Influência de Gases Inertes no Equilíbrio Químico: Nuances e Simulações Computacionais...

Influência de Gases Inertes no Equilíbrio Químico:

Nuances e Simulações Computacionais

Dissertação de Mestrado em Educação Multimédia

Susana Cristina Morais da Fonseca

Porto, 17 de Março de 2006

Juri:Doutor Duarte José Vasconcelos da Costa Pereira (Presidente)Doutor Mário Nuno de Matos Sequeira Berberan e Santos (Arguente)Doutor João Carlos de Matos Paiva (Orientador) Doutor Jorge Marques Gonçalves (Co-orientador)Doutor Álvaro Pedro de Barros Borges Reis Figueira (Vogal)

Influência de Gases Inertes no Equilíbrio Químico: Nuances e Simulações Computacionais

Tópicos a abordar na apresentação da Dissertação

Simulações computacionais e sua aplicação pedagógica

Carácter particular da temática de Equilíbrio Químico

Problemática da Influência de gases inertes no Equilíbrio Químico e sua abordagem pedagógica

Construção de uma simulação computacional para o ensino do Equilíbrio Químico

INTRODUÇÃO: As TIC e o ensino da Química na sociedade de informação

Conclusões

Propósitos para o futuro


Introdução: As TIC e o ensino da Química na sociedade de informação

SociedadeRenovação

contínua da informação;

É essencial seleccionar informação, actualizar e mesmo reformular o

conhecimento;

Frequente redefinição das funções a desempenhar.

EscolaVisa desenvolver nos

cidadãos competências de adaptação à sociedade em que se encontra inserida.

TIC

Actualmente o seu uso quotidiano está generalizado,pelo que aproximam a Escola da Sociedade em que está inserida;

Apresentam poder como recursos educativos, englobando os mais diversos

media e fornecendo informação.

Ensino da Química

Ciência em constante evolução - actualização pela Internet onde são divulgadas publicações;

Troca de saberes e observação à distância por recurso à ferramentas de comunicação;

Apoio à componente experimental - aquisição de dados, ferramentas de cálculo...

Simulação de eventos não observáveis.








Conclusões



Esquematização das relações entre os principais conteúdos na Dissertação









Problemática da Influência de gases inertes no Equilíbrio Químico e sua

abordagem pedagógica

Construção de uma simulação computacional para o ensino do

Equilíbrio Químico









Por meio de analogias, possibilitam efectuar representações de eventos não observáveis e assim tornar mais simples a compreensão dos modelos científicos

adequaçãoao

Introdução de simplificações no seu ensino

propicia a

Levantamento de questões que desafiam o rigor das

abordagens científicas usuais

no caso concreto deste trabalho é abordada a

aplicação ao ensino

O Equilíbrio Químico é caracterizado como abstracto e de interpretação

microscópica complexa

Recursos simulacionais actualmente disponíveis para o ensino do Equilíbrio Químico

Estudo em geral e análise particular de

Visa a introdução de melhoramentos,em relação a recursos já existentes, como

o comportamento mais realista do sistema por meio de uma inovação (opção de adição

de elevadas quantidades de gás inerte).

favorecem o

Protótipo

Análise quantitativa leva à conclusão da existência de uma excessiva generalização no

modelo actual de ensino deste tópico.

influencia o modo de









Educação

Multimédia Química




Carácter particular da temática de Equilíbrio QuímicoProblemática da Influência de gases

inertes no Equilíbrio Químico e sua abordagem pedagógica



Educação










Educação




Educação


Análise

de modelos

usuais no ensino

do Equilíbrio Químico

Estudo científico

da Influência de gases

inertes no Equilíbrio Químico

Construção de uma

simulação computacional

sobre Equilíbrio Químico

Aplicação da

simulação ao ensino,

avaliação e construção

de materiais de apoio.








Conclusões



Simulações Computacionais e sua aplicação pedagógica

Tutoriais Programas de exercitação e prática

Jogos Educacionais

Simulações Computacionais

Programas de Modelação

MBLs - Laboratórios baseados em microcomputadores

Internet/ Redes de Computadores

Aplicações do tipo ferramenta

Sistemas periciais

Programas tutee



Envolvem a criação de modelos dinâmicos e simplificados do mundo real (micromundo).

Neste tipo de aplicação é efectuada uma representação de determinado evento por meio de analogias, envolvendo a utilização de modelos que possibilitem simplificar a sua compreensão.

As simulações podem ser dos mais diversos tipos, indo desde a simples animação (em que o utilizador se limita a observar o evoluir de determinado evento), até ao limite em que cabe ao aluno introduzir as expressões que controlam a simulação, sendo a sua participação muito activa.

Mintzes et al., 2000; Pereira, 1993; Teixeira, sem data e Valente, 1993

O que são simulações computacionais?



Quando um dado fenómeno não pode ser estudado ou experimentado fisicamente, por algum dos seguintes motivos:

- trata-se de uma situação fictícia;

- a complexidade associada ao sistema não possibilita a sua análise pelos métodos experimentação comuns;

- o processo a ser estudado ocorre tão rapidamente ou tão lentamente na realidade que impede a sua análise pela experimentação;

- o sistema a ser analisado situa-se a uma escala muito pequena (ex: movimentos moleculares) ou a uma escala muito grande (ex: movimentos planetários), sendo impossível a sua observação directa;

- a manipulação do sistema real é perigosa;

- a situação implica a realização de experiências que são muito complicadas;

- a situação implica a realização de experiências que são dispendiosas.

Em campos se aplicam no ensino?

Medeiros e Medeiros, 2002; Mintzes et al., 2000; Ribeiro e Greca, 2003 e Valente, 1993



- os alunos podem comparar as suas previsões com o modo como o computador simula determinado comportamento.

Pereira, 1993

- oferecem a possibilidade do aluno desenvolver hipóteses, de as testar, analisar resultados e refinar os conceitos.

Valente, 1993

- visualizar animações sobre o mundo microscópico pode estimular os estudantes a ultrapassar o grau de abstracção necessário para a compreensão de alguns conceitos.

Russel, Kosma, Jones, Wykoff, Marx e Davis, 1997

Que possibilidades oferecem em termos pedagógicos?



mas cuidado...

O cuidado na aplicação dos recursos simulacionais é essencial, pois em caso contrário o aluno pode formar uma visão distorcida a respeito do mundo, como ser levado a pensar que este pode ser controlado tal como na simulação.

Valente, 1993



Podem ter diferentes níveis de controlo por parte do utilizador na selecção de percursos e nos resultados encontrados. Assim, são por vezes mais aproximadas ao construtivismo e noutros casos ao behaviorismo.

Na actualidade, várias simulações são construídas de modo a possibilitar a criação de novas perguntas ou a exposição de ideias, aproximando-se da utilização do computador como ferramenta para expressão pessoal.

Mesmo as simulações mais voltadas para a simples animação, possuem, muitas vezes, associadas às mesmas, aplicações para pesquisa de informação na Internet ou hipertextos para consulta e selecção de informação.

Em relação ao professor, o papel de facilitador e organizador do conhecimento torna-se evidente perante o uso de simulações computacionais, uma vez que estas não conseguem dar resposta a dúvidas ou curiosidades que surjam durante a exploração individual da simulação.

Um dos grandes desafios colocados ao professor que recorre a simulações computacionais é o de as adaptar aos diferentes ritmos de aprendizagem dos alunos.

Que relação têm com as teorias da aprendizagem?








Conclusões



São poucas as reacções químicas que se dão num único sentido. A maior parte das reacções é reversível, em maior ou menor extensão.

No início de um processo reversível, a reacção dá-se no sentido da formação dos produtos. Logo que se formam algumas moléculas de produto, começa o processo inverso, isto é, começam a formar-se moléculas de reagente a partir de moléculas de produto.


Conceito de Equilíbrio Químico

InícioInício

A ⇌ BChang, 2005

21 0




Chang, 2005



A ⇌ B

Instante t1

Instante t1




Chang, 2005



Ao fim de t1

Ao fim de t1

A ⇌ B

16 5




Chang, 2005



Instante t2

Instante t2

A ⇌ B




Chang, 2005



A ⇌ B

Instante t2

Instante t2




Chang, 2005



A ⇌ B

Ao fim de t2

Ao fim de t2


Quando se encontram reunidas determinadas condições, as reacções reversíveis podem evoluir para um estado de equilíbrio dinâmico, no qual as concentrações dos reagentes e dos produtos permanecem constantes ao longo do tempo e não se observam variações visíveis no sistema. No entanto, a actividade a nível molecular é grande pois as moléculas de reagente continuam

a dar origem a moléculas de produto e vice-versa. Chang, 2005



A ⇌ B

Ao fim de t2

Ao fim de t2

13 8






A ⇌ B

Instante t3

Instante t3






A ⇌ B

Ao fim de t3

Ao fim de t3

12 9






A ⇌ B

Instante t4

Instante t4






A ⇌ B

Ao fim de t4

Ao fim de t4

12 9






A ⇌ B

Instante t5

Instante t5






A ⇌ B

Ao fim de t5

Ao fim de t5

12 9


Quantificação do Equilíbrio Químico

Abordagem Termodinâmica

Abordagem Cinética

G = H - TSBaseada no facto do sistema

evoluir para uma situação de minimização da energia de

Gibbs.

Expressões FundamentaisDescrição

Expressões Fundamentais Descrição

Permite definir a condição de equilíbrio apenas com base nas condições do sistema




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS O sistema tende a evoluir para o estado em

que esta energia é minimizada, ou seja um valor negativo para G.rGº = rH º- TrSº

rG = rH - TrS




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr

Para um sistema reaccional a variação da energia de Gibbs pode ser analisada em função do grau de avanço da reacção.

Extensão da Reacção,

rG = 0

rG < 0

rG > 0

Esta indica a espontaneidade de uma reacção, sendo que se:

rG<0 a reacção no sentido directo é espontânea.

rG>0 a reacção no sentido inverso é espontânea.

rG=0 o sistema está em equilíbrio.

Assim, para um sistema reaccional o equilíbrio é

atingido no valor mínimo desta energia entre reagentes e

produtos.




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP

P

Sistemas ideias

O contributo de cada uma das espécies para a energia de Gibbs é dado pelo potencial

químico.




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP

PO contributo de cada uma das

espécies para a energia de Gibbs é dado pelo potencial

químico.

dG = mA dnA + mB dnB + ...

A

Br

AABB

ABr

lnº

)lnº()lnº(

p

pRTG

pRTpRT

G

A B ⇌

AB

G




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP



químico.




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP



químico. Equilíbrio 0




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP




A combinação dos potenciais químicos leva à definição da

relação da energia de Gibbs da reacção com a constante de

Equilíbrio (K) e o quociente da reacção (Q).

RT

GºrK = exp




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp

mA + nB ⇌ qC + rD




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp ABCDr mnqrG

mA + nB ⇌ qC + rD




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp

nm

rq

ppp

ppK

BA

DC

.

.

mA + nB ⇌ qC + rD




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp

nm

rq

ppp

ppK

BA

DC

.

.

Kp = Kc (RT)

mA + nB ⇌ qC + rD

PV = nRT




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp

nm

rq

ppp

ppK

BA

DC

.

.

Kp = Kc (RT)

mA + nB ⇌ qC + rD nm

rq

cKB.A

D.C




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp

nm

rq

ppp

ppK

BA

DC

.

.

Kp = Kc (RT)


rq

cKB.A

D.C

Baseada no facto da velocidade da reacção

directa e da velocidade da reacção inversa serem iguais

no equilíbrio




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp

nm

rq

ppp

ppK

BA

DC

.

.

Kp = Kc (RT)


rq

cKB.A

D.C



no equilíbrio

vd = vi

Com base nas leis da velocidade para cada uma das reacções chega-se à

expressão da constante de equilíbrio.




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp

nm

rq

ppp

ppK

BA

DC

.

.

Kp = Kc (RT)


rq

cKB.A

D.C



no equilíbrio

vd = vi



vd = kd [A]m. [B]n

vi = ki [C]q. [D]r




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp

nm

rq

ppp

ppK

BA

DC

.

.

Kp = Kc (RT)


rq

cKB.A

D.C



no equilíbrio

vd = vi



vd = kd [A]m. [B]n

vi = ki [C]q. [D]r

rqnm kk D.CB.A id




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp

nm

rq

ppp

ppK

BA

DC

.

.

Kp = Kc (RT)


rq

cKB.A

D.C



no equilíbrio

vd = vi



vd = kd [A]m. [B]n

vi = ki [C]q. [D]r

rqnm kk D.CB.A id

nm

rq

c k

kK

B.A

D.C

i

d

A relação mostra também que a razão entre as

velocidades específicas da reacção directa e inversa,

corresponde à constante de equilíbrio.




Abordagem Cinética



Gibbs.



G = H -TS

G

Gr



produtos.

A

A n

G

ºP







RT

GºrK = exp

nm

rq

ppp

ppK

BA

DC

.

.

Kp = Kc (RT)


rq

cKB.A

D.C



no equilíbrio

vd = vi



vd = kd [A]m. [B]n

vi = ki [C]q. [D]r

rqnm kk D.CB.A id

nm

rq

c k

kK

B.A

D.C

i

d

A relação mostra também que a razão entre as

velocidades específicas da reacção directa e inversa,

corresponde à constante de equilíbrio.

Supõe-se uma reacção elementar, caso contrário a abordagem cinética torna-se

bastante complexa.

N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)


Perturbação do Equilíbrio Químico

Factores que afectam o Equilíbrio Químico (Sistemas Gasosos)

Princípio de Le Chatelier

Quando um sistema em equilíbrio químico é sujeito a uma perturbação (tal como

uma alteração de temperatura, pressão ou

concentração) o equilíbrio desloca-se no sentido que

minimiza o efeito dessa alteração, até se estabelecer

um novo estado de equilíbrio.




RT

GºrK = exp

N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)

Exotérmica H= - 92 kJ




3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p

RT

GºrK = exp

N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)





3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p

3)(H )(N

2 )(NH

22

3

pp

pQp

RT

GºrK = exp

N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)





3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p

3)(H )(N

2 )(NH

22

3

pp

pQp

RT

GºrK = exp

Alteração da Pressão Total / Volume


Quando se verifica que 0, há alteração da razão entre as

pressões parciais na expressão do quociente da

reacção implicando um ajuste das mesmas de modo a que Q

retorne ao valor de K.


Ao aumentar a pressão o equilíbrio desloca-se no sentido directo em que há uma diminuição do número total de

moles de espécies gasosas.

T constante

N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)





3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p

RT

GºrK = exp







3)(H )(N

2 )(NH

22

3

pp

pQp

Pressões Parciais de Reagentes e ProdutosPressões Parciais de

Reagentes e Produtos

Alteram a razão entre entre as pressões parciais na

expressão do quociente da reacção implicando um ajuste das mesmas para um retorno

de Q ao valor de K. Princípio de Le Chatelier

Ao adicionar reagente o equilíbrio desloca-se no sentido directo em que

há um consumo de reagentes e formação de produto.

T constante

V constante

N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)





N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)






3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p

3)(H )(N

2 )(NH

22

3

pp

pQp



de Q ao valor de K.





RT

GºrK = exp

Alterações de Temperatura


Alterações de temperatura alteram directamente o valor de K, implicando o ajuste das pressões parciais para o seu

novo valor.


Ao aumentar a temperatura o equilíbrio desloca-se no sentido

inverso, uma vez que esta é uma reacção exotérmica.




N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)






3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p

3)(H )(N

2 )(NH

22

3

pp

pQp



de Q ao valor de K.





RT

GºrK = exp




novo valor.


Ao aumentar a temperatura o equilíbrio desloca-se no sentido

inverso, uma vez que esta é uma reacção exotérmica.

RT

H

R

SK

ººln rr








3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p

3)(H )(N

2 )(NH

22

3

pp

pQp



de Q ao valor de K.





RT

GºrK = exp




novo valor.

Adição de Gás InerteAdição de Gás Inerte

?

N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)



Ensino do Equilíbrio Químico

Complexo de ensinar / Difícil de aprender

Equilíbrio Químico é rotulado como um dos conceitos de mais difícil compreensão (Hackling e Garnett, 1985; Wilson, 1998; Maskill e Cachapuz, 1989) e um dos mais desafiantes de ensinar (Banerjee, 1995).

São apontadas as mais diversas concepções alternativas em estudos efectuados desde da década de sessenta (Van Driel et al., 1999; Tyson et al., 1999).

Mesmo alunos que obtêm classificações positivas em testes sobre esta matéria, muitas vezes não compreendem realmente o equilíbrio, resolvendo questões por recurso a um algoritmo decorado por exercitação (Bergquist e Heikkinen, 1990).

Furió, Calatayud, Bárcenas e Padilla (2000), consideram que as dificuldades apontadas estão relacionadas com raciocínios espontâneos, ou seja, associadas ao senso comum.



Concepções Alternativas em Equilíbrio Químico



Possíveis orientações perante as dificuldades diagnosticadas

Continua a ser necessário um esforço na tentativa de encontrar estratégias que permitam minimizar as dificuldades.

Pedrosa e Dias (2000) afirmam que o uso das conclusões das investigações para implementação de recursos curriculares e de abordagens pedagógicas são urgentes para o melhoramento do ensino da Química.

Banerjee (1991b) salienta a não existência de grande quantidade de módulos para o seu ensino, prontos a usar pelos professores e elaborados tendo em conta as concepções alternativas e dificuldades conceptuais diagnosticadas nos alunos.

São dadas as mais diversas sugestões práticas como o o uso de exemplos diversificados para diminuir as incompreensões associadas ao princípio de Le Chatelier, o cuidado com termos de significado diferente na linguagem comum, experiências sequenciadas e testes de diagnóstico.

Outros autores sugerem ainda o uso de simulações computacionais (Sandberg e Bellamy, 2003; Cullen, 1989; Russel et al., 1997; Paiva et al., 2002),



O desafio a abordagens habituais no ensino do Equilíbrio Químico

É possível que os professores tendam a desprezar a natureza específica deste conceito e que ao tentar simplificar o conteúdo para os alunos, possam levar os mesmos a efectuar generalizações que não são válidas (Tyson et al., 1999).

Tyson, Treagust e Bucat (1999) alertam para o problema de tentar simplificar demasiado as temáticas de carácter específico, como é o Equilíbrio Químico, pois tais simplificações podem levar à assunção de generalizações que não são válidas.

Leenson (2000) reforça a ideia de que uma explicação não pode ser apenas aparente, mas também correcta do ponto de vista científico.

Fainzilberg e Karp (), reconhecem que nem todas as complexidades associadas ao tópico podem ser ensinadas num nível introdutório. Contudo, defendem ainda que o método exacto de cálculo possa não ser introduzido, os estudantes devem conhecer as aproximações que estão a ser efectuadas por forma a que o ensino seja rigoroso.








Conclusões



Problemática da influência de gases inertes no Equilíbrio Químico e sua abordagem pedagógica

A adição de gases inertes,

a volume e temperatura constantes,

afecta o Equilíbrio Químico?

Sim

As Respostas

Sim

O Problema

?

Não


Não se verifica qualquer alteração pela adição de gás inerte.

Esta é uma reacção em que não existe variação do número total de moles de espécies gasosas entre reagentes e produtos.


Abordagem 1: Sim

N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)

H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g)

Adicionar gás inerte leva ao deslocamento do equilíbrio no sentido directo.

De acordo com o princípio de Le Chatelier, o equilíbrio contraria o aumento de pressão, deslocando-se no sentido em que quatro moles de espécies gasosas originam duas moles de espécies gasosas, ocorrendo uma diminuição da pressão, a volume constante.”

Passos

Escrita da equação da

reacção

Equações associadas Raciocínios e Conclusões

Determinação de da reacção

Análise do efeito da

adição de gás inerte de

acordo com o princípio de Le Chatelier

0

0



Abordagem 1: Sim

Resposta baseada numa explicação errada - concepção alternativa.

Este tipo de resposta enquadra-se numa visão simplista do princípio de Le Chatelier, compreendido de modo errado, usado indiscriminadamente e de forma algorítmica.

Não é considerado o facto de que adicionar gás inerte não é exactamente o mesmo que elevar a pressão total do sistema por diminuição do volume.



Abordagem 2: Não

N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g)Análise usando expressões matemáticas relacionadas com o Equilíbrio Químico.

Passos


reacção


Escrita das expressões de

K e Q



Abordagem 2: Não


Passos


reacção



K e Q

3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p 3

)(H )(N

2)(NH

22

3

pp

pQp

pA = xA P

A T constante, alterações do estado de equilíbrio significam que Kp Qp, o que acontece quando ocorrem alterações nas pressões parciais das espécies.Estudo do efeito

da adição de gás inerte sobre as

pressões parciais:



Abordagem 2: Não


Passos


reacção



K e Q

3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p 3

)(H )(N

2)(NH

22

3

pp

pQp

pA = xA P



pressões parciais:V

RTnP T

T

AA n

nx

antes da adição de gás inerte - pA



Abordagem 2: Não


Passos


reacção



K e Q

3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p 3

)(H )(N

2)(NH

22

3

pp

pQp

pA = xA P




RTnP T

T

AA n

nx

V

RTnp A

A antes da adição

de gás inerte - pA

Análise do efeito da adição de gás inerte sobre a pressão parcial de um dado componente:

- elevação da pressão total do sistema;

- diminuição de todas as fracções molares das espécies por um factor comum.



Abordagem 2: Não


Passos


reacção



K e Q

3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p 3

)(H )(N

2)(NH

22

3

pp

pQp

pA = xA P




RTnP T

T

AA n

nx

V

RTnp A

A antes da adição

de gás inerte - pA




depois da adição de gás inerte - pA

(t1)



Abordagem 2: Não


Passos


reacção



K e Q

3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p 3

)(H )(N

2)(NH

22

3

pp

pQp

pA = xA P




RTnP T

T

AA n

nx

V

RTnp A

A antes da adição

de gás inerte - pA





(t1)GIT

A1A )(

nn

ntx

V

RTnntP

)()( GIT

1



Abordagem 2: Não


Passos


reacção



K e Q

3eq )(H eq )(N

2eq )(NH

22

3

pp

pK p 3

)(H )(N

2)(NH

22

3

pp

pQp

pA = xA P




RTnP T

T

AA n

nx

V

RTnp A

A antes da adição

de gás inerte - pA





(t1)GIT

A1A )(

nn

ntx

V

RTnntP

)()( GIT

1

V

RTn

V

RTnn

nn

ntp AGIT

GIT

A1A

)()(

comparação de pA

com pA (t1)pA(t1) = pA e portanto Qp(t1) = Kp e o estado de equilíbrio é mantido.



Abordagem 2: Não

Esta é uma análise quantitativa que demonstra a não influência da adição de gases inertes.

É ainda possível verificar por esta análise que a alteração de pressão por adição de gás inerte se diferencia da alteração de pressão total por alteração de volume uma vez que não se reflecte em alteração das pressão parciais.

Contudo, esta abordagem é limitada a sistemas ideais, uma vez

que se baseia em expressões matemáticas válidas apenas dentro do limite da idealidade.



Abordagem 3: Sim

Abordagem 2 é limitada à descrição do comportamento de gases ideais, pelo que as interacções entre as partículas não são consideradas.

O modelo dos gases ideais parte de três hipóteses:

- O gás é constituído por moléculas de massa m em movimento aleatório incessante;

- O tamanho das moléculas é desprezível, dado que os diâmetros moleculares são muito menores do que a distância média percorrida pelas moléculas entre duas colisões sucessivas;

- As moléculas não interagem umas com as outras, excepto quando em contacto, nas colisões perfeitamente elásticas (Atkins, 1998).

Na realidade nenhum gás obedece à equação dos gases perfeitos (Levine, 1995).

Introdução

A pressão deve ser muito baixa para que não se verifiquem desvios à idealidade. Caso contrário é necessário recorrer a um tratamento envolvendo gases reais.

A pressão parcial das espécies pode não se manter para a adição de quantidades elevadas de gás inerte.

Ponto de partida



Abordagem 3: Sim

H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g) Passos Equações associadas

Raciocínios e Conclusões

Escrita da equação da reacção

Escrita das expressões de K e Q



Abordagem 3: Sim




Escrita das expressões de K e Q eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

pp

ppK p

)(CO O)(H

)(H )(CO

2

22

pp

ppQp



Abordagem 3: Sim







Abordagem 3: Sim





eq )(Heq )(CO

2

22

ff

ffK f

)(CO O)(H

)(H)(CO

2

22

ff

ffQ f

K e Q definidos com base em fugacidades.

= ºA + RT ln

ºA

P

f

Para gases reais os potenciais químicos são definidos em função da fugacidade:

Fugacidades:

- têm em conta as forças intermoleculares, corrigindo as pressões e para a existência de interacções cuja intensidade depende das condições e dos constituintes presentes.

- podem ser vistas como "pressões efectivas" (Atkins,

1998). - correcção para o volume não ideal de um gás, dependendo como tal do tamanho e forças entre as partículas (Combs, 1992).

Análise do efeito da adição de gás inerte

sobre as fugacidades:



Abordagem 3: Sim





eq )(Heq )(CO

2

22

ff

ffK f

)(CO O)(H

)(H)(CO

2

22

ff

ffQ f

f definida em função do coeficiente de fugacidade e da pressão parcial.


Se < 1 então < p (as moléculas tendem a manter-se agrupadas) e se > 1 então > p (as interacções repulsivas são dominantes e tendem a afastar as moléculas).

Atkins, 1998

fA = A pA

fA= xA fA*

fA = xA A* P

fA = A* pA

fA* = A* P

A≈A*


sobre as fugacidades:

Regra de Lewis -Randall



Abordagem 3: Sim




eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

ff

ffK f

)(CO O)(H

)(H)(CO

2

22

ff

ffQ f





sobre as fugacidades: fA = A pA fA = A* pA

1º Método - Mistura ideal de gases reais

2º Método - Mistura real de gases

- escrita da constante de equilíbrio com

base na definição de fugacidade

Kf = K Kp Kf = K*Kp



Abordagem 3: Sim




eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

ff

ffK f

)(CO O)(H

)(H)(CO

2

22

ff

ffQ f










Kf = K Kp Kf = K*Kp

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f



Abordagem 3: Sim




eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

ff

ffK f

)(CO O)(H

)(H)(CO

2

22

ff

ffQ f










Kf = K Kp Kf = K*Kp

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

2

22

pp

ppK f

Sobre o termo Kp já se verificou que não existe efeito.

- determinação do efeito da adição de gás inerte

sobre o termo K com base numa expressão

de cálculo de



Abordagem 3: Sim




eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

ff

ffK f

)(CO O)(H

)(H)(CO

2

22

ff

ffQ f









base na definição de fugacidade eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

2

22

pp

ppK f

Kf = K Kp Kf = K*Kp

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f




de cálculo de

RT

BPA *ln

Equação virial de estado

A equação virial é importante, uma vez que tem uma sólida base teórica e um número variável de parâmetros ajustáveis, que lhe dão, alguma flexibilidade para se adaptar a dados experimentais (Wisniak, 1999).

Dados experimentais para termos elevados são difíceis de obter, por isso, na maioria das vezes, esta equação é usada apenas com o termo B (segundo coeficiente virial).



Abordagem 3: Sim




eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

ff

ffK f

)(CO O)(H

)(H)(CO

2

22

ff

ffQ f










eq )(Heq )(CO

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

2

22

pp

ppK f

Kf = K Kp Kf = K*Kp

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f




de cálculo de

RT

BPA *ln

Segundo Coeficiente do Virial

Relaciona-se com as colisões entre pares de moléculas e para os gases puros é função da temperatura, apenas.

A temperaturas baixas é negativo, o que se deve à dominância das forças atractivas entre as moléculas. Quando a temperatura aumenta as colisões tornam-se mais energéticas, aumentando a contribuição das forças repulsivas de curto alcance e B torna-se positivo (Wisniak, 1999).



Abordagem 3: Sim




eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

ff

ffK f

)(CO O)(H

)(H)(CO

2

22

ff

ffQ f










eq )(Heq )(CO

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

2

22

pp

ppK f

Kf = K Kp Kf = K*Kp

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f




de cálculo de

RT

BPA *ln



Abordagem 3: Sim




eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

ff

ffK f

)(CO O)(H

)(H)(CO

2

22

ff

ffQ f










eq )(Heq )(CO

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

2

22

pp

ppK f

Kf = K Kp Kf = K*Kp

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f




de cálculo de

RT

BPA *ln

RT

PBBx

BABBA

2ln



Abordagem 3: Sim




eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

ff

ffK f

)(CO O)(H

)(H)(CO

2

22

ff

ffQ f










eq )(Heq )(CO

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

2

22

pp

ppK f

Kf = K Kp Kf = K*Kp

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f




de cálculo de

RT

BPA *ln

RT

PBBx

BABBA

2ln

K ou K* dependem

da pressão total. A adição de gás inerte altera a mesma, pelo que irá existir um efeito sobre este termo.- cálculo das

composições de equilíbrio e Kp depois da adição de gás inerte.

Simplicidade

assumir que na mistura as interacções são as mesmas que as do gás puro, o que poderá diminuir o rigor quando as moléculas presentes não são semelhantes.

Maior rigor

Complexidade associada ao cálculo dos coeficientes viriais para as espécies como constituintes da mistura.



Abordagem 3: Sim Exemplos Numéricos

H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g)

1º Método - Mistura ideal de gases reais – Regra de Lewis-Randall

Constituintes do sistema H2O CO CO2 H2 Xe

Pressões Iniciais/ bar 0.500 0.500 0 0 0

T = 600 K K = 24.30




H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g)




T = 600 K K = 24.30

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f

RT

BPA *ln




H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g)




T = 600 K K = 24.30

Xe / bar

0 0.998 1.000 1.000 1.000

100 0.810 1.034 0.979 1.021

CO*OH

*2 2CO

* 2H*

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f

RT

BPA *ln

Com 0 bar de Xe:

Logo,

Kf = Kp = 24.30




H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g)




Variação nas pressões/ bar - x - x x x 0

Pressões de Equilíbrio/ bar 0.084 0.084 0.416 0.416 0

T = 600 K K = 24.30

Xe / bar

0 0.998 1.000 1.000 1.000

100 0.810 1.034 0.979 1.021

CO*OH

*2 2CO

* 2H*

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f

RT

BPA *ln

Com 0 bar de Xe:

Logo,

Kf = Kp = 24.30




H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g)






T = 600 K K = 24.30

Xe / bar

0 0.998 1.000 1.000 1.000

100 0.810 1.034 0.979 1.021

CO*OH

*2 2CO

* 2H*

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f

RT

BPA *ln

Com 0 bar de Xe:

Logo,

Kf = Kp = 24.30

Com 100 bar de Xe no instante t1:

Q* Assim, Qf (t1) = Q* (t1) . Kp

Substituindo os respectivos valores: Qf (t1) = 28.91.

Qf (t1) > Kf - o equilíbrio será deslocado no sentido inverso e um novo equilíbrio será atingido no instante t2, onde Qf (t1) retorna ao valor Kf:

Kf = Q* (t1) Kp (t2)

Com base nesta equação Kp(t2) = 20.42.




H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g)






Variação nas pressões (t1)/ bar + x + x - x - x 100

Pressões de Equilíbrio (t2)/ bar 0.091 0.091 0.409 0.409 100

T = 600 K K = 24.30

Xe / bar

0 0.998 1.000 1.000 1.000

100 0.810 1.034 0.979 1.021

CO*OH

*2 2CO

* 2H*

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(CO*

eq O)(H*

eq )(H*

eq )(CO*

2

22

2

22

pp

ppK f

RT

BPA *ln

Com 0 bar de Xe:

Logo,

Kf = Kp = 24.30

Com 100 bar de Xe no instante t1:

Q* Assim, Qf (t1) = Q* (t1) . Kp

Substituindo os respectivos valores: Qf (t1) = 28.91.

Qf (t1) > Kf - o equilíbrio será deslocado no sentido inverso e um novo equilíbrio será atingido no instante t2, onde Qf (t1) retorna ao valor Kf:

Kf = Q* (t1) Kp (t2)

Com base nesta equação Kp(t2) = 20.42.




H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g)


T = 600 K K = 24.30

Pressão de Xe / bar K Kp

0 1.00 24.30

1 1.00 24.30

5 1.01 24.06

10 1.02 23.82

50 1.09 22.29

100 1.19 20.42




H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g) 2º Método - Mistura real de gases



Variação nas pressões/ bar

Pressões de Equilíbrio/ bar

Variação nas pressões (t1)/ bar

Pressões de Equilíbrio (t2)/ bar

T = 600 K K = 24.30











T = 600 K K = 24.30

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

2

22

pp

ppK f

RT

PBBx

BABBA

2ln

x H2O = x CO = xR

x CO2 = x H2 = xP











T = 600 K K = 24.30

Com 100 bar de Xe no instante t1 é necessário verificar o efeito sobre, Q: Qf (t1) = Q(t1) . Kp

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

2

22

pp

ppK f

RT

PBBx

BABBA

2ln

x H2O = x CO = xR

x CO2 = x H2 = xP











T = 600 K K = 24.30


eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

2

22

pp

ppK f

RT

PBBx

BABBA

2ln

x H2O = x CO = xR

x CO2 = x H2 = xP

Q (t1) = 1,17 e Qf (t1) = 28,43. Qf (t1) > Kf - o equilíbrio será deslocado no sentido inverso e um novo equilíbrio será atingido no instante t2, onde Qf (t1) retorna ao valor Kf: Kf = Kf (t2). Kp (t2) Com base nesta equação x =0,006 Kf (t2) = 1,17 e Kp(t2) = 20.42.









Variação nas pressões (t1)/ bar + x + x - x - x 100

Pressões de Equilíbrio (t2)/ bar 0.090 0.090 0.410 0.410 100

T = 600 K K = 24.30


eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

eq )(COeq O)(H

eq )(Heq )(CO

2

22

2

22

pp

ppK f

RT

PBBx

BABBA

2ln

x H2O = x CO = xR

x CO2 = x H2 = xP

Q (t1) = 1,17 e Qf (t1) = 28,43. Qf (t1) > Kf - o equilíbrio será deslocado no sentido inverso e um novo equilíbrio será atingido no instante t2, onde Qf (t1) retorna ao valor Kf: Kf = Kf (t2). Kp (t2) Com base nesta equação x =0,006 Kf (t2) = 1,17 e Kp(t2) = 20.42.




H2O (g) + CO (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g)


T = 600 K K = 24.30

Pressão de Xe / bar K Kp

0 1.00 24.30

1 1.00 24.30

5 1.01 24.06

10 1.02 23.82

50 1.08 22.50

100 1.17 20.77

He Ne Ar Kr Xe

K 0.99 1.01 1.06 1.10 1.17

Kp 24.60 24.06 22.92 22.09 20.77

Pressão de gás inerte: 100 bar



Abordagem 3: Sim

Trabalhando com sistemas reais, a adição de gases inertes ao sistema em Equilíbrio Químico causa uma alteração, determinada com base na realização de cálculos sobre o deslocamento do equilíbrio.

Contudo, a baixas pressões, onde o sistema pode ser considerado ideal, os efeitos são negligenciáveis.

Verifica-se, portanto, que existe no actual modelo de ensino desta temática, uma excessiva generalização, uma vez que se admite não existir influência dos gases inertes sob qualquer circunstância.



Implicações Pedagógicas

Afirmar, simplesmente, que a adição de gases inertes não tem efeito sobre o Equilíbrio Químico pode não ser verdade, quer porque podem estar em causa variações de volume, quer devido às interacções entre as partículas que devem ser consideradas a pressões moderadas de gás inerte.

Do ponto de vista científico, as conclusões retiradas são interessantes, pois a quantificação do efeito da adição de gases inertes ao equilíbrio não se encontra formulada mesmo nos livros de química avançada.

Na aplicação pedagógica da Abordagem 3, coloca-se uma questão semelhante à levantada por Hawkes (1998): há que efectuar a opção entre ensinar ideias simplificadas que não têm muita relação com a realidade, ou optar por modelos complexos e rigorosos fora da abrangência de níveis introdutórios. Este autor conclui que é preferível confrontar os estudantes com a complexidade do fenómeno, do que ensinar verdades simplificadas.



Implicações Pedagógicas

Alunos do ensino secundário – não se espera que compreendam a Abordagem 3, nem sequer que esta lhes seja introduzida; apenas que sejam alertados para o facto do raciocínio e equações usadas estarem limitadas a sistema ideais, compreendendo que as generalizações nem sempre se podem fazer e as previsões são muito mais complexas, por exemplo, perante uma realidade industrial, em que é necessário, muitas vezes, recorrer a pressões elevadas.

Alunos universitários - bom contexto para explicar como se processa o equilíbrio em sistemas não ideais e compreender o significado físico de grandezas como as fugacidades; verificar que ao trabalhar em unidades industriais há que considerar e estar atento a aspectos que poderão estar à partida omitidos e que significam nuances importantes.

Dada a complexidade em causa nesta abordagem, o próximo passo é a construção de um recurso que permita a sua aplicação efectiva ao ensino.








Conclusões



Simulações em Equilíbrio Químico

http://www.bpreid.com/applets/reversible.html

http://links.math.rpi.edu/applets/appindex/chemequilib.html

http://ir.chem.cmu.edu/irproject/applets/equilib/Applet.asp

http://www.chm.davidson.edu/java/LeChatelier/LeChatelier.html



http://links.math.rpi.edu/applets/appindex/chemequilib.html



http://www.chem.uci.edu/undergrad/applets/sim/simulation.htm

http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/animations/no2n2o4equilV8.html

http://www.jce.divched.org/JCEDLib/WebWare/collection/reviewed/WW011/jceSubscriber/equilibrium.html

http://www.chm.davidson.edu/ronutt/che115/EquKin/EquKin.htm

http://mc2.cchem.berkeley.edu/java/equilibrium/index.html



http://www.chem.uci.edu/undergrad/applets/sim/simulation.htm



http://www.chm.davidson.edu/java/LeChatelier/LeChatelier.html

http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/lechv17.swf

http://www.chm.davidson.edu/ChemistryApplets/equilibria/BasicConcepts.html


Estudos apontam para a existência de bons resultados na utilização de recursos envolvendo simulações na área do Equilíbrio Químico.

No entanto…

Apenas uma gama restrita de simulações é devidamente pensada de acordo com as dificuldades de aprendizagem conhecidas.

Qualquer material pode ser colocado na Web. A selecção é um dos desafios que se coloca e nada garante os recursos mais efectivos estejam a ser utilizados.

A estratégia de aplicação das simulações tem implicações no insucesso da sua utilização.

Pode ser conferida maior efectividade aos recursos existentes pela utilização de WebQuests e roteiros de exploração e pela sua contextualização de acordo com a perspectiva CTS.

Todas as simulações e analogias possuem para além de semelhanças, diferenças em relação ao conceito real. Estas diferenças deverão ser identificadas e explicitadas.

Simulações computacionais em Equilíbrio Químico

Disponibilidade de recursos x Resultados na aprendizagem


Construção de Simulações

Realidade

Teorias

Modelo

Selecção do fenómeno e definição

de objectivos

Situação Problema

Modelação (definição de um modelo

representativo das relações existentes na situação problema)

Protótipo

Elaboração da simulação

com base no modelo

Necessárias para elaboração

do

Testagem

Avaliação do modelo com base na observação do protótipo face

ao fenómeno real

Reformulação do protótipo de acordo com os

resultados da fase de teste

Simulação Reformulada

Repetição do processo

Interpretação


Elaborar um material original para o ensino de Equilíbrio Químico, fazendo uso do que existe de melhor nos recursos deste tipo já existentes on-line e introduzindo inovações e melhoramentos em relação a lacunas existentes ou a aspectos que, aparentemente, estão menos bem conseguidos.

Inserir um melhoramento, através da representação de uma visão mais realista do sistema, com base na temática da adição de gases inertes ao Equilíbrio Químico. Verifica-se a total originalidade deste aspecto, até porque, mesmo a possibilidade de verificar o efeito de factores que não sejam a pressão, temperatura ou quantidade de reagentes e produtos, não existe em nenhuma das simulações analisadas.

Construir um recurso com maior abrangência que a maioria dos existentes, a simulação procurará englobar o estabelecimento, perturbação e restabelecimento do equilíbrio, quer no que respeita ao tratamento quantitativo, quer nos aspectos qualitativos.


Objectivos da construção do protótipo


A situação problema com que nos deparamos implica estruturar um conjunto de modelos relacionados entre si e cuja junção seja capaz simular o fenómeno do Equilíbrio Químico, para a reacção do gás de água, a vários níveis:

a) quantificar a evolução e estado do sistema, apresentando os resultados de cálculos avançados em Equilíbrio Químico, nomeadamente envolvendo expressões de sistemas reais, partindo de condições iniciais manipuláveis;

b) proporcionar informação qualitativa, intuitiva, sobre a evolução e estado do sistema;

c) representar microscopicamente o sistema, por meio de uma analogia ilustrativa das variações de composição e movimento molecular;

d) associação com o processo industrial através de uma analogia simbólica.


Situação problema


quantificar a evolução e estado do sistema

proporcionar informação qualitativa representar microscopicamente o sistema associação com o processo industrial


Modelo


quantificar a evolução e estado do sistema


Modelo

proporcionar informação qualitativa

representar microscopicamente o sistema

associação com o processo industrial


Quantificar a evolução e estado do sistema


Modelo

Proporcionar informação qualitativa

Representar microscopicamente o sistema associação com o processo industrial

Modelo estruturado por fases: selecção de condições ou introdução de perturbações (em que são introduzidos valores pelo utilizador), estabelecimento ou restabelecimento do equilíbrio (utilização das expressões para sistemas ideias e aproximação progressiva das pressões parciais para as pressões de equilíbrio.

Recorre ao modelo quantitativo para verificar a evolução do sistema, apresentando de acordo com a imposição de condições informação textual e simbólica (setas) sobre o estado do sistema.

Estabelecimento de um analogia entre as moléculas de espécies reagentes e pequenos pontos coloridos em movimento e apenas no equilíbriocommodelodmoleculares. Quantidade de pontos proporcional às pressões parciais através do modelo quantitativo. Grau de movimentação modificado em função da temperatura.

Analogia com um reactor, onde é apresentada informação sobre a produtividade, bem como ilustrada simbolicamente a definição de condições e perturbação do sistema a ser efectuada. É onde é dado ao utilizador feedback para o desafio de controlar a produção.


Programa de construção – Macromedia Flash MX

Optou-se pelo mesmo, por apresentar muitas possibilidades em termos gráficos e simultaneamente estar voltado para a construção de aplicações interactivas.

Outra das suas características, que representa, neste caso, uma vantagem, é o facto de apresentar as hipóteses de programação de uma forma bastante intuitiva, ideal para principiantes na área.


Desenvolvimento técnico




Incluídas no próprio protótipo algumas informações do estilo "dicas" sobre como avançar dentro da aplicação, como se se tratasse de um pequeno roteiro dentro da simulação.

Interface simultaneamente motivante e familiar para os alunos, transmitindo uma aparência moderna, numa perspectiva científico-tecnológica. Estabelecimento de metáfora com uma pequena “máquina de controlo”.

Aumento da intuitividade com recurso a várias metáforas relacionadas com o quotidiano.

Inclusão de elementos associados aos pontos de interactividade com o utilizador:

Diminuir a dispersão do utilizador escondendo elementos pouco importantes naquele momento e desactivando certas opções a que o aluno não deverá aceder em determinado caso.




Representação Microscópica

Informação sobre a Produtividade

Informação qualitativa sobre o deslocamento

Informação sobre a idealidade do

sistema

Dados Quantitativos

Informação simbólica sobre o deslocamento

do equilíbrio.




A existência de informação complementar e de endereços Web enriquece a simulação, minimizando um dos seus aspectos mais limitativos: não retirar dúvidas ou responder a curiosidades dos alunos.

Existem sempre limitações associadas à construção de uma simulação. Estão são devidamente explicitadas.

Para conferir maior interactividade e um carácter desafiador, é pedida ao utilizador a previsão do que ocorre no sistema depois de efectuar uma perturbação. Este elemento permitirá ainda que o aluno seja surpreendido no que respeita à adição de gás inerte..

A existência de informação complementar e de endereços Web enriquece a simulação, minimizando um dos seus aspectos mais limitativos: não retirar dúvidas ou responder a curiosidades dos alunos.



Apresentação do Protótipo

http://nautilus.fis.uc.pt/cec/teses/susana_fonseca/

Roteiro de Exploração

http://nautilus.fis.uc.pt/cec/teses/susana_fonseca/


Questiona-se se os professores reconhecem potencialidades na simulação computacional concebida para exploração da temática do Equilíbrio Químico e especificamente da nova abordagem da influência de gases inertes.

Perante a manipulação da simulação pelos docentes, pretende-se ainda investigar quais são os principais aspectos positivos identificados, bem como características que os mesmos gostariam de ver reformuladas.

Consulta preliminar a alguns professores sobre o protótipo

Objectivos


Combinação de métodos qualitativos com métodos quantitativos.

Forte componente descritiva: conhecimento da opinião dos professores; descrição o modo como a simulação é avaliada pelos docentes inquiridos.

Centrada no protótipo desenvolvido e nos professores participantes, sempre com a consciência de que qualquer resultado do estudo corresponde apenas a este caso particular. De acordo com estas características, esta investigação não apresenta qualquer pretensão de generalização.

Quanto ao processo, a investigação enquadra-se numa fase inicial de uma investigação e desenvolvimento (intenção de se proceder a uma fase inicial de melhoramento do protótipo com base nas indicações do estudo), entrando também no campo da investigação-acção (faz-se a avaliação de forma prática, uma vez que a originalidade da simulação não permite que se identifiquem as suas potencialidades com base na teoria).


Metodologia


Visto não se tratar de um estudo experimental, nem existir qualquer pretensão de generalização dos resultados, a amostra não foi escolhida de forma aleatória.

Trata-se de uma amostra de conveniência, em que os participantes se mostraram disponíveis para colaborar.

Embora tenham sido contactados mais professores, o total de docentes que respondeu ao questionário foi de onze.

Não se pode garantir que a amostra corresponde à população de professores portugueses, nem que outro conjunto de professores levaria à obtenção de resultados semelhantes. Contudo, podem recolher-se informações preliminares importantes relativas à interacção do protótipo com os participantes neste estudo.


Amostragem


A recolha de dados será efectuada à distância, dado que seria complexo obter o contacto presencial com um número significativo de professores, em tempo útil.

O instrumento a utilizar para a recolha de informação será um inquérito por questionário on-line. Torna a participação dos intervenientes simples e rápida, permitindo o preenchimento na altura mais conveniente.

De modo a avaliar a simulação sob aspectos predeterminados e simultaneamente dar liberdade de resposta para que surjam opiniões imprevistas, o questionário é composto por duas questões iniciais fechadas e seguidamente por questões mais abertas.

A introdução de identificação pessoal no questionário foi opcional. Os participantes foram contactados por E-mail, sendo convidados a participar numa recolha de opiniões sobre as potencialidades de um protótipo de uma simulação para o ensino do Equilíbrio Químico.


Recolha de dados



Análise e discussão de resultados

Pergunta 1Classificação do protótipo pelos

professores quanto a:

0

1

2

3

4

5

a) aspecto gráfico

b) facilidade de "navegação" na simulação

c) estruturação dos elementos

d) grau de interactividade com o utilizador

Todos os tópicos avaliados no nível “Bom”.

Os professores reconhecem qualidade técnica no protótipo.

O aspecto gráfico da simulação foi o parâmetro que mais agradou os inquiridos.

Existe ainda possibilidade de melhorar, especialmente no que respeita aos parâmetros ligeiramente menos cotados: navegabilidade, estruturação e interactividade.




Alíneas a), b), d) e e) classificadas com nível bom e alínea c), relativa à representação microscópica situada na casa do razoável (3,4), sendo a classificação média mais baixa de todos os dados quantitativos.

A utilidade da simulação para a exploração da questão da adição de gases inertes foi também reconhecida.

A nota média inferior para a representação microscópica, indica que este é um dos elementos em que deverão ser, desde já, ponderadas alterações e melhorias.

Pergunta 2Classificação do protótipo pelos

professores quanto a:

0

1

2

3

4

5

Ilustração dos aspectos gerais associados ao estabelecimento,perturbação erestabelelcimento do Equilíbrio Químico.

Demostração de que a inf luência de gases inertes no EquilíbrioQuímico depende do sistema ser ideal ou real.

Representação microscópica do sistema

Envolvimento dos conteúdos numa perspectiva CTS

Factor Motivacional



Análise e discussão de resultadosCategoria Subcategoria Aspecto positivo genérico Exemplo(s) de resposta Freq

Aspectos positivos

da simulação

Informação quantitativa

Visualização contínua do quociente da reacção e da

constante de equilíbrio.

"... o conhecimento em cada instante do quociente de reacção." (P02)" ... a relação entre K e Q..." (P06)

3

Visualização contínua das condições do sistema

"Permitir a visualização dos valores escolhidos para T, P e gás inerte." (P02)

1

Manipulação de factores

Possibilidade de manipular diversos factores que afectam o equilíbrio

"Estudar o sistema podendo variar 4 factores." (P03)

4

Obtenção de diferentes resultados em função das condições e perturbações

"... manipular factores de que depende o Equilíbrio Químico de uma dada reacção, de modo a obter o resultado final que se pretende." (P09)

3

Representação microscópica

Visualização do que ocorre a nível microscópico.

"Os alunos podem visualizar uma aproximação do que acontece a nível microscópico" (P04)

2

Contextualização do conhecimento

científico

Ligação da Química com a tecnologia e quotidiano

"Esta perspectiva de aplicação da Química na indústria pode ser usada, como motivação na sala de aula." (P09)

4

Aspectos gerais

Distribuição correcta da Informação

“A informação está escondida e aparece quando o utilizador deseja." (P01)

1

Imagem visual " a imagem visual" (P06) 1



Análise e discussão de resultadosCategoria Sub-categoria Aspecto negativo genérico Exemplo(s) de resposta Freq

Aspectos negativos

da simulação

Quantidade de informação

Ter um único sistema"Só tem duas reacções e são ambas exotérmicas (embora uma ainda não esteja activa)..." (P01)

1

Excesso de informaçãosimultânea

"... excesso de informação no monitor que poderá desviar a atenção." (P06)

1

Aspectos técnicos e gráficos

Escolha da cor de fundo "O fundo preto cansa as vistas." (P04) 1

Perturbação simultânea não evidente

"Não está evidente a possibilidade de mais que um factor perturbador, em simultâneo, no Equilíbrio Químico." (P08)

1

Navegabilidade inicial"Inicialmente a exploração da simulação é um pouco difícil." (P07)

2


Desagrado na representação por

pontos

"A representação microscópica dos reagentes e produtos da reacção deveria ser mais diferenciada em cor e tamanho." (P09)"Mostrar melhor a reacção das partículas ao longo do tempo..." (P11)

3

Legenda da representação

microscópica de difícil interpretação

"Não sei se a legenda não dificulta a compreensão dos alunos" (P02)

1

Outras respostas

Não identificação de aspectos negativos

"Não consegui identificar nenhum aspecto negativo" (P05)

1




Categoria Melhoramento Proposto

Quantidade de informação

Acrescentar outros equilíbrios.

Remeter informação menos importante para outra janela que apareceria posteriormente.

Aspectos técnicos e gráficos

Colocar o botão "equilibrar" acessível, unicamente depois de definidas as condições iniciais.

Melhorar a visibilidade das moléculas por cima da equação química.


Eliminar a irregularidade de velocidade da representação (talvez associada a problemas de velocidade de rede).

Colocar a representação com modelos moleculares sempre acessível.

Melhorar a qualidade gráfica do "zoom".

Colocar moléculas com maiores dimensões, para que os alunos possam verificar melhor como vão reagindo até se atingir o equilíbrio.

Colocar uma espécie de "zoom" para verificação dos choques entre as moléculas.




Categoria Subcategoria Opinião Geral Exemplo(s) de resposta Freq

Tratamento da questão da adição de gases inertes ao Equilíbrio Químico

com base na

simulação

Facilita a abordagem

do fenómeno

Evita o recurso a cálculos complexos

“… o aluno poderá observar os resultados finais sem ter que "percorrer" um caminho matemático complicado e pouco aliciante ou motivador.“ (P09)

2

Permitir verificar a diferença

entre real e ideal

"... é também importante os alunos aperceberem-se, que nem sempre ou quase nunca, as situações reais, coincidem com as situações ideais." (P08)"... para que os alunos tenham consciência de que em sistemas reais os resultados obtidos, não são os mesmos que os esperados em sistemas ideais." (P10)

3

Permite constatar o fenómeno

"... permite uma constatação "real" da divergência dos resultados esperados em relação aos reais, não se trata de indicar apenas a existência dessa divergência - é possível constatá-la." (P05)

2

Previsão leva a indagar o porquê

"... a necessidade de se "adivinhar” para que lado se desloca o equilíbrio após a adição do gás inerte leva os alunos a estarem atentos para ver o que realmente acontece e a surpresa de "não terem acertado" leva-os a procurar o "porquê"." (P01)

1

Facilita a aprendizagem(sem justific.)

"Sim, facilita a compreensão do conceito." (P04) 2



Análise e discussão de resultadosCategoria Opinião geral Exemplo(s) de resposta Freq

Importância da

simulação para no ensino

secundário e

universitário

Útil de uma forma geral

"Esta simulação, com um roteiro apropriado, pode ser extremamente útil..." (P03)"Permite a visualização do campo microscópico…" (P02) "... a interacção dos alunos com este programa, permite que estes sejam mais interventivos... aprendendo com as suas respostas, quer elas sejam correctas ou erradas." (P08)

4

Útil em ambos os níveis de

modo diferenciado

"No secundário possibilita a visualização e interactividade com um assunto que é explorado de forma teórica... tornando-o mais acessível e aliciante para os alunos. … ensino universitário possibilita a exploração do tema, levando-nos a agir/reflectir sobre o Equilíbrio Químico." (P05)“… é adequada quer para alunos do ensino secundário como para alunos do ensino superior pois apresenta, em simultâneo, uma grande quantidade de informação relevante... Apesar de se achar muitas vezes que os alunos do ensino superior já compreendem melhor este tipo de conceitos, eu considero que, na maioria dos casos, não é assim." (P07)"... no ensino secundário enquadra-se perfeitamente no programa constituindo uma estratégia motivante. No ensino universitário poderá ser mais explorada a nível dos aspectos mais complexos como a questão da adição de gás inerte." (P11)

4

Útil no ensino secundário e desnec. no

ensino superior

"... a nível de ensino secundário... permite aos alunos relacionar conceitos, controlar variáveis e assim entender melhor as alterações no Equilíbrio Químico... alunos universitários já devem ter capacidade para aprender o equilíbrio mais facilmente." (P06)

2



Propostas de reformulação e projectos para a simulação

1. Alargar a simulação a outros sistemas, com características diferentes.

2. Diminuição da quantidade de informação no ecrã em simultâneo, por remoção de dados menos relevantes no momento, ficando acessíveis através de botões de alternância.

3. Alterar a cor de fundo do "ecrã central" para branco, sobretudo para as fases correspondentes ao fornecimento de grandes quantidades texto (botões informativos).

4. Salientar, no painel de fundo, a possibilidade de introduzir perturbações sucessivas dos vários factores, sem que seja necessário reiniciar a simulação.

5. Tornar o botão "equilibrar" inacessível, até definição das 3 condições iniciais obrigatórias.

6. Colocar mais informação sobre o modo de operar a simulação no painel de fundo e no "ecrã" de abertura, de modo a tornar mais intuitivo o primeiro contacto com o protótipo.

7. Melhorar a representação microscópica da simulação, através: do aumento do tamanho dos pontos; da criação de um "zoom" destinado a verificar a ocorrência de reacção por representação dos choques eficazes (reacção elementar); da melhoria do design gráfico das partículas, nas duas representações e da colocação de uma legenda mais intuitiva; da representação com modelos moleculares antes de se estabelecer o equilíbrio.



Propostas de reformulação e projectos para a simulação

Outros aspectos, considerados acessórios na fase de elaboração do protótipo e que serão considerados em versões futuras:

Trabalhar a cinética, na sua relação com o Equilíbrio Químico, uma vez que a representação gráfica das velocidades teria bastante importância.

Englobar perturbações menos comuns, como a adição de reagentes a volume variável e pressão constante.

Englobar a possibilidade de variar a pressão e temperatura em sistemas reais de acordo com os desvios ao princípio de Le Chatelier, identificados na literatura.

Proporcionar a possibilidade de adicionar um catalisador.

Disponibilizar informação termodinâmica.

Nota: O Equilíbrio Químico é um conteúdo com múltiplas particularidades, pelo que a ideia de poder abranger todos os seus aspectos numa única simulação é ilusória. Neste contexto, o nosso objectivo é trabalhar progressivamente no sentido de tornar este recurso mais completo e eficaz.








Conclusões



Continuam a ser publicados recentemente artigos que têm por objectivo esclarecer nuances específicas associadas ao Equilíbrio Químico – detalhes subtis, que escapam a uma primeira análise deste fenómeno, mas cujo esclarecimento pode evitar ideias erradas.

O Equilíbrio Químico continua a constituir uma temática muito solicitada para estudos a nível de concepções alternativas dos alunos. Estudos estes, que apontam, em geral, as mesmas dificuldades reportadas em publicações de algumas décadas atrás.

A especulação de possíveis causas do insucesso que se contínua a verificar no seu ensino aponta para a pouca utilização dos recursos, estratégias de aplicação inadequadas ou a selecção incorrecta dos mesmos de entre a variedade existente, já que várias investigações revelaram que certas simulações reduzem o número de concepções alternativas e dificuldades de aprendizagem.

Constatou-se que os recursos existentes para o seu ensino são em geral bastante vagos, centrando-se apenas num aspecto particular. A identificação das limitações e o fornecimento de informação complementar, só muito raramente são incluídos.

As simulações em português são quase inexistentes.

Conclusões

Sobre aspectos gerais de Equilíbrio Químico


A adição de gases inertes ao Equilíbrio Químico é uma das nuances, que ainda não se encontrava tratada em nenhuma das publicações consultadas na revisão bibliográfica.

O resultado culmina numa influência perante sistemas reais, contrária ao que ocorre em condições de idealidade, vindo assim alertar para a cautela no estabelecimento de generalizações.

A consulta a professores de Química sobre o protótipo elaborado resultou numa avaliação bastante satisfatória do mesmo. Os professores foram unânimes em reconhecer potencialidades para a aplicação desta simulação no ensino do Equilíbrio Químico.

Esta investigação serviu ainda para identificar aqueles que são considerados pela amostra de professores inquiridos os pontos fortes da simulação, bem como os aspectos que os mesmos consideram mais negativos e assim traçar propósitos de reformulação da simulação.

Conclusões

Sobre aspectos particulares tratados na dissertação








Conclusões



Reformulação e alargamento do protótipo e novas fases de teste. Será ponderada a possibilidade de usar o recurso digital para efectuar mais ligação entre a Química e o quotidiano, associando links, actualizados, de interesse industrial, ambiental, social, etc

Divulgação dos resultados do estudo científico sobre a influência de gases inertes no Equilíbrio Químico. Tal está já a ser efectuado, através de um artigo elaborado e submetido ao Journal of Chemical Education que se encontra segunda fase de avaliação, depois de um primeiro acolhimento positivo do editor.

Também em relação ao protótipo desenvolvido, se pressupõe continuar a desenvolver estratégias de divulgação. Recentemente foi submetido e aprovado um resumo para o 4º Encontro da Divisão para o Ensino e Divulgação da Química da Sociedade Portuguesa de Química (Fonseca et al., 2005), com finalidade de apresentar o protótipo construído.

Construir mais roteiros de apoio ao protótipo e a elaboração de uma WebQuest sobre Equilíbrio Químico.

E como não poderia deixar de ser …



… completando um processo de simbiose entre esta dissertação e a nossa experiência profissional, não poderíamos deixar de se ter o propósito de utilizar este e outros recursos com potencialidades consagradas, nas aulas de Físico-Química.


Influência de Gases Inertes no Equilíbrio Químico: Nuances e Simulações Computacionais...

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