NOEMI NÁDIA FIGUR
Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745 - 1827) Físico italiano - inventor da pilha elétrica.
MANUAL DE EXPERIMENTOS DE ELETROQUÍMICA ENSINO MÉDIO
Sumário
Apresentação ................................................................................................................................... 1 Orientações gerais ........................................................................................................................... 2 Atividade Experimental 01.............................................................................................................. 3 A PRIMEIRA PILHA ................................................................................................................. 3 Atividade Experimental 02.............................................................................................................. 6 A ELETRÓLISE DA ÁGUA E PRODUÇÃO DO GÁS HIDROGÊNIO .................................. 6 Atividade Experimental 03.............................................................................................................. 9 GALVANIZAÇÃO ..................................................................................................................... 9 Atividade Experimental 04............................................................................................................ 11 CORROSÃO E PROTEÇÃO DO FERRO ............................................................................... 11 Atividade Experimental 05............................................................................................................ 13 REMOVENDO A FERRUGEM COM A ELETRÓLISE ........................................................ 13 REFERÊNCIAS ............................................................................................................................ 14
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Apresentação Como a maioria das instituições estaduais da rede pública de ensino não dispõe de laboratórios, onde possam ser realizadas atividades experimentais procurei buscar alternativas viáveis, a serem implantadas em sala de aula, objetivando despertar o interesse e a curiosidade dos alunos para o aprendizado de Química. Nos primeiros anos de docência encontrei muita dificuldade em promover atividades experimentais relacionadas aos conteúdos de eletroquímica, mas gradualmente fui pesquisando e encontrando práticas que fazem uso de materiais de baixo custo e risco, que estão reunidas neste manual.
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Orientações gerais Como outras práticas pedagógicas, a realização de atividades experimentais em laboratórios de ciências ou mesmo em sala de aula, requer planejamento, organização do espaço físico e orientação quanto aos cuidados necessários para a realização dos experimentos com segurança. O planejamento envolve a elaboração do plano de aula, aquisição dos materiais e reagentes em quantidades suficientes para que os alunos possam realizar a experimentação de forma individual ou em grupo com no máximo quatro componentes, e elaboração do roteiro da atividade experimental. A organização do espaço físico é um aspecto importante a ser considerados antes da realização do experimento. Se o mobiliário da sala de aula é constituído de mesa e cadeira (figura 1), é possível acoplar quatro mesas e formar uma bancada (figura 2), mas se existem carteira (figura 3), fica inviável, então procure outros espaços como a biblioteca (figura 4) ou o refeitório (figura 5).
figura 1: mesa e cadeira
figura 2: bancada acoplamento de mesas
figura 3: carteira escolar
figura 4: mobiliário da biblioteca
figura 5: mobiliário do refeitório
Outra questão a ser abordada com os alunos são os cuidados necessários para a realização do experimento com segurança, sugiro inclusive que seriedade, compromisso, organização e limpeza também sejam pontuadas além da produção do relatório. É comum que após a realização da atividade experimental seja elaborado um relatório individual, podendo ser manuscrito em folhas de papel com pauta ou digitado seguindo as normas básicas da ABNT. Todas as orientações quanto à elaboração deste trabalho científico, devem ser minuciosamente e previamente apresentadas e disponibilizadas pelo professor, que também deve indicar uma lista de referências disponíveis na biblioteca da escola ou na internet. Um recurso que pode auxiliar os alunos na elaboração do relatório é a utilização individual do caderno de laboratório ou caderno de atividades experimentais, no qual farão anotações de dados, procedimentos e demais informações relevantes à realização da experiência. Caso os alunos demonstrem dificuldades na elaboração do documento, o professor pode no roteiro da atividade experimental, seguir o modelo do relatório, com introdução, materiais e reagentes, procedimentos, e na análise dos dados propor perguntas que deverão ser respondidas e ajudarão os alunos a elaborar a conclusão.
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Atividade Experimental 01 A PRIMEIRA PILHA Conhecimentos prévios
Reações de oxirredução
Comportamento dos metais
Fila de reatividade ou fila de tensões eletrolíticas
Recurso de texto O NASCIMENTO DAS PILHAS ELÉTRICAS O professor pode providenciar cópias ou a impressão do texto, distribuir para os alunos e promover a leitura e discussão coletiva. O texto esta disponível no livro de Ricardo Feltre, Físico-química: volume 2, na página 298, e o download do livro poderá ser feito do site: https://professorharoldo.files.wordpress. com/2012/09/quimica-feltre-vol-2.pdf.
Recurso de vídeo A HISTÓRIA DA ELETRICIDADE - A FAÍSCA Duração: 00:58:58 O vídeo esta disponível no site da TV Escola, sugiro que o professor faça o cadastro, e use um programa para baixar o vídeo do site: http://tvescola.mec.gov.br/tve/video/a-historia-daeletricidade-a-faisca. Estes recursos darão subsídios para o professor abordar o contexto histórico, e fazer uma análise mais profunda do processo de investigação científica, partindo das observações realizadas por Alessandro Volta, que culminou na criação da primeira pilha revolucionando a eletricidade e abrindo caminho para o estudo dos fenômenos eletroquímicos.
Recursos de materiais A relação de materiais e reagentes descrita neste experimento é suficiente para um aluno ou um grupo realizar a atividade, portanto ela deve ser adequada, conforme o número de alunos ou grupos a serem formados. O cobre e o zinco podem ser substituídos por outros metais, confira na fila de reatividade.
4 Materiais e reagentes 5 moedas de cobre 5 pedaços de chapa de zinco (lojas de materiais de construção vendem chapas de zinco galvanizadas para fazer calhas de água, para realizar o experimento precisamos só de alguns cm2). papel toalha vinagre 1 LED ( os LEDs podem ser adquiridos em lojas que vendem equipamentos eletrônicos, tem várias cores, tamanhos e tensões que variam de 1,8 a 3V). 1 recipiente de plástico estilete 1 pedaço de isopor 3 palitos de dente tesoura martelo multímetro (opcional)
Procedimentos Corte a chapa de zinco com a tesoura em pedaços quadrados (2,2 x 2,2cm) do tamanho da moeda. Após o corte desempene os pedaços da chapa de zinco com o martelo. Se as moedas de cobre estiverem oxidadas, deixe-as de molho em um recipiente com vinagre e sal por algumas horas, depois retire, enxágue em água corrente e enxugue. Dobre uma folha de papel toalha, e com a tesoura recorte círculos todo tamanho da moeda. Pegue o estilete e corte um pedaço de isopor (8 x 8cm). Acomode a moeda sobre o isopor e espete os três palitos de dente conforme a imagem ao lado. Coloque um pouco de vinagre no pote de plástico. Molhe os círculos de papéis no vinagre.
5 Inicie a montagem da primeira célula voltaica seguindo a sequência do esquema ao lado. Dê continuidade sobrepondo as células voltaicas, conforme o esquema ao lado. Identifique os terminais do LED, o mais comprido é o positivo e o mais curto é o negativo. Abra os terminas do LED, conforme a imagem ao lado. Encaixe o LED na pilha, conforme o esquema ao lado. Se a pilha foi montada corretamente e estiver produzindo a tensão suficiente o LED acenderá! Pesquise como usar o multímetro, para medir a tensão produzida pela pilha.
Questões para análise a)
Como é chamado o movimento dos elétrons entre os polos da pilha?
b)
Qual é a evidência que na pilha há movimento de elétrons entre os metais?
c)
Que tipo de transformação de energia ocorre nas pilhas?
d)
Identifique o cátodo e o ânodo na pilha de Volta?
e)
No esquema abaixo indique o sentido da corrente elétrica.
f)
Alessandro Volta desenvolveu a pilha a mais de 200 anos, qual a importância destes dispositivos de transformação de energia nos dias atuais?
g)
Escreva as semi-reações dos processos que ocorrem nos eletrodos de cada pilha estudada, assim como a reação química global.
h)
Verifique com o multímetro diferença de tensão de uma célula voltaica e sobreposição das células.
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Atividade Experimental 02 A ELETRÓLISE DA ÁGUA E PRODUÇÃO DO GÁS HIDROGÊNIO
Conhecimentos prévios
Reações de oxirredução
Polaridade da molécula da água
Eletrólise
Recurso de texto HIDROGÊNIO — COMBUSTÍVEL DO FUTURO? O texto esta disponível no livro de Ricardo Feltre, Físico-química: volume 2, nas páginas 118 e 119.
Recurso de vídeo A HISTÓRIA DA ELETRICIDADE - A FAÍSCA Aos 52 minutos do documentário relata que a invenção da pilha possibilitou isolar novos elementos químicos com mais facilidade, e mostra o efeito da corrente elétrica na água, que se decompõe e forma os gases hidrogênio e oxigênio.
Fonte de energia Para realizar as próximas atividades experimentais é necessária uma fonte de energia, que frequentemente é obtida associando pilha em série, entretanto essa alternativa é muito trabalhosa, dispendiosa e gera um grande volume de pilhas descarregadas, então sugiro adaptar carregadores de celular como fonte de energia, pois assim estaremos reutilizando carregadores velhos e não teremos problemas de abastecimento de energia. Para montar a fonte de energia acesse o site: http://pontociencia.org.br/experimentos-interna.php?experimento=261&ADAPTANDO+ CARREGADOR+DE+CELULAR.
Observação: Para conseguir os carregadores, faça uma campanha arrecadação na escola.
7 Aparato alternativo para a eletrólise Para realizar a eletrólise é necessário montar um aparato, no qual se processa a decomposição da água, a coleta dos gases, e a posterior combustão do gás hidrogênio.
Materiais
garrafa PET
ferro de solda pode ser substituído por um prego, alicate e fogão
mangueira plástica fina e transparente
pistola de cola quente e bastão de silicone
marcador de DVD
bastões de grafite - para produzir uma quantidade significativa de gás hidrogênio e oxigênio, é melhor utilizar bastões de grafite, que podem ser comprados em papelarias (lápis de grafite integral), ou abrir pilhas grandes e retirar os bastões, para esse procedimento recomendo acessar o site: http://www.pontociencia.org.br/experimentosinterna.php?experimento=631.
Procedimentos Com o ferro de solda, ou com o prego aquecido, fure a tampa da garrafa PET, procure fazer o furo no mesmo diâmetro da mangueia, depois encaixe a mangueira, para certificar que não ocorram vazamentos use a cola quente ou outro tipo de cola para vedar. Com o marcador de DVD faça dois círculos na garrafa PET e depois fure com o ferro de solda, ou com o prego aquecido e encaixe os bastões de grafite.
Materiais e reagentes
aparato alternativo para a eletrólise
água
colher
cloreto de sódio (sal de cozinha )
fonte de energia: carregador de celular adaptado
extensão de luz
saquinho plástico de geladinhos
fita adesiva
8 Procedimentos adotados
Encha o aparato experimental para a eletrólise com água.
Coloque 5 colheres de sal na garrafa com água.
Tampe o aparato e chacoalhe para misturar a água com sal.
Coloque o saquinho de plástico na ponta da mangueira e passe um pedaço de fita adesiva, certifique-se de estar bem apertado para que não corra vazamento dos gases.
Conecte a fonte de energia as pontas dos lápis.
Ligue a fonte de energia na extensão de luz.
Ligue a extensão na tomada.
Aguarde até o saquinho ficar cheio, ascenda o palito de fósforo e aproxime do fundo do saquinho. Cuidado no momento da combustão!
Questões para análise a) Quais as evidências da ocorrência da eletrólise? b) Qual é a função do sal na solução? c) Escreva a equação de decomposição da água e faça o balanceamento. d) Os eletrodos estão produzindo o mesmo volume de gás? e) Podemos identificar o eletrodo que produz o gás oxigênio (O2), e o que produz o gás hidrogênio (H2), através dos volumes dos gases? f) Associe o cátodo e o ânodo com a polaridade da molécula da água.
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Atividade Experimental 03 GALVANIZAÇÃO
Conhecimentos prévios Reações de oxirredução. Eletrólise. Galvanização
Recurso de texto APLICAÇÕES DA ELETRÓLISE O professor pode providenciar cópias ou a impressão do texto, distribuir para os alunos e promover a leitura e discussão coletiva. O texto esta disponível no livro de Ricardo Feltre, Físico-química: volume 2, nas páginas 351
e
352,
e
o
download
do
livro
poderá
ser
feito
do
site:
https://professorharoldo.files.wordpress.com/2012/09/quimica-feltre-vol-2.pdf.
Materiais e reagentes
um recipiente de vidro
água
colher
sulfato de cobre
barra de cobre ou chapa de cobre (lojas de materiais de construção vendem barra de cobre para aterramento, são necessários só alguns cm), ou descasque fios elétricos.
prego ou chapa de ferro
fonte de energia: carregador de celular adaptado
extensão de luz
Procedimentos adotados Encha o recipiente de vidro com água. Adicione 1 colheres de sulfato de cobre no recipiente de vidro com água e mexa até dissolver. Coloque a chapa de cobre e o prego no recipiente de vidro. Conecte vermelho da fonte de energia na chapa de cobre
10 e preto no prego. Ligue a fonte de energia na extensão de luz. Ligue a extensão na tomada
Questões para análise a)
Qual a importância da galvanização?
b)
Porque a peça metálica mudou de cor?
c)
Que equação explicaria esse processo?
d)
Para que serve a placa de cobre conectada ao polo positivo?
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Atividade Experimental 04 CORROSÃO E PROTEÇÃO DO FERRO
Conhecimentos prévios
Reações de oxirredução
Corrosão
Recursos de textos CORROSÃO: Um exemplo usual de fenômeno Químico O texto esta disponível no site: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc19/a04.pdf. CORROSÃO O texto esta disponível no livro de Ricardo Feltre, Físico-química: volume 2, nas páginas 324
a
326,
e
o
download
do
livro
poderá
ser
feito
https://professorharoldo.files.wordpress.com/2012/09/quimica-feltre-vol-2.pdf.
Materiais e reagentes
8 tubos de ensaio com tampa
8 pregos novos sem oxidação (sem ferrugem)
etiquetas adesivas
marcador de DVD
água da torneira
panela
fogão
sal
colher
vinagre
óleo de cozinha
zinco
linha
tesoura
do
site:
12 Procedimentos
Rotule os tubos de ensaio de 1 a 8, com as etiquetas e o marcador de DVD.
Corte oito pedaços de linha, e depois as amarre próximos as cabeças dos pregos.
Simule diferentes ambientes utilizando a água da torneira, o sal, o vinagre, o óleo de cozinha e o zinco, conforme o esquema abaixo. 1.
ar atmosférico
2.
ar atmosférico e sílica gel
3.
água da torneira
4.
óleo e água da torneira
5.
óleo e água da torneira fervida para remover o ar
6.
água da torneira e sal
7.
água da torneira e vinagre
8.
água da torneira prego coberto com uma camada de zinco
Coloque os pregos nos tubos de ensaio e fixe a linha na tampa.
Deixe os sistemas em repouso por alguns dias.
Questão para análise
a)
Em quais tubos de ensaios houve a oxidação do ferro?
b)
Que fatores favorecem a formação da oxidação no ferro?
c)
Como podemos proteger a superfície dos corpos que possuem ferro contra a oxidação e consequente corrosão?
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Atividade Experimental 05 REMOVENDO A FERRUGEM COM A ELETRÓLISE
Conhecimentos prévios
Reações de oxirredução.
Eletrólise.
Corrosão.
Recurso de texto Os segredos de uma restauração O texto esta disponível no site: https://diegodeassis.wordpress.com/2008/08/07/ossegredos-de-uma-restauracao/. . Materiais e reagentes
um recipiente de vidro
água
colher
bicarbonato de sódio
chave de boca pequena
objeto enferrujado
fonte de energia: carregador de celular adaptado
extensão de luz
Procedimentos
Encha o recipiente de vidro com água.
Adicione 1 colheres bicarbonato de sódio no recipiente de vidro com água e mexa até dissolver.
Coloque a chave de boca e o objeto enferrujado no recipiente de vidro.
Conecte os jacarés vermelho da fonte de energia na chave de boca e o jacaré preto no objeto enferrujado, conforme esquema ao lado.
Ligue a fonte de energia na extensão de luz.
Ligue a extensão na tomada.
14 Questões para análise a)
Qual a importância deste processo de remoção da oxidação?
b)
Porque chave de boca ficou enferrujada?
c)
Que equação explicaria esse processo?
d)
Pesquise como este processo pode ser utilizado para restaurar peças metálicas antigas, como tesouros afundados no mar.
REFERÊNCIAS CISCATO, Carlos Alberto Mattoso. Aplicações da Eletrólise. Disponível http://arquivotecnico.com.br/gallery/eletrolise.pdf>. Acessado em: 10 abr. 2015.
no: <
Eletrólise e banho de metais. Disponível no:< http://portaldoprofessor.mec.gov.br/storage/recursos/16859/eletrolise.pdf>. Acessado em: 10 abr. 2015. FELTRE, Ricardo. Química geral. v.1, 6. ed. São Paulo: Moderna, 2004. FELTRE, Ricardo. Físico-química. v.2, 6. ed. São Paulo: Moderna, 2004. KRÜGER, Verno; LOPES, Cesar Valmor Machado; SOARES, Alexandre Rodrigues. ELETROQUÍMICA PARA O ENSINO MÉDIO. Porto Alegre: Área de Educação Química do Instituto de Química da UFRGS, 1997. Disponível no: <http://www.quimica.seed.pr.gov.br/arquivos/File/AIQ_2011/aguas_ufrgs.pdf>. Acessado em: 10 abr. 2015. Laboratório de Química Geral Experimental: ROTEIRO DE EXPERIMENTOS. Disponível no: <http://www.iq.unb.br/images/downloads/apostilas/Apostila%20%20Quimica%20Geral%20Experimental%20-%202-2014.pdf >. Acessado em: 20 abr. 2015. Pilhas ou células eletroquímicas. Disponível no:< http://www.edicoessm.com.br/files/pnld/ 2012/serProtagonista/Quimica/Reproducao_SP_Quimica_2_unidade_6_capitulo_16.pdf>. Acessado em: 10 abr. 2015. TOLENTINO, Mario; ROCHA-FILHO, Romeu C. O bicentenário da invenção da pilha elétrica. Disponível no:<http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc11/v11a08.pdf>. Acessado em: 19 abr. 2015.