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Fenômeno

Vamos mostrar o famoso experimento da vela para demonstrar um dos efeitos da pressão atmosférica. Nesse experimento, uma vela acesa flutua sobre água com corante azul, contida numa cuba de vidro. Em seguida, um frasco cobrirá a vela, mergulhando até o fundo da cuba. Observaremos que a vela irá se apagar, enquanto o nível da água sube no interior do frasco.

Assista ao vídeo abaixo para ver como isso acontece.

Vídeo

Fonte: "Air pressure - physics experiment", YouTube


Explicação

Que a vela se apaga logo que é coberta pelo frasco, não há qualquer dúvida. Assim que o oxigênio é consumido, pelo menos em parte, a combustão dos hidrocarbonetos da vela cessa. Quanto à subida do nível da água, poderá haver alguma dificuldade ao se tentar explicar o fenômeno. Se o estudante fizer uma busca na internet por uma explicação para este fenômeno, provavelmente ficará confuso com a variedade de hipóteses disponíveis para justificar a subida do nível d'água.

A explicação mais comum refere-se ao consumo do oxigênio no interior do frasco, devido à combustão. Argumenta-se que, como há cerca de 21% de oxigênio no ar, este ao ser consumido faz com que o nível da água suba até que o volume gasoso no interior do frasco seja também reduzido em 21%. O mais incrível é que, de fato, a redução observada nesse volume é cerca de 20%! Isso torna essa hipótese muito muito sedutora. Só que devemos lembrar que o consumo de oxigênio gera outros produtos gasosos (CO2 e H2O), que passam a ocupar o volume do oxigênio. Vamos analisar a reação. Para simplificar, vamos supor que a composição da vela seja 100% do hidrocarboneto decano (C10H22). A reação é a seguinte:

2 C10H22 (s) + 31 O2 (g) -> 20 CO2 (g) + 22 H2O (g)

Podemos notar que, em princípio, o volume gasoso aumenta à medida em que a reação ocorre; 31 moles reagindo e 42 moles sendo produzidos. Na verdade esta é uma afirmação falsa, pois a combustão não é completa. Em algum momento o CO2 deixa de ser produzido e a combustão passa a gerar CO. Além disso, quantidade substancial de O2 ainda restará no frasco após a vela se apagar.

Outro argumento comum é que o CO2 dissolve-se rapidamente na água assim que é produzido, fazendo com que o balanço gasoso seja 31 moles reagindo e 22 moles sendo produzidos. Isso implica em uma redução de 30% no volume gasoso, o que não é observado. Além disso, apesar de o CO2 ser muito solúvel em água, o processo de dissolução é lento. Isso derruba a explicação envolvendo a solubilização do CO2.

Outra possibilidade é que o vapor d'água se condense nas paredes do frasco à medida em que os produtos gasosos se resfriam. Isso de fato ocorre, porém não com a velocidade observada no experimento, pois o nível da água sobre quase que instantaneamente após a vela se apagar.

A explicação correta envolve basicamente a expansão e contração dos gases do frasco, devido à variação de temperatura. Ocorre assim. Quando o frasco cobre a vela, a porção do ar aprisionada no frasco é rapidamente aquecida, expandindo-se. Antes que o frasco toque a água, uma parcela desse ar escapa pelo espaço entre a água e a boca do frasco. Isso faz com que a densidade do ar no interior do frasco seja menor do que no exterior. Assim que a vela se apaga, os gases no frasco são rapidamente resfriados, o que reduz a pressão interna. A diferença entre a pressão externa (pressão atmosférica) e a interna é que faz com que o nível de água no frasco suba.

A última consideração é sobre a diminuição de 20% no volume do gás no frasco. Isso se deve a uma combinação de todos os fatores citados: a densidade do ar no frasco diminui, uma parte do oxigênio é de fato consumida, uma parte do CO2 de fato dissolve-se na água, o CO produzido é insolúvel e contribui para o aumento da pressão e uma parte do vapor d'água condensa-se nas paredes do frasco. É notável que tudo isso resulte num percentual de redução de volume igual ao percentual de oxigênio do ar.

Referências

Wikipedia: Pressão atmosférica

Física no YouTube: Ovo na garrafa

Projeto RIPE: Experiência da Vela ( 4 )

Experimentação no ensino de química: Desfazendo o mito da combustão da vela para medir o teor de oxigênio no ar.


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