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1 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................... 5 2 A QUÍMICA NO ENSINO FUNDAMENTAL PARA FORMAR CIDADÃOS... ........................................................................................................... 6 2.1 Considerações iniciais sobre o ensino de química/ ciências no contexto atua... .................................................................................................... 6 2.2 Tendências que reforçam o ensino de Química para a cidadania 6 2.3 Como trabalhar a química cidadã no ensino fundamental ............ 9 3 RELAÇÃO ENTRE SENSO COMUM E O CONHECIMENTO CIENTÍFICO .......................................................................................................... 11 3.1 Evolução do pensamento humano .............................................. 12 3.2 O que é senso comum? .............................................................. 13 3.3 O que é o método científico? ...................................................... 14 3.4 Existe relação entre senso comum e o conhecimento científico? 18 3.5 Alquimia, a precursora da Química ............................................. 20 4 EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE QUÍMICA/CIÊNCIAS ............ 22 4.1 O que são atividades experimentais? ......................................... 22 4.2 Qual a utilidade didática dos experimentos no ensino de química/ciências? .............................................................................................. 24 4.3 Que elementos são importantes para organizar uma aula experimental?.. .................................................................................................. 26 4.4 Onde encontrar sugestões de atividades experimentais? ........... 30 4.5 Como enfrentar as dificuldades mais comuns de uma aula experimental?. ................................................................................................... 30 5 CUIDADOS BÁSICOS QUANDO USAMOS O LABORATÓRIO DE QUÍMICA..... .......................................................................................................... 32 3 5.1 Produtos químicos do laboratório ................................................ 35 5.2 Materiais e equipamentos utilizados no laboratório de química .. 38 5.2.1 Materiais....................................................................................... 38 5.2.2 Equipamentos .............................................................................. 52 6 CONCEITOS BÁSICOS DA QUÍMICA .............................................. 55 6.1 Classificação da matéria: propriedades físicas e químicas da matéria........... .................................................................................................... 55 6.1.1 Química: a ciência que estuda a matéria ..................................... 56 6.1.2 Propriedades químicas da matéria ............................................... 59 6.2 Diferença entre mistura homogênea e heterogênea de substâncias puras.............. .................................................................................................... 64 6.2.1 Substâncias puras x misturas ...................................................... 65 6.2.2 Mistura homogênea e heterogênea ............................................. 67 7 MOLÉCULAS, ÍONS, FÓRMULAS QUÍMICAS E FÓRMULAS DOS COMPOSTOS IÔNICOS ....................................................................................... 70 7.1 Moléculas e íons ......................................................................... 70 7.1.1 Moléculas e ligação covalente ..................................................... 72 7.1.2 Íons e a ligação iônica .................................................................. 74 7.2 Fórmulas químicas ...................................................................... 77 7.2.1 Fórmulas moleculares .................................................................. 78 7.2.2 Fórmulas estruturais .................................................................... 79 7.2.3 Fórmulas empíricas ...................................................................... 81 7.3 Representação das fórmulas moleculares e empíricas e dos compostos iônicos ............................................................................................. 82 7.3.1 Representação das fórmulas moleculares e empíricas ................ 82 7.3.2 Representação das fórmulas dos compostos iônicos .................. 87 4 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................. 89 5 1 INTRODUÇÃO Prezado aluno! O Grupo Educacional FAVENI, esclarece que o material virtual é semelhante ao da sala de aula presencial. Em uma sala de aula, é raro – quase improvável - um aluno se levantar, interromper a exposição, dirigir-se ao professor e fazer uma pergunta, para que seja esclarecida uma dúvida sobre o tema tratado. O comum é que esse aluno faça a pergunta em voz alta para todos ouvirem e todos ouvirão a resposta. No espaço virtual, é a mesma coisa. Não hesite em perguntar, as perguntas poderão ser direcionadas ao protocolo de atendimento que serão respondidas em tempo hábil. Os cursos à distância exigem do aluno tempo e organização. No caso da nossa disciplina é preciso ter um horário destinado à leitura do texto base e à execução das avaliações propostas. A vantagem é que poderá reservar o dia da semana e a hora que lhe convier para isso. A organização é o quesito indispensável, porque há uma sequência a ser seguida e prazos definidos para as atividades. Bons estudos! 6 2 A QUÍMICA NO ENSINO FUNDAMENTAL PARA FORMAR CIDADÃOS 2.1 Considerações iniciais sobre o ensino de química/ ciências no contexto atua Durante muito tempo, o ensino de Ciências foi baseado apenas nas observações de fenômenos da natureza e na realização de experimentos. A aprendizagem do aluno dependia da capacidade de transmissão de conhecimentos do professor, que se limitava aos conceitos prontos descritos nos livros didáticos e outros recursos. Entretanto, os avanços da tecnologia e seus impactos na sociedade provocaram mudanças na postura do ensino de Ciências, que inclui a Química no Ensino Fundamental. Entre essas mudanças, destaca-se a preocupação em ensinar Química/Ciências para formar cidadãos, ou seja, preparar o indivíduo para que ele compreenda e faça uso de conhecimentos químicos fundamentais para a sua participação efetiva na sociedade tecnológica em que vive (SOUZA et al., 2011). 2.2 Tendências que reforçam o ensino de Química para a cidadania Você tem dúvida de como ensinar o conteúdo da Química para formar cidadãos? O ensino de Química para formar cidadãos surge a partir da tendência de ensino denominada “Ciência, Tecnologia e Sociedade” (CTS), que enfatiza conteúdos socialmente relevantes e a integração de conteúdos com um caráter interdisciplinar. Dessa forma, os alunos se tornam capazes de integrar o mundo natural (conteúdo de Ciências) com o mundo construído pelo homem (tecnologia) e o social (sociedade). Quando comparamos o ensino tradicional com o de CTS (Quadro 1), notamos que a abordagem desse último é caracterizada pela organização dos conceitos centrados em temas sociais, pelo desenvolvimento de atitudes de julgamento e por uma concepção de Ciência voltada para o interesse social, visando compreender suas implicações sociais. Por outro lado, o ensino 7 clássico valoriza o conteúdo específico de Ciências e não suas aplicações sociais (SOUZA et al., 2011). Quadro 01 - Comparação entre o ensino tradicional e o ensino de CTS em relação à unidade metais Fonte: Adaptado de Santos e Schnetzler (2003). Essaproposta de ensino foi reforçada quando o Ministério da Educação e Cultura (MEC) elaborou os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) e organizou de forma articulada os diferentes conceitos, procedimentos, atitudes e valores em quatro eixos temáticos: Ser humano e Saúde; Vida e ambiente, Terra e Universo e Tecnologia e Sociedade. Em cada um deles, são abordados os conteúdos de ciências naturais que podem ser trabalhados e as orientações didáticas que devem ser consideradas no planejamento das atividades para os referidos temas e ciclos de escolaridade. Assim, o professor pode trabalhar o conteúdo de Química/Ciências utilizando um ou mais eixos temáticos (Figura 1). Mas, para isso, ele precisa dominar o conteúdo de Química, saber selecionar os conteúdos mais relevantes, e também ter uma visão crítica sobre as implicações sociais da Química para poder contextualizá-los (SOUZA et al., 2011). 8 Figura 01 - Eixos temáticos para o ensino de ciências naturais Fonte: Souza et al. (2011) Dessa forma, o ensino de Química para a cidadania precisa ser centrado na inter-relação de dois componentes básicos: a informação química e o contexto social (Figura 2). Assim, trabalhar temas químicos sociais desenvolve atividades de cidadania juntos aos alunos, como a participação e a capacidade de tomar decisões com consciência de suas consequências. Entretanto, esses temas não podem ser considerados apenas como elementos de motivação ou um conteúdo adicional, mas como um poderoso recurso para auxiliar na formação da cidadania. Assim, os problemas da humanidade deixam de ser resolvidos exclusivamente pelos cientistas e passam a ser solucionados com a participação integrada do cidadão com os cientistas (SOUZA et al., 2011). 9 Figura 02 - Nova postura de participação dos cidadãos na resolução de problemas da humanidade. Fonte: Souza et al. (2011) 2.3 Como trabalhar a química cidadã no ensino fundamental Por que os alunos não conseguem relacionar conteúdos da Química com eventos da vida cotidiana? Por que muitos deles mostram difi culdade em aprender Química? Diante dessa realidade, como então trabalhar o conteúdo de Química preparando nossos jovens para o exercício da cidadania? (SOUZA et al., 2011). O grande desafio do professor na Química cidadã é estabelecer pontes entre os fenômenos do dia a dia com os conceitos, modelos e teorias científicas. Para tanto, o professor deve levar em conta o conhecimento prévio dos alunos; promover uma discussão dos saberes das outras disciplinas e escolher e privilegiar conceitos centrais que possam promover reflexões sobre a natureza das Ciências e suas relações com a tecnologia e sociedade contemporânea. Entretanto, o professor deve integrar esses pontos e ficar atento aos recursos didáticos disponíveis (quadro-negro, vídeos, revistas, retroprojetor etc.) para que não elabore uma metodologia que não possa ser aplicada à sua realidade em sala de aula (SOUZA et al., 2011). 10 Figura 03 - A busca do equilíbrio no planejamento de atividades didáticas Fonte: Souza et al. (2011) Outra preocupação é superar a fragmentação com que vêm sendo tratados os conteúdos das Ciências nos anos finais do Ensino Fundamental (3º e 4º ciclos), uma vez que alguns professores trabalham o conteúdo de Química isoladamente no último ano. Durante os anos que antecedem o 9º ano, conteúdos como ar, água, ser vivo, alimentação, transformações, fenômenos, entre outros, são abordados no ensino de Ciências. Mas esses temas não são assuntos de Química? Por que o conhecimento químico é abordado apenas em um semestre no último ano do Ensino Fundamental? Assim, é interessante que o conhecimento químico permeie toda a área de Ciências. Para isso, o professor pode evidenciar exemplos da Química em vários temas do ensino de Ciências, como na apresentação da reação da fotossíntese, da composição da água, dos constituintes de produtos alimentícios ou do lixo. Entretanto, devemos nos preocupar em utilizar uma linguagem química simplifi cada e respeitar a capacidade cognitiva dos alunos nesses anos para que o aprendizado seja satisfatório (SOUZA et al., 2011). Outro aspecto que deve ser levantado é: quais conteúdos químicos desenvolvem uma postura cidadã? Pensando nisso, sugerimos alguns temas baseados nas orientações dos PCN: 11 o manuseio e utilização de substâncias; o consumo de produtos industrializados; a segurança do trabalhador; os efeitos da Química no meio ambiente; a interpretação de informações químicas veiculadas pelos meios de comunicação; avaliação e compreensão do papel da Química e da Ciência no avanço da sociedade. Mas, como abordar tais conteúdos? Uma forma interessante é trabalhar os direitos do consumidor. Dentre as atividades, podemos citar: ler e interpretar instruções de embalagens sobre a utilização e conservação de produtos químicos; compreender os cálculos relacionados à concentração dos ingredientes ativos, relacionando-os com o preço; identifi car as possíveis consequências dos processos tecnológicos presentes nos produtos que ele está sendo consumido (SOUZA et al., 2011). 3 RELAÇÃO ENTRE SENSO COMUM E O CONHECIMENTO CIENTÍFICO Sem a Ciência não podemos viver: criação de medicamentos, processamento de dados, aperfeiçoamento das comunicações etc. Dessa forma, é muito comum a visão da Ciência como sendo uma forma superior de saber. A partir da década de 1990, os educadores questionam essa superioridade, reconhecendo a necessidade de se explorar os saberes populares e integrá-los com os saberes científi cos. Para tanto, devemos lembrar que a cultura popular é transmitida de 12 geração a geração por meio de uma linguagem falada, de gestos ou atitudes, enquanto o conhecimento científi co se baseia em investigações, observações e experimentações. Seria possível trabalhar em sala de aula o senso comum com a Ciência? Pensando nisso, nesta aula, iremos estudar a evolução do pensamento humano, características do senso comum e conhecimento científi co e a importância da relação entre esses dois saberes (SOUZA et al., 2011). 3.1 Evolução do pensamento humano A evolução do pensamento humano se confunde com a própria evolução do homem. Os povos antigos tinham o mito como principal forma de pensamento. O pensamento mítico ou senso comum é transmitido de geração a geração por meio de uma linguagem falada, de gestos ou atitudes, e são transformados à medida que sofrem infl uências externas e internas (SOUZA et al., 2011). Outra forma de pensamento desenvolvido na Grécia antiga é a Filosofi a. O pensamento filosófi comarca uma reviravolta na história humana, pois o homem tenta explicar o seu mundo baseado na observação da própria natureza. Foi na Filosofi a que surgiu o pensamento lógico, atualmente a base do conhecimento da sociedade moderna (SOUZA et al., 2011). A herança do pensamento filosófico foi o próprio pensamento científico. A Ciência herdou da Filosofia o exercício da observação dos fenômenos e aplicou nela a investigação e a experimentação. Dessa forma, o pensamento científico é objetivo, experimental, racional e se aproxima do exato. A todo momento você usa esse tipo de pensamento. Quando você decide resolver um problema do seu dia a dia, como retirar uma mancha de sua roupa, é necessário um raciocínio objetivo e experimental. A experiência é a Ciência em ação; nela é preciso a observação, tanto quanto possível, do que é mais significante para o problema, assim como elaborar um método para solucioná-lo (SOUZA et al., 2011). 13 3.2 O que é senso comum? No nosso cotidiano acumulamos conhecimentos relacionados a repetidas experiências casuais, sem observação metódica nem verificação sistemática. Esse conhecimento que faz parte de umpensamento genérico de uma época ou de um ambiente popular é chamado de senso comum. Assim, o senso comum é um saber que nasce da experiência cotidiana, da vida que os homens levam em sociedade. É um saber acerca dos elementos da realidade em que vivemos, tais como hábitos, costumes, práticas, tradições, regras de conduta, enfim, sobre tudo o que necessitamos para poder nos orientar no nosso dia a dia. Não nascemos sabendo como comer à mesa, acender a luz de uma sala, ligar a televisão etc., mas aprendemos de uma forma natural (espontânea), através do nosso contato com os outros, com as situações e com os objetos que nos rodeiam. Dessa forma, torna-se facilmente compreensível que todos os homens possuam senso comum, mas este pode sofrer variações dependendo da sociedade, grupo social ou grupo profissional (SOUZA et al., 2011). Essas ideias informais não são apenas visões pessoais do mundo, mas refletem uma visão comum, representada por uma linguagem compartilhada. Essa visão compartilhada constitui o “senso comum”, uma forma socialmente construída de descrever e explicar o mundo (SOUZA et al., 2011). Entretanto, muitas dessas certezas são questionáveis, pois se baseiam em aparências. Como ensinar a uma criança que a Terra gira em torno do Sol, se o que ela vê é o movimento do Sol? Quando uma criança é questionada sobre as cinzas produzidas pela queima de um tronco de madeira, ela afirma que a matéria “se foi com o fogo”. Como, então, explicar a lei de Lavoisier, que afirma que “na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”, se ela não vê problema em considerar a matéria como algo que aparece e desaparece? Como desmistificar a ideia de que os gases não podem 14 ter massa ou peso, já que não caem? De fato, para muitas crianças a ideia de que o ar ou um gás possa ter peso é totalmente implausível. Muitos chegam a postular que eles – o ar e o gás – têm peso negativo, porque tendem a fazer as coisas subirem (SOUZA et al., 2011). Assim, alguns conceitos científicos precisam ser trabalhados levando em consideração a natureza do conhecimento a ser ensinado, pois alguns deles dificilmente serão descobertos por indivíduos através de suas próprias observações do mundo natural. Nesse momento, o professor de Ciências deve conferir sentido pessoal à maneira como o conhecimento é gerado e validado, fornecendo informações relacionadas ao conhecimento científico (SOUZA et al., 2011). 3.3 O que é o método científico? A influência da Ciência na nossa vida é tão significativa que se torna muito difícil imaginar como seria o mundo se o conhecimento científico não tivesse evoluído. Não existiriam computadores, medicamentos, meios de comunicação e de transportes. Graças à Ciência sabemos qual a constituição da matéria, a origem da grande diversidade de seres vivos, como os pais transmitem as suas características aos filhos, como se formam as montanhas, as estrelas etc. Todos esses conhecimentos e avanços foram gerados através da utilização de um método particular denominado método científico (SOUZA et al., 2011). Desde a Antiguidade, os cientistas utilizam os métodos científicos para estabelecer os conhecimentos na procura das respostas em relação a um fenômeno, associando “causa” e “efeito”. Mas o que é um método? A palavra método é de origem grega e significa o conjunto de etapas e processos a serem vencidos ordenadamente na investigação dos fatos ou na procura da verdade. O instrumento utilizado pela Ciência para formular os problemas científicos e examinar as hipóteses é denominado “método científico”. Assim, o método científico é uma maneira organizada de solucionar um problema. No entanto, nem todo conhecimento organizado ou sistematizado tem caráter científico. Por exemplo, 15 uma lista telefônica ou um diário de bordo podem conter muitas informações precisas e sistemáticas, mas não constituem qualquer conhecimento científico (SOUZA et al., 2011). O método científico é constituído de etapas específicas, tais como: a observação do fenômeno, elaboração de hipóteses, teste das hipóteses, generalização e proposição de uma teoria explicativa para o fenômeno (Figura 04). Figura 04 - Etapas do método científico Fonte: Souza et al. (2011) 16 A partir da observação, o cientista pode propor diferentes explicações para a sua ocorrência: as hipóteses. O passo seguinte seria testar cada uma das hipóteses por meio de experimentos. A análise dos resultados desses experimentos levaria à comprovação de alguma hipótese inicial, ou até mesmo à elaboração de novas hipóteses que seriam também testadas em outras situações. A comparação dos resultados de diferentes experimentos pode levar à generalização que em Ciência corresponde ao que chamamos de lei científica. Após todos os testes, as explicações que estivessem de acordo com os resultados encontrados passariam a constituir as teorias científicas (SOUZA et al., 2011). Assim, para utilizar o método científico é indispensável que o aluno organize seu raciocínio seguindo determinadas etapas como a observação, a definição e análise do problema, a apresentação das hipóteses, o teste de hipóteses, a experimentação, a análise de resultados e conclusão e a aplicação na vida prática. É importante desenvolver no aluno a capacidade de resolver problemas utilizando o método científico. Entretanto, isso não significa que se pretende formar cientistas, mas despertar e desenvolver na criança uma atitude científica. Quando uma criança investiga buscando resposta a uma pergunta ou solução para um problema, exercita-se a capacidade de enfrentar o problema e saber onde e como buscar as soluções reais (SOUZA et al., 2011). Como podemos utilizar o método científico para resolver problemas no nosso dia a dia? Vejamos: muitas vezes, após a alimentação, observamos uma mancha na roupa. Nesse momento, estamos realizando a primeira etapa do método científico. Em seguida, questionamo-nos sobre a natureza química da mancha: a água retira a mancha ou é preciso usar outro solvente? Nós, então, apresentamos hipóteses, como o emprego do álcool para retirar a mancha, ou será que apenas o detergente retira? Assim, decidimos testar vários solventes para tentar retirar a mancha. Utilizamos então água e álcool, detergentes e até produtos especializados. Sempre analisando e interpretando os resultados, se houve diminuição da mancha ou desgaste do tecido. A partir daí você confirma ou refuta as hipóteses que utilizou baseado no resultado: retirou a mancha ou não. Enfim, você conclui qual a melhor 17 forma de retirar a mancha da roupa e quando novamente manchar com esse mesmo tipo de substância, você utilizará o conhecimento obtido pelas etapas científicas para facilmente resolver seu problema (SOUZA et al., 2011). Antoine-Laurent Lavoisier descreve a combustão Durante a maior parte do século XVIII, os químicos se preocuparam pouquíssimo com medições exatas. Combinavam substâncias e anotavam os resultados. O químico francês Antoine-Laurent Lavoisier adotou uma nova abordagem ao medir as quantidades com grande precisão antes e depois de um processo químico. Em 1772, ele aplicou esta técnica – que podemos chamar de química quantitativa – ao problema da combustão. A principal teoria da combustão sustentava que os objetos combustíveis eram ricos numa substância chamada flogístico (do grego “acender, pôr fogo”). A queima consumia o flogístico, deixando como resíduo a parte da substância que não a continha (SOUZA et al., 2011). Como prova da teoria do flogístico, o químico alemão George Ernst Stahl ressaltou que os materiais combustíveis perdem massa (evidenciado pelo fato de que pesavam menos) depois de queimados. Supunha-se que a massa perdida se devia ao consumo do flogístico. No entanto, Stahl não deu atenção a uma contradiçãoimportante de sua teoria. Conta a seu favor que ele acreditava que o enferrujamento era uma va riante do mesmo processo que ocorre durante a combustão (hoje, reconhece-se que tanto a combustão quanto o en ferrujamento são processos de oxidação). Stahl acreditava que a ferrugem era a substância que sobrava quando o flogístico do metal se consumia. A contradição aqui era que, quando se oxidam, os metais na verdade ganham massa (o aumento de peso o comprova). Parece que Stahl e outros químicos se dispunham a desdenhar este paradoxo, porque o ganho de massa era bem pequeno, pequeno demais para ser significativo (SOUZA et al., 2011). São os paradoxos e incoerências aparentemente insignificantes que os cientistas modernos atacam, buscando explicá-los. Lavoisier queimou várias substâncias em recipientes fechados. Descobriu que o peso da substância ali 18 fechada, depois da queima, era maior do que seu peso anterior. Lavoisier raciocinou que, se a substância que restava depois da queima era mais pesada do que antes, este peso a mais devia ter vindo de alguma coisa. A única “coisa” no recipiente fechado era o ar. Lavoisier raciocinou ainda que, se de fato a substância queimada ganhava peso a partir do ar circundante, devia-se produzir um vácuo parcial no recipiente fechado. Isso ele provou simplesmente abrindo o recipiente e ouvindo o ar entrar. Além disso, quando pesou tudo depois de aberto o recipiente, descobriu que o peso do ar que entrara era igual ao aumento de peso da substância queimada (SOUZA et al., 2011). Essas experiências, cuidadosamente medidas, refutaram a teoria do flogístico. A combustão não era perda de flogístico, mas, em vez disso, a combinação da substância queimada (ou enferrujada) com algum elemento do ar. No processo de começar a explicar a combustão, Lavoisier lançou as bases da química moderna, que se baseia em medições precisas e em sua importância (SOUZA et al., 2011). 3.4 Existe relação entre senso comum e o conhecimento científico? O senso comum e o conhecimento científico apresentam características bem definidas, próprias de cada saber, que estão descritas de forma resumida no Quadro 2. Entretanto, não há um limite absoluto entre o senso comum e a Ciência, uma vez que o conhecimento científico surgiu a partir de uma ampla informação empírica que constitui uma parte do senso comum. De certo modo, a Ciência é o desenvolvimento do senso comum (SOUZA et al., 2011). 19 Quadro 02 - Comparação entre senso comum e conhecimento científico Fonte: Souza et al. (2011) Mas qual é o mais importante? O conhecimento científico seria gerado sem a presença do senso comum? Como a sociedade tem considerado os diferentes saberes? (SOUZA et al., 2011). Desde o século XIX, a Ciência passou a exercer um papel preponderante na nossa sociedade, a ponto de menosprezarmos outros saberes, como o senso comum, e considerarmos apenas a Ciência como saber passível de compreensão e credibilidade. Entretanto, o ser humano constitui-se a partir de uma diversidade de saberes, e muitos deles são manifestações da cultura popular, como os chás medicinais, os artesanatos, as “mandingas” e a culinária. Todas elas são transmitidas de geração a geração e podem ser transformadas por influências externas ou internas (SOUZA et al., 2011). Na culinária, as transformações químicas são trabalhadas por profissionais que não apresentam o conhecimento científico. Os cozinheiros, por exemplo, estudam constantemente maneiras de combinar diferentes técnicas para transformar alimentos em melhores pratos. Muitos desses processos são de natureza química. Da mesma forma, ocorre com o carvoeiro, que transforma a madeira em carvão, com o oleiro, que transforma o barro em tijolo etc (SOUZA et al., 2011). Assim, podemos dizer que muitos dos objetos de estudo dos cientistas são também estudados por pessoas que não têm conhecimento científico sobre o 20 assunto. Por exemplo, os índios, que conhecem mais sobre o ciclo das plantas e os hábitos dos animais de sua região do que muitos biólogos. Entretanto, o que diferencia o conhecimento científico do senso comum é a maneira como ele é obtido e organizado. Os cientistas estabelecem critérios e métodos de investigação para obter, justificar e transmitir o conhecimento, que permitem muitas vezes prever e explicar novos fenômenos. Entretanto, dependendo de seu objetivo, isso pode ser desenvolvido por outro tipo de conhecimento. O conhecimento prático culinário do cozinheiro não é capaz de explicar os princípios químicos envolvidos no processo, mas é eficiente para preparar excelentes refeições (SOUZA et al., 2011). Dessa forma, atividades que articulam saberes populares culturais e científicos são necessárias na escola, pois promovem a valorização cultural e desenvolvem atitudes de solidariedade e respeito ao próximo, imprescindíveis para o desenvolvimento da cidadania (SOUZA et al., 2011). 3.5 Alquimia, a precursora da Química A alquimia nasceu na Idade Média, através de uma mistura de Ciência, Arte e Magia. Seus principais objetivos eram a busca pelo “elixir da longa vida” e a “descoberta de um método para transformar metais comuns em ouro (transmutação)”, o que ocorreria na presença de um agente conhecido como “pedra filosofal” (SOUZA et al., 2011). A procura pelo ouro não era motivada por razões econômicas, mas devido às suas propriedades químicas (resistência à corrosão). Na China, as especulações alquimísticas levaram ao domínio de várias técnicas de metalurgia e à descoberta da pólvora (SOUZA et al., 2011). Nenhum dos dois objetivos da alquimia foi atingido. Entretanto, muitos progressos foram obtidos, como o conhecimento de substâncias oriundas de minerais e vegetais, a preparação de substâncias como ácido nítrico e sulfúrico e o aperfeiçoamento de materiais de laboratório (SOUZA et al., 2011). 21 No século XVI, a alquimia passou a se preocupar com o aspecto médico, acreditando que os processos vitais poderiam ser interpretados ou modificados com o uso de substâncias químicas. Isso ficou conhecido como Iatroquímica (SOUZA et al., 2011). Em 1597, o alemão Andréas Libavius publicou o livro Alchemia, no qual afirmava que a alquimia tem por objetivo a separação de misturas em seus componentes e o estudo das propriedades desses componentes. Em 1661, o irlandês Robert Boyle publicou que elemento é tudo aquilo que não pode ser decomposto por nenhum método conhecido. Para muitos, essas duas publicações são consideradas o marco inicial da Química (SOUZA et al., 2011). A alquimia tinha o seu próprio método científico. Para os alquimistas existiam 4 estágios da matéria para obtenção da pedra filosofal (Figura 5). Nesses estágios, a matéria vai mudando de cor. Primeiro uma massa enegrecida, que passa a esbranquiçada, depois amarelada e, por fim, avermelhada. Para um alquimista a observação dessas cores era muito importante para saber se sua obra estava evoluindo de maneira correta (SOUZA et al., 2011). Figura 05 - Estágios para a obtenção da pedra filosofal Fonte: Souza et al. (2011) 22 4 EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE QUÍMICA/CIÊNCIAS Na tentativa de aproximar ao máximo a Química da realidade do aluno é necessário muito mais do que o discurso do professor como ação única. As Diretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino defendem a necessidade de se contextualizar os conteúdos de ensino na realidade vivenciada pelos alunos, a fi m de atribuir-lhes sentido e, assim, contribuir para a aprendizagem (BRASIL, 1999). Nesse sentido, as atividades experimentais (AE) constituem uma poderosa ferramenta de aprendizagem ativa das ciências, especialmente para o ensino de Química. Muito embora a maioria dos professores concorde com o valor dessa estratégia de ensino, poucos são os que empreendem uma ação regular depráticas experimentais em suas aulas, sobretudo com uma visão crítica e contextualizada dessas práticas (SOUZA et al., 2011). Nesta aula, estudaremos alguns tipos de AE e os aspectos que podem contribuir para um maior e melhor emprego desse recurso no ensino de Química (SOUZA et al., 2011). 4.1 O que são atividades experimentais? A experimentação é parte da metodologia da ciência e se distingue das experiências usuais do nosso dia a dia, porque é uma ação intencional do homem para a busca de respostas a determinados problemas da natureza (SOUZA et al., 2011). Semelhante ao que ocorre no método científico, a experimentação como recurso de ensinoaprendizagem envolve atividades realizadas pelos alunos (em sala de aula, laboratório ou no campo) e que implicam uma interação com materiais (aparato experimental) para observar fenômenos. Estas atividades podem ou não envolver certo grau de intervenção do professor, mas pressupõem uma sequência de atitudes e medidas a serem feitas (procedimento) e se completam numa conclusão deduzida da descrição e análise dos dados das observações (relato). 23 Essa ideia de experimentação compreende uma série de atividades bem conhecidas, cuja distinção nem sempre é clara. Você, por exemplo, saberia diferenciar atividade prática, atividade laboratorial, atividade de campo e atividade experimental? (SOUZA et al., 2011). Ainda que essa terminologia e suas definições não sejam consensuais, mesmo entre os educadores em ciências, podemos dizer, segundo Hodson (1988 apud LEITE, 2001, p. 79-81), que atividade prática é o conceito mais geral e inclui todas as atividades em que o aluno esteja ativamente envolvido, seja no domínio psicomotor, cognitivo ou afetivo. Por essa definição, o termo atividade prática inclui a atividade laboratorial e a atividade de campo, além de abranger, também, a pesquisa bibliográfica ou na internet, as simulações informáticas, bem como a atividade de resolução de um problema ou a entrevista de membros de uma comunidade (SOUZA et al., 2011). A atividade laboratorial e a atividade de campo diferem fundamentalmente quanto ao local onde normalmente se desenvolvem. Como o próprio termo remete, uma ocorre no laboratório e a outra ao ar livre, respectivamente (SOUZA et al., 2011). Por fim, a atividade experimental inclui as atividades práticas que envolvem controle e manipulação de variáveis. Na Figura 06, você pode observar um esquema que relaciona esses termos (SOUZA et al., 2011). 24 Figura 06 - Relação entre atividade prática, atividade laboratorial, atividade de campo e atividade experimenta Fonte: Hodson (1988 apud LEITE, 2001). Note que, de acordo com essas definições, nem toda atividade prática corresponde a uma atividade experimental. Também é possível perceber que uma atividade feita num laboratório, mas sem controle e manipulação das variáveis, não constitui uma atividade experimental (por exemplo, determinar o pH de diferentes soluções do cotidiano pelo emprego de um indicador) (SOUZA et al., 2011). 4.2 Qual a utilidade didática dos experimentos no ensino de química/ciências? O emprego da experimentação como recurso didático não é novo, mas foi nas décadas de 1960 e 1970 que ocorreu uma grande propagação dessas atividades nas escolas do mundo inteiro. Uma pesquisa realizada por Kerr com professores no início desse período apontou dez motivos para a realização de AE na escola: 1. Estimular a observação acurada e o registro cuidadoso dos dados; 25 2. Promover métodos de pensamento científico simples e de senso comum; 3. Desenvolver habilidades manipulativas; 4. Treinar em resolução de problemas; 5. Adaptar as exigências das escolas; 6. Esclarecer a teoria e promover a sua compreensão; 7. Verificar fatos e princípios estudados anteriormente; 8. Vivenciar o processo de encontrar fatos por meio da investigação, chegando a seus princípios; 9. Motivar e manter o interesse na matéria; 10. Tornar os fenômenos mais reais por meio da experiência. (HODSON, 1998c, p. 630 apud GALIAZZI, 2005, p. 252-253). Alguns desses motivos, embora citados até hoje em várias outras pesquisas, também têm sido objeto de crítica. Uma delas é considerar a escola (e as AE) como formadora de cientistas (como se todos os alunos pretendessem isso). Outra crítica diz respeito à ênfase dada ao desenvolvimento de habilidades manipulativas, como se aprender a pesar considerando os algarismos significativos, ler corretamente o volume em uma bureta ou pipetar usando o dedo indicador fossem essenciais a um cidadão. Outro aspecto discutido é que considerar as AE como esclarecedoras de conteúdos – e, portanto, sempre precedidas do 26 desenvolvimento teórico – poderia anular habilidades cognitivas importantes no processo de construção de princípios a partir da abordagem experimental. Também é passível de crítica a concepção simplista de considerar um “experimento-show” como mero artefato de motivação (como se toda AE fosse motivadora) e que por si provocasse uma aprendizagem significativa por parte dos alunos. Em verdade, essa polêmica parece surgir, muito mais, da forma como a experimentação é concebida e, consequentemente, usada pelo professor. Então, cuidado! Dependendo de como você empregará um experimento, este poderá ter um grande efeito no ensino de Ciências ou ser enfadonho e inútil para a aprendizagem efetiva dos seus alunos (SOUZA et al., 2011). Figura 07 – Balança experimental Fonte: Souza et al. (2011) 4.3 Que elementos são importantes para organizar uma aula experimental? As AE não são didaticamente eficientes por si. Você já viu que um mesmo experimento pode ser uma simples atividade prática (inclusive utilizando um laboratório) ou constituir uma atividade experimental. O propósito e a forma com que um experimento é empregado fazem toda a diferença. Portanto, uma questão fundamental para o sucesso pedagógico das AE é o seu planejamento. Por isso, você como professor precisa ter clareza quanto ao que deseja de seus alunos com aquele trabalho prático. Percebe a sua responsabilidade? Outro aspecto importante 27 é que os alunos, ao realizarem uma aula prática, precisam também saber “o que é que” e “por que” estão fazendo. Assim eles se sentirão como de fato tem de ser: integrantes do processo! ( SOUZA et al., 2011). Veja a classificação das AE a seguir: Demonstração: quando a atividade prática tem por objetivo corroborar o conteúdo estudado anteriormente. Nessa categoria, o aluno exerce um papel pouco ativo no desenvolvimento da prática, sendo o professor o realizador da prática. Verificação: quando a prática remete ao objetivo de verificar fatos e princípios estudados com o aluno participando, de alguma forma, no decorrer dela, mas seguindo determinados paradigmas. Diferentemente da categoria demonstração, o professor exerce um papel mediador. Descoberta: quando a atividade leva o aluno a ações mais diretas, com maior grau de intervenção no que está estudando, podendo ou não partir do que ele já sabe, mas dando-lhe autonomia para chegar aos resultados de forma mais independente. Descoberta: quando a atividade leva o aluno a ações mais diretas, com maior grau de intervenção no que está estudando, podendo ou não partir do que ele já sabe, mas dando-lhe autonomia para chegar aos resultados de forma mais independente. Baseada em problema: quando a atividade é realizada por grupos de alunos como parte de uma estratégia maior, construída (com a participação dos alunos) para “solucionar” um problema que surge das questões dos alunos. Nessa abordagem, o professor assume o 28 papel de tutor, acompanhando e orientando o processo ( SOUZA et al., 2011). Agora, observe a Figura 08, em quesão apresentados os atributos fundamentais, propostos por Moraes (1998, p. 38 apud PAVÃO; FREITAS, 2008, p. 76) para desenvolver um experimento com caráter de aprendizagem construtivista. Figura 08 - Atributos fundamentais para desenvolver experimentos construtivistas Fonte: Moraes (1998, p.38 apud PAVÃO; FREITAS, 2008, p. 76). Você consegue perceber, em todos os atributos apresentados, que o professor não perde o foco no aluno? Note, também, que as AE são propostas num contexto problematizador ( SOUZA et al., 2011). De fato, uma prática experimental no ensino de Ciências sem uma preocupação problematizadora e/ou crítica não contribui para que os seus objetivos pedagógicos mais nobres sejam alcançados. Sobre isso, os Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Fundamental enfatizam a importância das AE promoverem a “refl exão, desenvolvimento e construção de ideias, ao lado de conhecimentos, procedimentos e atitudes” (BRASIL, 1998, p. 122). Baseado numa abordagem problematizadora, podemos pensar no desenvolvimento de AE em uma sequência de 5 passos básicos (Figura 09): 29 1. Levantamento das informações iniciais e dúvidas dos alunos acerca do tema a partir do qual será formulado o problema; 2. Proposição de soluções hipotéticas e planejamento e execução de uma abordagem experimental que permita testar as hipóteses; 3. Compartilhamento e discussão dos dados experimentais; 4. Compartilhamento e discussão dos dados experimentais; 5. Resolução (tentativa) do(s) problema(s). Figura 09 - Cinco passos para elaboração de uma aula experimental baseada em problema Fonte: Acesso em: 27 nov. 2009. 30 4.4 Onde encontrar sugestões de atividades experimentais? A pouca familiaridade com as AE e o receio de enfrentar dificuldades inesperadas são causas comuns do pouco emprego desse recurso por parte dos professores. Nesse aspecto, recomenda-se que o professor busque apoio nos materiais escritos disponíveis para orientar sua prática pedagógica ( SOUZA et al., 2011). A pouca familiaridade com as AE e o receio de enfrentar dificuldades inesperadas são causas comuns do pouco emprego desse recurso por parte dos professores. Nesse aspecto, recomenda-se que o professor busque apoio nos materiais escritos disponíveis para orientar sua prática pedagógica. Existem, ainda, diferentes materiais escritos além dos livros didáticos, que são de grande valor, bem como em publicações como Ciência Hoje das Crianças, Ciência Hoje na Escola e outras fontes. 4.5 Como enfrentar as dificuldades mais comuns de uma aula experimental? Não existe receita pronta para solucionar todas as dificuldades enfrentadas pelos professores na prática de aulas experimentais. Entretanto, vale a pena concluir esta aula apresentando sugestões práticas para contornar algumas das principais justificativas apresentadas pelos professores para a não realização de experimentos ( SOUZA et al., 2011). Grande número de alunos em cada turma. Esta é uma dificuldade não só para as AE, mas para praticamente todas as estratégias que requerem a participação ativa do aluno. Para vencer essa limitação o professor deve escolher experimentos simples, que possam ser de fácil visualização por toda a turma e, nesse caso, de natureza demonstrativa. Experimentos possíveis de serem “desmembrados” em etapas ou tarefas distintas, onde os grupos de alunos trabalhem simultaneamente, devem ser muito bem planejados a fim de que não haja prejuízo da visão global e integrada da atividade pelos alunos. 31 Desinteresse e indisciplina. Considerando que alguns alunos encaram a aula experimental como mera brincadeira e sem importância, mostrando-se, muitas vezes indisciplinados, cabe ao professor “estabelecer a ordem” de forma participativa, pois, como vimos a pouco, é importante que os alunos estejam ativamente envolvidos nas várias etapas do processo (escolha, montagem e execução dos experimentos). Além disso, é fundamental que o professor elabore regras em conjunto com a turma. Outro cuidado que o professor deve ter é dar atenção às questões e explicitações do conhecimento de cada indivíduo apresentadas durante a atividade ( SOUZA et al., 2011). Ausência de laboratório e falta de material. Este parece ser o problema mais simples de ser resolvido, pois existem abundantes recursos (livros, revistas, páginas eletrônicas) repletos de AE simples que podem ser realizadas em sala de aula, no pátio da escola e/ou em casa. Inúmeros experimentos podem ser efetuados com materiais baratos e de fácil aquisição, que podem mesmo ser trazidos de casa pelos alunos sem implicar em gastos significativos. A experimentação de baixo custo representa uma alternativa em sintonia com o contexto de CTS, cuja importância reside no fato de diminuir o custo operacional dos laboratórios e gerar menor quantidade de lixo químico (além de permitir que mais experiências sejam realizadas durante o ano letivo) (VIEIRA et al, 2007 apud BENITE; BENITE, 2009). Enfim, embora existam dificuldades, você deve trabalhar a experimentação como um procedimento de busca de informações e de procura de respostas para perguntas que as crianças são estimuladas a formular dentro e fora da escola, num ensino voltado para a formação de um cidadão crítico e participativo ( SOUZA et al., 2011). 32 5 CUIDADOS BÁSICOS QUANDO USAMOS O LABORATÓRIO DE QUÍMICA Se você vai utilizar o laboratório de sua escola para realizar experimentos, é importante conhecer alguns cuidados básicos, pois, quando você estiver realizando uma atividade experimental como professor, qualquer acidente que ocorra durante a aula será de sua responsabilidade. É importante que no início da aula você oriente seus alunos sobre as instruções de segurança e conduta no laboratório de Química, como: Conhecer a localização dos acessórios de segurança (chuveiro de emergência, extintores de incêndio e lavadores de olhos) para encontrá-los rapidamente se alguma eventualidade ocorrer. Não realizar experimentos sem as proteções pessoais, como óculos de segurança, luvas e batas. Pedir sempre autorização ao professor ou responsável quando quiser modificar o procedimento previsto para execução de qualquer experimento. Não tocar em dispositivos e/ou reagentes sem prévia consulta ao professor ou ao responsável. Não tocar em dispositivos e/ou reagentes sem prévia consulta ao professor ou ao responsável. Verifi car com antecedência se a voltagem da rede corresponde à que é indicada no equipamento (110V ou 220V) antes de ligar algum equipamento. 33 Não desligar qualquer interruptor elétrico sem verifi car quais as instalações que se relacionam direta ou indiretamente com ele. Não fumar, não comer, não beber e não dormir dentro do laboratório. Não fumar, não comer, não beber e não dormir dentro do laboratório. Não inalar gases ou vapores sem antes ter certeza de que não são tóxicos. Não realizar experimentos no laboratório se não houver água em abundância no laboratório. Não realizar experimentos no laboratório se não houver água em abundância no laboratório. Evitar o contato de qualquer substância com a pele. Evitar usar materiais com defeito, principalmente vidrarias. Não agitar (sacudir) materiais molhados com reagentes fora da pia, especialmente as pipetas. Não direcionar a boca do tubo em sua direção ou de outra pessoa quando aquecer substâncias ou soluções em tubos de ensaio. Não direcionar a boca do tubo em sua direção ou de outra pessoa quando aquecer substâncias ou soluções em tubos de ensaio. Tubo em sua direção ou de outra pessoa 34 Jamais aquecer sistemas completamente fechados. Não pipetar nada com a boca; utilizar aparelhos adequadospara esse fim Rotular de forma clara e adequada frascos contendo soluções recém preparadas. Colocar o ácido concentrado sobre a água, nunca ao contrário, quando preparar soluções aquosas diluídas de um ácido. Não devolver sobras de reagentes aos frascos de origem sem a prévia consulta ao professor ou responsável. Recolocar a tampa dos frascos ao interromper seu uso para evitar contaminação ou perdas por volatilização. Não reutilizar a mesma pipeta para produtos diferentes sem antes lavá-la bem. Não reutilizar a mesma pipeta para produtos diferentes sem antes lavá-la bem. Verificar se todos os aparelhos foram desligados e se não há torneiras abertas (água ou gás) quando se retirar do laboratório. Manter sempre a calma, principalmente em caso de acidentes. Manter sempre a calma, principalmente em caso de acidentes. 35 Chamar imediatamente o professor ou responsável se ocorrer alguma cidente ou situação que não saiba exatamente como proceder. Os cuidados apresentados acima são de uso geral; porém, quando você for trabalhar com alunos de Ensino Fundamental, é necessário tomar algumas precauções adicionais: Não deixar seus alunos sozinhos no laboratório nem por um instante. Deixar bem claro que o laboratório não é para diversão. Experimentos que utilizam fogo, ácidos ou bases deverão ser manipulados apenas pelo professor ou responsável, jamais pelo aluno isoladamente. Os equipamentos devem ser operados pelos professores ou com a sua supervisão. Os experimentos que provoquem a liberação de gases devem ser evitados. 5.1 Produtos químicos do laboratório Antes de iniciar uma atividade experimental com produtos químicos, você deve pesquisar sobre as propriedades químicas, físicas e toxicológicas dos produtos, seu manuseio e descarte seguro, armazenagem e medidas de primeiros 36 socorros em caso de acidente, com a finalidade de conscientizar o operador sobre os riscos aos quais está exposto (SOUZA et al., 2011). Outro cuidado importante é como armazenar esses produtos. Eles devem ser acondicionados em frascos devidamente rotulados, com indicativo sobre pureza, teor analítico dos componentes etc. Alguns devem ser guardados em geladeira; outros, em dessecadores; outros, ainda, devem ser mantidos no escuro. Alguns produtos guardam pureza elevada e são usados apenas para análises e sínteses; eles são denominados de PA (pro analysi). Alguns exemplos estão representados na Figura 10 a seguir: Figura 10 - Rótulos de produtos químicos Fonte: Souza et al. (2011) Em cada frasco de reagente, existem recomendações do fabricante no que diz respeito ao manuseio do produto químico. Os rótulos também devem conter símbolos de periculosidade de fácil visualização. O Quadro 3 apresenta alguns símbolos destacando a indicação de perigo e precauções (SOUZA et al., 2011). 37 Quadro 03 - Símbolos de periculosidade 38 Fonte: Souza et al. (2011) 5.2 Materiais e equipamentos utilizados no laboratório de química No laboratório de Química, você encontrará diversos materiais e equipamentos que apresentam diversas funções. Se você pretende realizar aulas experimentais no laboratório, é necessário escolher e utilizar esses recursos de maneira adequada para cada experiência (SOUZA et al., 2011). 5.2.1 Materiais Entre os materiais utilizados no laboratório de Química, existem as vidrarias, materiais de porcelana, metais e outros materiais. Alguns são utilizados para fazer reações, medir volumes, realizar aquecimentos, filtração, trituração, dar suporte e diversas outras funções (SOUZA et al., 2011). Determinadas vidrarias são utilizadas para medir volumes de líquidos. Quando essa medição é precisa, são denominados recipientes volumétricos. Os mais usados são o balão volumétrico, a bureta e a pipeta. Balão volumétrico – Possui colo longo, com um traço de aferição situado no gargalo. É usado no preparo de soluções e mede com precisão um volume fixo descrito no balão. Apresenta rolhas esmerilhadas para que, ao tampá-lo, fi que bem vedado. 39 Figura 11 - Balão volumétrico Fonte www.dsyslab.com.b Bureta – É um tubo cilíndrico graduado, geralmente em cm3, com uma torneira que controla a saída do líquido. Muito utilizado nos processos chamados titulações. É calibrado para medir um volume precisamente. Figura 12 - Bureta Fonte: www.lojalaborglas.com.br/vidraria-para-laboratorio/laborglas/bureta-com-torneira- de-ptfe-5-ml-120-laborglas-cod-9431807 40 Pipeta – Utilizada nas medições mais precisas de volumes de líquidos. Existem dois tipos de pipetas: a volumétrica e a graduada. A volumétrica tem apenas um traço de aferição na parte superior para indicar sua capacidade, enquanto a graduada possui escala para medir volumes variados. Figura 13 - Pipetas: (a) graduadas e (b) volumétricas Fonte: (a) <http://www.marienfel superior.com/2007/espanol/pipetas_graduadas.htm>; (b) <http://www.marienfeld-superior.com/2007/espanol/pipetas_volumetricas.htm>. Acesso em: 9 nov. 2009. Se o seu experimento não necessitar de um volume preciso, você poderá usar vidrarias que não apresentam medidas volumétricas, como o béquer e a proveta. Béquer – É utilizado para várias atividades no laboratório. Serve para fazer reações entre soluções, dissolver substâncias sólidas, efetuar reações de precipitação e aquecer líquidos. Quando levá-lo ao fogo, use tripé com a proteção da tela de amianto. 41 Figura 14 - Béquer Fonte:<http://www.casaamericana.com.br/images/Bequers%20Vicil%20F%20l%201.JPG >. Acesso em: 13 nov. 2009. Proveta ou cilindro graduado – Recipiente de vidro ou de plástico para medidas aproximadas. Serve para medir e transferir volumes de líquidos. Figura 15 - Proveta ou cilindro graduado Fonte: novo.jrvimig.com.br/produto Em alguns experimentos, você precisará filtrar soluções, que podem ser de sólidos não dissolvidos ou líquidos de solubilidades diferentes. Para realizar essa 42 atividade, você poderá usar materiais como funis, papel de filtro, kitassato, haste universal ou argolas, cada um com sua particularidade. Funil de Buchner – Utilizado em filtrações a vácuo. Pode ser usado com a função de filtro em conjunto com o kitassato. Figura 16 – Funil de buchner Fonte: https://qualividros.com/produto/60026/funil-de-buchner-de-porcelana Funil de separação – Utilizado na separação de líquidos não miscíveis e na extração líquido/ líquido. 43 Figura 17 - Funil de separação Fonte: Souza et al. (2011) Funil de haste longa – Usado na filtração e para retenção de partículas sólidas. Figura 18 - Funil de haste longa Fonte: Souza et al. (2011) Papel de filtro – Tem a mesma finalidade que os filtros utilizados para coar café: separar sólidos de líquidos. O filtro deve ser utilizado no funil comum. 44 Figura 19 – Papel de filtro Fonte:https://www.netgharnq.top/index.php?main_page=product_info&products_id=69255 1 Anel ou argola – É utilizado preso à haste do suporte universal. Sustenta o funil de filtração. Figura 20 - Anel ou argola Fonte: Souza et al. (2011) Suporte universal – Utilizado em operações como: fi ltração, suporte para condensador, bureta, sistemas de destilação etc. Serve também para sustentar peças em geral. 45 Figura 21 - Suporte universal com garra Fonte: Souza et al. (2011) Outra atividade que você certamente irá realizar é o aquecimento. Para isso, materiais como o bico de bunsen, tela de amianto, tripé, pinças de madeira, tubos de ensaio, peças de porcelana, entre outros, podem ser usados. Bico de Bünsen – É a fonte de aquecimento mais utilizadaem laboratório. Pode ser substituído pelas mantas e chapas de aquecimento. Normalmente, o bico de Bunsen queima gás natural ou, alternativamente, um GPL, tal como propano ou butano, ou uma mistura de ambos. Figura 22 - Bico de Bünsen Fonte: Souza et al. (2011) 46 Tela de amianto – Suporte para as peças a serem aquecidas. A função do amianto é distribuir uniformemente o calor recebido pelo bico de Bunsen. Figura 23 - Tela de amianto Fonte: Souza et al. (2011) Tripé – Sustentáculo para efetuar aquecimentos de soluções em vidrarias diversas de laboratório. É utilizado em conjunto com a tela de amianto. Figura 24 - Tela de amianto Fonte: Souza et al. (2011) Pinça de madeira – Usada para prender o tubo de ensaio durante aquecimento 47 Figura 25 – Pinça de madeira Fonte:<http://www.bvp.com.br/imagens/produtos/00042_g.jpg>. Acesso em: 10 nov. 2009. Tubo de ensaio – Empregado para fazer reações em pequena escala. Pode ser aquecido com movimentos circulares e, com cuidado, diretamente sob a chama do bico de Bünsen. Figura 26 - Tubos de ensaio Fonte: <http://www.casaamericana.com.br/images/Tubo%20de%20ensaio.JPG>. Acesso em: 13 nov. 2009. Cadinho – Peça geralmente de porcelana cuja utilidade é aquecer substâncias a seco e com grande intensidade; por isso, pode ser levado diretamente ao bico de Bünsen. 48 Figura 27 - Cadinhos Fonte: <http://img.alibaba.com/photo/235895599/Oxide_ceramics_Crucible.jpg>. Acesso em: 10 nov. 2009. Outros materiais podem ser utilizados nas diversas atividades que você pretende realizar em um laboratório, como erleymeyer, supote de tubo de ensaio, almofariz com pistilo etc. Erlenmeyer – Utilizado em titulações, aquecimento de líquidos e para dissolver substâncias e realizar reações entre soluções. Figura 28 - Erlenmeyer Fonte:<http://www.nebraskabiopro.com/contents/media/l_250ml%20erlenmeyer.jpg>. Acesso em: 10 nov. 2009. 49 Almofariz com pistilo – Usado na trituração e pulverização de sólidos. Geralmente são de porcelana ou vidro e contêm um pistilo (tipo pilãozinho). Figura 29 - Almofarizcom pistilo Fonte: Souza et al. (2011) Estante para tubo de ensaio – É usada como suporte de tubos de ensaio. Figura 30 - Estante para tubos de ensaio Fonte: <http://z.about.com/d/chemistry/1/0/5/o/testtubes.jpg>. Acesso em: 13 nov. 2009. 50 Condensador– Utilizado na destilação, tem como finalidade condensar vapores gerados pelo aquecimento de líquidos. Figura 31 - Condensador Fonte: Souza et al. (2011) Garra de condensador – Usada para prender o condensador à haste do suporte ou outras peças como balões, erlenmeyers etc. Figura 32 - Garra de condensador Fonte:<http://1.bp.blogspot.com/_1QL_1zotCqw/SExmU_RDldI/AAAAAAAAAlw/qFx4vwu 41hI/s400/P6060218.JPG>. Acesso em: 10 nov. 2009. 51 Pinça metálica – Usada para manipular objetos aquecidos. Figura 33 - Pinça metálica Fonte: Souza et al. (2011) Pisseta ou frasco lavador – Usada para lavagens de materiais através de jatos de água, álcool ou outros solventes. Figura 34 - Pisseta ou frasco lavador Fonte: Souza et al. (2011) Dessecador – Usado para retirar a umidade de substâncias. Para isso, utiliza-se o vácuo. 52 Figura 35 - Dessecador Fonte: Souza et al. (2011) Bagueta ou bastão de vidro – Haste de vidro com que se agitam misturas, facilitando reações. Figura 36 - Bagueta ou bastão de vidro Fonte: Souza et al. (2011) 5.2.2 Equipamentos No laboratório, você também vai encontrar equipamentos básicos, como balança analítica, capela, destilador, estufa, entre outros. Balança analítica – Usada para pesagem de materiais com precisão. 53 Figura 37 - Balança analítica Fonte: Souza et al. (2011) Chapa elétrica e agitador – Atualmente, representa a forma mais comum e segura de aquecimento de substâncias em um laboratório. Pode ser também utilizada para agitamento de soluções, aquecidas ou não. Figura 38 - Chapa elétrica com agitador Fonte: Souza et al. (2011) Destilador – Equipamento utilizado para purifi cação de líquidos. 54 Figura 39 – Destilador simples Fonte: Souza et al. (2011) Capela – Utilizada para o preparo de soluções ou procedimentos que envolvam liberação de gases. Figura 40 - Capela sendo utilizada Fonte: <http://www.expolabor.com.br/upload/pages/Image/vidy/capela.jpg>. Acesso em: 10 nov. 2009. 55 Estufa – A estufa é um equipamento usado para secar materiais, principalmente vidraria. Figura 41 - Estufa Fonte: Souza et al. (2011) 6 CONCEITOS BÁSICOS DA QUÍMICA 6.1 Classificação da matéria: propriedades físicas e químicas da matéria Pare um instante e observe os objetos ao seu redor: roupas, alimentos, prédios, casas, meios de transporte, árvores e outras muitas coisas que você encontra de forma natural no meio ambiente ou ainda outras que foram desenvolvidas pelo ser humano. Os materiais pensados e desenvolvidos pelo homem só se tornaram possível por meio do estudo dos materiais (Chang, 2010). Na história da ciência, o estabelecimento de alguns conceitos foi decisivo para os progressos nas mais diversas áreas do conhecimento humano. Entre tais conceitos estão o de substância química e o de mistura, ambos apresentados neste capítulo (CHANG, 2010). Se um químico tem uma amostra de certo material e precisa decidir se ela é formada por uma substância pura ou se é uma mistura de duas ou mais substâncias, ele pode realizar determinações das propriedades físicas e químicas desse material. Com base nessas propriedades a decisão correta pode ser tomada. 56 Dentre essas propriedades que permitem diferenciar substâncias puras de misturas estão o ponto de fusão, o ponto de ebulição, a densidade e a combustibilidade do material, propriedades que serão apresentadas e discutidas no decorrer deste capítulo (CHANG, 2010). 6.1.1 Química: a ciência que estuda a matéria O nosso organismo, o alimento que ingerimos, os medicamentos, as nossas roupas ou o ar que espiramos são exemplo de matéria. Em consenso, a matéria é definida como tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço (BRADY; RUSSEL; HOLUM, 2002). Preste atenção na palavra massa que utilizamos na frase para definir matéria. Essas duas palavras frequentemente são empregadas como se fossem sinônimos, o que é incorreto, pois referem-se a coisas diferentes. Pode-se assim generalizar que todos os seres e objetos que fazem parte de nosso universo são feitos de matéria (CHANG, 2010). É importante que você tenha clareza que a palavra massa em vez de peso é mais correta, pois massa é a quantidade de matéria que existe em um objeto, enquanto peso é a força que atua sobre um objeto quando ele está em um determinado campo gravitacional. Pode-se fazer uma simples comparação para que você entenda conceitualmente a diferença entre massa e peso. Uma maçã é constituída de átomos e moléculas (pequenas partículas) que, agregadas, formam uma certa quantidade de matéria e, assim, têm uma certa massa que é independente de sua localização. Entretanto, o peso da maçã pode variar. Considerando que a fruta esteja na lua, o peso dela pode ser seis vezes menor que seu peso na superfície do planeta Terra. Por isso sempre utilize a palavra massa quando expressar quantidade de matéria em um objeto (CHANG, 2010). Quando observamos uma amostra de matéria, ela pode estar em um ou mais dentre três diferentes estados físicos: sólido, líquido e gasoso. A água, uma substância muito importante dentro do estudo da matéria, pode existir na forma de gelo (sólido), na forma de água líquida ou como vapor (gás). A forma de 57 apresentação da água dependeda temperatura e da pressão no ambiente. Embora a aparência física desses três estados da água seja bastante diferente, a estrutura química da água (H2 O) é a mesma em todos eles, apenas a organização molecular e a distância entre as moléculas são diferentes. Um quarto possível estado de matéria, chamado de plasma, está relacionado com o estado gasoso e existe sob condições especiais. A matéria no estado de plasma é obtida por meio do superaquecimento de um gás, causando o rompimento de moléculas, produzindo íons e elétrons neutros entre si (CHANG, 2010). A Figura 42 representa uma situação bastante comum nas regiões de temperaturas mais amenas, na qual a água se apresenta nos estados sólido, líquido e gasoso (CHANG, 2010). Figura 42 - O iceberg, o mar a sua volta e as nuvens em seu horizonte são todos compostos pela mesma substância, a água. Eles ilustram os estados sólido, líquido e gasoso, respectivamente. Fonte: Andrea Danti/Shutterstock.com; gritsalak karalak/Shutterstock.com. Os sólidos ocupam porções definidas do espaço. Eles geralmente têm formas rígidas que resistem a variações. Os sólidos só podem ser comprimidos, ou seja, pressionados para ocupar menor espaço, com ligeira alteração de volume. 58 Eles também expandem, ou seja, ocupam maior volume de forma ligeira quando aquecidos. Exemplos de sólidos à temperatura ambiente (25 ºC e 1 atm): madeira, rocha, osso, sal de cozinha (NaCl), ferro, entre outros (CHANG, 2010). Os líquidos também ocupam porções fixas do espaço, mas não têm formas rígidas, pois tomam forma dos seus recipientes, enchendo-os a partir do fundo, ou de sua base. Os líquidos podem ser comprimidos apenas ligeiramente e, quando aquecidos, eles expendem um pouco mais em comparação com os sólidos. São exemplos de líquidos em temperatura ambiente: leite, soro fisiológico, sangue, água, metal mercúrio, entre outros (CHANG, 2010). Os gases não ocupam porções definidas do espaço e não têm formas definidas. Ao contrário, eles expandem sem limite para encher de forma uniforme o espaço disponível. Os gases podem ser comprimidos para que ocupem volumes ou espaços muito pequenos. O ar que respiramos é uma mistura de várias substâncias gasosas, ou seja, o ar é um gás. Se você encher uma seringa de ar, fechar a saída e pressionar o embolo da seringa, perceberá que o embolo pressiona o ar, diminuindo substancialmente o volume ocupado. Vapor de água, oxigênio, neônio, hélio, entre outros são exemplos de gases à temperatura ambiente (CHANG, 2010). A matéria pode alterar sua forma quando é submetida a alterações de temperatura, mas não perde sua identidade, ou seja, apenas passa de um estado para outro. Isso quer dizer que, quando fornecemos ou removemos energia em forma de calor, podemos mudar a temperatura de uma substância e alterar o estado físico da matéria. O estado físico da matéria depende de um equilíbrio entre a energia cinética das partículas (agitação de moléculas e átomos), que tendem a se manter separadas, e as forças de atração entre elas, que tendem a aproximá-las (ligações intermoleculares) (BETTELHEIM et al., 2012). Em altas temperaturas, as moléculas têm alta energia cinética e se movimentam tão rápido que as forças de atração entre elas são muito fracas para mantê-las unidas, formado assim o estado gasoso. Em temperaturas mais baixas, as moléculas se movimentam tão lentamente que as forças de atração entre elas tornam-se significativas. Quando a temperatura é suficientemente baixa, um gás se condensa e forma um estado líquido. Moléculas 59 no estado líquido ainda passam umas pelas outras, mas se deslocam bem mais lentamente que no estado gasoso. Quando a temperatura é ainda mais baixa, a velocidade das moléculas não permite mais que elas passem umas pelas outras, formando o estado sólido. Neste, cada molécula tem um certo número de vizinhos mais próximos, os quais são sempre os mesmos (CHANG, 2010). É importante salientar que as forças entre as moléculas são as mesmas em todos os três estados. A diferença é que, no estado gasoso (e em menor grau no estado líquido), a energia cinética das moléculas é suficientemente grande para superar as forças de atração entre elas (CHANG; GOLDSBY, 2013). A maior parte das substâncias pode existir em qualquer um dos três estados. De modo típico, um sólido, ao ser aquecido a uma temperatura suficientemente alta, se funde e se torna um líquido. A temperatura em que essa transformação ocorre é chamada de ponto de fusão. Aumentando o aquecimento, a temperatura sobe ao ponto em que o líquido ferve e torna-se um gás. Essa temperatura é chamada de ponto de ebulição. Entretanto, nem todas as substâncias podem existir nos três estados da matéria. A madeira e o papel, por exemplo, não podem ser fundidos. Quando aquecidos, ou se decompõem ou queimam (dependendo se estiverem na presença de ar), mas não se fundem. Outro exemplo é o açúcar, que não se funde quando aquecido, mas forma uma substância escura chamada caramelo (CHANG, 2010). 6.1.2 Propriedades químicas da matéria As propriedades químicas das substâncias são as que estão associadas com as reações químicas: processos nos quais as distribuições eletrônicas ao redor dos núcleos das substâncias participantes são significativamente alteradas, sem variar a composição nuclear. Em uma reação química, as substâncias interagem entre si para formar outras substâncias totalmente diferentes, com propriedades também diferentes (ATKINS; JONES, 2018). Algumas vezes, mudanças que ocorrem numa reação podem ser bastante radicais ou não. Como exemplo, o 60 processo de formação de ferrugem quando o ferro reage em presença de água e ar, a decomposição da água em oxigênio e hidrogênio pelo processo de hidrólise, a combustão de um palito de fosforo, entre outros. As propriedades químicas exibem tendências mais acentuadas e podem ser relacionadas diretamente com as características atômicas. Observe na Figura 43a a interação entre o sódio e o cloro em uma reação química e como ao final do processo é formada uma nova substância, diferente das que interagiram inicialmente. Figura 43 - Reação química entre sódio e água. Fonte: Adaptada de (a) e (c) Sergey Merkulov/Shutterstock.com; (b) Zern Liew/Shutterstock.com O sódio é um metal. Como todos os outros metais, é um bom condutor elétrico e apresenta uma superfície brilhante. É um metal muito macio. Sendo fácil cortá-lo com uma faca comum. Ao reagir com a água a reação é violenta, liberando grande quantidade de calor e produzindo gás hidrogênio. Nessa reação também é formado o hidróxido de sódio, conhecido como soda cáustica, que corrói facilmente os tecidos do corpo humano. Perceba que para que possamos estudar as propriedades químicas da matéria, esta é destruída, como a realização da combustão do sódio em água. A combustão é uma propriedade química. Dentre as propriedades químicas podemos citar, ainda, o teste da chama representado na Figura 43b. Nesse teste, uma substância é introduzida em uma chama e quando aquecida suficientemente emite uma luz de coloração característica. Esse ensaio é utilizado para detectar a presença de íons metálicos em amostras, baseado no espectro de emissão de luz característico de cada elemento. Outros testes que investigam as propriedades químicas e se relacionam com a maneira como as 61 substâncias reagem umas com as outras é a partir da utilização de um indicador químico, ou indicador colorémico, entre eles: solução de iodo (para detecção de amido), licor de Fehling (para detecção de glicose), água de cal (detecção de dióxido de carbono), sulfato de cobre anidro (detecção de água), papel tornassol azul representado na Figura 43c (detecção de substâncias ácidas/básicas), entre outros. A seguir você encontra outros exemplos de reações químicas, como oxirredução, decomposição,combustão e síntese (CHANG, 2010). Oxirredução A formação da ferrugem ocorre pela propriedade química de oxidação e redução de substâncias em uma reação química. Essa propriedade é um dos tipos mais importantes e comuns de reação química. A oxidação é a perda de elétrons para a substância que vai reagir com ela. A redução é o ganho de elétrons cedidos pela substância oxidada. Esse tipo de reação envolve a transferência de elétrons entre as substâncias. Você sabe que objetos de ferro ou aço, quando são expostos ao ar, enferrujam (o aço é na maior parte ferro, mas contém alguns outros elementos também). Ao enferrujar, o ferro é oxidado a uma mistura de óxidos de ferro. Pode- se representar a reação principal da seguinte maneira (Figura 44). 62 Figura 44 - Reação principal da oxidação. Fonte: Adaptada de Inna Bigun/Shutterstock.com. Como vemos, o ferro sólido interage com oxigênio e forma óxido de ferro. Decomposição As reações de decomposição são reações que consistem na transformação de um composto em outros compostos mais simples ou elementos. Compostos binários simples (compostos de dois elementos) podem ser decompostos em seus elementos. A água, por exemplo, é decomposta em moléculas de hidrogênio e oxigênio por uma corrente elétrica. Esse processo, chamado de eletrólise, é mostrado na Figura 45: 63 Figura 45 - Eletrólise Fonte: Adaptada de udaix/Shutterstock.com. Combustão Uma reação de combustão envolve a queima de alguma substância. Como exemplo, os combustíveis, como gasolina, óleo diesel, óleo combustível, gás natural, carvão madeira, papel, entre outros. Todo esse material contém carbono, exceto o carvão, e também têm hidrogênio. Se a combustão for completa, o carbono reage com oxigênio, com ajuda de uma fonte de energia externa, fogo de um palito de fósforo ou faísca da bateria de um carro, e o transforma em CO2 , gás carbônico; o hidrogênio será transformado em água e ocorre liberação de energia em forma de calor e luz. A interação de carbono e hidrogênio ocorre com oxigênio do ar (CHANG, 2010). 64 Síntese As reações de síntese são reações nas quais duas ou mais substâncias se combinam para formar uma outra substância. A síntese da amônia é um exemplo de uma reação de combinação. Nesse caso, dois elementos, nitrogênio e hidrogênio, se combinam para formar amônia. A reação química está representada a seguir. N2 + 3 H2 → NH3 6.2 Diferença entre mistura homogênea e heterogênea de substâncias puras Neste estudo, é importante que você tenha clareza do que é uma substância química, uma vez que essa expressão é essencial no estudo da química. Uma substância é definida como uma porção de matéria que tem propriedades bem definidas e que lhe são características. Anteriormente, já abordamos propriedades físicas e químicas que são próprias de algumas substâncias. Dentre elas, estão o ponto de fusão, o ponto de ebulição, a densidade, o fato de ser inflamável ou não, a cor, o odor, entre outras. Duas substâncias diferentes podem, eventualmente, ter algumas propriedades iguais, mas nunca todas elas. Caso aconteça de todas as propriedades de duas substâncias serem iguais, então elas são, na verdade, a mesma substância (CHANG, 2010). Na Figura 46 são mostrados exemplos de substâncias e são mencionadas algumas de suas propriedades. 65 Figura 46 - Substâncias químicas e suas propriedades. Fonte: Adaptado de Atkins e Jones (2018); (a) wasanajai/Shutterstock.com; (b) Aleksandr Pobedimskiy/ Shutterstock.com; (c) THERDSAK SUPAWONG/Shutterstock.com. 6.2.1 Substâncias puras x misturas A água tem densidade 1,00 g/cm³ e o cloreto de sódio 2,17 g/cm³. Ao acrescentar cloreto de sódio à água e mexer, obtém-se uma mistura cuja densidade é diferente da dos dois componentes isolados. Analise o Quadro 4, que ajuda a esclarecer esse ponto (CHANG, 2010). Quadro 04 - Densidade de algumas misturas de água e cloreto de sódio Fonte: Adaptado de Furniss et al. (1987) 66 Como se pode perceber, qualquer mistura de água e cloreto de sódio tem uma densidade tal que não lhe permite ser classificada nem como água pura nem como sal. Verifica-se experimentalmente que uma mistura de água e cloreto de sódio, colocada num congelador, não congela a 0 ºC. Esse sistema inicia seu congelamento abaixo de 0 ºC (o valor exato depende do teor de sal) e a temperatura não permanece constante durante o congelamento, mas diminui gradualmente. Quando aquecida, verifica-se que o sistema não entra em ebulição a 100 ºC. Ele começa a ferver acima de 100 ºC (assim como no congelamento, a TE de pende do teor de sal) e a temperatura não permanece constante durante a ebulição, mas aumenta progressivamente, como visto anteriormente. Você pode perceber, portanto, que uma mistura de água e cloreto de sódio tem propriedades que não são características da água nem do sal. Em posse de todas essas análises e constatações, podemos estabelecer uma importante diferença entre substância pura e mistura. Uma substância pura, como o próprio nome diz, está pura, ou seja, não está misturada com outra substância ou com outras substâncias. Em geral, quando um químico se refere, por exemplo, à substância água, ele está deixando subentendido que se refere à substância pura água. Já uma mistura é uma porção de matéria que corresponde à adição de duas ou mais substâncias puras (ATKINS; JONES, 2018). A partir do memento em que elas são adicionadas, deixam obviamente de ser consideradas sustâncias puras. Elas passam a ser as substâncias componentes da mistura que forma um sistema. Veja a seguir outros exemplos de misturas. 67 Figura 47 - Chá com açúcar. Fonte: Tro (2017, p. 9). 6.2.2 Mistura homogênea e heterogênea A natureza apresenta uma grande diversidade de materiais. É preciso analisar a composição e as propriedades desses materiais para que eles possam ser utilizados ou transformados nos mais diversos objetos. Para facilitar a análise dos materiais, os cientistas delimitaram uma porção do universo que será o foco da análise e receberá o nome de sistema. Dessa forma, vamos chamar uma mistura de 2 ou mais substâncias de sistema. Como no estudo acima, a mistura de água e sal passará a ser chamada de sistema água e sal (CHANG, 2010). Sempre é bom ressaltar que o estado de um sistema é descrito pelas propriedades gerais e especificas dos materiais que o compõem, incluindo as condições de pressão e de temperatura em que se encontram (CHANG, 2010). Um sistema pode ser classificado como homogêneo ou heterogêneo, dependendo do seu aspecto. Uma porção de água filtrada apresenta um único aspecto em todos os seus pontos e, por isso, corresponde a um sistema homogêneo. Um pedaço de madeira não apresenta aspecto uniforme em sua extensão e corresponde a um sistema heterogêneo. Cada um dos diferentes 68 aspectos observados em um sistema é chamado de fase. Fase é uma porção do sistema que apresenta as mesmas características em todos os seus pontos, sendo, portanto, de aspectos uniformes mesmo quando observada no microscópio comum. O sistema homogêneo apresenta aspecto uniforme e as mesmas características em toda a sua extensão. Esse sistema é monofásico (constituído por uma única fase) (ATKINS; JONES, 2018). O sistema heterogêneo apresenta aspectos e características diferentes em sua extensão. Esse sistema pode ser formado por duas fases (bifásico), três fases (trifásico) ou mais (polifásico) (ATKINS; JONES, 2018). A Figura 48 apresenta dois exemplos de sistemas: a gasolina é um exemplo de sistema homogêneo formado por hidrocarbonetos que têm de 6 a 10 átomos de carbono e etanol. Já o granito é exemplo de sistema heterogêneo formado por concentrações
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