares.

    As molculas de nitrognio, oxignio e hidrognio so

    apolares porque so formadas por dois tomos que apre-

    sentam a mesma eletronegatividade; cada ncleo atrai os

    eltrons do tomo vizinho com a mesma fora eltrica.

    Dessa maneira, as nuvens eletrnicas esto igualmente

    distribudas ao redor dos dois ncleos e, consequente-

    mente, as molculas no apresentam momentos de dipolo

    permanente.

    2. Como explicar que, a uma mesma presso, o gs oxignio se liquefaa a uma tempera-

    tura mais alta que o gs hidrognio?

    As molculas do gs oxignio apresentam uma nuvem ele-

    trnica maior que a das molculas do gs hidrognio, sendo,

    portanto, mais deformveis. Quanto mais deformvel for a

    nuvem eletrnica, maior ser sua polarizabilidade. Por isso,

    os momentos de dipolo induzido que nelas aparecem so

    mais intensos, e as atraes intermoleculares, maiores, sen-

    do, portanto, necessria maior energia para separar essas

    molculas umas das outras. Por esses motivos, a temperatura

    de ebulio do oxignio maior que a temperatura de ebu-

    lio do hidrognio.

    Espera-se que, nessa pesquisa, os alunos apliquem conheci-

    mentos estudados na 2 srie sobre interaes interpartculas

    para entenderem as diferentes temperaturas de ebulio de

    diferentes substncias. Com isso, espera-se que valorizem a

    importncia de saber explicar as diferentes propriedades no

    nvel microscpico, para que se possa entender processos de

    obteno de materiais e, at mesmo, eventualmente, para

    sugerir outros processos.

  • 19

    Qumica 3a srie Volume 1

    Grade de avaliao da Situao de Aprendizagem 1

    Aps a realizao desta Situao de Apren-

    dizagem, espera-se que os alunos reconheam

    que o ar atmosfrico uma mistura de gases.

    No se deve esperar que todos entendam como

    os gases so separados nas torres de destilao,

    basta que saibam que a separao industrial dos

    gases a partir do ar atmosfrico feita com base

    nas diferenas entre suas temperaturas de ebuli-

    o e que, quando se destilam misturas de com-

    ponentes com temperaturas de ebulio muito

    prximas, no se consegue uma boa separao,

    e sim uma mistura de gases mais rica no com-

    ponente mais voltil. interessante entender

    que destilaes sucessivas permitem a obteno

    de fraes cada vez mais ricas no componente

    mais voltil e que os gases assim obtidos so

    mais puros ou menos puros, dependendo do

    dimensionamento das torres de destilao.

    Muitos alunos tm apresentado dificulda-

    des para entender que, quanto mais negativa

    for uma temperatura de ebulio de um l-

    quido, menos calor ser necessrio para que

    passe do estado lquido para o gasoso. Uma

    sugesto para facilitar esse entendimento

    seria a construo de um diagrama que in-

    ter-relacione as temperaturas de ebulio de

    diferentes substncias. O 0 C deve aparecer.

    desejvel tambm que eles consigam desen-

    volver ou exercitar a habilidade de organizar e

    relacionar dados e informaes apresentados

    em tabelas. A construo de uma tabela de

    converso entre C e K pode facilitar o enten-

    dimento, pois, na escala Kelvin, as temperatu-

    ras so sempre positivas. Por outro lado, o uso

    dessa escala nem sempre permite aos alunos

    compreender, no nvel sensitivo, quo frio

    0 K (273 C).

    Com relao s questes propostas, como

    no foi estudada a presso de vapor, no se

    espera a definio de temperatura de ebulio

    como aquela em que a presso parcial do gs

    se iguala presso externa. A questo referente

    explicao dos usos dos termos temperatura

    de ebulio e temperatura de liquefao parece

    fcil demais, mas importante que se perce-

    ba o que est ocorrendo no sistema. Espera-se

    tambm que os conceitos de temperaturas de

    fuso e de ebulio (a presses definidas) pos-

    sam ser aplicados para predizer o estado fsico

    em que uma substncia se encontra.

    A respeito da pesquisa sobre usos e obten-

    o de alguns gases, espera-se que a busca, a

    seleo e a sntese de informaes permitam

    que os alunos conheam algumas das aplica-

    es dos gases obtidos a partir da destilao

    fracionada do ar em processos industriais e

    na vida diria atual. interessante que todas

    as informaes colhidas pelos alunos sejam

    discutidas e que eles anotem em seus cader-

    nos detalhes que acharem interessantes. Esta

    atividade tem por objetivo permitir a eles que

    aprendam a buscar informaes e a reconhe-

    cer a importncia da atmosfera como fonte de

    materiais teis aos seres humanos.

  • 20

    Esta Situao de Aprendizagem tem o ob-

    jetivo de mostrar a importncia do controle de

    condies externas presso e temperatura em

    uma transformao qumica para que ela seja

    economicamente vivel. Abordaremos ento a

    sntese da amnia dentro de uma perspectiva

    histrica e econmica. A ideia de que existem

    transformaes qumicas reversveis, nas quais

    os reagentes se transformam at um determi-

    nado limite, ser introduzida ao ser apresenta-

    dos fatores que podem mudar esse limite, essa

    extenso de reao. Posteriormente, estudare-

    mos o estado de equilbrio qumico enquanto

    processo dinmico, assim como maneiras de se

    fazer previses a respeito do rendimento de rea-

    es que entram em equilbrio qumico.

    SITUAO DE APRENDIZAGEM 2 ESTUDO DA SNTESE E DA PRODUO INDUSTRIAL DA

    AMNIA A PARTIR DOS GASES NITROGNIO E HIDROGNIO

    A contextualizao do estudo ser feita por

    meio da leitura orientada do texto a seguir. A

    leitura conjunta em voz alta permite melhor

    acompanhamento do estudo; voc pode orien-

    tar o entendimento das palavras desconhecidas

    para garantir que todos tenham lido at o mes-

    mo ponto e que comecem a pensar nas respos-

    tas ao mesmo tempo. Dessa maneira, o tempo

    de aula pode ser melhor aproveitado e as dis-

    cusses das respostas mais proveitosas. Se voc

    preferir, ministre uma aula expositiva dialoga-

    da envolvendo as principais ideias do texto.

    Contedos e temas: sntese da amnia pelo processo Haber; influncia da presso e da temperatura no controle da rapidez e do rendimento de transformaes qumicas; transformaes qumicas reversveis que no se completam e entram em equilbrio dinmico.

    Competncias e habilidades: compreender como os contextos histrico, econmico e cultural se inter--relacionam e influenciam o desenvolvimento de um novo processo qumico, no caso, o da sntese da amnia; analisar dados para compreender que existem transformaes qumicas que no se comple-tam segundo as previses estequiomtricas; entender o que acontece em sistemas e processos qumicos a partir de dados apresentados em tabelas e em descries de procedimentos experimentais (experimen-tos tericos); valorizar o controle de variveis em um processo de investigao.

    Sugesto de estratgias de ensino: discusses desencadeadas por perguntas e por anlises de informa-es; leituras de textos seguidas de discusses.

    Sugesto de recursos: material escrito, textos acompanhados de perguntas abertas.

    Sugesto de avaliao: respostas dadas s questes propostas; realizao das tarefas.

  • 21

    Qumica 3a srie Volume 1

    Sugesto de como encaminhar a leitura do texto Produo industrial da amnia pelo processo Haber-Bosch

    O texto proposto longo e as informaes

    devero deixar claro aos alunos que existem

    transformaes que alcanam o que os qu-

    micos chamam de equilbrio qumico, no

    qual produtos e reagentes coexistem, e que as

    quantidades de reagentes e produtos podem

    ser modificadas dependendo das condies

    de presso e de temperatura a que o sistema

    submetido. Espera-se que eles compreendam

    que esse controle fundamental para que pro-

    cessos qumicos industriais sejam economica-

    mente viveis. No um texto de fcil leitura,

    pois apresenta um raciocnio sequenciado,

    o que exige um trabalho intelectual atento. O

    entendimento das ideias depende tambm da

    compreenso de dados tabelados. Independen-

    temente da escolha da estratgia leitura diri-

    gida do texto ou aula expositivo-dialogada ,

    desejvel que seja salientado:

    f Quando Haber comeou o seu trabalho, j se sabia que a sntese da amnia apa-

    rentemente no se completava, pois, co-

    locando-se quantidades estequiomtricas

    de hidrognio e de nitrognio, chegava um

    momento em que a quantidade de amnia

    formada atingia um limite mximo que no

    mais se modificava com o passar do tempo.

    N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)

    Neste momento, auxilie os alunos a anali-

    sar a tabela que apresenta a previso terica

    da quantidade de produto, calculada pela es-

    tequiometria da reao, e a quantidade obtida

    experimentalmente a uma determinada condi-

    o de presso e temperatura. Note que ser

    proposto a eles que completem a quantidade

    de amnia formada teoricamente.

    O primeiro passo seria solicitar que usem

    seus conhecimentos sobre estequiometria de

    reao para fazer esse clculo. Esse procedi-

    mento exigir um envolvimento mental ativo

    dos alunos e permitir tirar alguma dvida que

    venha a surgir entre eles. As quantidades de ma-

    tria utilizadas (nmero de mols) foram propo-

    sitalmente fceis para que no haja dificuldade

    matemtica em perceber que a quantidade de

    amnia obtida foi menor que a prevista este-

    quiometricamente. Caso sejam apresentadas

    dificuldades para fazer a previso, retome o ba-

    lanceamento de equaes qumicas mediante

    exerccios simples e pea previses em termos

    de molculas e de mols de molculas.

    Aps a previso terica da quantidade de

    amnia, promova uma discusso na classe so-

    bre a questo 2 proposta no texto, referente ao

    que aconteceu na realidade. Aps os alunos

    terem concludo que suas previses estequio-

    mtricas no se realizaram, apresente a eles a

    ideia de que existem reaes que, em determi-

    nadas condies de presso e de temperatura,

    atingem um limite mximo de formao de

    produtos e, depois disso, no importa quanto

    tempo se passe, as quantidades de produtos e

    de reagentes permanecero constantes. Na lin-

    guagem qumica, dito que essas reaes en-

    traram em equilbrio qumico.

  • 22

    Uma das dificuldades de aprendizagem re-

    ferente ao equilbrio qumico diz respeito ao

    fato de se acreditar que, em sistemas que atin-

    giram o equilbrio qumico, as quantidades de

    reagentes so iguais s quantidades dos produ-

    tos formados. Essa ideia equivocada pode es-

    tar associada ideia de igualdade atribuda

    palavra equilbrio. Tambm se faz a associao

    de ideia de equilbrio a uma balana de pratos

    que, quando em equilbrio, apresenta as mes-

    mas massas nos dois pratos. Expresses como

    equilbrio e equilbrio qumico so exemplos

    de palavras-chave, isto , palavras que abrigam

    conceitos e definies ou que sistematizam as-

    suntos. Em situaes de conflito de significa-

    dos, alguns professores sugerem o confronto

    direto. Sugerimos que voc escute as ideias

    dos alunos associadas palavra equilbrio e s

    depois esclarea que, em Qumica, um sistema

    atinge um equilbrio qumico quando as quan-

    tidades de reagentes e de produtos, naquelas

    condies de presso e de temperatura, no

    mais se alteram. Isso, entretanto, no significa

    que as quantidades de reagentes e de produtos

    tenham de ser iguais.

    Neste momento, a ideia de transformaes

    qumicas que no se completam de acordo com

    as previses estequiomtricas aplicada a ou-

    tras transformaes qumicas. Isso se d por

    intermdio da questo 1 da Lio de casa, que

    analisa se a reao de queima de lcool etlico

    um equilbrio qumico, e a seguir pela questo

    2, que pede que se reconhea qual entre as duas

    transformaes qumicas a queima do carvo

    ou a formao do tetrxido de dinitrognio

    atingiu um estado de equilbrio qumico.

    Caso voc ache necessrio, outras pergun-

    tas e exerccios podem ser propostos para que

    se reflita sobre o que foi estudado at aqui.

    Por exemplo:

    f Foram colocadas para reagir uma substn-cia A e uma substncia B em um sistema fechado. Aps certo tempo, no se pode

    mais detectar a presena nem de A nem de B, mas possvel detectar a presena de uma nova substncia X. Considerando que, durante todo o processo, a massa do

    sistema se manteve constante, voc diria

    que essa transformao atingiu um equil-

    brio qumico? Justifique.

    f Em um recipiente vazio, de capacidade de 1 litro, introduzido 0,8 mol de um com-

    posto A e 0,8 mol de um composto B. Es-ses compostos reagem lentamente segundo

    a equao:

    1A + 1B 1C + 1D

    Aps certo tempo, verifica-se que se for-

    mou 0,6 mol de C e 0,6 mol de D, e que essas

    quantidades se mantm constantes.

    a) Voc diria que essa reao atingiu um equi-lbrio qumico? Justifique.

    b) Quantos mols de A e de B coexistem com C e D?

    Ao prosseguir com a discusso, voc pode

    retomar as concluses anteriores, em que no

    estado de equilbrio qumico coexistem rea-

    gentes e produtos em quantidades constantes,

  • 23

    Qumica 3a srie Volume 1

    mas no necessariamente iguais, e pode-se

    continuar sua aula ou a leitura do texto, desta-

    cando os passos de Haber para tentar encon-

    trar uma maneira de obter maior quantidade

    de amnia a partir da reao entre os gases

    hidrognio e nitrognio.

    Os pontos a ser considerados seriam:

    f Fritz Haber, cientista alemo (1868-1934), verificou que, se a sntese fosse realizada

    a temperaturas baixas (aproximadamen-

    te 100 oC), essa transformao seria muito

    lenta, e formaria uma maior quantidade de

    amnia, ou seja, o rendimento da reao

    seria alto. Porm, a transformao qumica

    levaria tanto tempo que se tornaria invivel

    em termos de produo industrial.

    f Se a sntese fosse realizada a temperaturas al-tas (aproximadamente 1000 oC), essa trans-

    formao seria mais rpida, entretanto seria

    obtida muito pouca amnia gasosa, ou seja,

    o rendimento da reao seria muito baixo.

    Nessas condies, a transformao tambm

    no seria vivel em escala industrial.

    f Haber testou em laboratrio diferentes combinaes de presses e temperaturas, a

    fim de conseguir um rendimento que per-

    mitisse uma produo industrial de am-

    nia economicamente vivel, ou seja, um

    processo no to lento, mas ao mesmo

    tempo com um rendimento alto.

    Voc pode ento analisar com os alunos

    a tabela que relaciona as porcentagens de

    amnia formada a partir de reaes entre

    quantidades estequiomtricas de nitrognio

    e hidrognio usando as perguntas sugeridas

    na sequncia do texto (de 1 a 6). Caso ache

    necessrio, elabore mais perguntas para que

    fique claro que h uma interdependncia

    entre as condies de presso e de tempe-

    ratura e o tempo e a quantidade de amnia

    formada. Exemplos de questes: Quais se-

    riam as condies de presso e de temperatu-

    ra em que se formaria a menor porcentagem

    de amnia? Caso o compressor disponvel s

    conseguisse presses de, no mximo, 300 atm,

    qual temperatura seria a mais adequada para

    que se obtivesse a maior quantidade possvel

    de amnia?

    Portanto, deve ficar claro que a escolha da

    temperatura e da presso influi diretamente

    na quantidade de amnia que ser obtida.

    A ideia de reversibilidade ser introduzida

    analisando-se a maneira pela qual alteraes

    nas condies de presso e de temperatura

    em um mesmo sistema puderam mudar as

    quantidades de amnia obtidas. Avalie o en-

    tendimento dos alunos solicitando a eles que

    localizem no texto como se pode concluir que:

    f reagentes e produtos coexistem em trans-formaes que no se completam;

    f as condies de presso e de tempera-tura influem na quantidade de amnia

    formada;

    f a reao de sntese da amnia reversvel.

  • 24

    O processo industrial de obteno da am-

    nia ainda teve de ser aperfeioado, e as seguin-

    tes informaes devem ser fornecidas:

    f Na poca, j se tinha conhecimento de substncias que catalisavam transforma-

    es qumicas, por isso Haber procurou um

    catalisador que pudesse acelerar a sntese

    da amnia sem ter de aumentar a tempe-

    ratura. Ele fez reagir os gases hidrognio e

    nitrognio sobre as superfcies de diferen-

    tes metais (catalisadores).

    f Na poca, mesmo sabendo que o aumento da presso ocasionaria aumento no ren-

    dimento da amnia formada, no se dis-

    punha de compressores que permitissem

    presses superiores a 300 atm.

    f A descoberta do processo Haber deu-se em 1909, s vsperas da Primeira Guerra

    Mundial. O desenrolar da Histria poderia

    ter sido muito diferente se os alemes no

    dispusessem de amnia para produzir fer-

    tilizantes agrcolas e explosivos.

    f A obteno da amnia em escala indus-trial mostra a importncia de serem com-

    preendidas e controladas as condies de

    presso e de temperatura de uma transfor-

    mao qumica para que esta seja econo-

    micamente vivel.

    Mesmo sem a pretenso de realizar um es-

    tudo de caso, optamos por uma introduo ao

    equilbrio qumico por meio da sntese da am-

    nia inserida no contexto histrico e econmico

    (Alemanha, incio do sculo XX, pouco antes

    de ser deflagrada a Primeira Guerra Mundial).

    A inteno mostrar a busca do ser humano

    por matrias-primas nos recursos naturais de

    que dispe e sua tentativa de transform-las de

    acordo com suas necessidades. No caso, foram

    usados recursos do ar atmosfrico.

    Produo industrial da amnia pelo processo Haber-Bosch parte 1

    Desde o fim do sculo XVIII j se sabia que

    a amnia formada a partir dos gases hidrog-

    nio e nitrognio na proporo em quantidade de

    matria de 3:1 e que podia ser obtida pela reao

    representada por:

    N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

    Na Europa do incio do sculo XX, a amnia

    era matria-prima na fabricao de compostos

    nitrogenados, indispensveis para que a produo

    agrcola fosse suficiente para alimentar a todos.

    Compostos nitrogenados tambm eram usados

    na indstria blica. Esses compostos eram obtidos

    a partir do salitre (NaNO3) proveniente de minas

    do Chile. Em 1900, o Chile exportou 1 milho de

    toneladas de salitre, das quais 1/3 foi destinado

    Alemanha. Alguns anos mais tarde, a exportao

    anual do Chile ultrapassou 2,5 milhes de tonela-

    das. Alm do problema de o Chile poder fixar os

    preos do salitre, havia o perigo da exausto de

    suas minas e, em decorrncia, haveria o declnio

    das exportaes e a fome. Vrios pases europeus

  • 25

    Qumica 3a srie Volume 1

    buscaram desenvolver mtodos para sintetizar

    compostos nitrogenados a partir do gs nitrog-

    nio, abundante na atmosfera. Alguns processos

    foram desenvolvidos, porm consumiam muita

    energia e produziam pouca amnia. A Alema-

    nha tambm estava empenhada em desenvolver

    um mtodo de obteno de amnia que usasse

    como matria-prima o nitrognio do ar. Isso lhe

    garantiria autonomia na obteno dessa subs-

    tncia, autonomia crucial se levarmos em conta

    o momento histrico pelo qual passava a Euro-

    pa: vsperas da Primeira Guerra Mundial.

    J se sabia que a sntese da amnia aparente-

    mente no se completava, pois, empregando-se

    quantidades estequiomtricas de hidrognio e de

    nitrognio, havia um momento em que a quanti-

    dade de amnia formada parecia ter alcanado

    o limite mximo. Alcanado esse limite, se a tem-

    peratura e a presso permanecessem constantes

    e o sistema fosse mantido fechado, com a am-

    nia formada existiria certa quantidade dos ga-

    ses nitrognio e hidrognio, que, aparentemente,

    no reagiriam. Ao limite mximo de produto

    formado se d o nome de extenso da transfor-

    mao qumica.

    Elaborado por Hebe Ribeiro da Cruz

    Peixoto e Maria Fernanda Penteado Lamas

    especialmente para o So Paulo faz escola.

    Questes para anlise do texto

    1. Na tabela a seguir apresentado um exem-plo de quantidades envolvidas na sntese da

    amnia, a partir dos gases hidrognio e ni-

    trognio, realizada em sistema fechado, em

    uma determinada condio de presso e de

    temperatura. Com base na equao balan-

    ceada que representa a sntese da amnia,

    N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g), faa uma

    previso terica de quanta amnia deveria

    ser formada e complete a tabela.

    Estado inicial Estado final

    Reagentes (mol)Produto formado

    (mol)Reagentes no

    transformados (mol)

    N2 H2 NH3 N2 H2

    Previso terica (estequiomtrica)

    100,00 300,00 200,00 0,00 0,00

    Realidade 100,00 300,00 135,00 32,50 97,50

    Tabela 3. Previses tericas de produtos (de acordo com a estequiometria da transformao qumica) e as quantidades obtidas experimentalmente a uma determinada condio de presso e de temperatura.Adaptada de: GEPEQ Grupo de Pesquisa em Educao Qumica (org.). Interaes e transformaes II: Qumica Ensino Mdio: reelaborando conceitos sobre transformaes qumicas: cintica e equilbrio. Livro do aluno. 3. ed. So Paulo: Edusp, 2005, p. 25.

  • 26

    2. Observe o que ocorreu na realidade: for-

    mou-se toda a amnia que se esperava de

    acordo com a previso terica?

    No. Formou-se uma quantidade menor do que a estequio-

    metricamente prevista.

    3. Que gases esto presentes no sistema de-pois da transformao qumica ter atin-

    gido seu limite mximo, sua extenso

    mxima?

    Esto presentes os gases hidrognio, nitrognio e amnia.

    Saiba mais!

    Em um sistema fechado, a uma determi-

    nada condio de presso e de temperatura,

    e colocando-se quantidades estequiomtricas

    de reagentes, podem ocorrer transforma-

    es qumicas, como a de sntese da amnia

    a partir dos gases nitrognio e hidrognio,

    que atingem uma extenso mxima em que

    coexistem reagentes e produtos. Essas quan-

    tidades no se modificam ao serem mantidas

    as condies de presso e de temperatura e

    se o sistema for mantido fechado. O rendi-

    mento obtido nesses tipos de transformao

    qumica menor que o previsto teoricamen-

    te, ou seja, menor que o calculado pela es-

    tequiometria da reao. Diz-se que essas so

    transformaes que entraram em um estado

    de equilbrio qumico.

    1. Na reao de combusto de certa quantidade de lcool etlico (eta-

    nol), a previso terica da quanti-

    dade de produtos formados confirmada

    na prtica. Pode-se dizer que essa uma

    transformao qumica que entra em equi-

    lbrio qumico? Explique.

    No, pois para que uma transformao qumica seja conside-

    rada em equilbrio qumico, no deve haver a formao da

    quantidade de produtos prevista pela estequiometria. Aps

    certo tempo, a transformao parece parar de ocorrer. Nesse

    momento, reagentes se transformam em produtos e produtos

    se transformam em reagentes com a mesma rapidez. No caso

    da combusto do lcool etlico, conforme descrito no enuncia-

    do, a previso terica da quantidade de produtos formada se

    conrma na prtica.

    2. Na tabela a seguir so apresentados da-dos hipotticos (obtidos em determinadas

    presso e temperatura) relativos s quanti-

    dades de produtos formados nas transfor-

    maes qumicas da combusto completa

    do carvo e da formao do tetrxido de

    dinitrognio. As medidas foram colhidas

    at que as quantidades de produtos e de

    reagentes no se alterassem mais.

    Combusto completa do carvo:

    1 C(s) + 1 O2(g) 1 CO2(g)

    Formao do tetrxido de dinitrognio:

    2 NO2(g) N2O4(g)

  • 27

    Qumica 3a srie Volume 1

    Previso terica (estequiomtrica) Realidade

    Transformao Reagentes (mol)Produtos

    (mol)Reagentes no transformados

    Reagentes (mol)Produtos

    (mol)

    Reagentes no transformados

    (mol)Combusto completa do

    carvo10 C (s) 10 O2 (g) 10 CO2(g) 0 10 C (g) 10 O2(g) 10 CO2 (g) 0

    Formao do tetrxido de dinitrognio

    10 NO2(g) 5 N2O4(g) 0 10 NO2(g) 3N2O4 (g) 4 NO2 (g)

    Tabela 4.

    Analise os dados da tabela e responda: al-

    guma dessas reaes atingiu o equilbrio qu-

    mico? Justifique.

    A reao de formao do tetrxido de dinitrognio

    (N2O4) entra em equilbrio qumico, pois o rendimento

    obtido menor que o esperado pela previso terica.

    No sistema, portanto, coexistem os gases dixido de ni-

    trognio NO2(g) e tetrxido de dinitrognio (N2O4), que

    se interconvertem com a mesma rapidez. Nesta tarefa,

    espera-se que os alunos estendam o entendimento do

    estado de equilbrio qumico a outros sistemas alm do

    da sntese da amnia.

    Produo industrial da amnia pelo processo Haber-Bosch parte 2

    Fritz Haber (1868-1934), um qumico nascido

    na Polnia, estudou e trabalhou na Alemanha,

    onde buscou desenvolver um processo de obteno

    do gs amnia a partir dos gases nitrognio e hidro-

    gnio. O processo deveria permitir a produo de

    amnia em escala industrial e ser economicamente

    vivel. Haber fez reagir hidrognio e nitrognio ga-

    sosos na proporo em quantidade de matria de

    3:1 a diferentes temperaturas. Constatou que:

    f Em temperaturas mais baixas, a transfor-mao ocorria mais lentamente, mas se ob-

    tinham maiores quantidades de amnia.

    Por exemplo, a aproximadamente 100 C

    (temperatura considerada baixa para o pro-

    cesso da sntese da amnia), obtinha-se uma

    quantidade aprecivel de amnia, mas o tem-

    po gasto era muito grande. Dessa maneira,

    a obteno da amnia em escala industrial

    tornava-se economicamente invivel.

    f Em temperaturas mais altas, a transformao ocorria mais rapidamente, mas se obtinha me-

    Figura 2. Fritz Haber.

    T

    ropi

    cal P

    ress

    Age

    ncy/

    Hul

    ton

    Arc

    hive

    /Get

    ty I

    mag

    es

  • 28

    Porcentagens de amnia formada a partir de misturas 3:1 de H2:N2

    Presso (atm)

    200 300 400 500

    400 38,7 47,8 58,9 60,6

    450 27,4 35,9 42,9 48,8

    500 18,9 26,0 32,2 37,8

    550 12,8 18,4 23,5 28,3

    600 8,80 13,0 17,0 20,8

    Temperatura (C)

    Tabela 5.

    GEPEQ Grupo de Pesquisa em Educao Qumica (org.). Interaes e transformaes II: Qumica Ensino Mdio: reela-borando conceitos sobre transformaes qumicas: cintica e equilbrio. Livro do aluno. 3. ed. So Paulo: Edusp, 2005. p. 26.

    Elaborado por Hebe Ribeiro da Cruz Peixoto e Maria Fernanda Penteado Lamas especialmente para o So Paulo faz escola.

    nos amnia. Por exemplo, a temperaturas pr-

    ximas a 1 000 C, obtinha-se pouca amnia,

    apesar de a transformao se dar mais rapida-

    mente que a 100 C. O processo tambm era

    economicamente invivel, pois se gastava muito

    combustvel para aquecer os reatores e, apesar

    de a transformao se dar mais rapidamente, a

    quantidade de amnia obtida no compensava

    o gasto envolvido em sua produo.

    Haber resolveu testar essa reao a presses

    mais elevadas. Testou ento diferentes combina-

    es de presso e de temperatura buscando con-

    dies em que a sntese da amnia fosse econo-

    micamente vivel, ou seja, que ocorresse em um

    tempo razoavelmente curto e que a extenso fos-

    se grande o suficiente para compensar os custos

    envolvidos.

    Para tanto, fixou diversas temperaturas e va-

    riou, para cada uma delas, as presses. Depois,

    fixou diversas presses e variou as temperatu-

    ras. Considerou as snteses terminadas quando

    a quantidade de amnia formada se manteve

    constante. Ento obteve dados semelhantes aos

    apresentados na tabela a seguir.

  • 29

    Qumica 3a srie Volume 1

    Questes para anlise do texto

    1. Observe a tabela e avalie qual seria a me-lhor condio de presso e de temperatura

    para se obter a maior quantidade possvel

    de amnia.

    De acordo com a tabela, a 400 C e 500 atm, obtm-se a

    maior quantidade possvel de amnia.

    2. O que voc faria para obter mais amnia (um rendimento melhor) a 400 C? E a

    500 C?

    Aumentaria a presso.

    3. Complete: Ao se aumentar a presso, ___________o rendimento da reao de

    sntese da amnia.

    4. Qual o rendimento da sntese da amnia a 400 C e 500 atm de presso? E qual o

    rendimento da sntese da amnia a 600 C

    e 500 atm de presso?

    A 500 atm e 400 C, o rendimento da sntese da amnia de

    60,6%. mesma presso e a 600 C, o rendimento de 20,8%.

    5. Complete: Ao se aumentar a temperatura, __________o rendimento da reao de sn-

    tese da amnia.

    6. Explique por que importante escolher e controlar as condies de presso e de tem-

    peratura na produo da amnia pelo pro-

    cesso Haber.

    Como a amnia sintetizada a altas temperaturas e presses,

    os custos operacionais so muito altos, pois h grande gasto de

    energia. Quanto maior for o tempo despendido na produo,

    maiores sero os gastos. O aumento da temperatura diminui

    aumenta-se

    diminui-se

    o tempo para que a reao de sntese da amnia entre em

    equilbrio, porm a extenso alcanada diminui. O aumento

    da presso aumenta o rendimento, porm os custos opera-

    cionais para que ocorra a compresso dos gases so altos.

    importante que se saiba escolher e controlar as condies de

    presso e de temperatura na produo da amnia para que os

    gastos de sua produo sejam os menores possveis, levando-

    -se em conta as condies tecnolgicas disponveis.

    Vamos analisar mais uma situao:

    considere que um analista qumico

    resolveu repetir o experimento de

    Haber. Para tanto, colocou em um frasco gs

    hidrognio e gs nitrognio na proporo em

    quantidade de matria de 3:1 (proporo es-

    tequiomtrica) a 400 C e a uma presso de

    200 atm. A amnia comeou a se formar. Es-

    perou at que a quantidade de amnia no se

    alterasse mais com o passar do tempo, ou seja,

    at que o equilbrio qumico fosse alcanado.

    1. Que gases esto contidos nesse frasco? Jus-tifique sua resposta.

    No frasco deve haver os gases nitrognio, hidrognio e am-

    nia, pois, como a sntese da amnia uma transformao

    que atinge um estado de equilbrio qumico, ela se processa

    at certa extenso; portanto, ainda restam reagentes, ou seja,

    coexistem reagentes e produtos.

    Depois, o qumico submeteu o mesmo

    frasco temperatura de 450 C, mantendo

    a presso de 200 atm. Esperou at que a

    quantidade de amnia formada no se al-

    terasse mais com o passar do tempo.

    2. Que gases esto contidos nesse frasco? Ex-plique sua resposta.

  • 30

    No frasco continuam presentes os gases nitrognio, hidrog-

    nio e amnia, pois se trata de uma transformao que alcan-

    a um estado de equilbrio qumico. Mudando as condies

    de temperatura e de presso, a extenso muda e as propor-

    es entre as quantidades dos gases se modicam, porm os

    trs gases continuam a coexistir.

    3. O que deve ter acontecido com a quantida-de de amnia nessa temperatura aps o sis-

    tema ter alcanado o novo equilbrio qu-

    mico: aumentou ou diminuiu? Explique.

    Como a temperatura foi aumentada e a presso foi mantida

    constante, a quantidade de amnia no equilbrio deve ter

    diminudo.

    Depois dessa etapa, o qumico submeteu o

    mesmo frasco a uma diminuio de tempera-

    tura, at que o sistema alcanasse novamente

    400 C, mantendo a presso de 200 atm. Es-

    perou at que a quantidade de gs amnia

    no se alterasse mais com o passar do tempo.

    4. O que voc supe que tenha acontecido com a quantidade de gs amnia que coe-

    xiste com os gases nitrognio e hidrognio

    em equilbrio qumico?

    A quantidade de gs amnia deve ter aumentado, pois a

    temperatura diminuiu. A quantidade de gs amnia deve ser

    igual quantidade obtida inicialmente pelo qumico (antes

    de ter aumentado a temperatura para 450 C).

    Professor, lembre-se que a equao que re-

    presenta a sntese da amnia dada por:

    N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

    Como, ao aumentar a temperatura, a quan-

    tidade de amnia diminuiu e como o sistema

    fechado, uma possvel explicao admitir que a

    amnia formada se decomps nos reagentes. En-

    to, podemos dizer que a reao reversvel, ou

    seja, que se pode processar no sentido da forma-

    o da amnia e da decomposio da amnia.

    Agora podemos ampliar a ideia de equil-

    brio qumico, pois percebemos que, se muda-

    rem as condies de presso ou de temperatura

    em que uma transformao qumica se pro-

    cessa, pode-se mudar a quantidade-limite de

    produtos formados, ou seja, mudando a tem-

    peratura ou a presso, a extenso da trans-

    formao qumica muda. Continuam, porm,

    coexistindo reagentes e produtos no meio rea-

    cional, s que em quantidades diferentes.

    Produo industrial da amnia pelo processo Haber-Bosch parte 3

    Em busca de rapidez no processo de pro-

    duo da amnia, Haber resolveu testar as re-

    aes em presena de diferentes catalisadores.

    Naquela poca j se sabia que catalisadores so

    substncias que reduzem o tempo de transfor-

    maes qumicas. Fez ento reagir hidrognio

    e nitrognio sobre as superfcies de diferentes

    metais e procurou verificar como eles afetavam

    a rapidez de obteno da amnia. Observou

    que, quando a transformao ocorria sobre fer-

    ro aquecido, o equilbrio qumico era atingido

    mais rapidamente.

    Ateno: catalisadores aumentam a rapidez de transformaes qumicas, porm no influem na extenso delas, ou seja, a quantidade mxima de produtos obtidos no ser alterada. No caso

  • 31

    Qumica 3a srie Volume 1

    de transformaes que entram em equilbrio qu-mico, este ser alcanado mais rapidamente.

    Mais tarde, Carl Bosch aperfeioou o pro-cesso Haber, que ficou conhecido como processo Haber-Bosch, e at hoje esse mtodo utilizado na obteno industrial da amnia.

    Enfim, a obteno industrial da amnia mostra a importncia de serem compreendi-dos os fatores que podem influenciar a rapi-dez e a extenso com que uma transformao qumica acontece. A elevao da temperatura aumenta a rapidez com que a reao atinge seu limite (o equilbrio qumico), e depois dis-so a quantidade de amnia no se altera mais. De outro modo, o aumento da temperatura diminui a extenso da transformao, isto , uma menor quantidade de amnia formada. Em razo desses aspectos, necessrio esco-lher valores de presso e de temperatura que permitam que se obtenha a maior quantidade de amnia possvel, no menor tempo poss-

    vel, para que o processo seja economicamente vivel.

    Como se faz isso? necessrio saber anali-sar e calcular os diferentes rendimentos, nas va-riadas condies de temperatura e de presso, e verificar, para cada uma delas, quanta energia foi utilizada e qual foi o custo envolvido.

    Em 2004, Paul Chirik coordenou uma equipe de pesquisadores da Universidade Cornell (Es-tados Unidos) que conseguiu quebrar as liga-es entre os tomos de uma molcula de gs ni-trognio, adicionando gs hidrognio e obtendo gs amonaco, sem a necessidade de altas tempe-raturas e de altas presses. Para tanto, utilizou uma soluo contendo zircnio. A converso foi feita a 85 C. O foco da busca agora encontrar um catalisador para essa reao de modo que ela possa ser utilizada em escala industrial.

    Elaborado por Hebe Ribeiro da Cruz Peixoto e Maria Fernanda Penteado

    Lamas especialmente para o So Paulo faz escola.

    Depois da leitura do texto, solicite aos alu-

    nos que registrem o que aprenderam sobre a

    sntese da amnia pelo processo Haber-Bosch.

    Para concluir o estudo, ser ressaltada a im-

    portncia do nitrognio nos sistemas natural e

    produtivo, solicitando aos alunos a pesquisa

    a seguir. O principal objetivo que eles perce-

    bam que a sntese de protenas, indispensveis

    vida, no seria possvel sem o nitrognio.

    Cada grupo pode buscar informa-

    es sobre um ou mais itens sugeri-

    dos a seguir, ou mesmo sobre

    outros itens de acordo com a orientao do

    professor. Sugerimos que pesquisem em livros

    didticos de Biologia, jornais, revistas e na in-

    ternet. Tentem organizar a pesquisa levando

    em considerao as orientaes a seguir. Pre-

    parem um resumo para apresentar aos colegas.

    f Busquem exemplos que mostrem a impor-tncia do ciclo do nitrognio.

    f Relacionem o ciclo do nitrognio com a sn-tese de protenas, assim como a importncia

    dessa sntese para a vida como a conhecemos.

    f Procurem informaes sobre o uso de ferti-lizantes base de nitrognio.

    f Pesquisem informaes sobre as reaes para a obteno de algumas substncias ni-

    trogenadas, fabricadas a partir da amnia e

  • 32

    presentes em fertilizantes, tais como a ureia

    ((NH2)2CO), o nitrato de amnio (NH4NO3),

    o sulfato de amnio ((NH4)2SO4), o cloreto

    de amnio (NH4Cl), o fosfato de clcio e

    amnio (CaNH4PO4) e o nitrato de am-

    nio e clcio (CaNH4(NO3)3).

    f Busquem informaes sobre reaes que descrevem o uso da amnia como matria-

    -prima na produo de cido ntrico e da

    barrilha (carbonato de sdio).

    f Pesquisem sobre os usos do cido ntrico como matria-prima.

    A discusso do ciclo do nitrognio apon-

    tar para a importncia de compostos amo-

    niacais na fertilizao dos solos. Para que a

    importncia dos fertilizantes seja reforada,

    selecione alguma notcia de jornal que dis-

    cuta a alta dos preos dos alimentos e que a

    relacione com a substituio de lavouras des-

    tinadas produo de alimentos por lavouras

    destinadas produo de biocombustveis.

    Para subsidiar melhor a discusso, informe

    que, segundo dados divulgados pela Federao

    das Indstrias do Estado de So Paulo (Fiesp)

    em um documento que aponta as perspecti-

    vas de custos de produo agropecuria para

    2008 (Disponvel em: . Aces-

    so em: 26 ago. 2013), a demanda por alimentos

    no mundo est aumentando, e o aumento do

    preo do petrleo pressiona a produo de bio-

    combustveis, o que pode acarretar uma dimi-

    nuio da oferta de alimentos, principalmente

    de gros. Consequentemente, poder ocorrer

    diminuio dos estoques mundiais, causando

    aumento nos preos. O mesmo documento

    informa tambm que so necessrias grandes

    quantidades de fertilizantes para poder supor-

    tar uma produo agrcola capaz de alimentar

    a populao mundial e para produzir matria-

    -prima para os biocombustveis, o que pode

    acarretar uma alta no preo dos fertilizantes,

    que se refletiria no preo final dos alimentos.

    O Brasil o quarto pas consumidor de ferti-

    lizantes, tendo consumido em 2006 aproxima-

    damente 7% da produo mundial, dos quais

    74% representam importaes. Essa dependn-

    cia econmica pode ser discutida, assim como

    o impacto de uma alta nos preos de alimentos

    na qualidade de vida da populao.

    Para que se conheam quimicamente as

    substncias presentes nos fertilizantes, voc

    pode trazer rtulos desses produtos e pedir aos

    alunos que tentem explicar o significado da si-

    gla NPK (conforme indicado em Aprendendo

    a aprender, Caderno do Aluno). Sero encon-

    trados diferentes sais de potssio, de amnio e

    de fsforo, fundamentais para uma boa fertili-

    zao dos solos. Como o foco do estudo so o

    nitrognio e a amnia, pode-se destacar algu-

    mas substncias nitrogenadas fabricadas a par-

    tir da amnia e presentes em fertilizantes, tais

    como a ureia ((NH2)2 CO), o nitrato de amnio

    (NH4NO3), o sulfato de amnio ((NH4)2SO4), o

    cloreto de amnio (NH4Cl), o fosfato de clcio

    e amnio (CaNH4PO4) e o nitrato de amnio e

    clcio (CaNH4(NO3)3), entre outras. Seguem as

    reaes envolvidas na obteno de duas delas.

  • 33

    Qumica 3a srie Volume 1

    Obteno do sulfato de amnio:

    2NH3(g) + 2H+(aq) + SO4

    (aq) 2NH 4 (aq) + SO4 (aq)

    2NH 4 (aq) + SO4

    (aq) evaporao (NH4)2SO4(s)

    Obteno do fosfato de clcio e amnio:

    2NH3(g) + 2H+(aq) + PO4

    (aq) 2NH 4 (aq) + PO4 (aq)

    NH 4 (aq) + Ca2+(aq) + PO4

    (aq) evaporao CaNH4 PO4(s)

    2 2

    33

    3

    2

    +

    +

    +

    +

    A amnia tambm importante matria-pri-

    ma na fabricao de plsticos, de barrilha

    processo Solvay, que ser estudado em detalhes

    posteriormente e do cido ntrico.

    O cido ntrico era inicialmente obtido a

    partir da reao do salitre do Chile com ci-

    do sulfrico. Atualmente, obtido a partir da

    oxidao da amnia. As reaes envolvidas

    encontram-se representadas a seguir:

    4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)

    2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)

    3NO2(g) + H2O(l) 2HNO3(aq) + NO(g)

    O cido ntrico importante matria-

    -prima industrial. usado diretamente na

    decapagem de metais, na sntese de cido sul-

    frico, para fazer gravaes em metais, entre

    outras aplicaes. usado na fabricao de

    nitratos inorgnicos e orgnicos e de nitro-

    derivados orgnicos de grande importncia

    comercial. Muitos nitratos e nitrocompostos

    so usados na fabricao de explosivos, tais

    como o nitrato de amnio, a nitrocelulose e a

    nitroglicerina. A anilina, matria-prima para

    corantes e pigmentos, obtida a partir da re-

    ao entre o cido ntrico e compostos org-

    nicos aromticos.

    Os alunos podem ser solicitados a encon-

    trar exemplos de produtos industriais e natu-

    rais importantes que faam parte de sua vida e

    que contenham nitrognio ou seus derivados.

    As seguintes perguntas podem ser adianta-

    das aos alunos para que a prxima Situao

    de Aprendizagem seja problematizada:

    f O que significam as duas setas usadas na equao de sntese da amnia?

    f Haber fez reagir o gs hidrognio com o gs nitrognio sobre uma superfcie aquecida de

    ferro metlico. A obteno da amnia deu-se

    mais rapidamente. Qual o papel do ferro?

  • 34

    f Como explicar que o aumento da tempe-ratura aumenta a velocidade da sntese da

    amnia?

    Essas questes sero estudadas e respondi-

    das na Situao de Aprendizagem 3.

    Algumas observaes

    Atente-se para, ao descrever o estado de

    equilbrio qumico, no dizer frases como

    Aps atingir um estado de equilbrio qumi-

    co, no se formam mais produtos. Ns sabe-

    mos que, com isso, queremos dizer que, aps

    atingir um equilbrio qumico, a concentrao

    dos produtos no mais se altera (assim como

    a dos reagentes), mas os alunos podem pen-

    sar que a transformao ocorre somente at

    aquele ponto e que depois ela para de aconte-

    cer, deixando comprometida a ideia de equil-

    brio dinmico e de reversibilidade.

    Nesta Situao de Aprendizagem, optou-se

    por sempre se falar em quantidade, em vez de

    concentraes, para facilitar o entendimento.

    Neste momento, isso ainda possvel; quando

    forem exigidas previses, o equilbrio qumico

    ser discutido em termos de concentrao.

    Controlar variveis uma atitude muito im-

    portante tanto ao se fazer investigaes cient-

    ficas quanto na vida diria. Observar e analisar

    uma situao, controlar variveis, observar

    todos os ngulos antes de fazer suposies e

    pular para concluses e decises precipitadas

    so atitudes que se podem aprender para uma

    vida melhor em sociedade. O estudo desse tex-

    to permite esse desenvolvimento. Por exemplo,

    ao se avaliar a influncia da temperatura e da

    presso na rapidez e na extenso da sntese da

    amnia, somente uma varivel era analisada

    por vez: as outras eram fixadas.

    Grade de avaliao da Situao de Aprendizagem 2

    Com o estudo da sntese da amnia, es-

    pera-se que os alunos entendam que existem

    transformaes qumicas que no obedecem

    s previses estequiomtricas, ou seja, que

    em um determinado momento alcanam o

    que se chama de equilbrio qumico, depois

    que as quantidades dos produtos e reagentes

    no mais se alteram. Espera-se tambm que

    entendam que, no estado de equilbrio qu-

    mico, coexistem reagentes e produtos e que

    as quantidades dessas espcies dependem da

    temperatura e da presso a que o sistema est

    submetido. Mais adiante sero estudados o

    estado de equilbrio enquanto processo din-

    mico e as maneiras de fazer previses a respei-

    to do rendimento de reaes que entram em

    equilbrio qumico.

    Nesta Situao de Aprendizagem, espera-

    -se que eles tenham compreendido a impor-

    tncia da amnia nos sistemas natural e

    produtivo.

  • 35

    Qumica 3a srie Volume 1

    Nos tpicos anteriores, foi discutida a sn-

    tese da amnia a partir dos gases nitrognio e

    hidrognio. Pde-se notar que foi muito im-

    portante controlar as condies experimentais

    adotadas para que houvesse rendimento satis-

    fatrio, considerando-se a extenso e a rapi-

    dez da transformao. Tambm importante

    conhecer os fatores que afetam a rapidez das

    transformaes para controlar outros proces-

    sos, como a degradao dos alimentos ou a

    corroso de estruturas metlicas. clara, en-

    to, a necessidade de compreender como alte-

    rar a rapidez das transformaes.

    A expresso velocidade, comumente usada nos livros didticos, pode no ser a mais ade-

    quada para descrever diferenas nos tempos

    em que ocorrem as transformaes qumi-

    cas, pois sugere que a grandeza medida tem

    SITUAO DE APRENDIZAGEM 3 POSSVEL ALTERAR A RAPIDEZ COM QUE UMA

    TRANSFORMAO QUMICA OCORRE?

    carter vetorial (deslocamento/tempo). A

    expresso taxa de transformao seria mais interessante, pois a grandeza em questo

    mede a quantidade de reagentes transforma-

    dos, ou a quantidade de produtos formados

    em certo intervalo de tempo. Tambm pode

    ser usada a expresso rapidez das transforma-es qumicas.

    Para discutir a influncia da variao da

    temperatura, do estado de agregao, da con-

    centrao e da presso sobre a rapidez das trans-

    formaes, so propostos experimentos simples,

    que envolvem materiais de baixo custo e que po-

    dem ser realizados em sala de aula. Nesta etapa

    inicial, a abordagem dos fatores que afetam a ra-

    pidez das reaes deve ser feita em nvel macros-

    cpico, sem entrar nas discusses relacionadas

    ao comportamento dos tomos.

    Contedos e temas: variveis que podem modificar a rapidez de uma transformao qumica (concentra-o, temperatura, presso, estado de agregao e presena do catalisador) e procedimentos e