Abordagem didática para a visualização da difusão usando apontador laser

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ensino de Química

Autores

Reis, C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Damasceno, O.I.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Reis, E.L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Souza, E.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Reis, C.D.G. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA)

Resumo

Este trabalho visa o desenvolvimento de um sistema simples para ser utilizado em um experimento de físico-química para o estudo da difusão de solutos entre soluções em que os materiais utilizados não demandam muito investimento e são de fácil aquisição. A montagem experimental para verificação da difusão consta basicamente de uma câmera de notebook ou de celular, uma cuba de vidro onde são colocadas as soluções e um apontador laser de radiação vermelha. Uma linha laser passa através da cuba com as soluções e o resultado é projetado em um anteparo. Com o auxílio da câmera filma-se a projeção e através de um programa computacional desenvolvido em Java, os dados da projeção são tratados para evidenciar a difusão de um soluto específico na interface entre duas soluções.

Palavras chaves

Difusão; Apontador laser; Java

Introdução

Atividades experimentais permitem aos alunos a construção do conhecimento, possibilitando relacionar a teoria com a realidade prática. Existem duas formas básicas de se conduzir a experimentação: ilustrativa e investigativa. A experimentação ilustrativa é empregada para demonstrar conceitos estudados e geralmente não se aprofunda nas discussões referentes ao experimento. Em contrapartida a experimentação investigativa é empregada antes da abordagem teórica e prioriza a discussão mais elaborada dos conceitos relacionados aos fenômenos estudados. Para suprir a necessidade de inserção da experimentação mesmo com a falta de equipamentos e reagentes, a utilização de materiais alternativos para a realização de experimentos tem ajudado muito despertando o interesse, raciocínio e entendimentos de conceitos químicos. Dentro deste contexto estudou-se a difusão de solutos entre líquidos usando-se materiais disponíveis no cotidiano, como um apontador laser. A difusão é um dos mais fundamentais processos irreversíveis. Presente em processos físicos e químicos que envolvem transferência de massa, nesse processo uma diferença de concentrações é reduzida por um fluxo espontâneo. Em uma solução contendo um soluto, este se move da região de maior para a de menor concentração, enquanto o solvente se move no sentido oposto. Em 1855, o médico e fisiologista alemão Adolf Fick propôs leis fenomenológicas para a difusão de um soluto em um solvente, que atualmente levam o seu nome. Apesar de a difusão ser um processo tridimensional, nada essencial ao seu entendimento se perde ao se analisar o caso unidimensional, principalmente porque a maioria dos casos em que ela é estudada se restringe ao fluxo unidimensional. E assim se procedeu para o desenvolvimento deste trabalho.

Material e métodos

A experimentação é uma importante ferramenta para a construção e consolidação do conhecimento. Nessa linha desenvolveu-se uma metodologia para que possa ser utilizada em aulas experimentais de físico-química, no conteúdo sobre difusão. Foi construído um sistema composto de uma cuba de vidro, um apontador laser que dispõe de uma lente para projetar uma linha em lugar de um ponto, um notebook com webcam, um programa computacional em java para controlar a webcam e coletar os dados das coordenadas da linha do laser projetada no anteparo. O sistema foi montado ligando-se o apontador laser a um conector USB e disposto a aproximadamente 50 cm da cuba (Figura 1). A webcam foi colocada ao lado do laser para capturar a linha laser projetada no anteparo, resultante da refração modificada pelo gradiente de concentração causado pela difusão do soluto (Figura 2). A cuba foi preenchida até a metade de seu volume com água pura e em seguida foi adicionada lentamente, através da bureta com o capilar, uma solução de NaCl 1,0 mol/L. O capilar alcançava o fundo da cuba de maneira que a solução de NaCl ficou sob a água pura. Desta forma o sistema não foi perturbado e formou-se uma interface entre as mesmas. Feito isso, a linha laser foi direcionada à cela, diagonalmente passando pela água, pela solução de NaCl e pela interface. A linha laser foi visualizada no anteparo preto atrás da cela e a webcam foi programada para capturar, em intervalos de tempos definidos, as imagens da linha laser com a variação da refração.

Resultado e discussão

A técnica experimental descrita acima se mostrou adequada para nosso objetivo inicial, que era mostrar o processo de difusão entre duas soluções e também por ser uma técnica de fácil execução para uma aula prática, devido aos materiais utilizados (Figura 1). O programa computacional desenvolvido na linguagem Java é amigável e portanto de fácil manipulação. A coleta de dados foi executada imediatamente após a disposição das soluções na cuba. As projeções da linha laser no anteparo (Figura 2) ilustram o início da difusão e após 30 minutos. Percebe-se um decréscimo acentuado na linha laser na região da interface entre as duas soluções, evidenciando a difusão do soluto. Como mencionado, o programa computacional desenvolvido para a coleta de dados é de fácil manipulação, as coordenadas das imagens são obtidas pela captura executada pela webcam, obtendo-se neste caso específico, uma matriz de 61 pontos para 19 intervalos de 30 segundos, e a partir destes dados obter o gráfico mostrado na figura 2. Para a confecção deste gráfico, fez-se a transposta da matriz obtida utilizando-se o programa Origin. Na figura 2 é possível verificar, ainda que de forma qualitativa, a difusão do soluto NaCl na interface das duas soluções, com o decréscimo da curva em relação à linha laser na região da interface entre as duas soluções.

Montagem do sistema


Projeção da linha laser e gráfico da difusão

Conclusões

A construção do sistema para análise da difusão mostrou-se simples e de fácil execução. O programa desenvolvido em Java, de fácil execução possibilita uma aplicação em aula experimental em que os alunos podem executar o experimento com intervenção mínima do professor. Os materiais usados para a montagem do sistema são de fácil localização no cotidiano e apresenta baixo custo, podendo esta técnica ser utilizada sem demanda de investimento em equipamentos sofisticados.

Agradecimentos

Os autores agradecem à FAPEMIG pelo fomento e ao CRQ-MG pelo estágio remunerado concedido ao discente Edmundo Souza do Curso de Licenciatura em Química.

Referências

Valadares, E. C.; Moreira, A. M. Ensinando Física Moderna no Segundo Grau: Efeito Fotoelétrico, Laser e Emissão de Corpo Negro. Cad. Cat. Ens. Fís. 15, 2, 121-135, 1998.

Wilmo, E. F. J.; Ferreira, L. H.; Hartwig, D. R., Experimentação problematizadora: Fundamentos Teóricos e Práticos para a Aplicação em Salas de Aulas de Ciências. Química Nova na Escola, 30, 34-41, 2008.