JBCS

INTRODUÇAO

O ar que respiramos é essencial à vida, mas é também um recurso que pode ser usado com objetivos pedagógicos. As experiências aqui descritas usam o ar como fonte de gases, por ser uma mistura facilmente acessível e barata. O nitrogénio (nitrogênio), que é o componente mais abundante do ar (cerca de 78,1% em volume) pode ser usado no estado líquido como agente de refrigeraçao. A pressao atmosférica, o nitrogénio liquefaz à temperatura de -195,8 °C.^1,2 A essa temperatura o oxigénio (O₂, cerca de 21% do ar em volume), que apresenta uma temperatura de ebuliçao mais elevada, encontra-se também no estado líquido (ponto de ebuliçao = -183,0 °C)¹ enquanto que, o dióxido de carbono (CO₂; cerca de 0,03%) e a água (H₂O; variável) passam ao estado sólido a -78,5 °C e 0 °C, respetivamente. Para além destes componentes, é ainda significativa a quantidade de árgon (argónio; cerca de 0,9% em volume).³ A propósito da composiçao do ar, pode referir-se que a evoluçao da vida na Terra está associada à variaçao dos teores dos componentes da atmosfera ao longo dos tempos. Por exemplo, na Era Paleozoica (há cerca de 350 a 250 milhoes de anos) o teor de oxigénio (constituinte capturado do ar pelos organismos vivos e fundamental para os processos metabólicos associados ao voo) na atmosfera era mais elevado do que presentemente, o que favoreceu a existência de animais voadores com dimensoes superiores, em comparaçao com os atuais. Nessa altura e tendo em consideraçao a relevância do oxigénio nas combustoes,^4,5 havia também condiçoes mais favoráveis ao aparecimento e propagaçao de incêndios florestais.

Há na literatura várias experiências em que o nitrogénio líquido é usado com fins pedagógicos para ilustrar a composiçao do ar,⁶ as leis de Boyle,⁷ de Charles ou de Avogadro,⁸ ou ainda para fazer sorvete⁹ ou truques com baloes.^10-13 Todavia, tanto quanto averiguamos nao encontramos descriçoes de experiências com objetivos pedagógicos em que sejam efectuadas medidas de volume ou pressao, associadas à contraçao ou expansao do ar. No sentido de preencher essa lacuna, preparámos algumas experiências em que se mostra quantitativamente as diferenças no volume ocupado e pressao exercida por uma certa quantidade de ar (essencialmente devido ao oxigénio) no estado gasoso ou líquido. Estas diferenças nao sao facilmente entendidas pelos estudantes só com base nos valores obtidos em cálculos, mas sao muito relevantes para a interpretaçao de alguns fenómenos científicos e tecnológicos. A equaçao dos gases perfeitos (PV=nRT; P-pressao, V- volume, n-número de moles, R-constante, T-temperatura) é ensinada em nível pré-universitário como sendo uma aproximaçao aceitável à equaçao dos gases reais, que para ter em conta as interaçoes intermoleculares apresenta uma expressao mais elaborada.¹⁴ Ao usar a equaçao dos gases perfeitos, raramente os valores numéricos adquirem um significado que permita relacioná-los com valores do dia-a-dia, pelo menos tanto quanto a nossa experiência de professores nos permite avaliar. No sentido de tornar mais sensíveis aspetos menos evidentes, refira-se o fato de cerca de 150 mL de água contida num copo (que corresponde o volume aproximado de uma bola de ténis ou tênis) ao passar para o estado de vapor ocupa o volume correspondente ao de cerca de 36 bolas de futebol, i.e. 200 L (P=1 atm, T=25 °C). Nas experiências descritas em seguida foram usados materiais e equipamentos disponíveis na grande maioria de laboratórios de ensino.

EXPERIENCIAS (EXPERIMENTOS) E DISCUSSAO

Advertência

As experiências aqui descritas envolvem a manipulaçao de líquidos criogénicos (criogênicos, nitrogénio e oxigénio líquidos) que podem provocar queimaduras severas,^15,16 pelo que deverao ser garantidas as medidas adequadas de proteçao individual. Recomenda-se o uso de luvas apropriadas e óculos de proteçao. As experiências devem ser realizadas em local bem arejado para manter a razao O₂/N₂ em níveis adequados, dado que um abaixamento significativo deste valor pode causar a asfixia.

A preparaçao das montagens envolve em alguns casos conectar mangueira de plástico a tubo de vidro, o que deverá ser feito recorrendo ao auxílio de uma toalha para evitar que, caso parta, o vidro possa causar ferimentos.

Experiência 1 - Há algo no tubo «vazio»!

Suspender um tubo cilíndrico de pirex (1) usando uma garra (3), tal como indicado na Figura 1a. Fazer deslizar a garra de modo a que o tubo entre quase todo num vaso térmico (Dewar, 2 na Figura 1). Colocar nitrogénio líquido no Dewar até que fique quase cheio. Deixar o sistema repousar (tubo aberto) durante cerca de 10 minutos. Com cuidado, mover a garra para cima até que o tubo fique completamente fora do Dewar (Figura 1b). Observar o líquido no fundo do tubo (Figura 1c); nestas condiçoes quase todo o líquido é oxigénio (ver a composiçao do ar e temperaturas para mudança de fase dos seus principais componentes na Introduçao). Notar que o tubo está muito frio e condensa no exterior a humidade existente na atmosfera. Dependendo da temperatura ambiente, o regresso do O₂ ao estado gasoso poderá levar mais ou menos tempo.

Figura 1. Liquefaçao do ar (essencialmente oxigénio) por (a) imersao de um tubo «vazio» em nitrogénio líquido (b). 1 - Tubo de pyrex com esmerilado B24/29; 2 - Vaso de Dewar; 3 - Suporte universal e garra

Após evaporaçao do líquido é visível, no fundo do tubo, um sólido branco (mistura de CO₂ e H₂O, ver Introduçao). A quantidade de sólido branco diminui à medida que o CO₂ (também designado por gelo seco) sublima e quando a temperatura ultrapassa os 0 °C (mensurável com um detetor térmico de infravermelhos, comercializado em alguns supermercados) desaparece dando lugar a um líquido (H₂O).

Sugestao

Esta experiência poderá ser aproveitada para explicar o processo industrial de liquefaçao e separaçao dos componentes do ar,^17-19 desde que os participantes estejam vocacionados para a área das tecnologias.

Experiência 2 - Aprisionado!

Esta experiência pretende passar de um nível qualitativo a um nível quasi-quantitativo no que respeita à avaliaçao da quantidade de oxigénio no ar e à variaçao dos parâmetros volume e pressao associados às mudanças de estado (gasoso→líquido e líquido→gasoso).

Preparaçao da montagem

Conectar um balao de vidro (> 2 L, 1 na Figura 2) a uma proveta graduada (6, tal como exemplificado na Figura 2) usando um tubo de borracha para gás, no qual foi inserido uma torneira e um T de plástico (7, na Figura 2), para ligaçao a um manómetro (manômetro) de registo de baixas pressoes (2 na Figura 2c). A proveta graduada deve ser fechada através de uma rolha de borracha (4, na Figura 2b) em que foram feitos três orifícios: um para ligar uma torneira (3), que através de um T de vidro (7) permite a conecçao a um manómetro (2), e a um balao de vidro (1), outro para colocaçao de uma torneira (Figura 2, esquerda) e o terceiro para montagem de uma válvula de escape (5, nas Figuras 2a e 2b) que será ativada em caso de aumento excessivo de pressao (ver material suplementar para descriçao da válvula de escape).

Figura 2. a) Montagem destinada a promover a liquefaçao do ar e a mediçao do abaixamento de pressao no balao (1): (a) proveta graduada (ampliaçao - 6); b) rolha com três orifícios (4), mostrando uma válvula de escape de pressao no furo central (5); c) manómetro, indicando valores no início (cima - 2a) e no final (baixo - 2b) da experiência; 3- torneira de vidro; 7- T de plástico

Execuçao

Mantendo o sistema fechado e introduzindo a proveta graduada no nitrogénio líquido (procedimento semelhante à experiência 1) o ar contido no balao e na tubagem de ligaçao (quantidade desprezável em face do volume do balao) liquefaz (essencialmente o oxigénio). A pressao no sistema baixa (P_queda=0,21x760 mmHg), podendo essa variaçao ser medida no manómetro (Figura 2c).

Quando a pressao estabiliza, o volume do líquido, na proveta, pode ser medido, retirando-a rapidamente do nitrogénio líquido. A leitura deve ser feita de imediato, pois em sistema aberto o oxigénio líquido passa de imediato ao estado gasoso. A partir do volume de líquido medido, considerando constante o número de moles, pode calcular-se o volume de gás correspondente, usando a equaçao dos gases perfeitos. Comparando o volume calculado com o volume do balao de vidro pode concluir-se que apenas cerca de 20% do gás liquefaz (ver material suplementar), o que permite confirmar que nestas condiçoes a quantidade de nitrogénio que passa ao estado líquido é praticamente desprezável.

Experiência 3 - Regresso à liberdade!

Preparaçao da montagem

Usando a montagem da experiência anterior, conectar à torneira de dupla via (3a) a um manómetro (2a) e em paralelo um balao (6) (Figura 3).

Figura 3. (a) Montagem para avaliar as variaçoes de pressao associadas às mudanças de estado (gás/líquido e líquido/gás) do oxigénio do ar; (b) Fases da leitura, mostrando o aumento de pressao à medida que o oxigénio líquido passa ao estado gasoso; (c) Balao de criança cheio com o oxigénio que inicialmente se encontrava no balao de vidro (1); 1- balao; 2- manómetro (indica abaixamento de pressao); 2a- manómetro (indica aumento de pressao); 3- torneira de vidro; 4- rolha com três orifícios; 5- válvula de escape de pressao no furo central; 6- balao de borracha

Execuçao

Esta experiência pode ser realizada na sequência da anterior. Em alternativa, repetir o procedimento usado na experiência 2, mas antes de retirar a proveta graduada de dentro do nitrogénio líquido, é preciso fechar a torneira da direita que liga ao balao de vidro (3, Figura 3) e abrir a torneira de dupla via (3a), conectando-a assim ao manómetro da esquerda (2a). O oxigénio liquefeito nao irá poder expandir-se livremente e a pressao no manómetro 2a irá aumentar, fazendo girar o ponteiro do manómetro no sentido horário (Figura 3b, no sentido ascendente). Rodando a posiçao da torneira de dupla via (3a), o balao de borracha (6) ficará conectado e o aumento da pressao irá insuflá-lo (Figura 3c) com oxigénio que, devido ao aumento de temperatura, vaporiza, voltando ao seu estado físico normal (gás). A válvula de escape (5) colocada no sistema abrirá, por questoes de segurança, permitindo o alívio de pressao se esta aumentar excessivamente.

Experiência 4 - Os baloes que respiram

Prender um tubo de vidro com esmerilado (1) usando uma garra. Preparar uma «cabeça» com duas ligaçoes ao exterior que permita tapar o tubo de vidro (2, Figura 4a). Adaptar e prender dois baloes às extremidades livres da «cabeça» tal como indicado na Figura 4b. Introduzir o tubo de vidro aberto no Dewar e colocar nitrogénio líquido tal como referido na experiência 1. Deixar liquefazer ar durante 5-10 minutos. Tapar o tubo de vidro (1) usando o sistema ao qual foram adaptados os baloes, previamente esvaziados (Figura 4c), fixando-o com um clip de junçao em plástico (3, Figura 4c). Lentamente retirar o tubo de dentro do Dewar. Ir-se-á observar o enchimento dos baloes, terminando o processo quando todo o ar regressar ao estado gasoso.

Figura 4. Montagem para observar ciclos de expansao / contraçao de baloes de borracha devido às mudanças de fase do oxigénio do ar

Voltando a mergulhar o tubo de vidro, o ar (essencialmente o oxigénio) liquefaz e os baloes contraem. O processo pode ser repetido muitas vezes (como se os baloes respirassem, desde que se minimizem as fugas no sistema - ver filme anexo). Este processo cíclico de evaporaçao/condensaçao poderia permitir verificar a lei da conservaçao de massa nas mudanças de fase, caso se fizesse uma determinaçao rigorosa da massa. Note-se que o volume dos baloes pode variar ligeiramente devido à sua perda de elasticidade e/ou a pequenas fugas de gás. No início, os dois processos podem até, eventualmente, compensar-se.

Sugestao

A visualizaçao do fenómeno de expansao / contraçao dos baloes pode ser usado para explicar fenómenos associados ao aumento de pressao, por vezes elevado, que acompanha a formaçao/expansao de gases em sistemas fechados. É o caso, por exemplo, da formaçao das pipocas por aquecimento dos graos de milho. A água no seu interior fica sobreaquecida,²⁰ entre os seus constituintes ocorrem reaçoes com formaçao de gases, a pressao aumenta (pode atingir cerca de 931 kPa) e o grao de milho rebenta. É também o caso da explosao de reatores, tanques de armazenamento ou outros eventos tecnológicos associados à formaçao de gases em reaçoes químicas nao desejadas originando acidentes industriais graves. Em Bhopal (1984), na India, o aumento de pressao num depósito contendo isocianato de metilo (CH₃NCO) devido à entrada involuntária de água, promoveu uma reaçao química [CH₃NCO (l) + H₂O (l) → CH₃NH₂ (g) + CO₂ (g)] em que por cada litro de água se formaram 2700 litros de gases. A pressao no interior do depósito aumentou e foram expelidos para a atmosfera gases que mataram muitos milhares de pessoas que se encontravam nas imediaçoes da fábrica. Para elucidar fenómenos deste tipo estao disponíveis no sítio do Chemical Safety Board²¹ vários vídeos que ilustram as consequências do aumento de pressao em sistemas fechados, como por exemplo Reactive Hazards vídeo,²² os quais podem ser mostrados no contexto do ensino da segurança química industrial.

Experiência 5 - Forças intermoleculares em açao ...

Insuflar três baloes de cores diferentes usando ar, hélio e dióxido de carbono. Introduzir lentamente o primeiro balao num Dewar com nitrogénio líquido, observar e repetir com o segundo e terceiro baloes. Observar as diferenças/semelhanças e verificar que os dois baloes cheios com ar e CO₂ contraem e parecem vazios, enquanto o balao cheio com hélio pouco varia de volume. A explicaçao reside nas forças de interaçao entre átomos (He) e/ou moléculas apolares (CO₂) que sao basicamente forças de dispersao de London, mais fortes para átomos ou moléculas com área superficial mais elevada e portanto com nuvens eletrónicas (eletrônicas) mais suscetíveis de sofrer deformaçao (maior polarizabilidade). É o caso do CO₂, que à temperatura do nitrogénio líquido se reorganiza e muda de estado, consequentemente, o volume do balao reduz-se significativamente. No caso do hélio, as forças interatómicas sao fracas, nao há reorganizaçao apreciável (só liquefaz a -269 °C) e o gás quase nao sofre contraçao, exceto a causada pela variaçao de volume resultante da diminuiçao de temperatura, o que é muito inferior do que a induzida pela mudança de estado. No ar há vários componentes (O₂, N₂, CO₂, H₂O, etc.) que apresentam entre os seus átomos ou moléculas interaçoes muito distintas,²³ umas mais fortes (CO₂, H₂O), outras menos (N₂, O₂). Comparativamente, o balao cheio com ar reduz significativamente de volume, mas menos do que o balao cheio com CO₂ e mais do que o que contém He.

Sugestao

Pode aproveitar-se para fazer aprofundar o conhecimento referente a interaçoes intermoleculares e/ou transiçoes de fase.

NOTA FINAL

A grande maioria das experiências aqui descritas foi realizada durante os «Laboratórios Abertos» que decorrem anualmente no Departamento de Engenharia Química do Instituto Superior Técnico (IST),²⁴ Universidade de Lisboa, no âmbito da divulgaçao da Química. Os «Laboratórios Abertos» sao uma açao que tem como monitores alunos do 1º ciclo dos cursos de Engenharia Química do IST, os quais durante 1 a 2 semanas apresentam e explicam experiências (previamente preparadas com orientaçao de professores). Essas experiências têm um duplo objetivo: 1) permitir aos monitores o aprofundamento dos seus próprios conhecimentos; 2) incentivar a que os partilhem, despertando nos mais novos o interesse pelo estudo e aprendizagem da Química.

As açoes dos «Laboratórios Abertos» sao abertas às escolas básicas e secundárias, mediante inscriçao (gratuita). Na última acçao (2015) participaram cerca de 2000 alunos. O módulo em que se inserem as experiências aqui descritas (apenas algumas) fazem parte de um bloco²⁵ que recebeu dos participantes a maior atençao e interesse, suscitando diversas perguntas. Uma das demonstraçoes que cativou todos os estudantes foi a experiência 4, «Baloes que respiram».²⁶

Dependendo da faixa etária dos participantes, bem como da sua motivaçao para tentar entender os "porquês", os conceitos envolvidos nas experiências propostas permitiram atingir diversos níveis de interaçao, sendo por todos reconhecida a enorme diferença entre o volume do balao grande (Figura 2) e o pequeno volume de oxigénio liquefeito (Experiência 2). O carácter lúdico associado às variaçoes de volume usando baloes coloridos é particularmente motivadora para os mais novos (8-10 anos).

MATERIAL SUPLEMENTAR

Estao disponíveis informaçoes suplementares sobre materiais, cálculos e algumas imagens de pormenor dos sistemas utilizados neste trabalho no endereço http://quimicanova.sbq.org.br, com acesso livre.

AGRADECIMENTOS

Ao J. Teixeira (funcionário do laboratório) pela ajuda prestada durante a preparaçao das experiências e pela filmagem do vídeo «Baloes que respiram». Ao Alexandre Lemos (estudante de engenharia informática) pela colocaçao do vídeo na página dos «Laboratórios Abertos». Ao Departamento de Engenharia Química do Instituto Superior Técnico pela cedência dos laboratórios e outras facilidades. A FCT-Fundaçao para a Ciência e Tecnologia pelo financiamento (UID/QUI/00100/2013).

REFERENCIAS

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