DESENVOLVIMENTO DE OBJETOS DE APRENDIZAGEM COMO FERRAMENTAS DE ENSINO PARA AUXILIAR NOS CÁLCULOS DE PH DE SOLUÇÕES

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Ensino de Química

Autores

Guimarães, M.M. (UFMA) ; Lima, J.B. (UFMA) ; Schreiber, L.V. (UERGS) ; Sousa, J.K.C. (UFMA) ; Viegas, H.D.C. (UFMA)

Resumo

Neste trabalho, foram desenvolvidos e aplicados em sala de aula Objetos de Aprendizagem (OA) como proposta de uma ferramenta didática para o ensino do equilíbrio químico ácido-base no que diz respeito ao cálculo do pH de soluções ácidas, básicas e salinas bem como a concentração molar de todas as espécies envolvidas no equilíbrio e seus respectivos coeficientes de atividade. Os Objetos de Aprendizagem podem ser utilizados tanto em uma simulação teórica como a partir de dados experimentais e aplicados tanto no ensino como na pesquisa. A escolha desses conteúdos decorre do fato de que muitos alunos apresentam dificuldade na aprendizagem devido o tema envolver equações matemáticas complexas e raciocínio lógico.

Palavras chaves

Objetos de Aprendizagem; Ensino de Química; pH de Soluções

Introdução

Com o avanço das tecnologias de informação e comunicação principalmente a internet tem estimulado os docentes a buscarem novas metodologias para auxiliar na produção de objetos de aprendizagem que possam ser armazenados e reutilizados em diferentes contextos e aplicações (BRAGA, 2015). Objetos de aprendizagem são recursos tecnológicos desenvolvidos para fins educacionais que auxiliam no processo de aprendizagem, sendo na sua maioria softwares, vídeos, simuladores, animações e jogos educacionais com objetivos pedagógicos bem definidos possibilitando uma interatividade com o estudante a fim de promover a motivação pelos estudos e contextualização dos conteúdos conduzindo a uma aprendizagem significativa (BRAGA, 2015). Os ácidos e bases segundo Brønsted-Lowry (1923) são substâncias capazes de doar e receber prótons, respectivamente. De acordo com essa definição, cada ácido apresenta uma base conjugada e vice-versa formando, cada um deles, um par ácido- base conjugado (CHANG, 2013). Em outras palavras, quando uma molécula de um ácido perde um próton forma-se uma molécula de uma base conjugada ao ácido; da mesma maneira, quando uma molécula de uma base recebe um próton forma-se uma molécula de um ácido conjugado à base. Um par ácido-base conjugado consiste em duas substâncias relacionadas uma a outra pela doação e recepção de um único próton (ZUMDAHL 2007). Quando um ácido é neutralizado por uma base forma-se um sal. As funções ácido, base e sal representam as três principais funções inorgânicas e o cálculo do pH dessas soluções está relacionado com o equilíbrio químico das reações ácido-base estudado tanto pela química analítica no ensino superior quanto pela físico- química no ensino médio e requer do estudante um conhecimento interdisciplinar com a matemática no que diz respeito às resoluções de equações. Devido a essa exigência, alguns estudantes se sentem inseguros na realização dos cálculos do pH de soluções principalmente quando envolve equações matemáticas mais complexas envolvendo a força iônica e o balanço de massas e cargas das espécies em equilíbrio. Considere o equilíbrio ácido-base de um ácido monoprótico fraco do tipo HA HA ⇄ H+ + A- Ka = ([H+]γH+[A-]γA-)/([HA]γHA) ⇒ [HA] = ([H+]γH+ [A-]γA-)/(KaγHA) eq.1 H2O ⇄ H+ + OH- Kw = [H+]γH+[OH-]γOH- ⇒ [OH-] = Kw/([H+]γH+γOH-) eq.2 Balanço de massa: Ma = [HA]+[A-] eq.3 Balanço de cargas: [H+] = [OH-]+[A-] eq.4 A força iônica da solução é calculada por: FI = ½ ∑(Mi*Zi^2) = ½*([H+]+[OH-]+[A-]) = [H+] eq.5 Os coeficientes de atividades das espécies iônicas,γi e molecular, γHA são calculados pelas equações 6 e 7, respectivamente. γi = 10^(C*Zi^2*FI – (A*Zi^2*FI^(½)/(1+B*di*FI^(½)))) eq.6 γHA = 10^(Ks*FI) eq.7 O valor do pH da solução é calculado por: pH = ‒ log([H+]γH+) eq.8 A concentração molar do íon [H+] é calculada utilizando as equações 1 a 7 cuja solução foi efetuada por cálculo numérico iterativo utilizando o método de Newton-Raphson. A concentração molar das espécies em solução bem como os seus respectivos coeficientes de atividades foram calculados em função da concentração molar do íon [H+]. O cálculo da concentração molar do íon [H+] realizado por esse método é pouco utilizado devido o mesmo ser complexo. Assim, muitas aproximações e considerações são feitas no sentido de obter uma equação de fácil solução. Segundo Skoog (2006), dependendo dos valores da concentração molar e da constante de ionização do ácido pode resultar em um erro não aceitável. Quando a razão Ma/Ka é igual a 104, o erro relativo percentual é de apenas 0,5 %, no entanto, à medida que essa razão diminui, o erro tende a aumentar. Quando a razão Ma/Ka é igual a 10, o erro fica em torno de 17 % e uma equação quadrática poderá ser utilizada em substituição a equação simplificada. Se os valores de Ma e Ka estiverem na mesma ordem de grandeza o erro relativo percentual poderá passar dos 50 %. Nesse caso, se faz necessário o uso de métodos iterativos para calcular com exatidão a concentração molar do íon [H+]. Assim, este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento e aplicação de Objetos de Aprendizagem (OA) em plataforma Java sobre o cálculo do pH e das concentrações molares de todas as espécies envolvidas no equilíbrio ácido-base e seus respectivos coeficientes de atividades de soluções ácidas, básicas e salinas, devido alguns estudantes possuírem dificuldades na compreensão de temas que envolvem a interdisciplinaridade com a matemática na soluções de equações, permitindo ao usuário explorar os conteúdos abordados de modo interativo.

Material e métodos

Os Objetos de Aprendizagem (OA) apresentados nesse trabalho são softwares ou aplicativos desenvolvidos em ambiente Windows utilizando recursos da plataforma Java que calculam o pH de soluções ácidas, básicas e salinas, bem como a concentração das espécies em equilíbrio e seus respectivos coeficientes de atividade. O procedimento de cálculo utilizado foi através do método numérico iterativo de Newton-Raphson, por meio de uma equação matemática em função de [H+] e sua derivada até convergência para um erro absoluto menor que 10(‒12). Os softwares apresentam várias janelas para entrada de dados, entre eles a concentração molar da solução ácida, básica ou salina, as constantes de ionização do ácido ou base e da água, as constantes do coeficiente de atividade, os diâmetros dos íons hidratados e a concentração molar de um eletrólito suporte do tipo MX. Os resultados obtidos do pH e da concentração das espécies em equilíbrio e seus respectivos coeficiente de atividade são listados ao lado da janela de entrada de dados, figuras 1 e 2. Os Objetos de Aprendizagem contêm também um botão de ajuda “help” localizado na página principal do (OA) que quando pressionado disponibiliza um texto em pdf sobre o assunto com exemplos e exercícios propostos para que o estudante possa exercitar de forma autônoma os conteúdos. Os Objetos de Aprendizagem foram aplicados aos estudantes da Universidade Federal do Maranhão (UFMA) do curso de Licenciatura em Química, na disciplina de química geral com o objetivo de visualizar previamente a aceitação dessa ferramenta digital de ensino como mediadora da aprendizagem, auxiliando como reforço de conteúdo nos cálculos para a determinação do pH e da concentração molar das espécies envolvidas no equilíbrio ácido-base bem como seus respectivos coeficiente de atividade. Deste modo, os Objetos de Aprendizagem desenvolvidos envolvendo algumas áreas do conhecimento, tais como: Química, Matemática, Informática na Educação, dentre outros, servirão de apoio as aulas de equilíbrio químico ácido-base tanto no ensino superior quanto no ensino médio com relação a este conteúdo.

Resultado e discussão

Os Objetos de Aprendizagem (OA) foram desenvolvidos com o propósito de explorar os conceitos básicos relacionados ao tema equilíbrio químico ácido-base, especificamente ao cálculo do pH e das concentrações das espécies envolvidas no equilíbrio, bem como seus respectivos coeficientes de atividade de soluções ácidas, básicas e salinas. Outra vantagem da aplicação desses (OA) é que além de auxiliar nos cálculos a partir de resultados experimentais apresenta também a possibilidade de simulação. Os cálculos utilizados para a determinação exata do pH de soluções envolvem equações transcendentais (equações não lineares e não algébricas) que não apresentam soluções analíticas e, portanto, faz-se o uso de métodos numéricos para a sua solução. Os valores do pH obtidos por estes aplicativos foram comparados com os valores obtidos utilizando a equação quadrática e simplificada presentes nos livros didáticos. O erro relativo percentual entre esses valores foi discutido em sala e observou-se que, dependendo da concentração molar e da constante de ionização, nem sempre podemos utilizar os cálculos aproximados. Os Objetos de Aprendizagem (OA) foram aplicados aos estudantes da Universidade Federal do Maranhão (UFMA) do curso de Licenciatura em Química, na disciplina de química geral com o objetivo de observar o comportamento dos mesmos no entendimento dos conceitos relacionados ao tema equilíbrio químico ácido-base. Durante a aula, a turma foi dividida em dois grupos, sendo que um deles usou os Objetos de Aprendizagem e o outro não. Observou-se que os estudantes que usaram os (OA) provavelmente assimilaram mais os conteúdos relacionados ao tema equilíbrio químico ácido-base, pois interagiam e questionavam mais do que aqueles que não usaram os aplicativos, além disso, compararam os cálculos efetuados manualmente utilizando calculadora e pelos Objetos de Aprendizagem, relataram também se sentir mais motivados. A aplicação dos (OA) em sala de aula permitiu a interatividade entre os estudantes e o computador no entendimento dos cálculos e proporcionou um maior envolvimento dos mesmos na discussão do tema à medida que eles podiam alterar os dados de entrada nos Objetos de Aprendizagem. A partir dessas observações preliminares, pretende-se realizar futuramente o estudo da produção de significados dos conceitos de equilíbrio químico ácido- base por meio do uso dos Objetos de Aprendizagem desenvolvidos. Além disso, pretende-se também ampliar este estudo com estudantes do ensino médio na disciplina de Físico-Química com o objetivo de investigar a produção de significados dos conceitos e relacionar esse estudo com estudantes do ensino superior.

Página principal do software Ácido monoprótico fraco mostrando a janela de entrada de dados e os resultados obtidos


Página principal do software Sal monobásico - MA mostrando a janela de entrada de dados e os resultados obtidos

Conclusões

Os Objetos de Aprendizagens desenvolvidos são de fácil utilização, rápido e exige pouca memória, podendo ser processado em microcomputadores ou notebook com o sistema operacional Windows, realiza o cálculo do pH e das concentrações das espécies envolvidas no equilíbrio, bem como seus respectivos coeficientes de atividade em soluções ácidas, básicas e salinas obtido por simulação ou a partir de resultados experimentais podendo ser utilizado tanto em ensino quanto em pesquisas. A aplicação dos Objetos de Aprendizagem em sala de aula auxiliou no processo de ensino e aprendizagem promovendo um maior interesse dos estudantes com a participação nos conteúdos de química abordados e a fixação de conceitos já aprendidos de uma forma motivadora proporcionando ao estudante um estudo interdisciplinar com a matemática nas soluções de equações desenvolvendo um raciocínio lógico desejado e uma melhor compreensão de conceitos utilizados.

Agradecimentos

ABQ-MA

Referências

BRAGA, J. C. et al. Objetos de Aprendizagem, Vol. 1, Santo André – SP, 2015.
CHANG, R.; GOLDSBY, K. A.; Química, 11ª ed., AMGH editora, Porto Alegre, RS. 2013. p. 669.
SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, Fundamentos de Química Analítica, Tradução da 8ª Edição norte-americana, Editora Thomson, São Paulo-SP, 2006.
ZUMDAHL, S. S.; ZUMDAHL, S. A.; Chemistry, 7th ed. Houghton Mifflin Company. Boston MA, 2007. p. 624.