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LOCAL DAS AULAS página 1
INSTRUÇÕES GERAIS página 2
ROTEIRO PARA EXPERIÊNCIA CA-1 - POTENCIAL DE CORROSÃO página 3
ROTEIRO PARA EXPERIÊNCIA CA-2 - POTENCIAL REDOX página 5
ROTEIRO PARA EXPERIÊNCIA CA-3 - ENTALPIA DE HIDRATAÇÃO página 7
LOCAL DAS AULAS
PMT-3130 – 2017
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Os alunos devem verificar as datas de cada experiência de sua turma (Cronograma, no STOA-Moodle) e se preparar para cada uma delas. O principal é a leitura do capítulo correspondente na apostila, e a leitura do roteiro, ambos disponibilizados no STOA-Moodle.
Tal como em qualquer laboratório químico, os alunos devem portar um avental durante as experiências, e evitar roupas e calçados muito abertos, cabelos longos soltos, etc. Nenhuma das experiências oferece riscos (não há temperaturas elevadas, reagentes perigosos, etc), mas qualquer ambiente laboratorial exige cuidado.
As aulas serão realizadas nas salas e laboratórios do Piso Superior do Bloco 21 dos prédios do Departamento de Engenharia Química, no Conjunto das Químicas (um pouco acima da FFLCH). Os experimentos serão realizados pelos alunos, com apoio e supervisão dos docentes e técnicos, com base no roteiro correspondente e em informações adicionais prestadas no próprio laboratório. Em todas as três experiências previstas, há margem para algumas decisões dos alunos sobre o planejamento experimental, e são bem vindas propostas de alterações no roteiro original ou de experimentos ou observações adicionais. Sugere-se, contudo, que seja mantido o foco nos objetivos propostos nos roteiros ou, eventualmente, em algum objetivo alternativo aceito pelo docente.
No próprio dia da experiência, ao final da aula, cada equipe deve apresentar um relatório simples com todas as informações sobre o experimento realizado, comentários sobre resultados duvidosos ou inesperados, dúvidas conceituais, dificuldades encontradas, sugestões, etc. Este relatório pode se assemelhar a páginas de um Caderno de Laboratório. Embora manuscrito, este relatório deve ter grande clareza, pois será a base para a elaboração do Relatório Final. E deve ser redigido com caneta ou lápis bem escuro, para que possamos fazer uma cópia, ficando o original com os alunos.
Após o término de todas as aulas de laboratório, no final de maio, cada equipe deverá elaborar um Relatório Final de cada experiência, trazendo capítulos de contextualização (por exemplo, Introdução, Revisão Bibliográfica, etc), de Materiais e Métodos, de Resultados, Tratamento de Dados e Discussões, de Conclusão, eventuais anexos, etc.
Nos roteiros específicos de cada experiência, são definidos objetivos referentes a cada experiência, tanto parao próprio dia como para o Relatório Final.
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A experiência consiste na medição do potencial eletroquímico de hastes de aço de construção embutidos dentro de amostras de concreto. Tal como ocorre usualmente ao se inserir uma amostra metálica em uma solução aquosa, o potencial medido não é o potencial de equilíbrio do ferro, mas sim o chamado potencial de corrosão deste aço específico neste meio específico.
Em condições de pH elevado (como ocorre nos concretos) e na ausência de íons Cl- ou semelhantes, o aço normalmente se encontra passivado (ou seja, protegido pela própria camada corrosão). Entretanto, se o pH
diminuir ou houver a presença de íons que rompam a camada
passivadora, o aço poderá sofrer corrosão, o que poderá ser identificado pelo potencial de corrosão medido. Assim, as amostras de concreto a serem estudadas serão submetidas previamente a soluções que provoquem a carbonatação, ou que contenham íons Cl-, para que seu efeito seja avaliado.
Como o grau de porosidade do concreto também deve afetar este
processo, haverá amostras preparadas com duas diferentes formulações água/cimento.
Parelamente, o potencial de corrosão de amostras de aço imersas diretamente naquelas soluções deverá também ser medido. Objetivos
Podemos definir três níveis de objetivo: Para o dia da
experiência
Escolher amostras representativas, definir número e locais das medições em cada amostra, elaborar tabela que permita uma fácil visualização destes resultados, esboçar comentários e comparações iniciais.
Para o relatório final, com os dados do grupo
Estabelecer comparações entre as diferentes situações com base em uma análise estatística dos resultados obtidos pelo grupo.
Para o relatório final, com dados de vários grupos
Comparar resultados médios e dispersões de
resultados dos diferentes grupos, com especial atenção ao tempo de imersão das amostras.
PMT-3130 – 2017 - ROTEIRO PARA EXPERIÊNCIA CA-1 POTENCIAL DE CORROSÃO – A.C.Neiva
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O relatório do dia da experiência deverá trazer informações sobre as amostras escolhidas e sobre os critérios adotados para as medições (qual ou quais superfícies escolhidas, locais de análise nestas superfícies, etc). Todos os resultados obtidos, inclusive aqueles que eventualmente pareçam não-representativos, devem ser informados, com eventuais comentários sobre tendências e anomalias. Devem também ser
reportados resultados obtidos em eventuais retomadas de amostras para verificações, mesmo que os resultados anteriores se confirmem (no
relatório final, algumas destas medidas redundantes poderão ser omitidas, caso não contribuam para a discussão).
No relatório final, deve ser feita uma clara avaliação estatística dos
resultados, com cálculos de desvios-padrão ou uso de outras ferramentas, critérios para que eventuais resultados possam ser desconsiderados, etc. Esta análise deve permitir que se conclua se o efeito do meio sobre o potencial de corrosão foi ou não comprovado experimentalmente. Finalmente, o relatório deve conter uma comparação com os resultados de outros grupos, com especial atenção à diferença do tempo de
exposição das amostras aos meios (estes tempos deverão ser maiores para os últimos grupos a realizarem a experiência).
Medidas adicionais
Como cada amostra de concreto foi preparada com quatro hastes de aço,1 é possível medir separadamente o potencial de cada uma delas, que pode ser diferente2. Além disso, com um multímetro, é possível tentar medir uma suposta resistência elétrica do concreto entre as hastes3. É
interessante também acompanhar o aumento do peso de uma amostra originalmente seca quando exposta à atmosfera, ao longo das semanas do curso.
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Para que a medida do potencial de corrosão possa ser feita, é necessário que uma das pontas de prova do voltímetro seja conectada à haste de ferro. Para isso, um dos extremos de cada haste fica alguns centímetros para fora do concreto.
2
Há diferentes motivos para resultados diferentes: heterogeneidade do concreto, maior ou menor proximidade à face de medida, maior ou menor proximidade à face de exposição à solução, etc.
3
Na verdade, o multímetro é previsto para medir resistências ôhmicas, e não condutividades iônicas, o que deve levar a resultados imprevistos. Vale a pena tentar, e discutir os resultados.
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A experiência consiste na medição do potencial eletroquímico observado em um fio de platina imerso em soluções contendo diferentes
concentrações de íons Fe3+ e Fe2+ (e SO42-), ou ainda soluções contendo
Cu2+ e SO42- . Como a platina é muito nobre, considera-se que ela não
interage com a solução, agindo apenas como um condutor de elétrons4. Assim, o potencial que se mede corresponde ao equilíbrio entre os pares de íons de diferentes valências, ou seja, corresponde a um potencial redox.
O valor deste potencial dependerá da natureza dos íons envolvidos (no caso, Fe3+ e Fe2+) e de suas atividades químicas. Se considerarmos o sistema como em equilíbrio, poderíamos aplicar, então, a equação de Nernst para estimar, teoricamente, o valor do potencial que estamos medindo experimentalmente. Para isso, contudo, precisaríamos conhecer os coeficientes de atividade (ou seja, a relação entre atividade e
concentração) para estes íons nestas condições específicas. Objetivos
Podemos definir dois níveis de objetivo: Para o dia
da
experiência
a) Dentre as soluções disponíveis, escolher um par adequadao para a verificação do efeito das
concentrações sobre o potencial. Fazer cálculos com equação de Nernst e verificar valores em termos absolutos e em termos comparativos.
b) Medir o potencial redox de amostras de solo. Para o
relatório final
Avaliar se os valores absolutos dos potenciais das soluções são razoéveis. Discutir possíveis causas de afastamentos. Discutir metodologia de medida de potencial redox de solos.
Relatórios
O relatório do dia da experiência deverá trazer informações sobre as soluções escolhidas, sobre os eletrodos de referência utilizados, e sobre a
4 Na verdade, a superfície da platina tem efeito sobre a cinética das reações eletroquícas. PMT-3130 – 2017 - ROTEIRO PARA EXPERIÊNCIA CA-2
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qualquer experimento científico, todos os resultados obtidos devem ser informados, inclusive aqueles que eventualmente pareçam
não-representativos, com eventuais comentários sobre tendências e
anomalias. Se a equipe decidir refazer alguma medida, para verificação ou correção, tanto os resultados anteriores como os novos resultados devem ser reportados, mesmo que haja redundância, ou então que haja uma aparente incoerência. Estas anotações poderão ser valiosas ao
repensarmos sobre o experimento. O relatório já deve apresentar cálculos iniciais envolvendo a equação de Nernst, e eventuais comentários.
No relatório final, deve ser feito um tratamento mais formal da equação de Nernst, envolvendo, por exemplo, coeficientes de atividade (mesmo que seus valores permaneçam desconhecidos). Assim, supostos desvios da equação de Nernst poderão talvez ser interpretados em termos destes coeficientes. Esta e outras possibilidades de efeitos sobre o potencial obtido experimentalmente devem ser discutidas.
Medições adicionais
Deverão ser feitas medidas de potenciais de corrosão em soluções contendo quantidades conhecidas ou desconhecidas de íons (por
exemplo, cobre imerso em solução com íons Cu2+), bem como medidas de potencial redox em solos de origem conhecida.
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A experiência consiste em acompanhar a evolução da temperatura de uma reação exotérmica realizada no interior de um recipiente semi-adiabático, e determinar qual seria a temperatura atingida caso o recipiente fosse adiabático.
A principal reação a ser estudada é a da hidratação de gesso. Outras reações poderão ser estudadas para fins de comparação.
A reação de hidratação de gesso usualmente é realizada com excesso de água em relação ao valor estequiométrico. A relação gesso/água é um dos fatores que afetam a entalpia de hidratação da reação e, portanto, que afetam a variação de temperatura em uma reação adiabática.
Objetivos
Podemos definir três níveis de objetivo:
Para o dia da experiência Escolher relação gesso/água e coletar os dados experimentais.
Determinar efeito de isolamento térmico sobre resfriamento de água.
Dominar obtenção de derivada numérica em excel.
Para o relatório final, com os dados do grupo
Determinar a temperatura adiabática da reação
Para o relatório final, com dados de vários grupos
Determinar a relação entre relação gesso/água e temperatura adiabática
Relatórios
A temperatura da mistura reacional e a temperatura do lado externo do recipiente serão registradas em computador a cada cinco segundos, e salvos em um arquivo, que será disponibilizado posteriormente aos alunos.
PMT-3130 – 2017 - ROTEIRO PARA EXPERIÊNCIA CA-3 ENTALPIA DE HIDRATAÇÃO – A.C.Neiva
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condições experimentais utilizadas, as dificuldades encontradas, uma descrição sucinta da curva obtida, etc.
O relatório final, por sua vez, deverá trazer os resultados experimentais, os tratamentos de dados, as comparações com resultados de outros grupos, etc.
Treinamento em excel
Paralelamente à realização da reação, enquanto os dados estiverem sendo registrados pelo computador, os alunos deverão realizar algumas tarefas em excel, com o intuito de antecipar questões referentes ao método de determinação da temperatura adiabática da reação.
Assim, os alunos deverão realizar (ou tentar) as seguintes possíveis tarefas: a) ler dados em arquivos de extensão csv ou txt; b) modificar ponto para vírgula, se necessário (talvez fora do excel); c) traçar curvas x versus y; d) obter curvas de tendência; e) definir o número de dígitos dos coeficientes dos ajustes encontrados; f) tentar fazer uma derivada
numérica de uma curva; g) tentar suavizar uma curva; h) criar uma curva a partir de uma função; etc.
Este aprendizado também deve ser descrito no relatório do dia. A técnica de medida
As temperaturas serão medidas por meio de diodos LM35 ligados a uma placa de aquisição de dados microcontrolada (Arduino Uno). Os dados do Arduino, por sua vez, são apresentados em tempo real, graficamente, no computador. Tanto o programa residente no Arduino como o programa utilizado no computador foram desenvolvidos no próprio laboratório. Os alunos que se interessarem por detalhes destes programas poderão consultá-los durante a aula, e tecer comentários no relatório do dia e no relatório final. Particularmente interessante é o uso do ruído do sinal como forma de aumentar a precisão da medida de temperatura (cada loop de cinco segundos pode envolver, por exemplo, 20000 medidas de temperatura, cuja média é calculada pelo programa residente no
