Transformações químicas, energia e radioatividade

Transformações químicas, energia e radioatividade

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Nome do Aluno

Organizadores Maria Eunice Ribeiro Marcondes

Marcelo Giordan

Elaboradores Isaura Maria Gonçalves Vidotti Luciane Hiromi Akahoshi Maria Eunice Ribeiro Marcondes Yvone Mussa Esperidião Silvia Maria Leite Agostinho

Química

5 módulo

Governador: Geraldo Alckmin

Secretaria de Estado da Educação de São Paulo

Secretário: Gabriel Benedito Issac Chalita

Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas – CENP Coordenadora: Sonia Maria Silva

Reitor: Adolpho José Melfi Pró-Reitora de Graduação

Sonia Teresinha de Sousa Penin

Pró-Reitor de Cultura e Extensão Universitária Adilson Avansi Abreu

Presidente do Conselho Curador: Selma Garrido Pimenta Diretoria Administrativa: Anna Maria Pessoa de Carvalho Diretoria Financeira: Sílvia Luzia Frateschi Trivelato

Coordenadora Geral: Eleny Mitrulis

Vice-coordenadora Geral: Sonia Maria Vanzella Castellar Coordenadora Pedagógica: Helena Coharik Chamlian

Coordenadores de Área

Biologia:

Paulo Takeo Sano – Lyria Mori

Física:

Maurício Pietrocola – Nobuko Ueta

Geografia:

Sonia Maria Vanzella Castellar – Elvio Rodrigues Martins

História:

Kátia Maria Abud – Raquel Glezer

Língua Inglesa:

Anna Maria Carmagnani – Walkyria Monte Mór

Língua Portuguesa:

Maria Lúcia Victório de Oliveira Andrade – Neide Luzia de Rezende – Valdir Heitor Barzotto

Matemática:

Antônio Carlos Brolezzi – Elvia Mureb Sallum – Martha S. Monteiro

Química:

Maria Eunice Ribeiro Marcondes – Marcelo Giordan

Produção Editorial

Dreampix Comunicação

Revisão, diagramação, capa e projeto gráfico: André Jun Nishizawa, Eduardo Higa Sokei, Mariana Pimenta Coan, Mario Guimarães Mucida e Wagner Shimabukuro

Cartas ao Aluno

Carta da Pró-Reitoria de Graduação

Caro aluno,

Com muita alegria, a Universidade de São Paulo, por meio de seus estudantes e de seus professores, participa dessa parceria com a Secretaria de Estado da Educação, oferecendo a você o que temos de melhor: conhecimento.

Conhecimento é a chave para o desenvolvimento das pessoas e das nações e freqüentar o ensino superior é a maneira mais efetiva de ampliar conhecimentos de forma sistemática e de se preparar para uma profissão.

Ingressar numa universidade de reconhecida qualidade e gratuita é o desejo de tantos jovens como você. Por isso, a USP, assim como outras universidades públicas, possui um vestibular tão concorrido. Para enfrentar tal concorrência, muitos alunos do ensino médio, inclusive os que estudam em escolas particulares de reconhecida qualidade, fazem cursinhos preparatórios, em geral de alto custo e inacessíveis à maioria dos alunos da escola pública.

O presente programa oferece a você a possibilidade de se preparar para enfrentar com melhores condições um vestibular, retomando aspectos fundamentais da programação do ensino médio. Espera-se, também, que essa revisão, orientada por objetivos educacionais, o auxilie a perceber com clareza o desenvolvimento pessoal que adquiriu ao longo da educação básica. Tomar posse da própria formação certamente lhe dará a segurança necessária para enfrentar qualquer situação de vida e de trabalho.

Enfrente com garra esse programa. Os próximos meses, até os exames em novembro, exigirão de sua parte muita disciplina e estudo diário. Os monitores e os professores da USP, em parceria com os professores de sua escola, estão se dedicando muito para ajudá-lo nessa travessia.

Em nome da comunidade USP, desejo-lhe, meu caro aluno, disposição e vigor para o presente desafio.

Sonia Teresinha de Sousa Penin. Pró-Reitora de Graduação.

Carta da Secretaria de Estado da Educação

Caro aluno,

Com a efetiva expansão e a crescente melhoria do ensino médio estadual, os desafios vivenciados por todos os jovens matriculados nas escolas da rede estadual de ensino, no momento de ingressar nas universidades públicas, vêm se inserindo, ao longo dos anos, num contexto aparentemente contraditório.

Se de um lado nota-se um gradual aumento no percentual dos jovens aprovados nos exames vestibulares da Fuvest — o que, indubitavelmente, comprova a qualidade dos estudos públicos oferecidos —, de outro mostra quão desiguais têm sido as condições apresentadas pelos alunos ao concluírem a última etapa da educação básica.

Diante dessa realidade, e com o objetivo de assegurar a esses alunos o patamar de formação básica necessário ao restabelecimento da igualdade de direitos demandados pela continuidade de estudos em nível superior, a Secretaria de Estado da Educação assumiu, em 2004, o compromisso de abrir, no programa denominado Pró-Universitário, 5.0 vagas para alunos matriculados na terceira série do curso regular do ensino médio. É uma proposta de trabalho que busca ampliar e diversificar as oportunidades de aprendizagem de novos conhecimentos e conteúdos de modo a instrumentalizar o aluno para uma efetiva inserção no mundo acadêmico. Tal proposta pedagógica buscará contemplar as diferentes disciplinas do currículo do ensino médio mediante material didático especialmente construído para esse fim.

O Programa não só quer encorajar você, aluno da escola pública, a participar do exame seletivo de ingresso no ensino público superior, como espera se constituir em um efetivo canal interativo entre a escola de ensino médio e a universidade. Num processo de contribuições mútuas, rico e diversificado em subsídios, essa parceria poderá, no caso da estadual paulista, contribuir para o aperfeiçoamento de seu currículo, organização e formação de docentes.

Prof. Sonia Maria Silva Coordenadora da Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas

Apresentação da área

A Química tem sido vista como vilã por muitos dos segmentos sociais que a desconhecem. Enquanto ciência, ela contribui para compreendermos as propriedades dos materiais, suas transformações e suas estruturas em um nível de organização inacessível aos nossos sentidos. Já os químicos, desempenham um papel importante na construção do conhecimento sobre processos e produtos que servem ao bem estar das pessoas. Alimentos, roupas, medicamentos, habitações são alguns exemplos de segmentos da indústria e da agropecuária, nos quais o conhecimento químico é fundamental.

É fato também que os impactos causados pelas atividades humanas no meio ambiente têm sido cada vez mais graves. O aumento do efeito estufa e a redução da camada de ozônio são exemplos de atividades que dependem da transformação dos materiais. Ainda assim, a Química não é a responsável por esses fenômenos indesejáveis. O conhecimento produzido pelos químicos é um dos instrumentos determinantes para aprofundar ou diminuir os impactos causados pelas atividades humanas no meio ambiente. Saber aplicar esses conhecimentos a partir de critérios e valores definidos pela sociedade é um dos principais instrumentos para tomar decisões sobre o controle dessas atividades e também para equacionar a complexa relação bem-estar social e meio ambiente.

Os conhecimentos abordados nesse Programa fornecem uma visão geral da fenomenologia das transformações químicas, suas interpretações em termos de modelos microscópicos e suas representações simbólicas. Conhecer as transformações significa também saber utilizá-las para nosso próprio bemestar. Assim, é importante conhecer aspectos quantitativos das transformações para evitar desperdícios, utilizar racionalmente a energia envolvida no processo, controlar a rapidez da transformação e seu rendimento. Estudar as propriedades das substâncias e interpretá-las em termos dos modelos de ligação química também contribui para evitar riscos à saúde e à contaminação ambiental e para compreender os processos de produção de novos materiais e medicamentos.

Defendemos o estudo da Química que não seja memorístico. Como alternativa, convidamos você a compreender processos químicos e estabelecer relações entre o conhecimento científico, suas aplicações e implicações sociais, econômicas, ambientais e políticas.

Apresentação do módulo

Sabemos que as transformações químicas envolvem energia. Assim como podemos prever as quantidades de reagentes e produtos que participam de uma reação, podemos prever também a quantidade de energia liberada ou absorvida numa transformação química.

Além de energia térmica – que você já conhece das reações de combustão – as transformações podem fornecer energia elétrica, como nas pilhas elétricas. Podem também ser provocadas pela energia elétrica, como é o caso da obtenção de alguns metais pelo processo da eletrólise. Pode-se, ainda, obter energia a partir de processos que ocorrem no núcleo de alguns átomos.

Neste módulo, você vai aprofundar seus conhecimentos sobre essas fontes de energia, além de aprender a fazer previsões e propor explicações sobre a origem e as diferentes manifestações da energia em processos químicos.

Com esse conhecimento, você será capaz de entender muitos dos fatos presentes em nosso dia-a-dia, como o funcionamento de usinas termoelétricas e nucleares, das pilhas elétricas, comparar o poder calorífico de combustíveis, e terá conhecimento para se posicionar frente a questões energéticas.

São propostos questões e exercícios ao longo do texto para que você vá interagindo com o conhecimento já adquirido e ampliando-o com novos conhecimentos. São apresentados também exercícios complementares para que você possa aplicar seu conhecimento em situações novas.

Este módulo é composto por 5 unidades: Unidade 1 – Transformações Químicas e Energia Unidade 2 – Transformações Químicas e Energia Térmica Unidade 3 – Transformações Químicas e Energia Elétrica Unidade 4 – A Energia Nuclear Unidade 5 – Exercícios Complementares

Unidade 1 Transformações

Para os homens das cavernas, que dispunham, inicialmente, apenas de sua força muscular, o controle e o uso do fogo, produzido a princípio pela combustão da madeira, significou uma ruptura definitiva com a vida animal. As transformações químicas, como a cocção de alimentos, a produção de utensílios cerâmicos, metais (como o ferro) e ligas metálicas (como o bronze), só se tornaram possíveis com a energia calorífica do fogo.

A utilização do fogo e da tração animal na agricultura desencadeou um processo de sedentarização, que culminou com a instalação de grandes impérios, aprofundando a divisão do trabalho e da sociedade em classes. A energia da mão-de-obra escrava passou a ser responsável pela manutenção da economia, mesmo entre povos como os gregos, que dispunham de tecnologia capaz de explorar outras fontes – eólica e hidráulica, por exemplo.

Durante a Idade Média, generalizou-se o uso de rodas d’água, de moinhos de vento e da tração animal na agricultura.

O alto-forno a carvão vegetal, já no século XIV, permitiu a fabricação de instrumentos agrícolas, que proporcionavam maior produtividade, aumentando o consumo energético. Para alimentar o alto-forno, as florestas foram sendo dizimadas, e o carvão mineral, um recurso esgotável, substituiu o vegetal.

Com o advento da máquina a vapor, no século XVII, a chamada Revolução Industrial ganhou impulso. A máquina passa a ser o principal instrumento de trabalho nas fábricas, embora ainda coexistindo com formas de produção artesanal. As diferenças sociais e o consumo energético aumentam. A grande transformação ocorre na indústria têxtil, com o tear a vapor, e nos transportes, com a locomotiva.

O petróleo, embora conhecido desde a Antiguidade, foi obtido pela primeira vez através de perfuração de poços em 1859. Utilizado na solução do problema de iluminação urbana, é hoje um dos responsáveis pela movimentação de motores de explosão, devido às características de seus derivados.

Os fenômenos elétricos já eram conhecidos desde o século VI a.C., mas a produção de corrente elétrica de forma controlada só foi obtida a partir dos trabalhos de Luigi Galvani (1737-1798), físico e médico, e Alessandro Volta (1745- químicas e energia1

1 Texto adaptado de GEPEQ. Interações e Transformações I Química para o Ensino Médio. São Paulo: EDUSP, 2003.

Organizadores

Maria Eunice Ribeiro Marcondes

Marcelo Giordan

Elaboradores

Isaura Maria Gonçalves Vidotti

Yvone Mussa Esperidião

1827), físico, ambos italianos. Volta descobriu que a corrente elétrica poderia se manifestar na interação de metais e soluções, construindo, em 1800, uma pilha.

Michael Faraday (1791-1867), mais tarde, verifica relações de proporcionalidade entre quantidade de matéria e corrente elétrica. Dos estudos de Faraday e de outros cientistas, pôde-se concluir que as transformações poderiam gerar corrente elétrica e esta poderia gerar transformações.

Atualmente, o grande uso das transformações químicas que geram energia elétrica é na fabricação de diversos tipos de pilhas e baterias. Muitos produtos, como os metais, são obtidos a partir de transformações que consomem energia elétrica.

A energia nuclear passa a ser difundida após o final da Segunda Grande

Guerra, pretensamente como substituta às fontes não renováveis. É possível obter energia elétrica a partir de transformações nucleares. No entanto, problemas decorrentes dessa fonte de “energia do futuro”, como proliferação de armas, problemas ambientais, a questão do lixo atômico e os riscos de acidentes, ainda não foram equacionados.

Algumas fontes de energia no Brasil podem ser observadas na tabela 1.

PetróleoCarvão Gás Natural Urânio
RefinariaSiderurgia Gasômetro enriquecido
GLPcarvão metalúrgico gás
Querosenecarvão-vapor
DieselTermoelétrica
Öleo combustívelELETRICIDADE
LenhaCana Biomassa Sol, Vento, Mar Quedas d´água
CarvoariaDestilaria Biodigestor Hidrelétrica
Carvão vegetalÁlcool Biogás
LenhaBagaço

Fontes de Energia Não renovável Gasolina Renovável Tabela 1

Ao aquecer o sistema sua temperatura aumenta; portanto, o sistema recebe “algo”. Ao se resfriar, o sistema entrega “algo”. Este “algo” foi chamado calor.

Galileu (1613) admitia o calor como matéria. Esta matéria é extraordinária, é capaz de penetrar em todo corpo e sair dele. A substância (corpo ou fluido) termógena não é gerada nem destruída e sim redistribuída entre os corpos. Ao aumentar a quantidade de fluido termógeno ou calorígeno no corpo, a temperatura aumenta; diminuindo-a a temperatura também diminui. Quando não existe praticamente substância termógena, a temperatura atinge o valor mínimo possível, ou seja, o zero absoluto.

F. Bacon (1620), baseando-se na observação de que um pedaço de ferro se aquece quando submetido a fortes golpes de um martelo (fato conhecido por qualquer ferreiro) e também no fato de ser possível gerar fogo por atrito, concluiu: o calor é o resultado do movimento das partículas que constituem um corpo e a temperatura é determinada pela velocidade com que estas partículas se movimentam. (KRICHEYSKI, I. R., PETRIANOV, I. V. Termodinámica para muchos. Moscou: Editorial MIR, 1980) (tradução nossa)

Desde que o homem primitivo aprendeu a utilizar o fogo para o seu beneficio (aquecer-se, defender-se, cozinhar alimentos), a obtenção de energia a partir de transformações químicas, em especial as combustões, tem exercido papel fundamental nas sociedades.

Durante muitos séculos, a combustão da madeira e de outros materiais como óleos e gorduras foi utilizada como fonte de energia. Álcool, gasolina, óleo diesel, lenha, carvão mineral, gás liquefeito de petróleo e querosene são exemplos de combustíveis atualmente utilizados em diferentes setores de atividades do homem. Nossa própria vida depende da energia proveniente da combustão da glicose em nossas células. Foguetes são colocados em órbita terrestre graças à combustão de materiais apropriados, como o gás hidrogênio. Também nas usinas termelétricas, o calor produzido em combustões é transformado em energia elétrica.

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