AULA PRÁTICA DE QUÍMICA GERAL
“Lâmpada de lava” – parte 3”
9º NO DO ENSINO FUNDAMENTAL - 1º ANO DO ENSINO MÉDIO
INTRODUÇÃO
Nessa parte, construiremos a “lâmpada” ou “luminária de lava”, propriamente dita; que funciona por aquecimento e resfriamento das suas fases oleosa e aquosa, com auxílio de uma lâmpada incandescente.
Você verá que o mais difícil é o acerto do ponto exato da proporção de álcool e de água, cuja mistura precisa ter a exata densidade do óleo. Isso é necessário para que apenas a diferença provocada pelo aquecimento produzido pela lâmpada seja suficiente para deixar a fase que estiver por baixo se torne menos densa que a fase de cima, invertendo suas posições dentro do vidro.
Lâmpada ou luminária de lava comercial.
Disponível (acesso: 17.07.2015):
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Blue_lava_lamp.jpg
EXPERIMENTO – “Lâmpadas de lava”
Versão três – Luminária elétrica, com giz de cera e óleo mineral
MATERIAL
A) Duas latas vazias de leite em pó ou outra lata mais larga. Não utilize latas estreitas. B) Areia.
C) Garrafa de vinho comprida, de vidro transparente, de preferência com tampa de rosca.
Obs. Algumas garrafas de vinho possuem o fundo curvo, côncavo. Esse tipo de garrafa é o ideal para a montagem do abajur de lava.
D) Estilete.
E) Prego grosso para fazer um furo na lata.
Obs.: Não utilize lâmpada mais potente, a não ser que seja fluorescente; mas nesse caso, deverá ser de potência bem maior, para que seja capaz de aquecer o sistema.
G) Soquete ou boquilha de lâmpada com fios e tomada. H) Água de torneira.
I) 200mL de óleo mineral ou óleo de máquina. J) Um giz de cera da cor de preferência.
K) Sistema de aquecimento a gás para derretimento do giz de cera, em “banho maria”; ou seja, dentro da água quente. O sistema pode ser uma panela grande com água e uma lata na parte interna contendo o óleo e o giz de cera.
Obs.: No lugar de giz de cera e óleo de máquina poderá ser utilizado óleo de cozinha e corante à base de óleo, ou ainda parafina cremosa e corante para óleo. O óleo mineral ou de máquina é mais estável, não estando sujeito à degradação química e térmica, como acontece com os óleos vegetais. Obs.: Se optar pelo uso de corante ao invés do giz de cera, não há necessidade do sistema de aquecimento, nem de banho maria.
L) Álcool comercial 70ºGL ou 70%, pelo menos, ou com maior graduação alcóolica. Pode ser usado o etanol de posto (combustível automotivo), que contém cerca de 95% de álcool.
M) Papel alumínio.
N) Fita durex larga do tipo para embalagens. O) Pedaços de isopor.
P) Duas bandejas plásticas do tipo usada para vasos de plantas, que seja mais larga que a lata. Obs.: Quanto mais larga essa bandeja, melhor; para dar mais estabilidade à luminária. Um dos problemas mais comuns das “luminárias de lava” caseiras é que elas tombam facilmente, devido ao peso da garrafa de vidro cheia de líquidos, enquanto a parte de baixo é composta de uma lata praticamente vazia. Portanto, o centro de gravidade do sistema fica muito alto, possibilitando a queda e a quebra da garrafa de vidro, com produção de estilhaços cortantes.
Q) Cola forte, capaz de colar a lata na bandeja plástica. Não use cola quente. R) Lápis de cor clara ou caneta capaz de marcar a bandeja, para fins de corte. S) Bastão de vidro.
T) Funil de vidro ou de metal.
U) Disco de tela de arame, da largura interna da lata. V) Corante à base de água.
PROCEDIMENTO – Montagem da base.
1. Faça um furo na lateral da lata vazia, próximo ao fundo, com abertura suficiente para passagem do fio elétrico.
2. Coloque a lata sobre a bandeja plástica para vaso, de maneira bem centralizada, e, com uma caneta, marque o círculo na bandeja.
3. Corte a bandeja com um estilete, acompanhando a linha do círculo, de preferência um pouco mais internamente, para que o buraco formado fique bem justo e firme para o encaixe da lata.
4. Encaixe a lata no furo, com a bandeja emborcada, formando uma base segura.
5. Corte o fundo da outra bandeja, retirando apena a aba, obtendo um disco de plástico. Esse disco de plástico deve caber na parte debaixo da outra bandeja emborcada, formando um “piso” para a lata.
6. Cole a base da lata no disco de plástico. Ajuste a altura da lata no furo da bandeja emborcada, de forma que o disco de plástico fique bem apoiado sobre a bancada ou sobre o chão, enquanto a borda da bandeja emborcada também fique apoiada, sustentando o sistema, evitando que tombe.
7. Com o estilete, faça um furo na aba da bandeja para passagem do fio, na mesma direção do furo da lata.
A lata de leite em pó deve ficar com a boca para cima, apoiada e colada sobre o disco de plástico; e encaixada no furo do fundo da bandeja para vasos, que fica emborcada, para dar firmeza ao sistema, evitando que tombe.
8. Atarraxe a lâmpada na boquinha ou soquete. Coloque-a na lata, virada para cima, e passe o fio do soquete pelos furos da lata e da bandeja. Conecte a tomada ao fio. Teste a lâmpada, conferindo se está acendendo.
9. Prenda com fita adesiva uma tira de papel laminado em torno da lâmpada, de forma que a luz lateral possa ser refletida totalmente para o alto, semelhante a uma boquilha de lanterna.
10. Preencha a lata com areia, cobrindo totalmente a boquilha até quase cobrir a lâmpada, de forma a centralizar a lâmpada. A lâmpada precisa projetar a luz para o alto, na vertical; portanto, não pode ficar totalmente coberta com areia.
11. Caso a parte mais alta da lâmpada fique próxima da altura da borda da lata ou mais alta, use uma lâmpada menor; ou corte uma segunda lata de mesma largura, corte e elimine o disco do fundo, e coloque-a sobre a primeira lata, aumentando sua altura. Passe várias voltas de uma fita larga do tipo usado para embalagens, para segurar as duas latas. É importante que sobre uma borda de pelo menos 5cm de lata acima da altura da lâmpada, para ajudar na fixação da garrafa.
PROCEDIMENTO – Montagem da mistura na garrafa.
12. Coloque cerca de 100mL de óleo mineral ou óleo de máquina em uma panela para aquecer ao fogo, em “banho maria” e espere a água externa ferver.
13. Jogue a metade de um giz de cera da cor escolhida. Espere o giz de cera derreter e misturar com o óleo, controlando o aquecimento. Se necessário, mexa com um bastão de vidro até que todo o óleo fique colorido. Coloque mais óleo até ter 200mL de óleo colorido. Se a cor ficar muito clara, coloque a outra metade do giz.
14. Coloque a mistura ainda quente dentro da garrafa de vinho, com o auxílio de um funil.
Obs.: Caso se opte por utilizar corante à base de óleo, não é necessário utilizar aquecimento; bastando apenas dissolver o corante, e depois colocar o óleo colorido na garrafa.
15. Com o óleo frio, adicione álcool comercial 70% ou de maior graduação alcóolica, até à metade da altura da garrafa.
16. Adicione lentamente água, de 10 em 10 gotas, misturando sempre a fase de cima com auxílio de um bastão de vidro. Você verá que será formada uma fase incolor acima do óleo, que contém água e álcool misturados.
Importante: Procure não agitar a fase de óleo abaixo, mas apenas a fase de cima. A cada 10 gotas, pare de adicionar água e agite com o bastão, misturando o álcool à água.
17. Observe o comportamento da fase do óleo, tentando perceber o ponto a partir do qual essa fase oleosa tende a subir. Pare de adicionar água, quando perceber que o óleo começa a subir tendendo a ser a fase superior.
PROCEDIMENTO – Montagem final.
18. Coloque a tela de arame cortada em disco sobre a areia e a lâmpada, formaendo uma base segura para a garrafa de vinho. O importante é não deixar a garrafa estourar a lâmpada, distribuindo seu peso pela grade da tela e na areia.
19. Coloque a garrafa com a mistura sobre a tela. Preencha as laterais com pedaços de isopor para firmar bem a garrafa, evitando que tombe.
20. Ligue a lâmpada. Espere cerca de 30min para que o sistema aqueça.
21. Enquanto o sistema esquenta, adicione algumas gotas de um corante à base de água, de cor diferente da cor da fase oleosa. Misture com um bastão. A quantidade de corante pode variar, conforme a intensidade da cor desejada.
21. Observe o comportamento das fases após o tempo de aquecimento do sistema. O “correto” é que a fase inferior, logo ao ser aquecida, sofra diminuição da densidade e suba em “bolhas”. As
fases devem ir se alternando; pois, ao subir, a fase sofre resfriamento e tende a descer novamente, enquanto a fase aquecida sobe.
22. Correções do “ponto” de densidade da fase água-álcool: A) Se o óleo não estiver subindo, significa que ainda está mais denso que a mistura água-álcool e mais água precisa ser adicionada. B) Se a fase água-álcool estiver embaixo e não está subindo por aquecimento da lâmpada, significa que houve adição de água em excesso e mais álcool deverá ser adicionado. Portanto, com o sistema ligado e aquecido, vá ajustando a proporção da fase água-álcool, adicionando ou água ou álcool lentamente, conforme a necessidade de cada situação.
22. Com o ponto ajustado, adicione mais óleo até que a garrafa fique quase totalmente cheia, deixando apenas o gargalo da garrafa com ar. Coloque uma rolha ou tampa de rosca, vedando bem a garrafa. Escolha um local estável e firme, próximo a uma tomada e ligue a luminária. Ela será um interessante objeto de decoração, atraindo a atenção e a curiosidade de todos.
OBSERVAÇÕES E QUESTÕES
1) Explique o funcionamento da luminária “de lava”, usando os conceitos abaixo, em ordem lógica de causa e efeito:
Calor (fornecido pela lâmpada).
Temperatura.
Agitação das partículas (moléculas).
Espaço entre partículas (moléculas).
Volume da fase aquecida (líquido).
Densidade da fase aquecida.
Densidade da fase fria.
Flutuação. Submersão. ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________
2) Seria possível ajustar o “ponto” das densidades das duas fases, usando apenas cálculos? Tente realizar esse cálculo, com os dados de densidade abaixo, sabendo que a densidade da fase água-álcool precisa ter a densidade a mais próxima possível da do óleo. Esses valores são para a temperatura ambiente, 20ºC.
Densidade do óleo mineral: 0,87g/mL. (Para efeito de simplificação, considere o valor 0,9g/mL)
Densidade da água: 1,0g/mL.
Densidade do etanol puro: 0,8g/mL.
3) O cálculo acima é muito importante para o entendimento das propriedades das misturas. Isso porque algumas propriedades físicas das misturas costumam ser médias ponderadas das propriedades das substâncias puras usadas na mistura.
No entanto, para a construção da lâmpada de lava, há outros fatores que interferem para achar o ponto exato da proporção água-álcool que iguale à densidade da fase oleosa. Esses fatores são: A) Corantes e outros componentes adicionados a um líquido alteram a densidade desse líquido; B) Nem sempre uma mistura de dois líquidos gera um volume total igual à soma dos volumes dos líquidos em separado; podendo acontecer pequeno aumento ou diminuição do volume total da mistura. Esse é o caso da mistura água-álcool, que costuma sofrer pequena contração de volume. C) Variações de temperatura, que é o caso da lâmpada de lava ligada.
Considerando tudo isso, sugira um método, usando cálculos, para determinar o ponto exato de proporção água-álcool para a construção da lâmpada de lava, com uso de corantes para o óleo e para a água (ou seja, considerando apenas o fator “A”, mencionado acima.
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4) Por que a água do fundo do mar é bem mais fria que a água da superfície? Isso se deve apenas à maior incidência de luz e calor na superfície? Você já reparou que isso acontece também com as piscinas com água parada? A luz que incide na parte de cima é a causa principal do aquecimento da parte rasa; mas, porque a água não homogeneíza rapidamente a temperatura? Comente e explique, usando conceitos de densidade e de correntes de convecção. Dica: imagine que a luminária de lava tenha a fonte de calor na parte de cima.
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