DISCIPLINA – PRÁTICA DE ENSINO
Trabalho referente à monitoria da matéria QFL3102-Química Inorgânica
ministrada para turma do noturno, 2º semestre 2008.
Explorando estruturas no estado sólido e
propriedades físicas: um exercício de
modelo molecular e cristalino
Natália de Jesus da Silva Costa
Dezembro de 2008
1) INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA.
A disciplina de química inorgânica experimental no noturno tem como objetivo
consolidar a teoria apresentada nas aulas teóricas que trata essencialmente dos
principais elementos da tabela periódica. A turma é formada por alunos do segundo
semestre do primeiro ano, o que concede a esta matéria um maior dedicação dos
docentes e monitores, visto que são alunos iniciantes e que precisam de uma supervisão
mais rigorosa.
Durante o trabalho de monitoria nesta disciplina foi observado que a matéria
apresenta um apanhado geral envolvendo toda química e não apenas química
inorgânica. As experiências no laboratório têm sintonia com a matéria dada em aula, o
que facilita o aprendizado do aluno. As experiências são bem completas e envolvem um
amplo conhecimento de química. Tanto as propriedades dos elementos como utilização
de técnicas de análises são bem exploradas através de procedimentos interligados. Um
excelente exemplo é a primeira experiência que trata do ciclo de cobre. Essa experiência
teve como objetivo relembrar o aprendido no semestre anterior, envolvendo os
principais tipos de reações químicas: oxi-redução, complexação, neutralização,
precipitação.
Outro ponto importante relacionado a essa matéria é a preocupação com a
postura de laboratório dos alunos. Eles desenvolvem a habilidade com o manuseio de
vidraria, e passam a ter uma melhor compreensão do funcionamento das técnicas
utilizadas.
Embora a disciplina já esteja bem estruturada eu venho propor por meio deste
trabalho um novo experimento que seria uma ligação de química inorgânica com a
matéria de Estrutura ministrada no semestre anterior. A matéria de Estrutura abordou
entre outros assuntos, a geometria de moléculas e estrutura de sólidos. A matéria de
Química inorgânica tentou conciliar estrutura com as propriedades físicas. Um dos fatos
mais complicados na química é a visualização de estruturas cristalinas em 3 dimensões,
além da correlação dessas estruturas com as propriedades físicas do composto. Os
alunos relataram que a visão espacial deles era precária, embora tivessem visto apenas
um exemplo de um modelo de estrutura cristalina. A visualização espacial é um fator
importante e deve ser explorado logo no início da graduação, auxiliando não apenas em
química inorgânica, mas em outras matérias, como por exemplo, Química Orgânica.
Isso foi rapidamente abordado na experiência das propriedades do O2 e S onde
em uma das etapas era discutida a diferença da combustão entre duas formas alotrópicas
do fósforo: o fósforo branco e o fósforo vermelho. As moléculas de fósforo branco são
tetraatômicas (P4) com geometria tetraédrica. Os ângulos de ligações P-P-P são de 60°,
o que confere muita tensão a essas ligações facilitando o seu rompimento, portanto a
combustão do fósforo branco é violenta. O fósforo vermelho é muito menos reativo (foi
facilmente observado na experiência) por se tratar de um sólido polimérico.1
É importante na química inorgânica a abordagem de forças intermoleculares e
essas forças se tornam mais evidentes nas estruturas sólidas. A compreensão da
estrutura dos sólidos, em termos das propriedades dos átomos, ajuda a entender por que,
por exemplo, os metais são maleáveis, mas os cristais de sal se quebram sob pressão, e
porque o diamante é duro e a grafita é mole.
O experimento proposto a seguir é baseado em no artigo: “Exploring Solid-State
Structure and Physical Properties: A molecular and Crystal Model Exercise”2 (anexo 1)
2) OBJETIVO:
O experimento proposto tem como objetivo facilitar o aprendizado de alunos
iniciantes na graduação em química promovendo uma revisão sobre estruturas de Lewis
e a Teoria de Repulsão dos Pares de Elétrons da Camada de Valência (VSEPR) e uma
melhor visualização de estruturas em 3 dimensões. É necessário que os alunos já
tenham tido conhecimento de estrutura química.
3) DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO:
3.1) Atividade pré-laboratório:
É proposto para os alunos desenhe a estrutura de Lewis de algumas substâncias
de modo que as estruturas abranjam compostos iônicos envolvendo ou não íons
moleculares. Bindel em seu artigo sugere que as substâncias escolhidas para a atividade
pré laboratório sejam a calcopirita (CuFeS2), pirita de ferro (FeS2), nitrito de sódio
(NaNO2) e sulfeto de zinco (ZnS).
3.2) No laboratório:
A atividade deve ser realizada em dupla. As estruturas ficam montadas nas
bancadas e os alunos devem observar a geometria molecular e as formas gerais dos
minerais. Nesse momento de observação os alunos também devem ser instruídos a
fazerem a correlação entre a estrutura no estado sólido e as propriedades características
das substâncias. Por exemplo, o grafite e o diamante. O relatório a ser pedido para os
alunos deve conter correlações da estrutura dos compostos vistos em aula e suas
propriedades características. Como complemento do proposto por Bindel, os alunos
também poderiam fazer uma pesquisa sobre cada composto, como por exemplo, formas
de obtenção e utilização.
Como relação à montagem da aula pode ser proposta a construção de modelos
com o uso de materiais próprios para modelos moleculares em química. Uma
quantidade variada de modelos pode ser obtida. Para ser mais didático é proposto
também que ao lado dos modelos moleculares haja espécimes da respectiva substância
(figura 1).
Figura 1: Espécimes de minerais cristalinos e seus modelos estruturais correspondentes. Da
esquerda no sentido horário: calcopirita, wulfenita, pirita de ferro, sulfeto de zinco, fluorita e
alumén
Embora esses modelos custem caro, a Universidade poderia comprar esse
material para exclusivo uso didático. Como alternativa, poderiam ser usados outros
tipos de recursos para essa aula. Um recurso seria o uso de modelos de LEGO, um
brinquedo caro de montagem, mas de fácil acesso. Com o LEGO podem ser montados
vários modelos3, como, por exemplo, o sulfeto de zinco:
Unidade
Célula Unitária
Z=0
Z=1/4
Z=1/2
Z=3/4
Z=1
Figura 2.: Esquema de montagem da estrutura do ZnS que apresenta um sistema de cristal cúbico
com um habitat de cristal tetraédrico
Em um experimento proposto na matéria de Química Inorgânica foi discutida as
formas do enxofre monoclínico e rômbico assim como a diferença entre os alótropos de
fósforo. Com LEGO também é possível ter uma visualização dessas estruturas (fig.3-5).
Figura 3: Alótropo de enxofre de estrutura ortorrômbica.
Figura 4: Alótropo de enxofre de estrutura monoclínica.
Figura 5: Da esquerda para direita: estrutura de LEGO do fósforo vermelho, fósforo branco e
fósforo preto.
A diferença entre grafite e diamante também pode ser observada com as peças
de LEGO (fig.6).
a)
b)
Figura 6: Estruturas dos alótropos de carbono. a) diamante b) grafite
Com LEGO existem várias outras possibilidades de montagem de modelos,
podendo fazer comparações, por exemplo, com as estruturas cúbica, cúbica de face
centrada, cúbica de corpo centrado, etc. Também é possível a montagem de algumas
moléculas orgânicas e de nanoestruturas quem vem obtendo uma grande relevância na
pesquisa em química. Devido à forma da peça a visualização das estruturas pode ficar
um pouco comprometida. Outra opção para o desenvolvimento deste trabalho proposto,
a visualização das estruturas pode ser feita através de técnicas computacionais. A
informática tem sido vista como grande auxiliar do ensino em todas as matérias,
inclusive a química. Com a informática, também é possível obter animações com
rotações de 360º das estruturas, possibilitando uma visão da mesma forma que tendo o
modelo em mão. Fotos de algumas estruturas podem ser obtidas em sites da internet4,
ou de livros5 como “Princípios de química” de Peter Atkins e Loretta Jones.
Estruturas como novamente o exemplo de ZnS (fig.7) pode ser vista de forma
similar ao modelos específicos para moléculas químicas. Animações das estruturas de
grafite, diamante, gelo, cloreto de sódio e liga de aço podem ser encontradas no site do
livro “Princípios de química”5 citado anteriormente.
Figura 7: Estrutura do ZnS obtida de um site educativo elaborado por Mc Clure.
Bindel também escreveu um artigo em abril de 2002
6
onde propunha o uso de
caixas de plástico transparentes com esferas de plásticos coloridas (fig.8) para melhor
entendimento de células unitárias e estruturas empacotadas, mas esse material acaba
sendo restrito, não podendo ser expandido para estruturas orgânicas por exemplo.
Figura 8: Estrutura do cloreto de sódio e uma estrutura cúbica de face centrada construídas pelo
modelo de caixas de plásticos proposto por Thomas Bindel.
4) DISCUSSÃO:
Devido à dificuldade de introduzir uma nova aula na matéria, foi proposto um
questionário onde alguns alunos puderam responder questões referentes ao assunto no
início da aula referente aos metais. O questionário fornecido (anexo 2) teve como
objetivo não só obter a opinião dos alunos referente à melhor forma de visualização de
estruturas cristalinas, como também testou o conhecimento deles do assunto. Um total
de 35 alunos presentes nesta aula não só responderam o questionário como tiveram
oportunidade de montar suas estruturas cristalinas com peças de Lego e compará-las
com um modelo de química inorgânica fornecido pela professora Viktoria Klara
Lakatos Osório. A atividade durou cerca de 30 minutos. Na sala foi observado um
desapontamento dos alunos quando tentavam visualizar as estruturas com Lego. Houve
muita reclamação devido ao átomo não representar a forma de uma esfera, pois os
átomos sugeridos para Lego tem cantos quadrados. E não foi apenas a dificuldade de
visualizar as estruturas como também montá-las. Essa observação do comportamento
dos alunos na aula também refletiu no questionário, pois 66% dos alunos preferiram
visualização com modelos químicos (uma boa parcela teve como segunda opção o uso
de aula computacional), 34% dos alunos preferiu apenas computação e nenhum aluno
preferiu usar Lego.
Apenas 25% dos alunos consideram sua capacidade de enxergar as estruturas
cristalina com nota ≤ 5, no entanto observou –se um resultado importantíssimo com esse
questionário pois 83% dos alunos erraram ao desenhar a estrutura de Lewis para os sais
ZnS e NaNO2, sendo que os alunos que acertaram foram os que foram tirar dúvida
durante a atividade. Muitos fizeram ligações covalentes entre o zinco e o sulfeto e entre
o sódio e o nitrito. Esse resultado é preocupante, pois os alunos demonstraram que eles
estão respondendo as questões automaticamente (isso também foi observado nas provas
da disciplina de Química Inorgânica) sem entender de fato a matéria.
5) CONCLUSÃO:
As estruturas de Lego não tiveram boa aceitação pelos alunos, excluindo assim a
possibilidade de uma aula proveitosa utilizando Lego como material de ensino para
construção de estruturas cristalinas. Embora, apenas 25% dos alunos consideram sua
visualização espacial precária, 83% dos alunos não sabem escrever estrutura de Lewis
para íons, o que torna válida a atividade proposta neste trabalho. Sugere-se o uso de
modelos químicos ou material próximo disso (bolas de isopor e palitos de churrasco
como comumente é feito) para esta atividade.
6) AGRADECIMENTOS
Agradeço aos professores Hermi Felinto de Brito, Liane Márcia Rossi, Paola
Corio e Viktoria Klara Lakatos Osório que ministraram a Disciplina QFL 3102 –
Química inorgânica 2º semestre de 2008, pelo apoio e orientação durante o período de
monitoria, onde pude aprender não apenas a auxiliar no aprendizado dos alunos, como
também sempre pensar na melhor forma de auxiliar esse aprendizado.
7) REFERÊNCIAS
1
Lee, J. D., Química Inorgânica não tão concisa. Ed. E. Blücher, São Paulo, 1999,
239
2
Thomas H. Bindel. Journal of Chemical Education. 2008, 85 (6).
3
LEGO. http://www.mrsec.wisc.edu/Edetc/LEGO/crystal.html Acesso em 22 de
outubro de 2008.
4
Mark R. McClure, Crystal Structure.
www.uncp.edu/home/mcclurem/lattice/zincblende.htm. Acesso em 22 de outubro de
2008.
5
Peter Atkins and Loretta Jones, Chemical Principles.
http://bcs.whfreeman.com/chemicalprinciples3e/default.asp?s=&n=&i=&v=&o=&ns=0
&uid=0&rau=0 Acesso em 22 de outubro de 2008.
6
Thomas H. Bindel. Journal of Chemical Education. 2002, 79 (4).