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O clássico experimento da vela: uma história de imprecisões

Qual professor de Química não gosta de fazer uma demonstração rápida, simples e elegante como comprovação de fatos importantes, tais como o gás oxigênio ocupar aproximadamente 20 % em volume do ar atmosférico, não é? E a maioria dos alunos também gosta! No entanto, a experimentação em Química não tem seu merecido lugar de protagonismo em boa parte das escolas brasileiras onde se perpetua, anos a fio, a “Química de lousa”, normalmente bastante maçante e muito pouco produtiva.

Daí não se poder tirar a razão do brilhante cientista estadunidense Carl Sagan (1934-1996), ao dizer que “toda criança começa como uma cientista nata, e então nós arrancamos isso delas”.

Por outro lado, quando nos enveredamos no mundo das clássicas demonstrações, é importante tomar cuidado para não perpetuar os mesmos equívocos propagados há décadas. Um caso bastante interessante é o da demonstração da vela que queima em um recipiente fechado (por exemplo, um copo virado de ponta cabeça) com água ao fundo. Observe ao lado:

A vela deve ser acesa e o copo rapidamente 
colocado sobre ela, conforme mostra 
a ilustração. 

Em questão de segundos, a vela se apaga e o nível da água sobe cerca de 20%. Observe:

Os registros históricos mais antigos deste experimento são de 2.200 anos atrás, muito antes da Química se estabelecer como uma ciência (VERA, RIVERA e NÚÑEZ, 2011). Muitos livros explicam este fenômeno alegando que a vela queima enquanto houver gás oxigênio disponível no interior do copo e, portanto, quando a vela apaga, é porque todo o O2(g) foi consumido (BRAATHEN, 2000). Sendo esse gás o componente de cerca de 20% do volume do ar, parece inicialmente sensato supor que água suba 20% em relação ao seu nível inicial de modo a compensar o volume queimado de gás oxigênio. Assim, teríamos uma elegante comprovação de que o gás oxigênio, de fato, compõe 20% do volume do ar atmosférico! Legal, não é? Só tem um problema: essa explicação está errada.

Tem alguma coisa errada aí!

Sugerimos que o colega professor execute – ou, melhor ainda, peça para os alunos executarem – o experimento, apresente a precipitada conclusão acima e peça que cada grupo de alunos indique ao menos uma refutação para essa conclusão, gerando uma abordagem investigativa. Algumas prováveis refutações que poderão surgir:

  • Se considerarmos a fórmula molecular para a parafina como sendo C25H52 (forneça essa fórmula a seus alunos), temos a seguinte equação para sua combustão completa:

Observe que para cada 38 mol de gás oxigênio, formam-se 51 mol de gás carbônico e vapor d’água. Portanto, a priori, não há redução, mas aumento de volume gasoso no sistema! Inclusive, um observador atento poderá até mesmo notar o escape de gases de dentro do copo na forma de bolhas, como pode ser visto neste vídeo:

(note que ao final do vídeo é fornecida a explicação incorreta!).

Essa conclusão é incompleta, pois, como veremos, há outros fatores a serem considerados, mas ela já começa a abrir uma janela de desconfiança com relação à famosa conclusão citada. Confira algumas questões que propomos abaixo

  • Como explicar a variação na velocidade da subida da água? Seria de se esperar que a água subisse a uma velocidade constante, já que o gás oxigênio é consumido a uma taxa quase constante durante todo o processo da queima. Mas não é isso que se observa! Chama também a atenção o fato da subida da água ainda continuar acontecendo depois do apagar da chama, o que não faz sentido segundo a explicação fornecida, pois o O2(g) já teria, então, sido totalmente consumido! Sem dúvida, algo não cheira bem nessa explicação…
vela-química-1
  • A combustão, de fato, requer ar relativamente rico em gás oxigênio, mas será que todo O2(g) interno é consumido? Para isso, sugerimos a atividade de um experimento complementar em que se utilizam duas velas de alturas diferentes.

Quando esse experimento é feito, nota-se que a vela mais alta apaga antes! Teria o gás oxigênio acabado apenas para a vela mais alta? Ora, claro que não, as duas velas estão inseridas no mesmo ambiente! Então elas deveriam apagar juntas, mas isso só se a explicação fornecida estivesse correta…

Mas por que a vela mais alta apaga antes? Acredita-se que os produtos, gás carbônico e vapor d’água, uma vez aquecidos e, portanto, menos densos, se concentrem no topo do copo. Como o gás carbônico não é inflamável, ao estar concentrado próximo à chama superior, a vela apaga.

        Ao utilizarmos duas velas de 
        diferentes tamanhos, algo muito 
        interessante acontece!

Nota-se, porém, que logo depois a vela menor também apaga, já que eventualmente o CO2(g) irá atingi-la (o CO2(g) preenche o copo de cima para baixo).

Afinal, o que realmente acontece?

Como se pôde notar pelo balanceamento da equação de queima da parafina, seria esperado, a priori, um aumento do volume gasoso com a formação de CO2(g) e H2O(v). No entanto, é importante observar que, com o tempo, parte do gás carbônico irá se dissolver na água e outra parte do vapor d’água formado deverá se condensar na parte interna do copo (inclusive, é possível ver gotas d’água na parte interna do copo ao fim do experimento). Assim, aos poucos e depois de algum escape de gás, o volume gasoso interno poderá realmente diminuir com o passar do tempo.

IMPORTANTE:
Com a queima da vela o ar aumenta de temperatura, expande-se e escapa para fora do copo por meio de bolhas, deixando menos ar dentro do copo do que havia inicialmente!

Com o apagar da chama, a temperatura diminui. Lembre-se de que agora há menos moléculas gasosas dentro do copo, exercendo, portanto, menor pressão. Como resultado, com o cessar da chama e o consequente resfriamento, a pressão dentro do copo passa a ser menor do que a (externa) pressão atmosférica que, como resultado, “empurra” a água para dentro do copo – fazendo seu nível subir, conforme observado! – até que as pressões interna e externa se igualem, o que pode ocorrer quando o nível da água sobe a 20% do valor máximo, coincidentemente a mesma porcentagem aproximada de gás oxigênio no ar atmosférico!

Conclusão

Uma pequena alteração no experimento pode, inclusive, mostrar até mesmo que a subida do nível da água não será sempre de 20%. Basta colocar mais duas ou três velas dentro copo e queimá-las simultaneamente. Nesse caso, nota-se que a água sobe mais do que os usuais 20% o que, obviamente, não pode ser explicado alegando-se que a amostra de ar utilizada tem mais do que 20% em volume de O2(g). O que provavelmente ocorre é que como o aquecimento será mais intenso – visto que há mais velas –, mais ar escapará e a pressão interna final será menor do que aquela obtida com apenas uma vela. Esse aumento na diferença entre a pressão interna final e a pressão atmosférica se reflete numa maior subida maior do nível da água!

Colega professor, note o quão enriquecedora pode ser a discussão sobre a hipótese errônea que relaciona a subida da água ao consumo do O2(g). Uma discussão feita de modo estimulante em um ambiente que o aluno se sinta apoiado e confortável para expor suas ideias pode gerar atitudes muito positivas no tocante à postura científica e melhora de conceitos, levando à formação de alunos mais receptivos a novas ideias e mais dispostos a analisar novas evidências o que, sem dúvida, lhes trará inúmeros benefícios em sua formação de cidadania. Observar, discutir, duvidar, concluir, errar, concluir de novo! Muito, muito melhor do que receber uma conclusão pronta… e errada. Pense sobre isso!

Escrito pelos autores Emiliano Chemello Luís Fernando Pereira. Ambos são coautores, juntamente com Alberto Ciscato, da coleção QUÍMICA, da Editora Moderna.

Emiliano Chemello é Licenciado em Química e Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais pela UCS. Professor de química no Ensino Médio e cursos Pré-Vestibulares.

Luís Fernando Pereira é químico industrial formado e licenciado pela USP. Leciona no Curso Intergraus desde 1995. É o químico consultor do programa Bem Estar, da Rede Globo.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Classic candle experiment – ABC Science Online: http://www.abc.net.au/science/surfingscientist/pdf/lesson_plan10.pdf

VERA, F., RIVERA, R., NÚÑEZ, C. Burning a Candle in a Vessel, a Simple Experiment with a Long History. Sci & Educ, 2011.

TINNESAND, M. ChemDemos Demystified. Chemmatters Magazine, February, 2015. p. 7.

RUDEL, David I. Science myths unmasked – Exposing misconceptions and counterfeits forged by bad science books. Gadflower Press, 2011. http://misconceptions.science-book.net/wp-content/uploads/2011/09/Chap2-1.pdf

BRAATHEN, C. Desfazendo o mito da combustão da vela para medir o teor de oxigênio no ar. QNEsc, n° 12, novembro 2000.

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