Química – Mistura de soluções de mesmo soluto (Plano de aula – Ensino médio)

Contextualização conceitual

Em experimentos elementares, misturar duas soluções com o mesmo soluto envolve entender que o soluto total presente é a soma dos solutos presentes em cada solução individual, independentemente da origem das soluções.

Conceitos-chave: soluto, solvente, concentração (mol/L), volume e conservação de massa. Além disso, é importante considerar que mudanças de temperatura podem alterar volumes e concentrações ligeiramente; manter as condições estáveis ajuda a previsões.

Exemplo prático de cálculo: se temos duas soluções com o mesmo soluto, Solução A com concentração C1 e volume V1 e Solução B com concentração C2 e volume V2, o número de mols em cada solução é n1 = C1 × V1 e n2 = C2 × V2. Ao misturá-las, o total de mols é n = n1 + n2 e o volume total é V = V1 + V2. A concentração final será C = n / V, que também pode ser obtida pela expressão C = (C1V1 + C2V2) / (V1 + V2).

Atividade de sala sugerida: prepare duas soluções com o mesmo soluto em concentrações diferentes, meça volumes com pipetas, antecipe a concentração final usando a relação Cn = (C1V1 + C2V2)/(V1+V2), misture, e compare o valor previsto com o obtido experimentalmente. Discuta fatores de erro como precisão de volumes, temperatura e pureza das soluções.

Essa contextualização reforça que a concentração resultante depende da quantidade de soluto total e do volume total, conectando a prática de bancada a conceitos matemáticos básicos e à ideia de conservação de massa ao longo de uma sessão de ensino.

Fundamentos teóricos e formulação

A concentração final C_f de uma mistura de duas soluções contendo o mesmo soluto é dada por C_f = (C1V1 + C2V2) / (V1 + V2). Este resultado assume o regime de soluções diluídas em que não há reações químicas entre o soluto e o solvente durante a mistura.

Exemplo: C1 = 0,10 M e V1 = 100 mL; C2 = 0,50 M e V2 = 150 mL; C_f = (0,10×100 + 0,50×150) / (100 + 150) ≈ 0,34 M.

Esse cálculo é ancorado no princípio da conservação de massa: a quantidade de soluto presente antes da mistura permanece constante após misturar, apenas o volume total muda com a soma dos volumes individuais.

Na prática, peça aos alunos para alterarem C1 e V1 ou C2 e V2, preverem C_f e, em seguida, realizarem medições para verificar, discutindo eventuais desvios por não-idealidades, como mudanças de volume de água ou densidade.

Atividades de revisão: organize dados em uma tabela, calcule C_f para diferentes pares de concentrações e volumes e descreva como a variação de V1+V2 afeta a concentração final, conectando aos conceitos de diluição e concentração.

Metodologia ativa

Propõe-se uma prática de investigação com dois grupos de alunos. Cada grupo recebe duas soluções do mesmo soluto com concentrações diferentes, com volumes estabelecidos. A tarefa é prever a concentração final, testar com uma medição indireta (por exemplo, condutividade elétrica), registrar dados e reconciliar com o cálculo teórico.

Estratégias ativas: aprendizagem baseada em problemas (PBL), aprendizado por investigação, bancada colaborativa e discussão em rodada de compartilhamento (jigsaw).

Durante o laboratório, os estudantes deverão observar que a quantidade de soluto permanece constante ao longo da mistura, enquanto o volume total muda. Eles devem registrar medições de condutividade, estimar incertezas dos instrumentos e discutir como a temperatura pode influenciar os resultados. Uma breve simulação computacional pode ajudar a visualizar a conservação da massa e a relação entre concentração, volume e soluto.

Ao final, a ideia é que os alunos comparem o valor previsto com o observado, identifiquem fontes de erro (imprecisão de volumes, contaminação, leitura de instrumentos) e proponham melhorias. Assim, eles conectam a matemática básica à prática de bancada e ao vocabulário químico, apresentando uma conclusão clara sobre a interferência de concentração e volume no resultado final.

Itens de avaliação formativa:

• Compreensão conceitual de soluto, solvente e concentração
• Capacidade de aplicar conservação de massa e cálculos simples
• Habilidade de registrar dados de forma organizada
• Clareza na comunicação científica e na apresentação de conclusões

Procedimento experimental sugerido

Preparação da aula (fora da sala): organize materiais, prepare soluções de exemplo (C1 e C2), por exemplo: NaCl 0,10 M e NaCl 0,50 M; prepare volumes de 100 mL e 150 mL; calibre instrumentação (condutividade) se disponível; inclua um checklist de segurança, rótulos, recipientes para descarte adequado.

Materiais: 2 béqueres, 4 provetas graduadas, pipetas ou micropipetas, solução de NaCl 0,10 M, solução de NaCl 0,50 M, água destilada, balança, proteção: luvas, óculos. Organize a bancada de modo que cada grupo tenha espaço para trabalhar e registrar dados.

Procedimento durante a aula (50 minutos): os alunos combinam V1 e V2, calculam C_f usando C_f = (V1*C1 + V2*C2)/(V1 + V2) e registram; se possível, medem a condutividade e comparam com o valor teórico; repetem com outro conjunto de volumes para observar a influência das proporções.

Durante a prática, estimule a discussão sobre conservação de massa, precisão de medições e possíveis fontes de erro, como desvios de volume, temperatura da água e sombras de leitura em instrumentos. Registem dúvidas e referências para futuras avaliações.

Avaliação e extensão: ao final, os alunos devem comunicar, de forma clara, a relação entre concentração, volume e soluto; proponha variações com outros solutos ou concentrações para aprofundar o conceito de mistura de soluções do mesmo soluto e conecte com cálculos simples em contextos reais.

Integração interdisciplinar

Integração interdisciplinar: este tópico permite conectar matemática, física, química e biologia para entender como diferentes disciplinas explicam a mesma mudança observada quando soluções com o mesmo soluto são misturadas, enfatizando a conservação de massa e a relevância de conceitos de volume e concentração.

Matemática aplicada: revisar regra de três, proporções, conversões de unidades (mL, L) e cálculo de concentração; incorporar atividades estatísticas simples para resumir dados experimentais, como média, desvio padrão e interpretação de variação.

Física/Química: a condutividade elétrica atua como proxy da concentração de íons; discutir como a temperatura altera a mobilidade iônica e, por analogia, como mudanças de partículas afetam a percepção de concentração; traçar paralelos com osmose em Biologia para entender equilíbrio de soluções.

Biologia e modelos conceituais: abordar osmose, pressão osmótica e propriedades coligativas que influenciam o equilíbrio de soluções; discutir limitações dos modelos simples e a importância de validação experimental.

Prática e avaliação: planejar atividades experimentais com variação de concentrações e volumes, registrar dados de forma clara, interpretar resultados com bases matemáticas, e apresentar uma comunicação científica que conecte observações a conceitos matemáticos e físicos, com rubricas de avaliação.

Resumo para os alunos

Resumo para os alunos: este módulo aborda a mistura de soluções que compartilham o mesmo soluto e como a concentração final pode ser prevista a partir de volumes e concentrações iniciais. A ideia central é expressa pela equação C_f = (C1V1 + C2V2) /(V1+V2), que relaciona a massa de soluto e o volume total para chegar à concentração resultante.

É importante entender a conservação de massa do soluto: o total de soluto presente nas soluções originais permanece na mistura, distribuído no volume final. Esse princípio ajuda a prever resultados sem depender apenas de medições experimentais, promovendo uma visão quantitativa da química de soluções.

Na prática de sala de aula, o professor pode organizar dados de entrada (concentrações C1, C2 e volumes V1, V2) e realizar cálculos de forma simples para prever a concentração resultante antes de medir. Em seguida, as medições de condutividade elétrica ou de densidade podem ser usadas para confirmar as previsões, quando disponível.

Mais além, é útil conectar a matemática da mistura com conceitos físicos como a condutividade e, em contextos mais amplos, com a osmose em Biologia. Assim, os alunos veem como as proporções, as propriedades da solução e as interações entre soluto e solvente influenciam o comportamento da mistura. Procurar recursos abertos de universidades públicas em português amplia ainda mais as possibilidades de estudo.