Uma nova proposta para experimentos clássicos de Físico-Química utilizando microescala e placa ARDUINO

ISBN 978-85-85905-10-1

Área

Físico-Química

Autores

Cachichi, R.C. (UNICAMP) ; Untem, M.S.G. (IFSP) ; Simoni, J.A. (UNICAMP)

Resumo

Neste trabalho, desenvolveu-se um sistema de aquisição de dados experimentais físicos e químicos, através da comunicação serial bluetooth entre o microcontrolador Arduino UNO e um dispositivo móvel baseado no OS Android. Foi utilizado o sensor LM35 para o monitoramento da destilação fracionada entre as misturas água/acetona(equimolar)e álcool etílico(96ºGL). As destilações foram realizadas em equipamentos de microescala. Os dados formam transferidos para um tablet através do dispositivo de comunicação por bluetooth. Os resultados foram visualizados em dispositivos Android na forma de gráficos e armazenados para posterior uso em computadores.

Palavras chaves

micrcoescala; arduino; sensor de temperatura

Introdução

Laboratório de Química em Microescala é baseado em uma abordagem ambientalmente segura, na prevenção da poluição produzida usando vidraria em miniatura e em valores significativamente reduzidos de produtos químicos. Desde o seu início modesto em três instituições no início de 1980 (Bowdoin College, Merrimack College, e Brown University), a química em microescala experimentou um rápido crescimento nos EUA e ao redor do mundo. A extensão da proliferação desta técnica pode ser julgada a partir de inúmeras publicações no Journal of Chemical Education. Originalmente, a química em microescala foi introduzida no laboratório de química orgânica no Bowdoin College, no Maine. Mais tarde, foi expandida para cobrir química geral, inorgânica, analítica e ambiental[1- 3].Temos observado nos últimos anos um aumento significativo de propostas de experiências didáticas em ciências assistida por microcomputadores. Grandes fornecedores comerciais de materiais didáticos têm se esmerado em fornecer linhas completas de equipamentos para a realização de experiências, em todas as grandes áreas da ciência, em que o PC é peça determinante para o controle, aquisição e análise de dados. Como alternativa, tem sido propostas soluções de baixo custo envolvendo diferentes portas de comunicação e periféricos do PC.Nessa linha temos a microcontolador Arduino é uma plataforma de hardware open source, de fácil utilização, ideal para a criação de dispositivos que permitam interação com o ambiente, dispositivos estes que utilizem como entrada sensores de temperatura, luz, som etc., criando desta forma possibilidades ilimitadas. A plataforma utiliza-se de uma interface amigável no computador que utiliza a linguagem Processing, baseada na linguagem C/C++.[4-5]

Material e métodos

Foram realizados dois experimentos utilizando um sistema de destilação em microescala(constituída de um balão de 50,0 mL, uma coluna de fracionamento e um condensador reto): destilação de uma mistura equimolar de água e acetona (contendo 5,50g de acetona e 1,71g de água) e de uma solução de etanol 96ºGL. Com o sistema composto pela placa arduino, um sensor de bluetooth, um sensor de temperatura (LM35)e um visor de lcd, foram coletados dados de temperatura em intervalo de um segundo, em toda duração do experimento. Os dados coletados foram transferidos para um tablet de cinco polegadas por bluetooth e uma curva de destilação (Temperatura x tempo) foi gerada em tempo real para cada experimento.

Resultado e discussão

Foi realizada a microdestilação de uma mistura equimolar de água e acetona, com uma massa total de 7,21g. Foram coletados 136 pontos de temperatura através de um sensor de temperatura próprio para a placa arduino (um por segundo, com precisão de 0,5ºC), tempo necessário para o término da destilação. Foi verificada uma temperatura média de destilação 58,5ºC para a Acetona e 99,0ºC para a água. Para a solução de etanol 96ºGL, foram coletados 144 pontos. A temperatura média de destilação para essa mistura azeotrópica foi de 78,5ºC. Os resultados ficaram próximos aos da literatura. Entre as vantagens da leitura de temperatura pelo sensor do Arduino em relação a leitura convencional estão a quantidade de pontos para a construção da curva e a precisão de leitura em relação ao olho humano. Os dados foram interfaceados por sensor de bluetooth e enviados a um tablet e o gráfico foi construído em tempo real. No Arduino, primeiramente, são definadas as bibliotecas de bluetooth e software serial, as variáveis utilizadas e a pinagem dos sensores e da placa de comunicação. Em seguida, é iniciada a aquisição de dados analógicos vindos do sensor que, por sua vez, são multiplicados por um fator de conversão e transformados em variáveis pré-definidas na escala desejada. Com a variável do sensor ajustada na escala, é iniciada a comunicação serial através do bluetooth,através da qual os valores atribuídos à variavél do sensor são enviados ao dispositivo Android. Já, em seu aplicativo, os dados obtidos após o pareamento são plotados em uma matriz de pixels a cada 0,5 segundo, transformando os dados em posições na mesma. Os dados obtidos podem também ser armazenados em memória SD para posterior análise.

Conclusões

Os objetivos do experimento foram atingidos com sucesso, com a inserção da nova tecnologia e adaptação ao sistema em microescala. Além do experimento realizado, que obteve resultados muito satisfatórios para a determinação das temperaturas de destilação das misturas água/acetona e água/álcool, existem muitos experimentos clássicos que podem ser “repaginados” utilizando os sensores, como, medidas calorimétricas, determinação de pressão de vapor, etc. A transmissão dos dados em tempo real pode ser aplicada, com uma conexão de internet, em cursos à distância.

Agradecimentos

Ao IFSP, pela bolsa de monitoria acadêmica, e à CAPES pelo Projeto PRODOCENCIA 2010.

Referências

1-ANASTAS, P. T.; FARRIS, C. A., Benign by Design: Alternative Synthetic Design for Pollution Prevention, Eds.; ACS Symposium Series 577; American Chemical Society: Washington, DC, 1994.
2-ANASTAS, P. T.; WILLIAMSON, T. C., Green Chemistry: Designing Chemistry for the Environment;, Eds.; ACS Symposium Series 626; American Chemical Society: Washington, DC, 1996.
3-DEVITO, S. C.; GARRET, R. L., Designing Safer Chemicals: Green Chemistry for Pollution Prevention;, Eds.; ACS Symposium Series 640; American Chemical Society: Washington, DC, 1996.
4-CAVALCANTE, M.A., TAVOLARO, C.R.C., MOLISANI, E. Física com Arduino para iniciantes. Rev. Bras. Ensino Fís. 2011. 33(4): 4503.
5-SOUZA, A.R. de et al. A placa Arduino: uma opção de baixo custo para experiências de física assistidas pelo PC. Rev. Bras. Ensino Fís. 2011. 33(1): 01.