UTILIZAÇÃO DA QUÍMICA COMPUTACIONAL NA ELABORAÇÃO DE MATERIAL DIDÁTICO PARA O ENSINO DE REAÇÕES QUÍMICA

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Palavra-Chave: Química Computacional; Material Didático; Reações Químicas.

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Abstract

In this work, Computational Chemistry methods were used to develop didactic material, from data obtained with the GaussView 3.0® and Gaussian 03W® programs. The main objective of the work is to improve the performance of the teaching-learning process of concepts directly related to chemical reactions. The hydrogenation, hydrohalogenation and halogenation reactions were studied. DFT calculations with B3LYP functional and 6-31+G* basis sets, for hydrogenation reactions, and 3-21+G* for hydrohalogenation and halogenation reactions. DFT method was used with B3LYP functional and 6-31 + G * basis sets, for hydrogenation reactions, and B3LYP/3-21+G*, for hydrohalogenation and halogenation reactions. The qualitative and quantitative results obtained from the computational study of the investigated reactions are consistent with theoretical predictions. From the computational results, three tutorials were developed, one for each studied reaction, addressing different aspects: “Structures”, “General Representation”, “Charges” and “Energies”. The developed tutorials were applied in experimental classes, in school Orlando Venâncio dos Santos (public), located in Cuité city. The classes were performed in computer labs and classrooms for student volunteers. The adopted pedagogical practice was composed of five meetings and eight classes of 45 minutes. From application of questionnaires (pretest and posttest) were possible to analyze alternative conceptions that students had about the addressed concepts, and to evaluate the improvement of teaching and learning of the concept of “chemical reaction”.

Keywords: Computational Chemistry; Didactic Material; Chemical reactions.

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Sumário

1. Introdução 12

2. Objetivos 13

2.1. Objetivo Geral 13

2.2. Objetivos Específicos 13

3. Fundamentação Teórica 14

3.1. Contextualização e Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) 14

3.2. A Informática e o Ensino de Química 15

3.3. Mecanismos de Reação 17

3.3.1. Hidrogenação de Alcenos 17

3.3.2. Hidrohalogenação de Alcenos 17

3.3.3. Halogenação de Alcenos 19

4. Metodologia 20

4.1. Procedimento Computacional 20

4.2. Construção do Material Didático 22

4.2.1. Reações de Hidrogenação 22

4.2.2. Reações de Halogenação e Hidrohalogenação 26

4.3. Prática Pedagógica 30

1º Encontro (Tempo: 1 aula de 45 minutos) 30

2º Encontro (Tempo: 2 aulas de 45 minutos) 31

3º Encontro (Tempo: 2 aulas de 45 minutos)[Utilização dos Tutoriais] 32

4º Encontro (Tempo: 2 aulas de 45 minutos) 34

5º Encontro (Tempo: 1 aula de 45 minutos) 36

5. Resultados e Discussão 37

5.1. Resultados Computacionais 37

5.1.1. Propriedades Estruturais: Geometrias 37

5.1.2. Propriedades Eletrônicas: Cargas Atômicas e Energias Relativas 41

5.2. Resultados Educacionais 44

5.2.1. Análise do Pré-Teste 44

5.2.2. Análise do Pós-Teste 51

6. Conclusão 59

Apêndice 60

A. Procedimento Computacional 60

B. Prática Pedagógica 62

Questões do Pré-Teste 62

Questões do Pós-Teste 63

Referências 66

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Lista de Figuras

Figura 1 – Reação de hidrogenação. 17

Figura 2 – Reação de hidrohalogenação. 18

Figura 3 – Mecanismo da reação de hidrohalogenação. 18

Figura 4 – Reação de halogenação. 19

Figura 5 – Mecanismo da reação de halogenação. 19

Figura 6 – Elaboração da estrutura de entrada pelo programa GaussView®. 21

Figura 7 – Estrutura do tutorial referente às reações de hidrogenação. 22

Figura 8 – Interface da opção “Estruturas” no tutorial da reação de hidrogenação. (A) Opções; (B) Opção selecionada em vermelho; (C) Itens ativos; (D) Item inativo; (E) Item selecionado em vermelho; (F) Imagem da estrutura molecular do fluoroetano selecionado pelo item produtos e opção “F”. 23

Figura 9 – Interface da opção “Representação Geral” no tutorial da reação de hidrogenação. (A) Representação da estrutura de Lewis e em perspectiva da reação de hidrogenação; (B) Representação tridimensional das figuras animadas do alceno, H2 e alcano; (C) Substituintes. 24

Figura 10 – Interface da opção “Cargas” no tutorial da reação de hidrogenação. 25

Figura 11 – Interface da opção “Energias” no tutorial da reação de hidrogenação. (A) Imagens retiradas da página “Estruturas” do item “Reagentes”; (B) Imagens retiradas