ÁREA: Ensino de Química
TÍTULO: Equilíbrio químico: uma visão microscópica-proposta para ser ministrada na disciplina de química geral nos cursos de graduação de química
AUTORES: MENDONÇA, M.L.T.G. (CP II/PUC-RJ) ; CRUZ,R.P. (CEFETCAMPOS/) ; SANTOS,J.M. (UERJ)
RESUMO: This work has the objective chemical equilibrium with a microscopic vision through the Statistical Mechanics, making the relationship between Classic Thermodynamics and the Statistics through the Boltzmann’s Theory with the thermodynamic probability. The calculations of the functions of nuclear partition, electronics, translational, rotational and vibration, allow to determine the thermodynamic equations and through them to determine the equilibrium constant, being a proposal to be ministered in General Chemistry.
PALAVRAS CHAVES: general chemistry; chemical equilibrium; boltzmann’s theory
INTRODUÇÃO: Este trabalho tem a proposta de abordar o equilíbrio químico por uma visão microscópica através da Mecânica Estatística, sendo uma alternativa para ser ministrada, também, aos estudos de equilíbrio químico com abordagem macroscópica. Principalmente na disciplina de Química Geral, quando o aluno tem seu primeiro contato com a Química, podendo construir assim uma visão ampla dos conteúdos, já que esta disciplina é de extrema importância para o aluno, fato já observado na literatura onde vários trabalhos têm sido realizados propondo algumas sugestões, como leitura de textos com enfoque ambientais e em seguida discussões com o intuito de motivar os alunos [1]; criação de disciplinas, chamada de Núcleo de Química Geral, onde os alunos escolheriam quais que queriam cursar de acordo com suas carreiras [2]; reformulação do programa da disciplina com uma valorização dos princípios teóricos, para o aluno ter um amadurecimento de raciocínio e com isso apresentar uma racionalização das observações de uma forma coerente e lógica [3].
A relação entre Termodinâmica Clássica e a Estatística é feita através do Princípio de Boltzmann, com a probabilidade termodinâmica, ou seja, número de estados distintos para o sistema — desordem. A função de partição é fundamental para a determinação posterior da constante de equilíbrio de uma reação química, são realizados, então, os cálculos das funções de partição nuclear, eletrônica, translacional, rotacional e vibracional, tais cálculos permitem determinar as equações termodinâmicas e através delas determina-se a constante de equilíbrio.
MATERIAL E MÉTODOS: O modelo conducionista de ensino foi utilizado num primeiro momento para introduzir os conteúdos através de uma aula de 90 minutos, onde foi abordado a Termodinâmica Clássica as propriedades dos sistemas materiais as grandezas gerais e macroscópicas, de medida direta ou indireta, como massa, volume, pressão, temperatura etc. As propriedades termodinâmicas que são fundamentadas em duas leis: Primeiro Princípio (energia interna e entalpia), e o Segundo Princípio (entropia e energia livre). As funções de estado dos sistemas (variáveis de estado ou coordenadas termodinâmicas) que são as propriedades termodinâmicas. E por meio destas é possível descrever os estados de equilíbrio, as mudanças de estado ou as transformações do sistema. Estas propriedades que são manifestações globais e exteriores, provenientes do comportamento de bilhões de partículas.
Na aula seguinte (90 minutos) lançou-se mão do modelo construtivista com a utilização de textos e artigos pertinentes ao assunto, estimulando o aluno a buscar novos conhecimentos a respeito da Termodinâmica Estatística tentando relacionar as propriedades dos sistemas com o comportamento cinético e quântico dos corpúsculos que os constituem, onde as variáveis de estado do macro-sistema são relacionadas estatisticamente com o comportamento dos micro-sistemas (átomos e moléculas) que os formam, portanto, permitindo a ligação entre as propriedades mecânicas microscópicas e as propriedades termodinâmicas macroscópicas. Propriedades mecânicas das moléculas: coordenadas: xi, yi, zi; quantidade de movimento: pxi, pyi, pzi; massa: mi; energia.
Numa aula posterior foi realizada a avaliação com questões propostas para serem resolvidas com consulta de todo o material adquirido.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Numa turma de 45 alunos inscritos na disciplina de química geral,no primeiro semestre do ano de 2006, 62% dos alunos tiraram nota entre 5,0 a 6,5, 27% abaixo de 4,0 e 11% acima de 7,0, mostrando com isso que os resultados foram bastantes satisfatórios.
As questões propostas na avaliação tiveram como objetivo:
1-Que o aluno fizesse a relação entre a variável macroscópica (termodinâmica) com a variável microscópica (mecânica) que representa as propriedades moleculares, através do postulado Boltzmann [4]. Quando a entropia-S aumenta (Segundo Princípio da Termodinâmica), do ponto de vista mecânico, a desordem também aumenta. Relacionando a desordem com o número de estados distintos para o sistema, variável que recebe o nome de probabilidade termodinâmica-W, obtendo a equação (A) conhecida como postulado de Boltzmann onde k é a constante de proporcionalidade de Boltzmann.
2- Que o aluno fizesse a relação entre a lei de Distribuição de Boltzmann com a distribuição de um grande número de partículas-N em diferentes estados energéticos, através da equação (B), onde T é a temperatura e o denominador desta equação representa a equação (C) chamada de equação de partição-Z [5].
3- Que o aluno realizasse os cálculos das funções de partição através das equações termodinâmicas, utilizando a função de Helmholt, equação (D), substituindo-se os valores de E e S em função da equação de partição, obtém-se a equação (E).
4- Que o aluno determinasse o potencial químico em uma mistura através da equação (F), substituindo-se as equações determinando a equação (G). A constante de equilíbrio de uma reação química (H) é determinada pela condição de equilíbrio (I) [6], reorganizando equação (J), (L) e (M), obtêm-se a equação (N).
CONCLUSÕES: Os conceitos da Termodinâmica Estatística no equilíbrio químico poderiam ser explorados, pelo menos a nível energético e probabilístico, fazendo-se a implantação qualitativa dos conceitos envolvidos, quando os conteúdos sobre equilíbrio químico pela visão macroscópica fossem abordados. A supressão de conteúdos muitas vezes compromete a construção do aprendizado ou a sua redução também pode não conduz a uma melhor compreensão, pelo contrário, muitas vezes acarreta uma idéia não muito precisa dos conceitos envolvidos na questão.
AGRADECIMENTOS:
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: 1. Campos, R. C.; Godoy, J. M.; Quím. Nova, 1996, 19, 4.
2. Da Silva, R.R.; Botomé, S. P.; de Souza, D. J.; Quím. Nova, 1986, 9, 80.
3. Filho, P.F.S.; Quím. Nova, 2000, 23, 5.
4. Pena, M.D.; Muntaner, A.R.; Química-Física. 2ª ed., vol. 2. Madrid: Ed. Albrambra S.A., 1975.
5. Moore, W.J.; Físico-Química. 4ª ed., vol. 2. São Paulo: Ed. Edgard Blücher Ltda, 1976.
6. Macedo, H; Elementos da Teoria Cinética dos Gases. Rio de Janeiro: Ed. Guanabara Dois, 1978.
