Plano de aula I Formação de geodo Dani gui joao

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
 Centro de Educação e Ciências Humanas 
 Departamento de Engenharia Civil
 Mineralogia Aplicada
Plano de aula: formação de geodo
Guilherme Gianini Morbioli, 355453
Danielle da Silva Francischini, 607886
João Luís Lealdini, 607797
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
Centro de Educação e Ciências Humanas 
Departamento de Engenharia Civil
Mineralogia Aplicada
Trabalho solicitado à disciplina de Mineralogia Aplicada, ministrada pela profª.Drª Marilene Dantas no dia 26 de Junho, com a finalidade de apresentar um plano de aula expondo a relação entre a mineralogia e a química.
São Carlos
2017
Introdução
Um geodo é uma rocha “oca” com cristais alinhados em suas paredes internas. Os geodos ou geodes (do grego geóides, que significa terroso) são criados em um processo de duas etapas: a primeira é a formação das cavidades (parte externa) e a segunda, a formação dos cristais (parte interna). 
Seu exterior se origina em qualquer local onde exista lava vulcânica, a qual endurece completamente antes de ser preenchida, criando a cavidade do geodo. Tal cavidade é composta por bolsões de ar (bolhas) que se formam em rochas vulcânicas quente ou, ocasionalmente, em rochas sedimentares. 
Com o passar do tempo, os cristais vão se formando gradualmente à medida que água se infiltra e vaza no bolsão de ar. Os minerais contidos na água se depositam na rocha e se acumulam gradativamente, ocorrendo assim formações cristalinas, muitas vezes apresentando a forma de faixas concêntricas (circunferências, círculos ou curvas que contêm o mesmo centro)1,2.
Nesta formação de cristais, ocorrem arranjos, nos quais os cristais se apresentam agrupados. Dependendo da pressão dos gases na formação dos cristais, o geodo terá poucos cristais de grande tamanho (pressão baixa) ou muitos cristais de pequeno tamanho (pressão alta)3.
O tamanho dos cristais, bem como a sua forma e tonalidade, são variáveis, tornando cada geodo único. A aparência também vai depender do local onde os cristais se formaram. Suas cores são majoritariamente determinadas pelos tipos de minerais presentes na água que se infiltra nos bolsões de ar. Alguns são límpidos como cristais de quartzo, já outros são coloridos, como os cristais de púrpura de ametista, podendo conter também cristais de ágata, calcedônia ou jaspe. A parte externa do geodo é geralmente constituída por calcário e não se pode dizer como é seu interior até que seja cortado ou partido, de forma a expô-lo1,2. 
Em 1999 foi descoberto na Espanha um geodo de 8 metros de comprimento. Seus cristais eram brancos e alguns chegavam a um metro de comprimento. A hipótese é de que os cristais se formaram milhões de anos atrás quando boa parte do mar Mediterrâneo evaporou e deixou sal no bolsão de ar do geodo, resultando na formação de cristais1.
Os geodos são comuns em algumas formações rochosas dos Estados Unidos, Namíbia (África), México e Brasil. Alguns dos geodos mais impressionantes são encontrados na América do Sul e apresentam cristais roxo-escuros no centro, sendo chamados de geodos de ametista1,2.
Geodos são vendidos no mercado e obtêm-se uma grande quantidade de dinheiro por aqueles que forem brilhantes, já os menores são utilizados como pesos de papel ou enfeites para estantes, por exemplo1.
As imagens a seguir ilustram exemplos de geodos de ametista e de quartzo roxo:
Imagem 1: Geodo de ametista
http://www.cprm.gov.br/publique/Redes-Institucionais/Rede-de-Bibliotecas---Rede-Ametista/Canal-Escola/Cristais-2715.html
Figura 2: Geodo com quartzo roxo
http://www.dicionario.pro.br/index.php/Geodo
Objetivos
O objetivo deste trabalho é mostrar a relação entre a mineralogia e a química através de um experimento onde é possível explorar conceitos químicos como solubilidade, influência da temperatura e reações de cristalização, elucidando de forma simples como ocorre a formação dos geodos, fontes de cristais.
Materiais utilizados
Ovo
Chave de fenda para furar o ovo
Prato para esvaziar o ovo
66 gramas de sulfato de magnésio
Tesoura
Cola branca líquida
Pincel
Béquer (acima de 300 mL)
Água (100 mL)
Bico de Bunsen
Corante	
Luvas 
Procedimento experimental
O presente trabalho foi realizado em três etapas: preparação da casca do ovo, preparação da solução de sulfato de magnésio e formação do geodo na casca do ovo, detalhadas a seguir.
OBS.: Para realizar este experimento em sala de aula, algumas das etapas serão levadas prontas, pois precisam de repouso. Assim, todos os alunos poderão visualizar o desenvolvimento do experimento e seus resultados. 
Preparação da casca do ovo
Lavar o ovo com água e utilizando a chave de fenda, fazer com cuidado um pequeno furo nas duas extremidades contrárias da casca do ovo (em cima e em baixo). Com o auxílio de um prato, assoprar uma das extremidades para que todo seu conteúdo seja depositado sobre este e a casca fique vazia.
Com a tesoura, cortar o ovo simetricamente pela metade (formando conchas) e lavar. Após secar, utilizando um pincel, passar a cola líquida por toda a superfície interna da casca do ovo. Adicionar os cristais de sulfato de magnésio na mesma região e deixar em repouso por 1 hora. Após secar, caso necessário, retirar o excesso de sulfato de magnésio4.
OBS.: Esta etapa será preparada anteriormente, pois necessitará de 1 hora de repouso, mas será feita novamente na sala de aula para que todos possam visualizar.
 
Foto 1: ovo com furo nas duas extremidades 
Foto 2: cascas de ovo com cristais de sulfato de magnésio
Preparação da solução do sulfato de magnésio
Em um béquer, adicionar 100 mL de água e aquecê-la utilizando-se o bico de Bunsen. Em seguida, acrescentar aproximadamente 66 gramas de sulfato de magnésio, misturando até total dissolução do soluto. Em seguida, adicionar algumas gotas de corante da cor desejada4.
Formação do geodo na casca do ovo
 Depois que a solução voltar à temperatura ambiente, introduzir completamente as cascas de ovo cortadas e esperar 24 horas para que ocorra a cristalização e possa ser visualizada a formação do geodo. Depois desse tempo, retirar os geodos formados utilizando-se luvas4.
Foto 3: formação do geodo com solução em temperatura ambiente (imagem acima) e formação de geodo com solução quente (imagem abaixo). 
Resultados esperados
Preparação da casca do ovo
Na preparação da casca do ovo utilizamos a cola branca líquida com o objetivo de fixar os cristais de sulfato de magnésio no interior da casca, o que só é possível devido às propriedades que a cola apresenta. 
Existem três tipos de cola: com base em água, com base em solventes e as colas que reagem em contato com o ar, sendo todas formadas por polímeros (macromoléculas) que se ligam uns aos outros.
Os polímeros da cola, na presença de água, interagem pouco entre si, deixando-a líquida. Quando ela é aplicada sobre uma superfície porosa (no caso, a casca do ovo e os cristais de sulfato de magnésio), além de permanecer entre as duas partes que deve colar, penetra nos poros existentes na superfície destes materiais. Com o tempo, a água evapora lentamente, e os polímeros começam a interagir entre si e com o material sobre o qual foram aplicados, unindo as duas partes que estavam em contato (fixando os cristais na casca do ovo)5. 
Preparação da solução de sulfato de magnésio
Para compreendermos a etapa da preparação da solução, alguns conceitos de solução e solubilidade devem ser explicados:
Soluto: substância dissolvida pelo solvente. No caso, na mistura de água e cristais de sulfato de magnésio, o sulfato de magnésio é o soluto;
Solvente: substância que dissolve o soluto. No caso, na mistura de água e cristais de sulfato de magnésio, a água é osolvente;
Solução: misturas homogêneas de duas ou mais substâncias, isto é, de aspecto uniforme. No caso do experimento, a solução é formada pela dissolução do sulfato de magnésio com a água.
Corpo de chão, corpo de fundo ou precipitado: é a parte de soluto que não se dissolve no solvente e fica no fundo do recipiente10;
Coeficiente de solubilidade: é a medida da capacidade que um soluto possui de se dissolver numa quantidade-padrão de um solvente, em determinadas condições de temperatura e pressão, ou seja, é uma quantidade limite ou quantidade máxima de soluto que irá se dissolver em determinada quantidade de solvente10.
Existem três tipos de soluções que podem ser classificadas de acordo com a quantidade de soluto dissolvido6:
Soluções insaturadas: todo soluto é dissolvido e a solução obtida é homogênea, ou seja, se quisermos dissolver mais soluto, é possível.
Exemplo de solução insaturada
http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/solubilidade-saturacao.htm
Soluções saturadas: contém excesso de soluto, o qual não se dissolve e fica visível no fundo do recipiente (corpo de fundo).
Exemplo de solução saturada
http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/solubilidade-saturacao.htm
Soluções supersaturadas: contém, a uma determinada temperatura, uma quantidade de soluto dissolvido superior ao que seria possível em condições normais, tornando-a instável, pois uma mínima perturbação no sistema faz com que ela apresente a formação de precipitado. As soluções supersaturadas são preparadas a partir de seu aquecimento. Se não houvesse uma elevação na temperatura e adicionássemos uma quantidade elevada de soluto no solvente, a solução ficaria saturada com corpo de fundo. Porém, se aquecermos essa solução saturada, o corpo de fundo irá se dissolver totalmente, pois, a uma temperatura mais elevada, o seu coeficiente de solubilidade aumenta. Se deixarmos essa solução em repouso, até ela voltar para a temperatura ambiente, obteremos uma solução supersaturada, contendo mais soluto dissolvido do que o coeficiente de solubilidade naquela temperatura permite. E então, se adicionarmos um pequeno cristal a essa solução, se inicia um processo de cristalização, fazendo com que todo o excesso de soluto existente se cristalize10.
 Exemplo de solução supersaturada
 http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/solubilidade-saturacao.htm
O que é preparado no experimento é uma solução supersaturada, ou seja, com o aumento da temperatura, foi possível dissolver mais sulfato de magnésio em água do que seria possível em condições normais. Em seguida, deixamos a solução voltar à temperatura ambiente justamente para que ela pudesse supersaturar (como mostrado na imagem do exemplo acima). Ao entrar em contato com os cristais de sulfato de magnésio existente na casca do ovo, se inicia a cristalização.
O aquecimento da água antes da dissolução do sulfato de magnésio tem um propósito: a água é aquecida com o intuito de acelerar a reação química entre soluto e solvente. Com o aumento da temperatura, há o aumento da energia cinética das partículas que resulta em uma maior agitação das moléculas de água e de sulfato de magnésio, fazendo com que se colidam mais facilmente de forma efetiva e com maior frequência, reagindo mais rápido7. Esse aumento na velocidade da reação possibilitou a dissolução de mais soluto e a formação da solução em condições adequadas para a formação do geodo na casca do ovo (solução supersaturada).
Formação do geodo na casca do ovo
Para a realização deste experimento, poderiam ser utilizados diversos minerais, como: cloreto de sódio, sulfato de magnésio, bórax ou o alúmen de potássio. Todas essas substâncias têm em comum o fato de serem cristais naturais, ou seja, bases de cristais8. Ao misturar essas bases com água, criam-se condições propícias para o crescimento de novos cristais de diferentes tamanhos (varia de acordo com o tempo de reação e quantidade de solvente) e cores (varia de acordo com os minerais presentes em solução ou, no caso, com a cor do corante utilizada no experimento). 
Misturando o sulfato de magnésio com água em solução supersaturada, seus cristais perturbam o sistema e proporcionam o processo de cristalização e, à medida que a água evapora, a concentração de sulfato de magnésio aumenta de tal forma que ela começa precipitar-se e agrupar-se em estruturas altamente organizadas, dando origem aos cristais. Para que ocorram as reações de cristalização, é necessário que se tenham condições termodinâmicas adequadas, como citadas acima. Tal condição é a existência de uma solução supersaturada. Por ser uma condição muito instável, permite que ocorra a primeira etapa da reação, chamada Nucleação Primária, onde as próprias superfícies sólidas dos cristais presentes em solução (sulfato de magnésio na casca do ovo) podem ser agentes de nucleação (formar novos cristais). Uma vez formados os primeiros cristais, pequenos fragmentos destes podem transformar-se em novos núcleos, etapa chamada de Nucleação Secundária9.
Depois de formado, os núcleos dos cristais começam crescer, etapa chamada de Crescimento. O grau de sobressaturação (referente à solução supersaturada) e a temperatura, por exemplo, são pontos que condicionam a velocidade de crescimento dos cristais e as características do produto final. Quanto maior o grau de sobressaturação, maior a instabilidade, resultando em uma velocidade de nucleação muito elevada9. No caso do experimento, por não apresentar um grau de sobressaturação muito alto, a velocidade da reação de cristalização é mais lenta, o que pode ser explicado pelo tempo de repouso de 24 horas da solução com as cascas de ovo até que se observem os primeiros cristais.
Referências
1 Ehow. O que é um geodo. Disponível em: <http://www.ehow.com.br/geodo-sobre_346296/> Acesso 06 de maio. 2016.
2 Wikipédia. Geode. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Geode> Acesso 06 de maio. 2016.
3 CPRM Serviço Geológico do Brasil. Cristais. Disponível em: <http://www.cprm.gov.br/publique/Redes-Institucionais/Rede-de-Bibliotecas---Rede-Ametista/Canal-Escola/Cristais-2715.html> Acesso 06 de mai. 2016.
4 Ciênciatube. Experimento: faça seu geodo em casa. Disponível em: <http://www.cienciatube.com/2012/08/experiencia-quimica-geodo-cristais.html#ixzz3b4AMhTRR> Acesso dia 06 de mai. 2016.
5 Ciência hoje das crianças. A química da cola. Disponível em: <http://chc.cienciahoje.uol.com.br/a-quimica-da-cola/> Acesso em 06 de maio. 2016.
6 Colaweb. Físico-Química: soluções. Disponível em: <http://www.coladaweb.com/quimica/fisico-quimica/solucoes>. Acesso 06 de mai. 2016.
7 Mundo educação. Temperatura e velocidade das reações. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/temperatura-velocidade-das-reacoes.htm> Acesso em: 06 de maio. 2016.
8 WikiHow. Como fazer cristais. Disponível em: <http://pt.m.wikihow.com/Fazer-Cristais> Acesso em: 06 de maio. 2016.
9 Portal de laboratórios virtuais de processos químicos. Cistalização. Disponível em: <http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=159> Acesso em: 06 de maio. 2016.
10 FOGAÇA, Jennifer Rocha Vargas. "Saturação das soluções"; Brasil Escola. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/quimica/saturacao-das-solucoes.htm> Acesso em 07 de maio. 2016.