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EEsscssoolaa:cc
3a SRIEENSINO MDIOCaderno do ProfessorVolume 1
QUMICACincias da Natureza
MATERIAL DE APOIO AOCURRCULO DO ESTADO DE SO PAULO
CADERNO DO PROFESSOR
QUMICAENSINO MDIO
3a SRIEVOLUME 1
Nova edio
2014-2017
GOVERNO DO ESTADO DE SO PAULO
SECRETARIA DA EDUCAO
So Paulo
Governo do Estado de So Paulo
Governador
Geraldo Alckmin
Vice-Governador
Guilherme Af Domingos
Secretrio da Educao
Herman Voorwald
Secretrio-Adjunto
Joo Cardoso Palma Filho
Chefe de Gabinete
Fernando Padula Novaes
Subsecretria de Articulao Regional
Rosania Morales Morroni
Coordenadora da Escola de Formao e Aperfeioamento dos Professores EFAP
Silvia Andrade da Cunha Galletta
Coordenadora de Gesto da Educao Bsica
Maria Elizabete da Costa
Coordenadora de Gesto de Recursos Humanos
Cleide Bauab Eid Bochixio
Coordenadora de Informao, Monitoramento e Avaliao
Educacional
Ione Cristina Ribeiro de Assuno
Coordenadora de Infraestrutura e Servios Escolares
Ana Leonor Sala Alonso
Coordenadora de Oramento e Finanas
Claudia Chiaroni Afuso
Presidente da Fundao para o Desenvolvimento da Educao FDE
Barjas Negri
Senhoras e senhores docentes,
A Secretaria da Educao do Estado de So Paulo sente-se honrada em t-los como colabo-
radores nesta nova edio do Caderno do Professor, realizada a partir dos estudos e anlises que
permitiram consolidar a articulao do currculo proposto com aquele em ao nas salas de aula
de todo o Estado de So Paulo. Para isso, o trabalho realizado em parceria com os PCNP e com
os professores da rede de ensino tem sido basal para o aprofundamento analtico e crtico da abor-
dagem dos materiais de apoio ao currculo. Essa ao, efetivada por meio do programa Educao
Compromisso de So Paulo, de fundamental importncia para a Pasta, que despende, neste
programa, seus maiores esforos ao intensificar aes de avaliao e monitoramento da utilizao
dos diferentes materiais de apoio implementao do currculo e ao empregar o Caderno nas aes
de formao de professores e gestores da rede de ensino. Alm disso, firma seu dever com a busca
por uma educao paulista de qualidade ao promover estudos sobre os impactos gerados pelo uso
do material do So Paulo Faz Escola nos resultados da rede, por meio do Saresp e do Ideb.
Enfim, o Caderno do Professor, criado pelo programa So Paulo Faz Escola, apresenta orien-
taes didtico-pedaggicas e traz como base o contedo do Currculo Oficial do Estado de So
Paulo, que pode ser utilizado como complemento Matriz Curricular. Observem que as atividades
ora propostas podem ser complementadas por outras que julgarem pertinentes ou necessrias,
dependendo do seu planejamento e da adequao da proposta de ensino deste material realidade
da sua escola e de seus alunos. O Caderno tem a proposio de apoi-los no planejamento de suas
aulas para que explorem em seus alunos as competncias e habilidades necessrias que comportam
a construo do saber e a apropriao dos contedos das disciplinas, alm de permitir uma avalia-
o constante, por parte dos docentes, das prticas metodolgicas em sala de aula, objetivando a
diversificao do ensino e a melhoria da qualidade do fazer pedaggico.
Revigoram-se assim os esforos desta Secretaria no sentido de apoi-los e mobiliz-los em seu
trabalho e esperamos que o Caderno, ora apresentado, contribua para valorizar o ofcio de ensinar
e elevar nossos discentes categoria de protagonistas de sua histria.
Contamos com nosso Magistrio para a efetiva, contnua e renovada implementao do currculo.
Bom trabalho!
Herman Voorwald
Secretrio da Educao do Estado de So Paulo
SUMRIOOrientao sobre os contedos do volume 5
Situaes de Aprendizagem 10
Situao de Aprendizagem 1 A atmosfera pode ser considerada uma fonte de materiais teis para o ser humano? 10
Situao de Aprendizagem 2 Estudo da sntese e da produo industrial da amnia a partir dos gases nitrognio e hidrognio 20
Situao de Aprendizagem 3 possvel alterar a rapidez com que uma transformao qumica ocorre? 35
Situao de Aprendizagem 4 Como utilizar modelos microscpicos para explicar as diferenas na rapidez das transformaes qumicas? 48
Situao de Aprendizagem 5 Composio das guas naturais e usos da gua doce 63
Situao de Aprendizagem 6 Entendendo a escala de pH 69
Situao de Aprendizagem 7 Como saber as quantidades de produtos e de reagentes que coexistem em equilbrio qumico? 82
Situao de Aprendizagem 8 Influncia das variaes de temperatura e presso em sistemas em equilbrio qumico 94
Situao de Aprendizagem 9 Como o ser humano usa a gua do mar para sua sobrevivncia? 99
Propostas de Situao de Recuperao 123
Recursos para ampliar a perspectiva do professor e do aluno para a compreenso do tema 125
Consideraes finais 129
Quadro de contedos do Ensino Mdio 131
5Qumica 3a srie Volume 1
Caro(a) professor(a),
Nesta 3a srie, assim como nas sries ante-
riores, propomos um ensino de Qumica que
permita aos alunos compreender melhor o
mundo em que vivem, usando as ferramentas
dessa disciplina. No decorrer desta srie, se-
ro estudadas as formas pelas quais diversos
materiais so extrados da atmosfera, da hi-
drosfera e da biosfera e como so utilizados
para a sobrevivncia e o bem-estar da espcie
humana. Sero propostas atividades que faci-
litem a compreenso dos processos qumicos
relacionando-os com suas aplicaes tecnol-
gicas, ambientais e sociais para que os alunos
possam emitir juzos de valor, bem como to-
mar decises individuais e coletivas de manei-
ra mais responsvel e crtica.
Neste primeiro volume, a atmosfera ser
enfocada como recurso natural para a obten-
o industrial de gases como o nitrognio, o
oxignio e os gases nobres, assim como algu-
mas de suas utilizaes na vida cotidiana e na
fabricao de outros compostos.
O estudo do processo Haber-Bosch de
produo da amnia permitir uma discus-
so sobre a importncia de conhecer, prever e
controlar as variveis temperatura, presso,
superfcie de contato, presena de catalisado-
res e concentrao de reagentes que influem
na rapidez e na extenso com que uma trans-
formao qumica acontece, para que se possa
otimizar os custos de produo.
O estudo da cintica qumica, iniciado na
1a srie, ser ampliado e retomado com a apre-
sentao de fatos qumicos, no nvel macros-
cpico, seguido de explicaes baseadas no
modelo cintico-molecular. O modelo explica-
tivo ser valorizado como instrumento para a
previso e o controle da rapidez das transfor-
maes qumicas.
O fato de a obteno da amnia a partir
dos gases nitrognio e hidrognio se dar por
intermdio de uma transformao qumica re-
versvel permitir a introduo do estudo do
equilbrio qumico. Nos volumes anteriores,
mostramos que o conhecimento do clculo
estequiomtrico nos permite estimar a quanti-
dade de reagentes que ser utilizada, sem que
haja desperdcio. Agora, essa ideia ser am-
pliada ao serem estudadas reaes reversveis,
isto , reaes que no se completam e cujo
rendimento no de 100%. Ento, para que
se encontrem formas de produo economica-
mente viveis e ambientalmente favorveis,
necessrio saber controlar os fatores que afe-
tam a rapidez e a extenso da transformao
qumica em questo. Portanto, a escolha da
temperatura, da presso e da concentrao
dos reagentes, bem como a deciso sobre o uso
ORIENTAO SOBRE OS CONTEDOS DO VOLUME
6de algum catalisador, deve priorizar a produ-
o da maior quantidade possvel de produtos
com o menor custo econmico e ambiental e
o menor desperdcio possvel.
Nesta proposta, a hidrosfera ser conside-
rada fonte de recursos para a sobrevivncia
humana, aprofundando os conhecimentos j
trabalhados na srie anterior. Para tanto, se-
ro estudadas algumas maneiras de utilizao
da gua. Este material , portanto, um recurso
que procura permitir aos alunos que, ao re-
fletirem sobre a utilizao das guas salgadas
e doces como recursos naturais, aprendam
Qumica e desenvolvam habilidades procedi-
mentais e atitudinais que os instrumentem a
avaliar situaes de vida bem como a tomar
decises que considerem contribuir para o
bem comum. Ressaltamos tambm que a
avaliao da qualidade da gua doce ser fei-
ta levando-se em conta suas propriedades e
os usos a que se destina: consumo humano,
consumo animal, irrigao e usos industriais.
Estudaremos como estimar a acidez da gua
por meio do pH, que permite determinar a
concentrao hidrogeninica de uma solu-
o, sem precisar recorrer a nmeros forne-
cidos pelas constantes de equilbrio qumico.
O termo pH, frequentemente mencionado na
mdia, tem significado qumico limitado para
os alunos, que normalmente valorizam apenas
o pH neutro, desconhecendo, por exemplo, a
importncia do controle da acidez no sistema
produtivo. Por esse motivo, esse parmetro
ser usado como desencadeador do estudo
quantitativo do equilbrio qumico, ou seja,
como saber a quantidade de produto forma-
do em uma determinada reao reversvel, em
dadas condies de presso e temperatura. Os
alunos tambm estudaro como a adio de
solutos pode modificar o pH da gua.
Para entender como o ser humano extrai
materiais teis da gua do mar, sero retoma-
dos processos industriais que exigem conhe-
cimentos adquiridos anteriormente, como a
solubilidade de sais (para o estudo de suas
separaes) e a eletrlise (para a obteno do
hidrxido de sdio, do sdio metlico e dos
gases hidrognio e cloro). O entendimento
da obteno do carbonato de sdio pelo pro-
cesso Solvay depender da compreenso do
conceito de solubilidade (contedo estudado
na 2 srie) e da influncia da modificao da
concentrao em um equilbrio qumico. No
caso, ser estudada a perturbao no equil-
brio estabelecido a partir da dissoluo do gs
carbnico (CO2(aq)) em gua.
Espera-se, ainda, que este estudo permita
aos alunos repensar suas ideias sobre a utili-
zao do ar atmosfrico e aplicar os conhe-
cimentos construdos sobre os fatores que
influenciam a rapidez das transformaes
qumicas, tanto em sua vida diria quanto
para entender alguns processos industriais.
Nosso objetivo oferecer subsdios para fa-
cilitar a formao de indivduos que saibam
usar conhecimentos adquiridos na escola
para entender o mundo onde vivem e que
considerem a preservao do ambiente fun-
damental para a manuteno da vida.
7Qumica 3a srie Volume 1
Conhecimentos priorizados
Neste primeiro volume, o ar atmosfri-
co ser reconhecido como uma mistura de
gases e a destilao fracionada como um
processo industrial utilizado na separao
desses gases. As propriedades temperatura
de ebulio e volatilidade sero considera-
das para o entendimento desse processo.
Sero tambm conhecidos alguns usos de
gases obtidos da atmosfera para que sua
importncia econmica e social possa ser
valorizada.
Outro ponto importante reconhecer sis-
temas em que transformaes qumicas no
se completam, em que reagentes e pro-
dutos coexistem em concentraes que no
variam com o tempo. Esses sistemas sero
identificados como aqueles que alcanaram
um estado de equilbrio qumico. Por meio
do processo de obteno industrial da am-
nia processo Haber , ser apresentada a
ideia da necessidade do controle da presso
e da temperatura para viabilizar e otimizar
sua produo industrial. O papel econmico
da amnia ser enfatizado mediante a dis-
cusso do processo Haber e pela apresenta-
o de outros produtos em que a amnia
matria-prima.
Ideias sobre a cintica qumica sero apre-
sentadas por meio do estudo macroscpico
dos fatores que podem influir na rapidez de
transformaes qumicas temperatura, pres-
so, superfcie de contato, uso de catalisadores
e concentrao de reagentes. O estudo cintico
ser aprofundado para o nvel microscpico
com a introduo de explicaes baseadas no
modelo cintico-molecular.
Ao final deste volume, os alunos podero
reconhecer o ambiente em especial a hidros-
fera como fonte de materiais e de vida, alm
de entender como os conhecimentos qumicos
esto presentes no desenvolvimento dos pro-
cessos de extrao e transformao de mate-
riais da natureza.
Competncias e habilidades
1. Fazer uso da linguagem qumica para re-conhecer equaes que representam siste-
mas em equilbrio e para conhecer as esp-
cies qumicas presentes nesses sistemas.
2. Relacionar o desenvolvimento do processo industrial de obteno da amnia com o
momento histrico, com fatores econmi-
cos e polticos envolvidos na importao
do salitre do Chile, com sua importncia
na fabricao de fertilizantes e de explo-
sivos e com os conhecimentos disponveis
na poca.
3. Refletir sobre a importncia de conhecer e controlar fatores que influenciam o ren-
dimento e a rapidez de transformaes
qumicas no caso, a sntese industrial
da amnia para que processos indus-
triais economicamente viveis possam ser
desenvolvidos.
84. Relacionar e interpretar dados fornecidos em textos, tabelas e representaes para
compreender processos de obteno de ga-
ses industriais.
5. Aplicar conhecimentos referentes s in-fluncias da presso e da temperatura
para escolher condies reacionais mais
adequadas. Usando modelos explicativos,
fazer previses qualitativas sobre como
composies de variveis podem afetar a
rapidez de transformaes qumicas.
6. Estabelecer relaes entre os conhecimen-tos desenvolvidos sobre fatores que alte-
ram a rapidez de transformaes qumicas
e condies de armazenamento de alimen-
tos e avaliar o conhecimento de uma comu-
nidade sobre esse assunto para, eventual-
mente, assumir o papel de multiplicador de
conhecimentos.
7. Construir os conceitos de equilbrio qu-mico e de constante de equilbrio para
estimar o rendimento de transforma-
es qumicas reversveis e para entender
como perturbaes externas mudanas
de presso, de temperatura e de concen-
traes podem modificar sistemas em
equilbrio qumico.
8. Escrever a expresso da constante de equi-lbrio a partir de equaes qumicas, reco-
nhecendo as espcies que coexistem no sis-
tema em equilbrio.
9. Selecionar, organizar, relacionar e interpre-tar dados e informaes representados em
textos, tabelas, grficos, esquemas e figuras
para entender os processos produtivos re-
lacionados extrao de materiais da hi-
drosfera e os conhecimentos qumicos neles
envolvidos.
10. Relacionar informaes obtidas atravs de observaes diretas e de textos descri-
tivos referentes s propriedades especfi-
cas da gua doce e salgada para construir
argumentaes consistentes sobre sua
importncia.
11. Refletir sobre os custos e benefcios en-volvidos na obteno e no uso de recursos
provenientes da hidrosfera para avaliar
escolhas individuais e coletivas.
Metodologias e estratgias
As metodologias utilizadas buscam esti-
mular a participao e o envolvimento dos
alunos no processo de construo de seus co-
nhecimentos, assim como o desenvolvimento
de competncias que permitam o exerccio de
sua cidadania. As Situaes de Aprendizagem
apresentam questes que envolvem a anlise de
fatos relacionados ao dia a dia dos alunos para
que seja possvel estabelecer relaes entre seus
conhecimentos prvios e aqueles a ser constru-
dos. Os textos contextualizam o estudo e apre-
sentam informaes relevantes relacionadas
ao sistema produtivo. Os problemas propostos
9Qumica 3a srie Volume 1
exigem a aplicao de conceitos apreendidos no
decorrer das aulas, alm das atividades experi-
mentais de carter investigativo, que abrangem
o levantamento de hipteses e a elaborao de
explicaes.
Sugerimos a leitura de textos, interpretao
de esquemas, tabelas e fluxogramas, exerccios
e aulas expositivo-dialogadas. Recomendamos
o uso do material Qumica e sobrevivncia (ver
Recursos para ampliar a perspectiva do profes-
sor e do aluno para a compreenso do tema)
como estratgias de ensino para este Caderno.
Avaliao
O processo de ensino-aprendizagem poder
ser avaliado por meio da participao dos alunos
e do interesse demonstrado por eles e por meio
das respostas aos exerccios e atividades propos-
tos. Essas atividades envolvem estratgias como
questes abertas, interpretao de textos, entre-
vistas, interpretao de grficos e tabelas e an-
lise de dados experimentais, entre outras. Dessa
forma, voc poder acompanhar a aprendiza-
gem de contedos especficos da Qumica e o de-
senvolvimento das competncias de seus alunos.
10
Nesta Situao de Aprendizagem, os alunos
reconhecero o ar atmosfrico como uma mis-
tura de gases e a destilao fracionada como o
processo industrial atualmente usado para se-
parar esses gases. Por meio de pesquisas e entre-
vistas, eles podero levantar informaes sobre
alguns usos cotidianos e industriais dos gases
nitrognio, oxignio, hidrognio e argnio.
SITUAO DE APRENDIZAGEM 1 A ATMOSFERA PODE SER CONSIDERADA UMA FONTE DE
MATERIAIS TEIS PARA O SER HUMANO?
Contedos e temas: composio mdia do ar atmosfrico; obteno do oxignio, do nitrognio e dos gases nobres por destilao fracionada do ar atmosfrico; diversos usos do oxignio, do nitro-gnio e dos gases nobres.
Competncias e habilidades: desenvolver a leitura e a interpretao de textos, de tabelas, de esquemas e de linguagens prprios da Qumica; desenvolver as habilidades de sntese e de argumentao consis-tentes exigidas em algumas questes que acompanham os textos; compreender o processo da destilao fracionada no nvel macroscpico para poder explic-lo no nvel microscpico; buscar, selecionar, orga-nizar e relacionar dados e informaes apresentados em diferentes mdias e representados em diferentes formas para resolver problemas.
Sugesto de estratgias de ensino: discusses desencadeadas por perguntas e por anlises de informaes; leitura de textos seguida de discusses; pesquisas em material escrito e na internet.
Sugesto de recursos: material escrito; cpias de textos acompanhados de perguntas abertas; livros di-dticos e paradidticos.
Sugesto de avaliao: respostas dadas s questes propostas; realizao das tarefas requisitadas.
Para iniciar o estudo sobre o ar atmosf-
rico e para que os alunos relacionem o que
estudaro com o mundo que os cerca, ques-
tione-os sobre a composio do ar por meio
de perguntas como:
SITUAES DE APRENDIZAGEM
f Ns respiramos o ar atmosfrico. Voc lem-bra qual o gs responsvel pela manuten-
o da vida?
f Quando inspiramos, quais gases entram pelas nossas narinas?
11
Qumica 3a srie Volume 1
f Voc saberia dizer do que o ar (a atmosfera) formado?
f Pessoas com insuficincia respiratria, mui-tas vezes, usam mscaras de oxignio. Nessas
mscaras, o gs oxignio puro misturado
com o ar atmosfrico, resultando em uma
mistura mais rica em oxignio, o que fa-
cilita a respirao. Os hospitais compram
o oxignio puro de empresas. De onde e
como ser que essas empresas obtm esse
oxignio?
No se espera que os alunos saibam res-
ponder s perguntas corretamente. A inteno
da discusso permitir que eles relacionem o
que j sabem sobre o ar atmosfrico com o
que ser estudado.
Recomendaes para a leitura de texto sobre a composio do ar
Aps o levantamento dessas primeiras
ideias a respeito do assunto, apresente o texto
a seguir, que fornecer informaes sobre os
gases que compem o ar atmosfrico e sobre
um processo industrial, a destilao fraciona-
da, atualmente usado para separar esses gases.
A classe poder ser organizada em um cr-
culo e a leitura ser feita em voz alta. Essa or-
ganizao evita disperses e possibilita maior
controle do tempo e da participao durante a
leitura e a discusso do texto.
A leitura ser orientada pelas perguntas
feitas ao longo do texto. Voc pode solicitar
aos alunos que anotem as palavras desco-
nhecidas e que as procurem em um dicio-
nrio, que dever estar disposio na sala
de aula. Caso no seja possvel a consulta,
os significados das palavras podero ser es-
clarecidos por voc e pelos prprios colegas.
As respostas s questes devem ser anotadas
no caderno. Aps a leitura, os alunos, que
j estaro sentados em crculos, lero suas
respostas e as discutiro a fim de chegarem
a um consenso. Para sintetizar o estudo, eles
devero completar ou modificar suas res-
postas. Caso disponha de tempo, voc pode
recolher as respostas para avaliar melhor e
acompanhar o aprendizado individual.
Outras sugestes de leituras podem ser en-
contradas em referncia fornecida no item Re-
cursos para ampliar a perspectiva do professor
e do aluno para a compreenso do tema.
12
Composio do ar atmosfrico parte 1
O ar atmosfrico, o ar que nos rodeia, por ser transparente e muitas vezes ino-doro, tido como um nada, como um espao vazio. Mesmo quando o vento sopra, quando ouvimos notcias sobre furaces, quando as previses do tempo apresentam falas como Uma massa de ar frio vinda do litoral dever atingir a costa..., no pensamos no ar como ma-tria, como uma mistura de gases.
Em hospitais, pacientes com dificul-dades respiratrias utilizam mscaras
de oxignio. Em algumas dessas ms-caras, o ar atmosfrico pode ser enri-quecido com diferentes quantidades de gs oxignio. A escolha da composio do ar oferecido indicada para que haja uma oxigenao adequada s ne-cessidades de cada paciente. O gs oxi-gnio comercializado em cilindros.
Nas aulas de Cincias, aprendemos que o ar atmosfrico composto principal-mente pelos gases nitrognio e oxignio. A tabela a seguir apresenta dados sobre a composio mdia do ar seco, assim como as temperaturas de ebulio dos compo-nentes do ar presso de 1 atmosfera.
Composio do ar atmosfrico seco e propriedades de seus constituintes presso de 1 atm
Componente Volume (%) Temperatura de ebulio (C) Temperatura de fuso (C)
Nitrognio 78,08 196 210
Oxignio 20,95 183 219
Argnio 0,934 186 189
Nenio 0,001818 246 249
Hlio 0,0005239 269 2721
Hidrognio 0,00005 253 259
Xennio 0,0000086 107 112
Criptnio 0,0001139 153 157
Tabela 1. 1 A temperatura de fuso do hlio determinada a 26 atm.Adaptado de: GEPEQ Grupo de Pesquisa em Educao Qumica (org.). Interaes e transformaes III: Qumica Ensino Mdio: a Qumica e a sobrevivncia: atmosfera, fonte de materiais. So Paulo: Edusp, 1998. p. 55.
Elaborado por Hebe Ribeiro da Cruz Peixoto e Maria Fernanda Penteado Lamas especialmente para o So Paulo faz escola.
13
Qumica 3a srie Volume 1
Questes para anlise do texto
1. O que temperatura de ebulio?Temperatura de ebulio aquela em que a substncia fer-
ve ao passar do estado lquido para o gasoso. Essa questo
permite aos alunos que se lembrem das evidncias macros-
cpicas do processo de ebulio.
2. Para uma mesma substncia a uma dada presso, o valor da temperatura de ebu-
lio igual ao valor da temperatura de
liquefao, ou seja, TE = TL. Explique a
razo de, s vezes, usarmos a expresso
temperatura de ebulio e, s vezes, usar-
mos temperatura de liquefao.
O valor numrico da TE e da TL de uma dada substncia em
determinadas condies de temperatura e de presso o
mesmo. Costuma-se usar o termo temperatura de ebulio
(TE) quando se est fazendo referncia mudana de estado
de uma substncia do lquido para o gasoso. Ao descrever
a mudana de estado do gasoso para o lquido, costuma-se
usar o termo temperatura de liquefao (TL).
Observao: Essa questo tem como objetivo mostrar aos
alunos que, apesar do valor numrico de TE e TL ser o mes-
mo para uma mesma substncia nas mesmas condies, ao
usar TE ou TL esto sendo fornecidas mais informaes sobre
o processo a que se est fazendo referncia do que somente
fornecendo um dado numrico.
3. A temperatura de ebulio do nitrognio, de acordo com a tabela, de 196 oC. A
temperatura de 200 oC, o nitrognio en-
contra-se em que estado fsico?
A 200 C, o nitrognio encontra-se no estado lquido.
4. A 190 C e presso de 1 atm, quais componentes do ar esto no estado slido,
quais esto no estado lquido e quais esto
no estado gasoso?
A 190 C, o criptnio, o xennio e o argnio encontram-se
no estado slido; o oxignio, no estado lquido; o nitrognio,
o hidrognio, o hlio e o nenio, no estado gasoso.
Composio do ar atmosfrico parte 2
Do ar atmosfrico so obtidos os gases in-
dustriais nitrognio, oxignio, argnio, nenio,
criptnio e xennio por um processo chamado
destilao fracionada. O primeiro passo para a
separao dos gases atmosfricos a liquefao
deles. Em seguida, a mistura vai sendo aquecida
e seus componentes so separados com base em
suas temperaturas de ebulio.
Quando as temperaturas de ebulio de duas ou
mais substncias lquidas volteis so muito prxi-
mas, uma destilao simples no suficiente para
separ-las, pois a frao obtida (o destilado gasoso)
uma mistura de gases mais rica nos compo-
nentes com menores temperaturas de ebulio,
ou seja, mais rica nos componentes mais vol-
teis. Ao observar a tabela na parte 1 deste texto,
percebe-se que as temperaturas de ebulio do
oxignio, do argnio e do nitrognio, por exem-
plo, so prximas. Para separar esses gases aps
sua liquefao, usado um processo chamado
destilao fracionada.
Inicialmente, vamos entender como so rea-
lizadas destilaes fracionadas de uma mistu-
ra que j se apresenta como lquida tempe-
ratura e presso ambientes do petrleo ou
14
do alcatro da hulha, por exemplo em uma
coluna de fracionamento. Esse tipo de coluna
possui vrios pratos horizontais, localizados
em diferentes alturas, que se intercomuni-
cam conforme mostrado no esquema. Como
o aquecimento feito pela base da coluna,
quanto mais alto estiver localizado o prato,
menor ser sua temperatura. medida que a
mistura a ser separada aquecida, seus com-
ponentes vo se gaseificando e sobem pela co-
luna. A composio do vapor ser mais rica
no componente mais voltil, ou seja, no com-
ponente com a menor temperatura de ebulio.
Quando os gases encontram um prato a uma
temperatura igual ou menor que suas temperatu-
ras de ebulio, liquefazem-se e escorrem para um
prato inferior, que possui uma temperatura mais
alta, pois est mais prximo fonte de calor. Nes-
se prato, parte da mistura se gaseifica novamente,
e essa frao gasosa, ainda mais rica no compo-
nente mais voltil, sobe novamente para o pra-
to superior, e o processo vai se repetindo. Dessa
maneira, as fraes gasosas vo se enriquecendo
cada vez mais com o componente mais voltil, e,
por isso, em diferentes alturas da coluna podem
ser obtidos gases bastante puros.
A separao dos gases presentes no ar atmos-
frico segue esse processo de fracionamento e
exige, no entanto, um equipamento um pouco di-
ferente, dado que o ar se liquefaz a temperaturas
muito mais baixas que a do ambiente. Para que a
destilao fracionada se processe a temperaturas
muito mais baixas que a temperatura ambiente,
so usadas duas colunas acopladas, com controle
externo de temperatura; essas fraes so obtidas
por aquecimentos e resfriamentos sucessivos, e os
componentes so separados no estado lquido.
Elaborado por Hebe Ribeiro da Cruz Peixoto e Maria Fernanda Penteado Lamas especialmente
para o So Paulo faz escola.
Figura 1. Esquema de uma coluna de fracionamento. Adaptado de: GEPEQ Grupo de Pesquisa em Educao Qumica (org.). Interaes e transformaes III: Qumica Ensino Mdio: a Qumica e a sobrevivncia: atmosfera, fonte de materiais. So Paulo: Edusp, 1998. p. 54.
Detalhedo prato
15
Qumica 3a srie Volume 1
5. Embora o gs hlio esteja presente no ar atmosfrico e em uma quantidade maior
que a dos gases criptnio e xennio, comer-
cialmente obtido de jazidas subterrneas
de gs natural. Procure dar uma explicao
para esse fato.
possvel que o gs hlio no seja obtido a partir da desti-
lao fracionada do ar atmosfrico pelo fato de o processo
no ser economicamente vivel, dada sua baixa concentra-
o na mistura gasosa e sua baixa temperatura de ebulio
(269 C). Os alunos provavelmente no sabero, mas, neste
momento, voc pode inform-los que o resfriamento do ar
atmosfrico (para que seja liquefeito) ocorre por meio de
sua expanso: a mistura de gases inicialmente comprimi-
da e expandida. Ao serem expandidos, os gases liberam ca-
lor para o meio, resfriando-se. Esse efeito chamado efeito
Joule-Thomson. A diculdade de separao do hlio por
meio da destilao fracionada est no fato de que esse gs,
quando comprimido, somente sofre o efeito Joule-Thomson
de resfriamento a temperaturas inferiores a 267 C. O h-
lio apresenta dois estados lquidos diferentes: o hlio I, que
se comporta como um lquido normal, e o hlio II, que se
comporta como um superuido. Para que o hlio se solidi-
que, no basta baixar a temperatura. necessrio tambm
que seja aumentada a presso. Mais informaes podem ser
encontradas no livro Qumica inorgnica no to concisa, de
J. D. Lee, disponvel na biblioteca do professor.
6. Em uma torre de destilao fracionada do ar, o nitrognio deve ser obtido em um
prato situado acima do prato de onde sai o
oxignio. Procure dar uma explicao para
essas posies.
O nitrognio lquido deve ser obtido na regio superior da
coluna de destilao porque sua temperatura de ebulio
mais baixa do que a temperatura de ebulio do oxignio. Os
alunos devero relacionar temperaturas de ebulio forneci-
das em tabelas com as diferentes temperaturas em uma torre
de destilao fracionada para compreenderem o processo
de obteno de gases industriais. O professor poder reto-
mar a importncia da destilao fracionada como processo
de separao ao estudar a separao das fraes do petrleo.
O ar atmosfrico considerado fon-
te de materiais teis ao ser humano.
Segundo o texto, quais seriam esses
materiais? Qual a utilidade deles para o ser
humano? Como so obtidos? Siga as orienta-
es do professor para fazer uma pesquisa e
responder a essas perguntas. Utilize a tabela a
seguir para sintetizar as informaes sobre os
gases que voc e seus colegas pesquisaram.
Algumas informaes que podem ser trazidas para a sala de
aula sobre a obteno e os usos de alguns gases presentes no
ar atmosfrico esto listadas na Tabela 2 a seguir.
Tambm podem ser pesquisadas e discutidas as utilizaes
do gs hlio. , contudo, interessante repetir que o gs hlio
comercializado no extrado do ar atmosfrico, e sim de
jazidas de gases naturais, dado que 7% desses gases com-
posto de gs hlio.
Alguns usos desse gs:
tQFSNJUFBBTDFOTPEFCBMFTFEJSJHWFJT
tTFSWFEFDPOTUJUVJOUFEFBUNPTGFSBTTJOUUJDBToNJTUVSBEP
com oxignio e nitrognio (trimix) , que so usadas em
mergulhos profundos e em trabalhos em minas profundas;
seu uso vantajoso por ser menos solvel no sangue do que
o nitrognio, o que diminui o tempo necessrio para a des-
compresso;
tBVYJMJBOBQSFTTVSJ[BPEFUBORVFTEFOBWFTFTQBDJBJT
t TFSWF DPNPBUNPTGFSBQSPUFUPSBOB GBCSJDBPEF UJUOJP
e zircnio;
tVTBEPFNQFTRVJTBTTPCSFBTVQFSDPOEVUJWJEBEF
tGB[BGVOPEFHTUSBOTQPSUBEPSJOFSUFFNDSPNBUPHSBmB
gasosa.
16
Mais informaes sobre aplicaes de gases podem ser en-
contradas em Qumica inorgnica no to concisa, de J. D.
Lee, disponvel na biblioteca do professor.
Um dos objetivos dessa tarefa permitir
que os alunos aprendam como esses gases so
utilizados no dia a dia e no sistema produti-
vo para que possam estabelecer relaes en-
tre matrias-primas, processos produtivos e
qualidade de vida. Outro objetivo aprender
a buscar e selecionar informaes; para isso,
ser necessrio desenvolver as competncias
ligadas ao domnio de linguagens, compre-
enso de fenmenos e ao enfrentamento de
situaes-problema.
aconselhvel que a pesquisa seja realiza-
da em grupos, dentro ou fora da sala de aula.
A orientao dever ser dada de acordo com
a autonomia que os alunos j possuem. in-
teressante que se tenha claro algumas pala-
vras-chave referentes pesquisa, assim como
quais perguntas devero ser respondidas aps
a pesquisa. Voc deve verificar se eles sabem
usar ndices, sumrios, ndices remissivos e
glossrios, e auxili-los, caso seja necessrio.
GsMtodos de obteno
industrialUsos
Oxignio (O2) Destilao fracionada do ar
Na siderurgia, em soldas e cortes metlicos; em foguetes, como comburente; em mer-gulhos ou trabalhos em minas profundas (misturado com gs hlio) para respirao; na medicina (para auxiliar a respirao, em aparelhos de respirao articial, em terapias hiperbricas); no tratamento de euentes (esgotos), entre outros
Nitrognio (N2) Destilao fracionada do ar
Como matria-prima para a sntese da amnia e do cido ntrico; para a manuten-o de atmosferas inertes (empacotamen-to de medicamentos, comercializao de ores, conservao de alimentos, indstria do ao); como agente criognico (conge-lamento de carnes, manuteno de mate-riais biolgicos como smen e sangue)
Argnio (Ar) Destilao fracionada do ar Na produo de metais como zircnio e ti-tnio; soldagem de metais; em iluminao
Nenio (Ne), criptnio (Kr) e xennio (Xe)
Destilao fracionada do ar Em iluminao
Tabela 2.
17
Qumica 3a srie Volume 1
A internet um meio de comunicao mui-
to eficiente, rpido e democrtico, ou seja, toda
e qualquer pessoa pode publicar informaes,
sem que haja um controle sobre elas. Uma
pgina pode ser colocada e retirada da rede
a qualquer momento e pode conter informa-
es de qualidade ou no. importante que
os alunos entendam isso e que reconheam a
necessidade de tentar se precaver em relao
a informaes equivocadas quando forem
pesquisar algo. Pginas ligadas a institutos de
pesquisa, universidades e outras instituies
podem ser acessadas com mais confiana.
Mesmo assim, sempre aconselhvel consultar
diferentes fontes e comparar as informaes.
As informaes pesquisadas sero apresen-
tadas na aula seguinte, ou na mesma, caso se
opte por uma pesquisa rpida em sala. Nesse
caso, voc deve levar para a sala livros, revistas
e artigos de jornal, bem como materiais de ou-
tras fontes para que a consulta seja possvel.
Sugesto para o aprofundamento do estudo relacionando foras interpartculas e ponto de ebulio
Neste estudo, voc pode retomar e apro-
fundar as relaes entre as foras interpart-
culas e a estrutura da matria para explicar as
temperaturas de ebulio (contedo abordado
na 2a srie).
Retome algumas informaes importan-
tes: o gs argnio monoatmico; os gases
nitrognio e oxignio so diatmicos; no
estado gasoso, as partculas esto afastadas
umas das outras e no apresentam intera-
es; e no estado lquido h interaes entre
as partculas.
A aula poder ser encaminhada com per-
guntas como: As molculas de nitrognio, de
oxignio e de hidrognio so polares ou apo-
lares? Pode haver foras eltricas agindo entre
essas partculas (entenda-se por partculas as
molculas e o tomo de argnio)? Vocs lem-
bram qual a diferena entre o estado lquido e
o gasoso? Ento, como explicar que o ar atmos-
frico pode ser liquefeito? Vocs se lembram
do que so foras de London? O que um di-
polo instantneo? Como pode aparecer? Vocs
acham que eletrosferas grandes, com muitos el-
trons, so mais ou menos deformveis que ele-
trosferas pequenas, com poucos eltrons? Qual
o nmero atmico do nitrognio, do oxignio,
do hidrognio e do argnio? O que precisa acon-
tecer para que a mistura lquida de ar atmos-
frico passe para o estado gasoso? Analisem a
tabela apresentada no texto "Composio do ar
atmosfrico parte 1" e tentem explicar as dife-
renas nas temperaturas de ebulio usando as
ideias que acabamos de discutir.
Aps esse estudo, espera-se que os alunos
expliquem que, no estado lquido, existem
foras interpartculas fortes o suficiente para
que as partculas se mantenham relativamen-
te prximas. Eles devem entender que, como
essas foras so de carter eltrico e como
os gases componentes do ar atmosfrico so
apolares, as eletrosferas das partculas (dos
18
tomos e das molculas) tm de ser deforma-
das para que apaream momentos de dipolo
instantneos e, consequentemente, para que
apaream foras de atrao entre as partculas
vizinhas, instantaneamente polarizadas. So
as foras de London. Os alunos podero ex-
plicar tambm que a temperatura de ebulio
do hlio (Z = 2, TE = 269 oC) mais baixa
que a do argnio (Z = 10, TE = 186 oC),
pois seus tomos diferem em tamanho. O raio
atmico do hlio bem menor; sua eletrosfe-
ra , portanto, menos deformvel, menos po-
larizvel e, consequentemente, as interaes
eltricas instantneas entre seus tomos sero
mais fracas. A mesma explicao se aplica s
baixssimas temperaturas de ebulio apresen-
tadas pelos gases hidrognio e nenio.
Como explicar as diferentes temperaturas de ebulio dos gases que compem a atmosfera?
Para responder a essa questo, os alunos
podem realizar uma pesquisa, tendo como
base as ideias de fora interpartculas estuda-
das na 2a srie. Eles devem considerar que: os
gases hlio, nenio, argnio, criptnio e xen-
nio so monoatmicos; os gases nitrognio,
oxignio e hidrognio so molculas diat-
micas; no estado gasoso, as partculas prati-
camente no interagem; no estado lquido, h
interaes entre elas.
Pesquise informaes sobre foras
intermoleculares em livros didti-
cos, em suas anotaes feitas na 2 srie e em
outras fontes e responda s questes propostas.
1. Explique: as molculas de nitrognio, oxi-gnio e de hidrognio so apolares.
As molculas de nitrognio, oxignio e hidrognio so
apolares porque so formadas por dois tomos que apre-
sentam a mesma eletronegatividade; cada ncleo atrai os
eltrons do tomo vizinho com a mesma fora eltrica.
Dessa maneira, as nuvens eletrnicas esto igualmente
distribudas ao redor dos dois ncleos e, consequente-
mente, as molculas no apresentam momentos de dipolo
permanente.
2. Como explicar que, a uma mesma presso, o gs oxignio se liquefaa a uma tempera-
tura mais alta que o gs hidrognio?
As molculas do gs oxignio apresentam uma nuvem ele-
trnica maior que a das molculas do gs hidrognio, sendo,
portanto, mais deformveis. Quanto mais deformvel for a
nuvem eletrnica, maior ser sua polarizabilidade. Por isso,
os momentos de dipolo induzido que nelas aparecem so
mais intensos, e as atraes intermoleculares, maiores, sen-
do, portanto, necessria maior energia para separar essas
molculas umas das outras. Por esses motivos, a temperatura
de ebulio do oxignio maior que a temperatura de ebu-
lio do hidrognio.
Espera-se que, nessa pesquisa, os alunos apliquem conheci-
mentos estudados na 2 srie sobre interaes interpartculas
para entenderem as diferentes temperaturas de ebulio de
diferentes substncias. Com isso, espera-se que valorizem a
importncia de saber explicar as diferentes propriedades no
nvel microscpico, para que se possa entender processos de
obteno de materiais e, at mesmo, eventualmente, para
sugerir outros processos.
19
Qumica 3a srie Volume 1
Grade de avaliao da Situao de Aprendizagem 1
Aps a realizao desta Situao de Apren-
dizagem, espera-se que os alunos reconheam
que o ar atmosfrico uma mistura de gases.
No se deve esperar que todos entendam como
os gases so separados nas torres de destilao,
basta que saibam que a separao industrial dos
gases a partir do ar atmosfrico feita com base
nas diferenas entre suas temperaturas de ebuli-
o e que, quando se destilam misturas de com-
ponentes com temperaturas de ebulio muito
prximas, no se consegue uma boa separao,
e sim uma mistura de gases mais rica no com-
ponente mais voltil. interessante entender
que destilaes sucessivas permitem a obteno
de fraes cada vez mais ricas no componente
mais voltil e que os gases assim obtidos so
mais puros ou menos puros, dependendo do
dimensionamento das torres de destilao.
Muitos alunos tm apresentado dificulda-
des para entender que, quanto mais negativa
for uma temperatura de ebulio de um l-
quido, menos calor ser necessrio para que
passe do estado lquido para o gasoso. Uma
sugesto para facilitar esse entendimento
seria a construo de um diagrama que in-
ter-relacione as temperaturas de ebulio de
diferentes substncias. O 0 C deve aparecer.
desejvel tambm que eles consigam desen-
volver ou exercitar a habilidade de organizar e
relacionar dados e informaes apresentados
em tabelas. A construo de uma tabela de
converso entre C e K pode facilitar o enten-
dimento, pois, na escala Kelvin, as temperatu-
ras so sempre positivas. Por outro lado, o uso
dessa escala nem sempre permite aos alunos
compreender, no nvel sensitivo, quo frio
0 K (273 C).
Com relao s questes propostas, como
no foi estudada a presso de vapor, no se
espera a definio de temperatura de ebulio
como aquela em que a presso parcial do gs
se iguala presso externa. A questo referente
explicao dos usos dos termos temperatura
de ebulio e temperatura de liquefao parece
fcil demais, mas importante que se perce-
ba o que est ocorrendo no sistema. Espera-se
tambm que os conceitos de temperaturas de
fuso e de ebulio (a presses definidas) pos-
sam ser aplicados para predizer o estado fsico
em que uma substncia se encontra.
A respeito da pesquisa sobre usos e obten-
o de alguns gases, espera-se que a busca, a
seleo e a sntese de informaes permitam
que os alunos conheam algumas das aplica-
es dos gases obtidos a partir da destilao
fracionada do ar em processos industriais e
na vida diria atual. interessante que todas
as informaes colhidas pelos alunos sejam
discutidas e que eles anotem em seus cader-
nos detalhes que acharem interessantes. Esta
atividade tem por objetivo permitir a eles que
aprendam a buscar informaes e a reconhe-
cer a importncia da atmosfera como fonte de
materiais teis aos seres humanos.
20
Esta Situao de Aprendizagem tem o ob-
jetivo de mostrar a importncia do controle de
condies externas presso e temperatura em
uma transformao qumica para que ela seja
economicamente vivel. Abordaremos ento a
sntese da amnia dentro de uma perspectiva
histrica e econmica. A ideia de que existem
transformaes qumicas reversveis, nas quais
os reagentes se transformam at um determi-
nado limite, ser introduzida ao ser apresenta-
dos fatores que podem mudar esse limite, essa
extenso de reao. Posteriormente, estudare-
mos o estado de equilbrio qumico enquanto
processo dinmico, assim como maneiras de se
fazer previses a respeito do rendimento de rea-
es que entram em equilbrio qumico.
SITUAO DE APRENDIZAGEM 2 ESTUDO DA SNTESE E DA PRODUO INDUSTRIAL DA
AMNIA A PARTIR DOS GASES NITROGNIO E HIDROGNIO
A contextualizao do estudo ser feita por
meio da leitura orientada do texto a seguir. A
leitura conjunta em voz alta permite melhor
acompanhamento do estudo; voc pode orien-
tar o entendimento das palavras desconhecidas
para garantir que todos tenham lido at o mes-
mo ponto e que comecem a pensar nas respos-
tas ao mesmo tempo. Dessa maneira, o tempo
de aula pode ser melhor aproveitado e as dis-
cusses das respostas mais proveitosas. Se voc
preferir, ministre uma aula expositiva dialoga-
da envolvendo as principais ideias do texto.
Contedos e temas: sntese da amnia pelo processo Haber; influncia da presso e da temperatura no controle da rapidez e do rendimento de transformaes qumicas; transformaes qumicas reversveis que no se completam e entram em equilbrio dinmico.
Competncias e habilidades: compreender como os contextos histrico, econmico e cultural se inter--relacionam e influenciam o desenvolvimento de um novo processo qumico, no caso, o da sntese da amnia; analisar dados para compreender que existem transformaes qumicas que no se comple-tam segundo as previses estequiomtricas; entender o que acontece em sistemas e processos qumicos a partir de dados apresentados em tabelas e em descries de procedimentos experimentais (experimen-tos tericos); valorizar o controle de variveis em um processo de investigao.
Sugesto de estratgias de ensino: discusses desencadeadas por perguntas e por anlises de informa-es; leituras de textos seguidas de discusses.
Sugesto de recursos: material escrito, textos acompanhados de perguntas abertas.
Sugesto de avaliao: respostas dadas s questes propostas; realizao das tarefas.
21
Qumica 3a srie Volume 1
Sugesto de como encaminhar a leitura do texto Produo industrial da amnia pelo processo Haber-Bosch
O texto proposto longo e as informaes
devero deixar claro aos alunos que existem
transformaes que alcanam o que os qu-
micos chamam de equilbrio qumico, no
qual produtos e reagentes coexistem, e que as
quantidades de reagentes e produtos podem
ser modificadas dependendo das condies
de presso e de temperatura a que o sistema
submetido. Espera-se que eles compreendam
que esse controle fundamental para que pro-
cessos qumicos industriais sejam economica-
mente viveis. No um texto de fcil leitura,
pois apresenta um raciocnio sequenciado,
o que exige um trabalho intelectual atento. O
entendimento das ideias depende tambm da
compreenso de dados tabelados. Independen-
temente da escolha da estratgia leitura diri-
gida do texto ou aula expositivo-dialogada ,
desejvel que seja salientado:
f Quando Haber comeou o seu trabalho, j se sabia que a sntese da amnia apa-
rentemente no se completava, pois, co-
locando-se quantidades estequiomtricas
de hidrognio e de nitrognio, chegava um
momento em que a quantidade de amnia
formada atingia um limite mximo que no
mais se modificava com o passar do tempo.
N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)
Neste momento, auxilie os alunos a anali-
sar a tabela que apresenta a previso terica
da quantidade de produto, calculada pela es-
tequiometria da reao, e a quantidade obtida
experimentalmente a uma determinada condi-
o de presso e temperatura. Note que ser
proposto a eles que completem a quantidade
de amnia formada teoricamente.
O primeiro passo seria solicitar que usem
seus conhecimentos sobre estequiometria de
reao para fazer esse clculo. Esse procedi-
mento exigir um envolvimento mental ativo
dos alunos e permitir tirar alguma dvida que
venha a surgir entre eles. As quantidades de ma-
tria utilizadas (nmero de mols) foram propo-
sitalmente fceis para que no haja dificuldade
matemtica em perceber que a quantidade de
amnia obtida foi menor que a prevista este-
quiometricamente. Caso sejam apresentadas
dificuldades para fazer a previso, retome o ba-
lanceamento de equaes qumicas mediante
exerccios simples e pea previses em termos
de molculas e de mols de molculas.
Aps a previso terica da quantidade de
amnia, promova uma discusso na classe so-
bre a questo 2 proposta no texto, referente ao
que aconteceu na realidade. Aps os alunos
terem concludo que suas previses estequio-
mtricas no se realizaram, apresente a eles a
ideia de que existem reaes que, em determi-
nadas condies de presso e de temperatura,
atingem um limite mximo de formao de
produtos e, depois disso, no importa quanto
tempo se passe, as quantidades de produtos e
de reagentes permanecero constantes. Na lin-
guagem qumica, dito que essas reaes en-
traram em equilbrio qumico.
22
Uma das dificuldades de aprendizagem re-
ferente ao equilbrio qumico diz respeito ao
fato de se acreditar que, em sistemas que atin-
giram o equilbrio qumico, as quantidades de
reagentes so iguais s quantidades dos produ-
tos formados. Essa ideia equivocada pode es-
tar associada ideia de igualdade atribuda
palavra equilbrio. Tambm se faz a associao
de ideia de equilbrio a uma balana de pratos
que, quando em equilbrio, apresenta as mes-
mas massas nos dois pratos. Expresses como
equilbrio e equilbrio qumico so exemplos
de palavras-chave, isto , palavras que abrigam
conceitos e definies ou que sistematizam as-
suntos. Em situaes de conflito de significa-
dos, alguns professores sugerem o confronto
direto. Sugerimos que voc escute as ideias
dos alunos associadas palavra equilbrio e s
depois esclarea que, em Qumica, um sistema
atinge um equilbrio qumico quando as quan-
tidades de reagentes e de produtos, naquelas
condies de presso e de temperatura, no
mais se alteram. Isso, entretanto, no significa
que as quantidades de reagentes e de produtos
tenham de ser iguais.
Neste momento, a ideia de transformaes
qumicas que no se completam de acordo com
as previses estequiomtricas aplicada a ou-
tras transformaes qumicas. Isso se d por
intermdio da questo 1 da Lio de casa, que
analisa se a reao de queima de lcool etlico
um equilbrio qumico, e a seguir pela questo
2, que pede que se reconhea qual entre as duas
transformaes qumicas a queima do carvo
ou a formao do tetrxido de dinitrognio
atingiu um estado de equilbrio qumico.
Caso voc ache necessrio, outras pergun-
tas e exerccios podem ser propostos para que
se reflita sobre o que foi estudado at aqui.
Por exemplo:
f Foram colocadas para reagir uma substn-cia A e uma substncia B em um sistema fechado. Aps certo tempo, no se pode
mais detectar a presena nem de A nem de B, mas possvel detectar a presena de uma nova substncia X. Considerando que, durante todo o processo, a massa do
sistema se manteve constante, voc diria
que essa transformao atingiu um equil-
brio qumico? Justifique.
f Em um recipiente vazio, de capacidade de 1 litro, introduzido 0,8 mol de um com-
posto A e 0,8 mol de um composto B. Es-ses compostos reagem lentamente segundo
a equao:
1A + 1B 1C + 1D
Aps certo tempo, verifica-se que se for-
mou 0,6 mol de C e 0,6 mol de D, e que essas
quantidades se mantm constantes.
a) Voc diria que essa reao atingiu um equi-lbrio qumico? Justifique.
b) Quantos mols de A e de B coexistem com C e D?
Ao prosseguir com a discusso, voc pode
retomar as concluses anteriores, em que no
estado de equilbrio qumico coexistem rea-
gentes e produtos em quantidades constantes,
23
Qumica 3a srie Volume 1
mas no necessariamente iguais, e pode-se
continuar sua aula ou a leitura do texto, desta-
cando os passos de Haber para tentar encon-
trar uma maneira de obter maior quantidade
de amnia a partir da reao entre os gases
hidrognio e nitrognio.
Os pontos a ser considerados seriam:
f Fritz Haber, cientista alemo (1868-1934), verificou que, se a sntese fosse realizada
a temperaturas baixas (aproximadamen-
te 100 oC), essa transformao seria muito
lenta, e formaria uma maior quantidade de
amnia, ou seja, o rendimento da reao
seria alto. Porm, a transformao qumica
levaria tanto tempo que se tornaria invivel
em termos de produo industrial.
f Se a sntese fosse realizada a temperaturas al-tas (aproximadamente 1000 oC), essa trans-
formao seria mais rpida, entretanto seria
obtida muito pouca amnia gasosa, ou seja,
o rendimento da reao seria muito baixo.
Nessas condies, a transformao tambm
no seria vivel em escala industrial.
f Haber testou em laboratrio diferentes combinaes de presses e temperaturas, a
fim de conseguir um rendimento que per-
mitisse uma produo industrial de am-
nia economicamente vivel, ou seja, um
processo no to lento, mas ao mesmo
tempo com um rendimento alto.
Voc pode ento analisar com os alunos
a tabela que relaciona as porcentagens de
amnia formada a partir de reaes entre
quantidades estequiomtricas de nitrognio
e hidrognio usando as perguntas sugeridas
na sequncia do texto (de 1 a 6). Caso ache
necessrio, elabore mais perguntas para que
fique claro que h uma interdependncia
entre as condies de presso e de tempe-
ratura e o tempo e a quantidade de amnia
formada. Exemplos de questes: Quais se-
riam as condies de presso e de temperatu-
ra em que se formaria a menor porcentagem
de amnia? Caso o compressor disponvel s
conseguisse presses de, no mximo, 300 atm,
qual temperatura seria a mais adequada para
que se obtivesse a maior quantidade possvel
de amnia?
Portanto, deve ficar claro que a escolha da
temperatura e da presso influi diretamente
na quantidade de amnia que ser obtida.
A ideia de reversibilidade ser introduzida
analisando-se a maneira pela qual alteraes
nas condies de presso e de temperatura
em um mesmo sistema puderam mudar as
quantidades de amnia obtidas. Avalie o en-
tendimento dos alunos solicitando a eles que
localizem no texto como se pode concluir que:
f reagentes e produtos coexistem em trans-formaes que no se completam;
f as condies de presso e de tempera-tura influem na quantidade de amnia
formada;
f a reao de sntese da amnia reversvel.
24
O processo industrial de obteno da am-
nia ainda teve de ser aperfeioado, e as seguin-
tes informaes devem ser fornecidas:
f Na poca, j se tinha conhecimento de substncias que catalisavam transforma-
es qumicas, por isso Haber procurou um
catalisador que pudesse acelerar a sntese
da amnia sem ter de aumentar a tempe-
ratura. Ele fez reagir os gases hidrognio e
nitrognio sobre as superfcies de diferen-
tes metais (catalisadores).
f Na poca, mesmo sabendo que o aumento da presso ocasionaria aumento no ren-
dimento da amnia formada, no se dis-
punha de compressores que permitissem
presses superiores a 300 atm.
f A descoberta do processo Haber deu-se em 1909, s vsperas da Primeira Guerra
Mundial. O desenrolar da Histria poderia
ter sido muito diferente se os alemes no
dispusessem de amnia para produzir fer-
tilizantes agrcolas e explosivos.
f A obteno da amnia em escala indus-trial mostra a importncia de serem com-
preendidas e controladas as condies de
presso e de temperatura de uma transfor-
mao qumica para que esta seja econo-
micamente vivel.
Mesmo sem a pretenso de realizar um es-
tudo de caso, optamos por uma introduo ao
equilbrio qumico por meio da sntese da am-
nia inserida no contexto histrico e econmico
(Alemanha, incio do sculo XX, pouco antes
de ser deflagrada a Primeira Guerra Mundial).
A inteno mostrar a busca do ser humano
por matrias-primas nos recursos naturais de
que dispe e sua tentativa de transform-las de
acordo com suas necessidades. No caso, foram
usados recursos do ar atmosfrico.
Produo industrial da amnia pelo processo Haber-Bosch parte 1
Desde o fim do sculo XVIII j se sabia que
a amnia formada a partir dos gases hidrog-
nio e nitrognio na proporo em quantidade de
matria de 3:1 e que podia ser obtida pela reao
representada por:
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
Na Europa do incio do sculo XX, a amnia
era matria-prima na fabricao de compostos
nitrogenados, indispensveis para que a produo
agrcola fosse suficiente para alimentar a todos.
Compostos nitrogenados tambm eram usados
na indstria blica. Esses compostos eram obtidos
a partir do salitre (NaNO3) proveniente de minas
do Chile. Em 1900, o Chile exportou 1 milho de
toneladas de salitre, das quais 1/3 foi destinado
Alemanha. Alguns anos mais tarde, a exportao
anual do Chile ultrapassou 2,5 milhes de tonela-
das. Alm do problema de o Chile poder fixar os
preos do salitre, havia o perigo da exausto de
suas minas e, em decorrncia, haveria o declnio
das exportaes e a fome. Vrios pases europeus
25
Qumica 3a srie Volume 1
buscaram desenvolver mtodos para sintetizar
compostos nitrogenados a partir do gs nitrog-
nio, abundante na atmosfera. Alguns processos
foram desenvolvidos, porm consumiam muita
energia e produziam pouca amnia. A Alema-
nha tambm estava empenhada em desenvolver
um mtodo de obteno de amnia que usasse
como matria-prima o nitrognio do ar. Isso lhe
garantiria autonomia na obteno dessa subs-
tncia, autonomia crucial se levarmos em conta
o momento histrico pelo qual passava a Euro-
pa: vsperas da Primeira Guerra Mundial.
J se sabia que a sntese da amnia aparente-
mente no se completava, pois, empregando-se
quantidades estequiomtricas de hidrognio e de
nitrognio, havia um momento em que a quanti-
dade de amnia formada parecia ter alcanado
o limite mximo. Alcanado esse limite, se a tem-
peratura e a presso permanecessem constantes
e o sistema fosse mantido fechado, com a am-
nia formada existiria certa quantidade dos ga-
ses nitrognio e hidrognio, que, aparentemente,
no reagiriam. Ao limite mximo de produto
formado se d o nome de extenso da transfor-
mao qumica.
Elaborado por Hebe Ribeiro da Cruz
Peixoto e Maria Fernanda Penteado Lamas
especialmente para o So Paulo faz escola.
Questes para anlise do texto
1. Na tabela a seguir apresentado um exem-plo de quantidades envolvidas na sntese da
amnia, a partir dos gases hidrognio e ni-
trognio, realizada em sistema fechado, em
uma determinada condio de presso e de
temperatura. Com base na equao balan-
ceada que representa a sntese da amnia,
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g), faa uma
previso terica de quanta amnia deveria
ser formada e complete a tabela.
Estado inicial Estado final
Reagentes (mol)Produto formado
(mol)Reagentes no
transformados (mol)
N2 H2 NH3 N2 H2
Previso terica (estequiomtrica)
100,00 300,00 200,00 0,00 0,00
Realidade 100,00 300,00 135,00 32,50 97,50
Tabela 3. Previses tericas de produtos (de acordo com a estequiometria da transformao qumica) e as quantidades obtidas experimentalmente a uma determinada condio de presso e de temperatura.Adaptada de: GEPEQ Grupo de Pesquisa em Educao Qumica (org.). Interaes e transformaes II: Qumica Ensino Mdio: reelaborando conceitos sobre transformaes qumicas: cintica e equilbrio. Livro do aluno. 3. ed. So Paulo: Edusp, 2005, p. 25.
26
2. Observe o que ocorreu na realidade: for-
mou-se toda a amnia que se esperava de
acordo com a previso terica?
No. Formou-se uma quantidade menor do que a estequio-
metricamente prevista.
3. Que gases esto presentes no sistema de-pois da transformao qumica ter atin-
gido seu limite mximo, sua extenso
mxima?
Esto presentes os gases hidrognio, nitrognio e amnia.
Saiba mais!
Em um sistema fechado, a uma determi-
nada condio de presso e de temperatura,
e colocando-se quantidades estequiomtricas
de reagentes, podem ocorrer transforma-
es qumicas, como a de sntese da amnia
a partir dos gases nitrognio e hidrognio,
que atingem uma extenso mxima em que
coexistem reagentes e produtos. Essas quan-
tidades no se modificam ao serem mantidas
as condies de presso e de temperatura e
se o sistema for mantido fechado. O rendi-
mento obtido nesses tipos de transformao
qumica menor que o previsto teoricamen-
te, ou seja, menor que o calculado pela es-
tequiometria da reao. Diz-se que essas so
transformaes que entraram em um estado
de equilbrio qumico.
1. Na reao de combusto de certa quantidade de lcool etlico (eta-
nol), a previso terica da quanti-
dade de produtos formados confirmada
na prtica. Pode-se dizer que essa uma
transformao qumica que entra em equi-
lbrio qumico? Explique.
No, pois para que uma transformao qumica seja conside-
rada em equilbrio qumico, no deve haver a formao da
quantidade de produtos prevista pela estequiometria. Aps
certo tempo, a transformao parece parar de ocorrer. Nesse
momento, reagentes se transformam em produtos e produtos
se transformam em reagentes com a mesma rapidez. No caso
da combusto do lcool etlico, conforme descrito no enuncia-
do, a previso terica da quantidade de produtos formada se
conrma na prtica.
2. Na tabela a seguir so apresentados da-dos hipotticos (obtidos em determinadas
presso e temperatura) relativos s quanti-
dades de produtos formados nas transfor-
maes qumicas da combusto completa
do carvo e da formao do tetrxido de
dinitrognio. As medidas foram colhidas
at que as quantidades de produtos e de
reagentes no se alterassem mais.
Combusto completa do carvo:
1 C(s) + 1 O2(g) 1 CO2(g)
Formao do tetrxido de dinitrognio:
2 NO2(g) N2O4(g)
27
Qumica 3a srie Volume 1
Previso terica (estequiomtrica) Realidade
Transformao Reagentes (mol)Produtos
(mol)Reagentes no transformados
Reagentes (mol)Produtos
(mol)
Reagentes no transformados
(mol)Combusto completa do
carvo10 C (s) 10 O2 (g) 10 CO2(g) 0 10 C (g) 10 O2(g) 10 CO2 (g) 0
Formao do tetrxido de dinitrognio
10 NO2(g) 5 N2O4(g) 0 10 NO2(g) 3N2O4 (g) 4 NO2 (g)
Tabela 4.
Analise os dados da tabela e responda: al-
guma dessas reaes atingiu o equilbrio qu-
mico? Justifique.
A reao de formao do tetrxido de dinitrognio
(N2O4) entra em equilbrio qumico, pois o rendimento
obtido menor que o esperado pela previso terica.
No sistema, portanto, coexistem os gases dixido de ni-
trognio NO2(g) e tetrxido de dinitrognio (N2O4), que
se interconvertem com a mesma rapidez. Nesta tarefa,
espera-se que os alunos estendam o entendimento do
estado de equilbrio qumico a outros sistemas alm do
da sntese da amnia.
Produo industrial da amnia pelo processo Haber-Bosch parte 2
Fritz Haber (1868-1934), um qumico nascido
na Polnia, estudou e trabalhou na Alemanha,
onde buscou desenvolver um processo de obteno
do gs amnia a partir dos gases nitrognio e hidro-
gnio. O processo deveria permitir a produo de
amnia em escala industrial e ser economicamente
vivel. Haber fez reagir hidrognio e nitrognio ga-
sosos na proporo em quantidade de matria de
3:1 a diferentes temperaturas. Constatou que:
f Em temperaturas mais baixas, a transfor-mao ocorria mais lentamente, mas se ob-
tinham maiores quantidades de amnia.
Por exemplo, a aproximadamente 100 C
(temperatura considerada baixa para o pro-
cesso da sntese da amnia), obtinha-se uma
quantidade aprecivel de amnia, mas o tem-
po gasto era muito grande. Dessa maneira,
a obteno da amnia em escala industrial
tornava-se economicamente invivel.
f Em temperaturas mais altas, a transformao ocorria mais rapidamente, mas se obtinha me-
Figura 2. Fritz Haber.
T
ropi
cal P
ress
Age
ncy/
Hul
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Arc
hive
/Get
ty I
mag
es
28
Porcentagens de amnia formada a partir de misturas 3:1 de H2:N2
Presso (atm)
200 300 400 500
400 38,7 47,8 58,9 60,6
450 27,4 35,9 42,9 48,8
500 18,9 26,0 32,2 37,8
550 12,8 18,4 23,5 28,3
600 8,80 13,0 17,0 20,8
Temperatura (C)
Tabela 5.
GEPEQ Grupo de Pesquisa em Educao Qumica (org.). Interaes e transformaes II: Qumica Ensino Mdio: reela-borando conceitos sobre transformaes qumicas: cintica e equilbrio. Livro do aluno. 3. ed. So Paulo: Edusp, 2005. p. 26.
Elaborado por Hebe Ribeiro da Cruz Peixoto e Maria Fernanda Penteado Lamas especialmente para o So Paulo faz escola.
nos amnia. Por exemplo, a temperaturas pr-
ximas a 1 000 C, obtinha-se pouca amnia,
apesar de a transformao se dar mais rapida-
mente que a 100 C. O processo tambm era
economicamente invivel, pois se gastava muito
combustvel para aquecer os reatores e, apesar
de a transformao se dar mais rapidamente, a
quantidade de amnia obtida no compensava
o gasto envolvido em sua produo.
Haber resolveu testar essa reao a presses
mais elevadas. Testou ento diferentes combina-
es de presso e de temperatura buscando con-
dies em que a sntese da amnia fosse econo-
micamente vivel, ou seja, que ocorresse em um
tempo razoavelmente curto e que a extenso fos-
se grande o suficiente para compensar os custos
envolvidos.
Para tanto, fixou diversas temperaturas e va-
riou, para cada uma delas, as presses. Depois,
fixou diversas presses e variou as temperatu-
ras. Considerou as snteses terminadas quando
a quantidade de amnia formada se manteve
constante. Ento obteve dados semelhantes aos
apresentados na tabela a seguir.
29
Qumica 3a srie Volume 1
Questes para anlise do texto
1. Observe a tabela e avalie qual seria a me-lhor condio de presso e de temperatura
para se obter a maior quantidade possvel
de amnia.
De acordo com a tabela, a 400 C e 500 atm, obtm-se a
maior quantidade possvel de amnia.
2. O que voc faria para obter mais amnia (um rendimento melhor) a 400 C? E a
500 C?
Aumentaria a presso.
3. Complete: Ao se aumentar a presso, ___________o rendimento da reao de
sntese da amnia.
4. Qual o rendimento da sntese da amnia a 400 C e 500 atm de presso? E qual o
rendimento da sntese da amnia a 600 C
e 500 atm de presso?
A 500 atm e 400 C, o rendimento da sntese da amnia de
60,6%. mesma presso e a 600 C, o rendimento de 20,8%.
5. Complete: Ao se aumentar a temperatura, __________o rendimento da reao de sn-
tese da amnia.
6. Explique por que importante escolher e controlar as condies de presso e de tem-
peratura na produo da amnia pelo pro-
cesso Haber.
Como a amnia sintetizada a altas temperaturas e presses,
os custos operacionais so muito altos, pois h grande gasto de
energia. Quanto maior for o tempo despendido na produo,
maiores sero os gastos. O aumento da temperatura diminui
aumenta-se
diminui-se
o tempo para que a reao de sntese da amnia entre em
equilbrio, porm a extenso alcanada diminui. O aumento
da presso aumenta o rendimento, porm os custos opera-
cionais para que ocorra a compresso dos gases so altos.
importante que se saiba escolher e controlar as condies de
presso e de temperatura na produo da amnia para que os
gastos de sua produo sejam os menores possveis, levando-
-se em conta as condies tecnolgicas disponveis.
Vamos analisar mais uma situao:
considere que um analista qumico
resolveu repetir o experimento de
Haber. Para tanto, colocou em um frasco gs
hidrognio e gs nitrognio na proporo em
quantidade de matria de 3:1 (proporo es-
tequiomtrica) a 400 C e a uma presso de
200 atm. A amnia comeou a se formar. Es-
perou at que a quantidade de amnia no se
alterasse mais com o passar do tempo, ou seja,
at que o equilbrio qumico fosse alcanado.
1. Que gases esto contidos nesse frasco? Jus-tifique sua resposta.
No frasco deve haver os gases nitrognio, hidrognio e am-
nia, pois, como a sntese da amnia uma transformao
que atinge um estado de equilbrio qumico, ela se processa
at certa extenso; portanto, ainda restam reagentes, ou seja,
coexistem reagentes e produtos.
Depois, o qumico submeteu o mesmo
frasco temperatura de 450 C, mantendo
a presso de 200 atm. Esperou at que a
quantidade de amnia formada no se al-
terasse mais com o passar do tempo.
2. Que gases esto contidos nesse frasco? Ex-plique sua resposta.
30
No frasco continuam presentes os gases nitrognio, hidrog-
nio e amnia, pois se trata de uma transformao que alcan-
a um estado de equilbrio qumico. Mudando as condies
de temperatura e de presso, a extenso muda e as propor-
es entre as quantidades dos gases se modicam, porm os
trs gases continuam a coexistir.
3. O que deve ter acontecido com a quantida-de de amnia nessa temperatura aps o sis-
tema ter alcanado o novo equilbrio qu-
mico: aumentou ou diminuiu? Explique.
Como a temperatura foi aumentada e a presso foi mantida
constante, a quantidade de amnia no equilbrio deve ter
diminudo.
Depois dessa etapa, o qumico submeteu o
mesmo frasco a uma diminuio de tempera-
tura, at que o sistema alcanasse novamente
400 C, mantendo a presso de 200 atm. Es-
perou at que a quantidade de gs amnia
no se alterasse mais com o passar do tempo.
4. O que voc supe que tenha acontecido com a quantidade de gs amnia que coe-
xiste com os gases nitrognio e hidrognio
em equilbrio qumico?
A quantidade de gs amnia deve ter aumentado, pois a
temperatura diminuiu. A quantidade de gs amnia deve ser
igual quantidade obtida inicialmente pelo qumico (antes
de ter aumentado a temperatura para 450 C).
Professor, lembre-se que a equao que re-
presenta a sntese da amnia dada por:
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
Como, ao aumentar a temperatura, a quan-
tidade de amnia diminuiu e como o sistema
fechado, uma possvel explicao admitir que a
amnia formada se decomps nos reagentes. En-
to, podemos dizer que a reao reversvel, ou
seja, que se pode processar no sentido da forma-
o da amnia e da decomposio da amnia.
Agora podemos ampliar a ideia de equil-
brio qumico, pois percebemos que, se muda-
rem as condies de presso ou de temperatura
em que uma transformao qumica se pro-
cessa, pode-se mudar a quantidade-limite de
produtos formados, ou seja, mudando a tem-
peratura ou a presso, a extenso da trans-
formao qumica muda. Continuam, porm,
coexistindo reagentes e produtos no meio rea-
cional, s que em quantidades diferentes.
Produo industrial da amnia pelo processo Haber-Bosch parte 3
Em busca de rapidez no processo de pro-
duo da amnia, Haber resolveu testar as re-
aes em presena de diferentes catalisadores.
Naquela poca j se sabia que catalisadores so
substncias que reduzem o tempo de transfor-
maes qumicas. Fez ento reagir hidrognio
e nitrognio sobre as superfcies de diferentes
metais e procurou verificar como eles afetavam
a rapidez de obteno da amnia. Observou
que, quando a transformao ocorria sobre fer-
ro aquecido, o equilbrio qumico era atingido
mais rapidamente.
Ateno: catalisadores aumentam a rapidez de transformaes qumicas, porm no influem na extenso delas, ou seja, a quantidade mxima de produtos obtidos no ser alterada. No caso
31
Qumica 3a srie Volume 1
de transformaes que entram em equilbrio qu-mico, este ser alcanado mais rapidamente.
Mais tarde, Carl Bosch aperfeioou o pro-cesso Haber, que ficou conhecido como processo Haber-Bosch, e at hoje esse mtodo utilizado na obteno industrial da amnia.
Enfim, a obteno industrial da amnia mostra a importncia de serem compreendi-dos os fatores que podem influenciar a rapi-dez e a extenso com que uma transformao qumica acontece. A elevao da temperatura aumenta a rapidez com que a reao atinge seu limite (o equilbrio qumico), e depois dis-so a quantidade de amnia no se altera mais. De outro modo, o aumento da temperatura diminui a extenso da transformao, isto , uma menor quantidade de amnia formada. Em razo desses aspectos, necessrio esco-lher valores de presso e de temperatura que permitam que se obtenha a maior quantidade de amnia possvel, no menor tempo poss-
vel, para que o processo seja economicamente vivel.
Como se faz isso? necessrio saber anali-sar e calcular os diferentes rendimentos, nas va-riadas condies de temperatura e de presso, e verificar, para cada uma delas, quanta energia foi utilizada e qual foi o custo envolvido.
Em 2004, Paul Chirik coordenou uma equipe de pesquisadores da Universidade Cornell (Es-tados Unidos) que conseguiu quebrar as liga-es entre os tomos de uma molcula de gs ni-trognio, adicionando gs hidrognio e obtendo gs amonaco, sem a necessidade de altas tempe-raturas e de altas presses. Para tanto, utilizou uma soluo contendo zircnio. A converso foi feita a 85 C. O foco da busca agora encontrar um catalisador para essa reao de modo que ela possa ser utilizada em escala industrial.
Elaborado por Hebe Ribeiro da Cruz Peixoto e Maria Fernanda Penteado
Lamas especialmente para o So Paulo faz escola.
Depois da leitura do texto, solicite aos alu-
nos que registrem o que aprenderam sobre a
sntese da amnia pelo processo Haber-Bosch.
Para concluir o estudo, ser ressaltada a im-
portncia do nitrognio nos sistemas natural e
produtivo, solicitando aos alunos a pesquisa
a seguir. O principal objetivo que eles perce-
bam que a sntese de protenas, indispensveis
vida, no seria possvel sem o nitrognio.
Cada grupo pode buscar informa-
es sobre um ou mais itens sugeri-
dos a seguir, ou mesmo sobre
outros itens de acordo com a orientao do
professor. Sugerimos que pesquisem em livros
didticos de Biologia, jornais, revistas e na in-
ternet. Tentem organizar a pesquisa levando
em considerao as orientaes a seguir. Pre-
parem um resumo para apresentar aos colegas.
f Busquem exemplos que mostrem a impor-tncia do ciclo do nitrognio.
f Relacionem o ciclo do nitrognio com a sn-tese de protenas, assim como a importncia
dessa sntese para a vida como a conhecemos.
f Procurem informaes sobre o uso de ferti-lizantes base de nitrognio.
f Pesquisem informaes sobre as reaes para a obteno de algumas substncias ni-
trogenadas, fabricadas a partir da amnia e
32
presentes em fertilizantes, tais como a ureia
((NH2)2CO), o nitrato de amnio (NH4NO3),
o sulfato de amnio ((NH4)2SO4), o cloreto
de amnio (NH4Cl), o fosfato de clcio e
amnio (CaNH4PO4) e o nitrato de am-
nio e clcio (CaNH4(NO3)3).
f Busquem informaes sobre reaes que descrevem o uso da amnia como matria-
-prima na produo de cido ntrico e da
barrilha (carbonato de sdio).
f Pesquisem sobre os usos do cido ntrico como matria-prima.
A discusso do ciclo do nitrognio apon-
tar para a importncia de compostos amo-
niacais na fertilizao dos solos. Para que a
importncia dos fertilizantes seja reforada,
selecione alguma notcia de jornal que dis-
cuta a alta dos preos dos alimentos e que a
relacione com a substituio de lavouras des-
tinadas produo de alimentos por lavouras
destinadas produo de biocombustveis.
Para subsidiar melhor a discusso, informe
que, segundo dados divulgados pela Federao
das Indstrias do Estado de So Paulo (Fiesp)
em um documento que aponta as perspecti-
vas de custos de produo agropecuria para
2008 (Disponvel em: . Aces-
so em: 26 ago. 2013), a demanda por alimentos
no mundo est aumentando, e o aumento do
preo do petrleo pressiona a produo de bio-
combustveis, o que pode acarretar uma dimi-
nuio da oferta de alimentos, principalmente
de gros. Consequentemente, poder ocorrer
diminuio dos estoques mundiais, causando
aumento nos preos. O mesmo documento
informa tambm que so necessrias grandes
quantidades de fertilizantes para poder supor-
tar uma produo agrcola capaz de alimentar
a populao mundial e para produzir matria-
-prima para os biocombustveis, o que pode
acarretar uma alta no preo dos fertilizantes,
que se refletiria no preo final dos alimentos.
O Brasil o quarto pas consumidor de ferti-
lizantes, tendo consumido em 2006 aproxima-
damente 7% da produo mundial, dos quais
74% representam importaes. Essa dependn-
cia econmica pode ser discutida, assim como
o impacto de uma alta nos preos de alimentos
na qualidade de vida da populao.
Para que se conheam quimicamente as
substncias presentes nos fertilizantes, voc
pode trazer rtulos desses produtos e pedir aos
alunos que tentem explicar o significado da si-
gla NPK (conforme indicado em Aprendendo
a aprender, Caderno do Aluno). Sero encon-
trados diferentes sais de potssio, de amnio e
de fsforo, fundamentais para uma boa fertili-
zao dos solos. Como o foco do estudo so o
nitrognio e a amnia, pode-se destacar algu-
mas substncias nitrogenadas fabricadas a par-
tir da amnia e presentes em fertilizantes, tais
como a ureia ((NH2)2 CO), o nitrato de amnio
(NH4NO3), o sulfato de amnio ((NH4)2SO4), o
cloreto de amnio (NH4Cl), o fosfato de clcio
e amnio (CaNH4PO4) e o nitrato de amnio e
clcio (CaNH4(NO3)3), entre outras. Seguem as
reaes envolvidas na obteno de duas delas.
33
Qumica 3a srie Volume 1
Obteno do sulfato de amnio:
2NH3(g) + 2H+(aq) + SO4
(aq) 2NH 4 (aq) + SO4 (aq)
2NH 4 (aq) + SO4
(aq) evaporao (NH4)2SO4(s)
Obteno do fosfato de clcio e amnio:
2NH3(g) + 2H+(aq) + PO4
(aq) 2NH 4 (aq) + PO4 (aq)
NH 4 (aq) + Ca2+(aq) + PO4
(aq) evaporao CaNH4 PO4(s)
2 2
33
3
2
+
+
+
+
A amnia tambm importante matria-pri-
ma na fabricao de plsticos, de barrilha
processo Solvay, que ser estudado em detalhes
posteriormente e do cido ntrico.
O cido ntrico era inicialmente obtido a
partir da reao do salitre do Chile com ci-
do sulfrico. Atualmente, obtido a partir da
oxidao da amnia. As reaes envolvidas
encontram-se representadas a seguir:
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
3NO2(g) + H2O(l) 2HNO3(aq) + NO(g)
O cido ntrico importante matria-
-prima industrial. usado diretamente na
decapagem de metais, na sntese de cido sul-
frico, para fazer gravaes em metais, entre
outras aplicaes. usado na fabricao de
nitratos inorgnicos e orgnicos e de nitro-
derivados orgnicos de grande importncia
comercial. Muitos nitratos e nitrocompostos
so usados na fabricao de explosivos, tais
como o nitrato de amnio, a nitrocelulose e a
nitroglicerina. A anilina, matria-prima para
corantes e pigmentos, obtida a partir da re-
ao entre o cido ntrico e compostos org-
nicos aromticos.
Os alunos podem ser solicitados a encon-
trar exemplos de produtos industriais e natu-
rais importantes que faam parte de sua vida e
que contenham nitrognio ou seus derivados.
As seguintes perguntas podem ser adianta-
das aos alunos para que a prxima Situao
de Aprendizagem seja problematizada:
f O que significam as duas setas usadas na equao de sntese da amnia?
f Haber fez reagir o gs hidrognio com o gs nitrognio sobre uma superfcie aquecida de
ferro metlico. A obteno da amnia deu-se
mais rapidamente. Qual o papel do ferro?
34
f Como explicar que o aumento da tempe-ratura aumenta a velocidade da sntese da
amnia?
Essas questes sero estudadas e respondi-
das na Situao de Aprendizagem 3.
Algumas observaes
Atente-se para, ao descrever o estado de
equilbrio qumico, no dizer frases como
Aps atingir um estado de equilbrio qumi-
co, no se formam mais produtos. Ns sabe-
mos que, com isso, queremos dizer que, aps
atingir um equilbrio qumico, a concentrao
dos produtos no mais se altera (assim como
a dos reagentes), mas os alunos podem pen-
sar que a transformao ocorre somente at
aquele ponto e que depois ela para de aconte-
cer, deixando comprometida a ideia de equil-
brio dinmico e de reversibilidade.
Nesta Situao de Aprendizagem, optou-se
por sempre se falar em quantidade, em vez de
concentraes, para facilitar o entendimento.
Neste momento, isso ainda possvel; quando
forem exigidas previses, o equilbrio qumico
ser discutido em termos de concentrao.
Controlar variveis uma atitude muito im-
portante tanto ao se fazer investigaes cient-
ficas quanto na vida diria. Observar e analisar
uma situao, controlar variveis, observar
todos os ngulos antes de fazer suposies e
pular para concluses e decises precipitadas
so atitudes que se podem aprender para uma
vida melhor em sociedade. O estudo desse tex-
to permite esse desenvolvimento. Por exemplo,
ao se avaliar a influncia da temperatura e da
presso na rapidez e na extenso da sntese da
amnia, somente uma varivel era analisada
por vez: as outras eram fixadas.
Grade de avaliao da Situao de Aprendizagem 2
Com o estudo da sntese da amnia, es-
pera-se que os alunos entendam que existem
transformaes qumicas que no obedecem
s previses estequiomtricas, ou seja, que
em um determinado momento alcanam o
que se chama de equilbrio qumico, depois
que as quantidades dos produtos e reagentes
no mais se alteram. Espera-se tambm que
entendam que, no estado de equilbrio qu-
mico, coexistem reagentes e produtos e que
as quantidades dessas espcies dependem da
temperatura e da presso a que o sistema est
submetido. Mais adiante sero estudados o
estado de equilbrio enquanto processo din-
mico e as maneiras de fazer previses a respei-
to do rendimento de reaes que entram em
equilbrio qumico.
Nesta Situao de Aprendizagem, espera-
-se que eles tenham compreendido a impor-
tncia da amnia nos sistemas natural e
produtivo.
35
Qumica 3a srie Volume 1
Nos tpicos anteriores, foi discutida a sn-
tese da amnia a partir dos gases nitrognio e
hidrognio. Pde-se notar que foi muito im-
portante controlar as condies experimentais
adotadas para que houvesse rendimento satis-
fatrio, considerando-se a extenso e a rapi-
dez da transformao. Tambm importante
conhecer os fatores que afetam a rapidez das
transformaes para controlar outros proces-
sos, como a degradao dos alimentos ou a
corroso de estruturas metlicas. clara, en-
to, a necessidade de compreender como alte-
rar a rapidez das transformaes.
A expresso velocidade, comumente usada nos livros didticos, pode no ser a mais ade-
quada para descrever diferenas nos tempos
em que ocorrem as transformaes qumi-
cas, pois sugere que a grandeza medida tem
SITUAO DE APRENDIZAGEM 3 POSSVEL ALTERAR A RAPIDEZ COM QUE UMA
TRANSFORMAO QUMICA OCORRE?
carter vetorial (deslocamento/tempo). A
expresso taxa de transformao seria mais interessante, pois a grandeza em questo
mede a quantidade de reagentes transforma-
dos, ou a quantidade de produtos formados
em certo intervalo de tempo. Tambm pode
ser usada a expresso rapidez das transforma-es qumicas.
Para discutir a influncia da variao da
temperatura, do estado de agregao, da con-
centrao e da presso sobre a rapidez das trans-
formaes, so propostos experimentos simples,
que envolvem materiais de baixo custo e que po-
dem ser realizados em sala de aula. Nesta etapa
inicial, a abordagem dos fatores que afetam a ra-
pidez das reaes deve ser feita em nvel macros-
cpico, sem entrar nas discusses relacionadas
ao comportamento dos tomos.
Contedos e temas: variveis que podem modificar a rapidez de uma transformao qumica (concentra-o, temperatura, presso, estado de agregao e presena do catalisador) e procedimentos e
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