Meio Ambiente: Íons e suas aplicações.

Nanotubos de Carbono

É possível calcular a concentração em mol/L das soluções químicas por meio de uma fórmula matemática. No entanto, algumas soluções são iônicas, ou seja, ao se dissolver o soluto no solvente há a formação de íons por ionização ou dissociação iônica. Nesses casos, é necessário descobrir também a concentração em mol/L dos íons presentes na solução.

O conhecimento desse tipo de concentração é muito importante no dia a dia, como, por exemplo, nas análises da quantidade de íons Na+ e K+ presentes no sangue, pois essa concentração varia quando a pessoa fica doente. A quantidade normal é de 135 a 145 milimol/L para o Na+ e de 3,5 a 5,0 milimol/L para o K+. Se a pessoa estiver com valores acima desses para o sódio, ela poderá sofrer de diurese; já valores abaixo causam desidratação, vômitos e diarreia; e no caso do potássio, o excesso origina colapso renal e acidose enquanto sua carência pode causar alterações gastrointestinais.

Um íon é uma espécie química eletricamente carregada, geralmente um átomo ou molécula que perdeu ou ganhou elétrons. Íons PB, Iões PE carregados negativamente são conhecidos como ânions PB, aniões PE ou até mesmo como íon negativo, (que são atraídos para ânodos), enquanto íons com carga positiva são denominados cátions PB, catiões PE, ou íon positivo (que são atraídos por cátodos).

Campos científicos:

Na química, um íon é uma molécula ou átomo que ganhou ou perdeu elétrons num processo conhecido como ionização.Em física, núcleos atômicos (provenientes de átomos completamente ionizados) como os da radiação alfa, são habitualmente designados como partículas carregadas. A ionização é geralmente alcançada pela aplicação de elevadas energias aos átomos, seja através da aplicação de uma alta tensão elétrica ou por via de radiação de alta energia. Um gás ionizado é chamado plasma.

Complexos metálicos e suas aplicações em medicina:

Aspectos gerais:

Complexos metálicos têm sido utilizados em medicina, no mundo todo, tanto no diagnóstico quanto no tratamento de várias doenças.A diversidade de compostos inorgânicos e suas aplicações medicinais abrangem, por exemplo, o tratamento do câncer e da artrite, agentes antimicrobianos e inibidores enzimáticos. O conhecimento e a compreensão dos mecanismos de ação farmacológica destes compostos são de fundamental importância no desenvolvimento de novos medicamentos mais eficientes e seguros ao organismo humano. A Química Inorgânica Medicinal, a qual pode ser definida como uma ciência multidisciplinar que relaciona a Química Inorgânica, a Bioquímica e a Medicina, trata do desenvolvimento e da aplicação de complexos metálicos no tratamento de inúmeras enfermidades.

Atualmente, são utilizados complexos de ouro no tratamento de artrite, com destaque para a auranofina, complexos de prata no tratamento de infecções antibacterianas, com destaque para a sulfadiazina de prata, e complexos contendo platina, como a cisplatina, no tratamento do câncer. Além disso, novos complexos metálicos de paládio, rutênio e ouro têm sido pesquisados e descritos como potenciais agentes antitumorais. Outras aplicações incluem complexos de tecnécio e gadolínio como agentes de contraste, compostos de vanádio para o tratamento do diabetes, complexos de ferro como anti-hipertensivos e complexos à base de lítio em psiquiatria com destaque para o tratamento de distúrbios maníaco-depressivos.

O uso de metais e seus compostos com fins terapêuticos vêm desde a antiguidade. Muito provavelmente, os experimentos com estes elementos foram inicialmente realizados baseando-se no conhecimento de suas propriedades tóxicas e nas suas capacidades de supressão de determinados processos biológicos.

Há aproximadamente 5000 anos, árabes e chineses usavam zinco para promover a cura de ferimentos enquanto que os egípcios, por sua vez, utilizavam cobre para esterilizar água. Na era do renascimento, os europeus utilizavam cloreto de mercúrio como diurético e descobriram o valor nutricional do ferro. Outros exemplos foram a utilização de formulações contendo ouro(I) como revigorantes e para o tratamento de tuberculose, seguido do uso de compostos de antimônio para leishmaniose e o uso de nitrato de prata sólido ou em solução no tratamento de queimaduras e abscessos. Atualmente, um número crescente de compostos inorgânicos tem sido avaliado com relação aos seus efeitos farmacológicos na esperança de se encontrar a cura para um grande número de doenças.

Complexos metálicos como antitumorais:

O câncer está entre as doenças de maior incidência e com maior dificuldade de tratamento, freqüentemente causando nos pacientes uma queda na qualidade de vida e alta letalidade.Apesar dos recentes avanços no sentido de se aperfeiçoar a terapia antineoplásica, a quantidade de fármacos efetivos disponíveis é limitada, havendo uma necessidade considerável de se desenvolver novos medicamentos e alternativas de tratamento.

A atividade antineoplásica da cisplatina, o primeiro complexo metálico a ser comercializado como agente antitumoral, foi descoberta por Rosenberg, em 1965, ao se estudar o efeito do campo elétrico no crescimento de bactérias utilizando um eletrodo de platina. Rosenberg notou que, ao se aplicar o campo elétrico na câmara de crescimento, a divisão celular das bactérias era inibida, fazendo com que elas formassem filamentos alongados. Demonstrou-se que este efeito foi causado pelo produto gerado a partir da platina do eletrodo e dos reagentes (íons NH4+ e Cl - ) presentes no meio reacional. O produto foi identificado como o cis-diaminodicloroplatina (II), ou simplesmente, cisplatina.

Atualmente, a cisplatina é utilizada para o tratamento de vários tipos de câncer, como os de ovário, pulmão, testículos, cabeça, pescoço e bexiga, apresentando em alguns casos, uma porcentagem de cura de mais de 95%.

Entretanto, devido aos efeitos adversos (nefrotoxicidade, neurotoxicidade, ototoxicidade e a toxicidade gastrointestinal), como também à resistência adquirida, há limitações no uso de tal composto, o que levou à síntese de novos complexos de platina e outros metais. A carboplatina, ou cis-ciclobutanodicarboxilatodiaminoplatina, por exemplo, teve a sua aprovação clínica pelo FDA em 1989 no tratamento do câncer de ovário e, em 1991, para a primeira linhagem de câncer de ovário. A oxaliplatina, por sua vez, teve sua aprovação clínica em 2004 para o tratamento do câncer colo retal em conjunto com 5-fluoracil e leucovirin.

Dentre os demais metais, os compostos contendo ouro têm recebido grande atenção por serem capazes de interromper o crescimento de células tumorais, possivelmente pela inibição da enzima tiorredoxina redutase (TrxR), essencial ao mecanismo de proliferação das 8 células cancerosas. Os complexos de paládio, devido à similaridade estrutural com os complexos de platina, também se apresentam como agentes tumorais de grande potencialidade, por possuírem, em certos casos, atividades in vitro semelhantes ou superiores à cisplatina.

Artrite reumatóide é uma doença crônica, auto-imune e dolorosa, causadora de inflamações e de destruição progressiva das articulações. A causa da doença ainda é desconhecida, e sua estratégia de tratamento centraliza-se, principalmente, na diminuição dos sintomas e na prevenção dos processos progressivos e destrutivos da doença.

A terapia clínica usa agentes anti-inflamatórios, analgésicos e fármacos anti-reumáticos modificadores da doença (DMARDs; Disease Modifying Antirheumatic Drugs) sendo que estes últimos são usados para impedir, desacelerar a progressão ou reduzir os danos ósseos e de cartilagem.

Complexos de ouro com ligantes fosfínicos, sulfurados ou nitrogenados estão entre os compostos caracterizados como DMARDs. Estudos sugerem que estes compostos atuem pela inibição da enzima TrxR, uma proteína homodimérica, pertencente à família da enzima glutationa redutase, que catalisa a redução de muitos constituintes oxidados da célula. Esta enzima apresenta uma ampla especificidade, e está envolvida em inúmeros caminhos metabólicos (por exemplo, a cadeia antioxidativa e a síntese de nucleotídeos) e em condições patológicas (tumores, infecções, artrite reumatóide e outros).

Complexos metálicos como agentes antibacterianos:

De acordo com a Organização Mundial de Saúde (OMS), doenças infecciosas e parasitárias são responsáveis pela maioria dos casos de enfermidades no mundo. A multi-resistência bacteriana aos antibióticos fez com que o nitrato de prata (AgNO3) voltasse a ser utilizado no tratamento de queimaduras e abscessos. Por conta de sua ação antibacteriana, o interesse em complexos de prata aumentou muito nos últimos anos.

Entretanto, o uso do nitrato de prata apresenta algumas desvantagens: queda acentuada na concentração dos íons sódio e cloreto no sangue, assim como a presença elevada de prata nos rins, fígado e músculos do paciente, evidenciados por exame pós-morte ou necroscópico. Estas observações impulsionaram o desenvolvimento de novos compostos de prata, com ação antimicrobiana, buscando-se uma liberação lenta e controlada dos íons Ag(I) para o organismo, de forma diferente daquela do nitrato de prata.

Ao sofrer uma queimadura, uma série de alterações orgânicas ocorre na pele, afetando seu mecanismo de defesa contra infecções. A perda da integridade da pele e o desequilíbrio na regulação do pH cutâneo facilitam a colonização da ferida por microrganismos oportunistas. A sulfadiazina de prata a 1% ainda é amplamente utilizada no tratamento de queimaduras de segundo e terceiro graus, sendo eficiente na liberação controlada de íons Ag. É efetiva contra vários microrganismos, particularmente bactérias gram-negativas como Escherichia coli, Enterobacter, Klebisiela sp, Pseudomonas aeruginosa, mas também atua sobre algumas gram-positivas como Staphylococcus aureus. Além de complexos de Ag, outros metais também formam complexos com atividade antimicrobiana, dentre eles o ouro, paládio e rutênio.

No caso específico da Doença de Chagas, o Trypanossama cruzy, protozoário causador da doença, tem sua bioquímica bem descrita, mas a infecção não tem uma terapia efetiva desenvolvida. Pesquisas de controle farmacológico da doença levaram à preparação de novos complexos de platina, rutênio, ouro e paládio, utilizando-se ligantes com atividade antitripanossomal. Esses ligantes têm grupos carbazonas que possuem centros ativos de nitrogênio ou tiocarbazonas contendo enxofre e nitrogênio.

A malária, por sua vez, foi tratada com sucesso por fármacos como a cloroquina e seus derivados (por exemplo a amodiaquina e a mefloquina), alternativas seguras, de baixo custo e eficazes. Porém a elevada utilização destes medicamentos gerou resistência na maior parte dos infectados. Hoje, a cloroquina é associada à artemisina e seus derivados, promovendo um tratamento eficaz que ainda não apresenta resistência. Estudos utilizando complexos metálicos de cloroquina demonstraram atividade biológica sobre linhagens de Plasmodium falciparum resistentes.

Os diversos estudos demonstram a potencialidade na utilização de complexos metálicos com ligantes de conhecida atividade antimicrobiana no tratamento de infecções, e como alternativa frente à resistência gerada pelos compostos atuais no mercado em relação a vários microrganismos.

Os íons Pd, Pt e Ag:

Aplicações em medicina:

A similaridade entre os íons de platina e paládio fez com que os pesquisadores que atuam na área considerassem a possibilidade da aplicação de compostos de Pd como uma alternativa para o desenvolvimento de novas fármacos antineoplásicos similares à cisplatina.

Complexos de Pd, assim como observado em seus análogos de Pt, apresentam geometria quadrado-planar e formam ligações estáveis com ligantes contendo enxofre e nitrogênio. Contudo, complexos de Pt são termodinamicamente mais estáveis que seus análogos de Pd. Este é um aspecto importante a ser considerado quando se lida com os complexos de Pd, uma vez que sua elevada labilidade pode reduzir sua biodisponibilidade no sítio de ação no organismo, geralmente, o núcleo celular.

Ligantes heterocíclicos contendo enxofre e nitrogênio são de grande interesse devido à habilidade de se coordenarem com ácidos moles como os íons Pt e Pd, formando anéis quelatos S,N-coordenados, e também devido à capacidade de mimetizar a coordenação da cisteína a íons metálicos em metaloenzimas.

Vários complexos de Pd com ligantes contendo enxofre e nitrogênio e que apresentam atividades antitumorais e antibacterianas in vitro foram recentemente reportados na literatura. Mantesanz e col. relataram complexos de Pd com α-difeniletanodiona bis(tiosemicarbazona) e α-difeniletanodiona bis(4-etiltiosemicarbazona) o qual apresentaram atividade antitumoral contra células resistentes à cisplatina. Também, estudos de síntese, caracterização e testes biológicos de complexos de Pd e Pt com S-alil-L-cisteína foram recentemente descritos na literatura por nosso grupo de pesquisas. Em ambos os casos, a coordenação do ligante ao centro metálico ocorreu através dos átomos de nitrogênio e enxofre, formando quelatos de cinco membros. O complexo de Pd se mostrou o mais eficiente, sendo capaz de inibir a proliferação in vitro de células HeLa derivadas do adenocarcinoma humano além de apresentar atividade antibacteriana contra linhagens de Staphylococcus aureus (Gram-positiva) e Escherichia coli (Gram-negativa).

Mais recentemente, um complexo dimérico de Pt com sulfóxido de metionina, o qual apresenta coordenação N,S também foi descrito pela literatura. Estudos preliminares mostraram a atividade deste complexo contra cepas de P. aeruginosa, uma bactéria patogênica bem conhecida. Conforme citado anteriormente, a aplicação da prata como agente antimicrobiano se iniciou com o uso do nitrato de prata no tratamento de queimadura e feridas. Os primeiros relatos conhecidos do uso do nitrato de prata provêm dos navegadores do final da idade média.

Naquela época, o nitrato de prata era utilizado tanto sólido como em solução para “limpar e secar feridas”. Hoje, sabe-se que a ação dos íons Ag era a responsável pela eliminação de células bacterianas nos ferimentos, levando à cicatrização das lesões. Entretanto, mais recentemente, observou-se que seu uso apresentava alguns inconvenientes, como a rápida depleção da concentração de íons cloreto no sangue do paciente. Vários mecanismos são sugeridos para explicar a ação antimicrobiana desempenhada pelos íons Ag. Tais íons são capazes de inibir a síntese proteica. Além disso, são capazes de atuar como inibidores de síntese de DNA e RNA, prevenindo a replicação do DNA, provocando sua condensação e subseqüente morte bacteriana.

Todos os inconvenientes relacionados ao uso direto do nitrato de prata puderam ser contornados com a utilização da sulfadiazina de prata, um composto extremamente efetivo contra infecções, aprovado pela Food and Drug Administration (FDA) em 1973. A partir de sua aprovação, rapidamente se tornou a fármaco de escolha no tratamento de queimaduras, por conta de seu largo espectro de ação antimicrobiana, e também por resultar numa aplicação indolor. Sua atividade antimicrobiana é mediada pela ação na membrana e parede celular microbiana, promovendo o enfraquecimento destas, com conseqüente rompimento da célula.

Por ser relativamente insolúvel, a sulfadiazina de prata reage lentamente com o cloreto e com os componentes proteicos dos tecidos, formando cloreto de prata, complexos proteicos de prata e sulfadiazina de sódio. O mecanismo de liberação dos íons Ag é lento e complexo, mas exerce efeito bacteriostático. Esta liberação lenta da prata minimiza distúrbios eletrolíticos no sangue do paciente.

Canos de íons feitos com nanotubos dessalinizam água do mar:

Cientistas do MIT observaram, pela primeira vez, íons individuais fluindo no interior de nanotubos de carbono com dimensões grandes o suficiente para servirem para aplicações práticas. Esses nanocanais poderão ser usados para construir sistemas completamente novos de dessalinização de água, eventualmente revolucionando o uso da água do mar em locais com problemas de abastecimento. Os canais iônicos também poderão ser usados como sensores ultrassensíveis, capazes de detectar átomos individuais ou para estudar reações químicas em nível molecular.

Íons de sódio e cloro:

Os nanotubos de carbono são canos minúsculos, cuja parede é formada por uma única camada de átomos de carbono. Eles são como que folhas enroladas de grafeno.Tidos como extremamente promissores, os nanotubos têm sido usados para a criação de baterias, transistores, sensores, células solares e uma variedade de materiais mais resistentes do que qualquer outro conhecido.

No novo experimento, a equipe do Dr. Michael Strano verificou que íons de cloro e sódio, que se formam quando o sal é dissolvido em água, fluem rapidamente através dos nanotubos de carbono. Mais do que isso, sob determinadas condições, eles atravessam o nanocanal em fila indiana, um após o outro, o que pode trazer um novo nível de precisão para as reações químicas, tanto em sua observação quanto em sua realização.

Do nano ao macro:

O experimento permite a passagem das moléculas ao longo de grandes distâncias - de até meio milímetro. "De uma perspectiva molecular, essa é uma distância excepcionalmente longa," disse o Dr. Shekhar Garde, que não participou da pesquisa, ao comentar o artigo publicado na revista Science.

"Essa ponte entre o mundo nano e o mundo macro pode abrir novas oportunidades para explorar os fenômenos em nanoescala para aplicações do dia-a-dia, da purificação da água a redes nanofluídicas, sensores e células a combustível," disse Garde. Atualmente, o nanocanal mais estudado é feito com nanoporos de silício, construído perfurando-se uma película de silício, normalmente usando um feixe de elétrons.

O inconveniente é que o nanocanal de silício só tem a extensão da espessura da película, sendo útil apenas para detectar moléculas maiores, como DNA ou polímeros. Qualquer coisa menor passa rápido demais, sem tempo suficiente para ser detectado. Em comparação, o nanotubo de carbono é 20.000 vezes mais extenso.

Membrana para dessalinização de água:

Os nanotubos foram crescidos de forma a atravessar uma placa de um centímetro quadrado, que é usada para conectar dois reservatórios de água. Cada reservatório tem um eletrodo, um positivo e outro negativo. Como a eletricidade só pode fluir se os prótons - íons positivos de hidrogênio - puderem viajar de um eletrodo até o outro, os pesquisadores podem determinar facilmente se os íons estão viajando através dos nanotubos.

Os íons de sódio são muito maiores dos que os prótons, por isso eles levam mais tempo para atravessar o nanocanal. Ao atravessar, eles bloqueiam a passagem dos prótons, levando a uma breve interrupção na corrente elétrica, conhecida como efeito de Coulter.

Os pesquisadores acreditam que seus canais de nanotubos só permitem a passagem de íons positivos porque as extremidades dos nanotubos contêm cargas negativas, que atraem os íons positivos. Agora eles planejam construir nanocanais que atraiam íons negativos adicionando cargas negativas aos nanotubos.

Assim que eles tiverem os dois tipos de canais poderão fabricar uma membrana capaz de fazer a dessalinização da água. As técnicas de dessalinização atuais - destilação e osmose reversa - são caras e consomem muita energia.

Os pesquisadores esperam que sua membrana de nanotubos de carbono, permitindo que os íons de sódio e cloro - que são carregados negativamente - fluam da água do mar tornem-se um método muito barato de dessalinizar a água.

A mesma equipe recentemente descobriu uma nova forma de produzir eletricidade explorando ondas de energia que são criadas ao longo dos nanotubos de carbono .

História:

Os íons foram pela primeira vez teorizados por Michael Faraday por volta de 1830, para descrever as porções de moléculas que viajavam, quer na direção do ânodo, quer na direção do cátodo. No entanto, o mecanismo através do qual o fenômeno se processa só foi descrito em 1884 por Svante August Arrhenius na sua tese de doutoramento na Universidade de Uppsala. A teoria de Arrhenius a princípio não foi aceita (ele conseguiu o doutoramento com a nota mais baixa possível), mas acabou por ganhar o Prêmio Nobel de Química em 1903 pela mesma dissertação.

Análise:

Para átomos isolados num vácuo, existem constantes físicas associadas ao processo de ionização. A energia necessária para remover elétrons de um átomo é chamada energia de ionização, ou potencial de ionização. Estes termos são também usados para descrever a ionização de moléculas e sólidos, mas os valores não são constantes, porque a ionização pode ser afetada pela química, geometria e temperatura locais.

As energias de ionização decrescem ao longo de um grupo da Tabela Periódica, e aumentam da esquerda para a direita ao longo de um período. Estas tendências são o exato oposto das tendências para o raio atômico. Elétrons em átomos menores são atraídos mais fortemente para o núcleo, e portanto a energia de ionização é mais elevada. Em átomos maiores, os elétrons não estão presos com tanta força, e portanto a energia de ionização é mais baixa.

A primeira energia de ionização é a energia necessária para remover um elétron, a segunda para remover dois elétrons, etc. As energias de ionização sucessivas são sempre maiores que a anterior, e há uma certa n-ésima energia de ionização que é significativamente mais elevada que as demais. Por esta razão, os íons tendem a formar-se só de certas formas. Por exemplo, o sódio encontra-se na forma Na+, mas não, geralmente, na forma Na2+ devido à grande quantidade de energia de ionização que seria necessária. Do mesmo modo, o magnésio encontra-se como Mg2+, mas não como Mg3+ e o alumínio pode existir como um catião Al3+.

Uma equipe de engenheiros da Universidade de Stanford criou um computador elementar usando unicamente transistores feitos de nanotubos de carbono.

O Átomos:

A estrutura do átomo é um tema que os alunos apresentam dificuldade de compreensão, dado que o nível de exigência para sua aprendizagem requer elevada capacidade de abstração, o que não é de se estranhar, uma vez que as ideias básicas sobre a teoria atômica, que surgiram em 1808 e 1810 com John Dalton, já descreviam a matéria composta por partículas muito pequenas para serem vistas, chamadas de átomos.

Portanto, a ideia de átomo distancia-se do mundo real do aluno, e para realidades impossíveis de serem vistas, é necessário criar modelos que “são ferramentas fundamentais de que dispomos para compreendermos o mundo cujo acesso real é muito difícil” (Chassot, 1993, p. 100).

Considerando que o conhecimento é uma construção social e histórica, os modelos atômicos foram sofrendo formulações teóricas desde os gregos, ainda que auxiliadas pelos suportes instrumentais.

No entanto, nas aulas de Química, muitas vezes, os professores se esquecem que a superação das dificuldades na construção do conhecimento científico tem evolução histórica e apresentam aos alunos conceitos e modelos de forma pronta e acabada, como verdades incontestáveis.

Dentre os modelos apresentados no ensino desse tema, destacam-se:

O modelo atômico de Dalton, no qual o átomo é considerado maciço e indivisível;
O átomo de Rutherford, constituído de uma região pouco densa e relativamente grande ocupada por elétrons e um núcleo central muito pequeno, onde se concentra toda a massa da partícula;
O modelo de Rutherford-Bohr, em que os elétrons situam-se em órbitas ao redor do núcleo e ao saltarem para uma mais próxima do núcleo, menos energética, emitem energia na forma de fótons (Galiazzi e cols., 1997).

No ensino desse tema, percebemos ainda que, além de não se valorizar a construção histórica dos modelos atômicos, a apresentação destes se limita à visão fatual do professor e poucas relações se estabelecem entre esses modelos e a formação dos íons, que para nós constitui o foco principal deste trabalho.

Se para o aluno pensar microscopicamente não é uma tarefa tão simples, extrapolar essa visão para explicar a formação do íon também se tem mostrado problemática (Caamaño, 2004).

Isso implica que, do ponto de vista didático, o ensino visando a construção do modelo atômico poderia auxiliar o aluno na elaboração do conceito de íon, uma vez que a introdução da estrutura atômica, a qual relaciona as interações eletrostáticas entre os prótons do núcleo e os diferentes níveis energéticos dos elétrons, possibilita desencadear ideias a respeito de as partículas estarem “mais ou menos atraídas entre si”, podendo ocorrer a saída ou a entrada de partículas (elétrons) nessa estrutura, gerando o íon (Carmona, 2006).

Há, hoje, um grande número de estudos realizados com a finalidade de verificar quais são as concepções dos estudantes sobre a estrutura dos átomos e a natureza da matéria trabalhos estudam as concepções deles em relação ao conceito do íon. Em alguns estudos, pudemos verificar que os alunos:

a) apresentam dificuldade na compreensão da estrutura da matéria e muitos a explicam sob o ponto de vista macroscópico, utilizando ideias de grãos, lâminas, pedras para justificar sua composição;
b) existe uma limitação objetiva na capacidade dos alunos ao iniciarem o estudo da química em reconhecerem, em nível microscópico, o caráter descontínuo da matéria e suas entidades constituintes;
c) o átomo muitas vezes é tido como a menor parte constituinte da matéria, mas às vezes, julgam que poderia ser a célula;
d) o modelo atômico predominante é o de orbital, e as órbitas seriam entidades independentes, nas quais os elétrons estariam girando ao seu redor, enquanto que o núcleo estaria em repouso; e) dentre as partículas atômicas, os alunos fazem mais referência aos elétrons e muitos acham que estes não podem ser separados do átomo;
f) a ideia de indivisibilidade é bastante consistente;
g) a diferenciação entre átomo, íon e molécula é problemática, pois não é ressaltada a importância desse tipo de discussão após o estabelecimento de um modelo atômico, iônico e molecular;
h) aparecem ideias de similaridade entre o conceito de átomo e íon;
i) ocorre falta ou ausência de relações entre a estrutura atômica e a ligação química com a ideia do íon;
j) a neutralidade do átomo é vista pelo fato de que este é carregado positiva e negativamente; e
l) a neutralidade elétrica de um átomo está ligada à ideia da regra do octeto (De La Fuentes e cols., 2003; Caamaño, 2004; Mello, 2002; Cavicchioli e Rocha, 2005; Carmona, 2006).

Como podemos perceber nesses estudos, as relações entre o modelo atômico e a formação do íon são escassas nas concepções dos alunos. A nosso ver, o conceito de íon é importante na construção e no entendimento de muitos conceitos químicos como ligações químicas, óxido-redução, conceito de pH, entre outros. Um grande número de fenômenos biológicos, físicos e químicos só podem ser explicados pelo entendimento das mudanças no rearranjo e movimento de átomos e moléculas.

Assim, o entendimento do conceito de íon pode levar o aluno a compreender melhor vários fenômenos que estão presentes no seu cotidiano como, por exemplo, os sais solúveis em água que se dissociam e tornam o meio condutor de eletricidade; o mar, importante fonte de materiais, é constituído por íons; soluções aquosas de certos íons têm grande importância no crescimento de vegetais.

Neste trabalho, parte-se do pressuposto que o íon é uma entidade pouco compreendida, pelos alunos, pois está intimamente ligado ao conceito de estrutura atômica, conceito esse de difícil compreensão. Pensando na importância desse conceito para o estudo da química e considerando sua relação com a estrutura eletrônica do átomo, este trabalho teve como objetivo verificar quais as concepções sobre a estrutura atômica e a formação dos íons que os alunos possuem.

Metodologia:

A metodologia de pesquisa, empregada neste estudo, é de caráter qualitativo, pois faz um estudo enfocado na descrição, análise e categorização das concepções dos alunos em relação à estrutura atômica do átomo e à formação de íons.

A coleta de dados foi realizada em quatro escolas da Rede Pública Estadual, localizadas em regiões distintas no município de São Paulo e um da grande São Paulo, das quais participaram um total de 211 alunos, pois nossa intenção era verificar as ideias mais diversificadas possíveis sobre átomos e íons.

Participaram uma escola situada na zona sul do município de São Paulo, envolvendo quatro turmas do 3º ano do período da manhã (turmas A, B, C e D), totalizando 106 alunos com faixa etária entre 17 e 21 anos; uma segunda escola também situada na zona sul do município de São Paulo, da qual participou uma turma do 3º ano do período noturno (turma E) com 22 alunos, com faixa etária entre 17 e 21 anos; uma terceira escola, na zona oeste do município de São Paulo, envolvendo duas turmas do período noturno (turmas F e G), no total de 53 alunos, com faixa etária entre 17 e 23 anos; e uma quarta escola, situada no município de Santo André (SP), envolvendo uma turma do período da manhã (turma H) com 30 alunos com faixa etária de 17 e 18 anos.

Foi aplicado aos alunos um questionário constituído por quatro questões abertas. Este foi respondido de forma individual para a garantia do reflexo mais real das ideias dos alunos e solicitava:

Elabore, com base em seus conhecimentos, um desenho que mostre como você imagina “ser” um átomo, indicando as partes que o constituem;
Podemos separar os elétrons de um átomo? Explique;
Represente, por meio de um desenho, como você imagina “ser” o átomo de sódio;
O que você entende por íon? Como você pensa que se formam os íons? Explique.

As questões tiveram os seguintes objetivos: verificar qual o modelo de átomo e íon que os alunos possuíam e se os alunos aceitam a transferência de elétrons entre os átomos.Da análise das respostas, foi possível conhecer: as ideias e os modelos representativos de átomos e íons que surgiram; quais eram suas concepções em relação a núcleo, eletrosfera e partículas constituintes do átomo e qual a expectativa dos alunos quanto a ideia de os átomos perderem seus elétrons. Feita a leitura das respostas dadas pelos alunos, percebemos uma grande diversidade nestas, assim, procuramos possíveis aproximações das ideias dentro dos objetivos estabelecidos.

A identificação, por parte do aluno, do núcleo e da eletrosfera do átomo, indicados por escrito nos seus modelos representativos, mesmo que a indicação fosse de uma das partes apenas, núcleo ou eletrosfera.
Modelos representativos elaborados pelos alunos de duas ou mais partes do átomo sem a identificação por escrito. Os desenhos realizados não apresentavam por escrito as indicações de núcleo/eletrosfera. Estas foram explícitas separadamente no desenho de forma que a parte menor se enquadrava na maior, uma ao centro com duas ou mais ao seu redor, caracterizando a ideia de compartimento.
Modelos representativos que apresentavam a identificação de partículas constituintes do átomo por meio de símbolos (sinais +/-) ou por meio da escrita (P) para próton, (E) para elétron, (N) para nêutron, indicando a presença de cargas ou partículas.
Modelos representativos que apresentavam semelhança com os modelos escolares de acordo com um dos três modelos: Dalton, proposto em 1803; Thomson, em 1874; e Rutherford, em 1911.

Semelhanças ao modelo de Dalton seriam as representações de uma esfera, com ou sem preenchimento por meio de hachuras ou por meio de uma figura de forma compacta (esfera sólida); e esferas sem identificação de pontinhos, pinguinhos, as quais poderiam levar à ideia da existência de partículas subatômicas. Também foram consideradas como modelo de Dalton as indicações nas quais os alunos simplesmente se limitaram a responder por meio da escrita que o átomo é pequeno e indivisível.

As semelhanças ao modelo de Thomson seriam as representações de uma única esfera ou figura sem a separação de núcleo e eletrosfera, porém constituída por sinais representativos de cargas positivas (+) e/ou negativas (-) ou mesmo quando o aluno escrevia dentro da figura as palavras prótons, nêutrons e elétrons, algumas vezes representados apenas por p, n e e.

As semelhanças ao modelo de Rutherford foram consideradas quando os modelos representativos dos alunos indicavam a existência de um núcleo, uma eletrosfera e as partículas constituintes surgiam tanto na forma de sinais, quanto por meio da escrita.

Resultados e discussões:

As oito turmas analisadas foram denominadas por A, B, C, D, E, F, G e H, obedecendo apenas à ordem de aplicação do questionário. A primeira questão foi respondida por 209 dos 211 alunos participantes.

A análise das respostas dos alunos permitiu verificar que 63,4% deles não identificam em seus modelos representativos o núcleo e a eletrosfera do átomo, e que na turma G, apenas 3 dos 21 alunos fizeram essa identificação.Isso indica que, apesar de as palavras núcleo e eletrosfera serem utilizadas com frequência na representação dos modelos atômicos escolares, os alunos não as consideram na representação de seus modelos de átomo.

A representação do átomo com regiões distintas, caracterizando a ideia de compartimento, foi indicada por 62% dos alunos, e 38% não os representam dessa forma, o que pode nos levar a inferir que estes não identificam os átomos com uma estrutura organizada. Segundo Pozo (2002), uma das razões da difícil aceitação desses modelos se deve à falta de compatibilidade e correspondência com a organização cognitiva humana, ou seja, ele assume que a mente humana possui um sistema cognitivo capaz de se prevenir das representações as quais são julgadas inconvenientes ou desnecessárias. Assim, pode-se conjecturar que muitos alunos não veem a necessidade de representar uma estrutura organizada no átomo.

Alguns desenhos (5%) chamaram a atenção pela semelhança com a estrutura constituinte de uma célula, sendo, inclusive, nomeadas partes como núcleo e citoplasma. Esse fato pode ser decorrência de que, nas aulas de biologia, o ensino destaca a célula como a menor parte do ser vivo, enquanto que no ensino de química o aluno aprende que o átomo é a menor partícula da matéria, fatos esses que podem gerar dificuldade ao aluno na construção de um modelo coerente (Galiazzi e cols., 1997).

A maioria dos alunos (67%) não apresentou em seu modelo representativo os nomes das partículas que constituem os átomos, fossem estas por meio de cargas ou símbolo como p, n e e (Figura 8). Talvez desconhecessem tais partículas, uma vez que na questão foi solicitado que eles representassem o átomo e suas partículas constituintes ou, ainda, podemos inferir que o ensino pode não ter motivado a importância do reconhecimento dessas entidades microscópicas.

Analisando a aproximação dos modelos representativos dos alunos com os modelos escolares, verificamos que 35% dos alunos representa seus modelos com semelhança ao modelo de Rutherford; 23%, ao de Dalton; e 12%, ao de Thomson. A familiaridade do aluno com o modelo do sistema solar pode ter contribuído para que o aluno estabelecesse uma comparação analógica com o modelo atômico de Rutherford, e esse modelo tenha sido mais consistente para o aluno ou ainda pode ocorrer que, durante o ensino de modelos, a valorização deste tenha sido mais enfatizado. Quanto às poucas representações em relação ao modelo de Thomson, pode estar relacionado ao fato de que nossos alunos desconhecem o “pudim de passas” como os ingleses, mas sim conhecem como “pudim” uma massa clara com formato circular e contendo um furo no meio. Talvez fosse necessário identificar o significado que os alunos atribuam a essa expressão (Souza e cols., 2006).

Os dados mostram que o ensino não valorizou a evolução histórica dos modelos atômicos, uma vez que as representações se encontram bem distribuídas entre as características dos modelos escolares. É importante ressaltar que houve um número considerável de alunos (30%) para os quais não foi possível estabelecer uma aproximação com as representações dos modelos escolares. Chama a atenção, também, que nenhum aluno fez uma representação que se assemelhasse às comumente utilizadas para o modelo de Bohr, o qual faz parte da maioria dos livros didáticos e é frequentemente ensinado.

Verificamos que os alunos apresentam muitas dificuldades ao expressarem suas ideias em relação ao modelo de átomo e as partículas que o compõe. Segundo Guevara e Valdez (2004), as dificuldades associadas ao ensino e à aprendizagem de modelos podem ter fundamentalmente como causas a influência das concepções espontâneas, o ensino inadequado e não adaptado a um nível de conhecimento e potencialidade do aluno. Para os autores, ensinar um determinado tema de química implica necessariamente estabelecer com toda nitidez qual é o modelo (construção imaginária) que nos permite “ver” o fenômeno analisado.

Para De La Fuentes e cols. (2003), provavelmente a dificuldade que os alunos têm em expressar um modelo para o átomo esteja no fato de se tratar de um aspecto muito afastado dos diretamente perceptíveis por seus sentidos, cujas dimensões não lhes são familiares, ou seja, os estudantes não entendem.

De acordo com as ideias de Pozo (2002), pode-se considerar que o conhecimento científico que está sendo ensinado ao aluno não está sendo por ele utilizado para dar sentido às suas representações intuitivas para que possa reorganizá-las.Souza e cols. (2006), em trabalho desenvolvido com essa temática, também constataram uma extrema dificuldade dos alunos com relação à compreensão dos modelos atômicos e apontam que a principal dificuldade pode estar no alto grau de abstração do tema.

Na análise da segunda questão, a qual tentava explicitar a ideia de possibilidade de separação de elétrons de um átomo, consideraram-se as respostas afirmativas e negativas dos alunos. Os dados obtidos revelam que 42% dos alunos concordam que os elétrons podem ser separados do átomo, 46% não concordam, 7% não sabem opinar e 5% deixaram a questão em branco. Nas justificativas apresentadas nessa tabela, chama a atenção o número de alunos que manifestam a ideia de que o átomo não existe sem seus elétrons (34%), pois deixa de ser átomo ou “morre”.

Algumas das justificativas dadas pelos alunos e transcritas sem alteração são apresentadas a seguir.

“Não por que ele é um dos componentes que forma o átomo se o separar, deixa de ser átomo.”
“Não. Pois se os separarmos eles não sobreviveram, pois os átomos sem os elétrons não conseguem alimento para si mesmos, sendo que junto aos elétrons eles tem seu próprio alimento, sem precisar ir a caça deles.”

Pode-se conjecturar que essa ideia de “morte” do átomo deve estar associada ao ensino, pois muitas vezes os professores recorrem ao animismo, considerando que será mais fácil para o aluno entender o conteúdo tratado, provavelmente supondo que eles percebam se tratar apenas de um recurso para a compreensão. Entretanto, como esses dados sugerem, parece que esse recurso enfatiza o animismo sem que o estudante reconheça suas limitações (Souza e cols., 2006) e pode reforçar ideias intuitivas sobre a natureza viva de qualquer matéria.

Parece mais difícil justificar a resposta afirmativa de que os átomos podem perder elétrons, pois 56% dos alunos não sabem explicar ou fornecem justificativas que não foram possíveis de ser classificadas.

A ideia de ligação química foi utilizada por 18% dos alunos, indicando que a perda de elétrons se deve ao estabelecimento destas ou mencionando que pode haver doação (ligação iônica) ou empréstimo (ligação covalente) de elétrons. Algumas das justificativas dadas pelos alunos são apresentadas a seguir.

“Sim, quando um elemento doa um elétron para outro.”
“Sim, quando um átomo tem a carga da última camada faltando elétrons, um átomo que tenha carga a mais pode doar elétrons para esse átomo.”
“Sim, o átomo tem a característica de tender a ficar neutro (8 elétrons na camada de valência) e para isso ele perde ou ganha elétrons para ficar estável.”

As explicações relativas à ligação química apresentadas pelos alunos, nesta pesquisa, podem ser devidas à ênfase dada pelos professores ao ensino desse conteúdo.

Alguns alunos (10%) parecem confundir a distribuição eletrônica em camadas com a perda de elétrons. A justificativa a seguir dá um exemplo dessa possível confusão.

“... podemos separar os elétrons de um átomo fazendo uma distribuição eletrônica.”

Algumas das ideias manifestadas pelos alunos também foram encontradas no estudo de De La Fuentes e cols. (2003), no qual se verificou que os alunos, embora afirmassem que os elétrons podiam ser separados dos átomos, tiveram dificuldade em explicar por que isso ocorria. Utilizaram argumentos de que os elétrons podem se mover e nenhum mencionou a possibilidade de um átomo doar ou receber elétrons.

Com relação à terceira questão, que solicitava a representação do átomo de sódio por meio de um desenho, apenas um pouco mais da metade (65%) dos alunos apresentou um desenho para explicitar suas ideias. Os alunos da turma F não entregaram a folha de resposta dessa questão.

Analisando esses dados, verificamos que, ao contrário do que ocorreu com a representação do átomo na primeira questão, muitos alunos (35%) não conseguiram representar por meio de desenho o átomo de sódio, indicando que não sabiam como fazê-lo, deixando em branco ou utilizando outras respostas na forma escrita, nas quais não se pode constatar nenhum dado relevante. Para os alunos que foram categorizados na coluna outros (13%), algumas de suas frases estão apresentadas a seguir:

“... eu acho que o átomo de sódio obtêm 2 átomos e 2 elementos para ele se formar no seu grupo.”
“... deve ser do jeito que ele é.”
“... uma coisa pequena e frágil mais de grande importância.”

Dos alunos que representaram na forma de desenho, é importante destacar que somente 33 (27,7%) utilizaram a mesma representação feita na questão número 1. Já os outros 86 (72,3%) utilizaram representações diferentes. Observou-se também que 63% dos alunos não indicaram as partículas constituintes do átomo, e que os que o fizeram (37%) foram os mesmos que indicaram na primeira questão. Isso pode sugerir que os alunos desconheçam tais partículas ou simplesmente não reconhecem sua importância.

Verificou-se que 16% dos alunos utilizaram a representação simbólica do átomo de sódio, o que pode ser a causa de um ensino que deu ênfase a fórmulas químicas ou representações simbólicas. Os dados também parecem sugerir que os alunos possuem conceitos fragmentados, uma vez que não conseguem relacionar o modelo de átomo que representaram na primeira questão com o da terceira questão.

No ensino também se percebe que os modelos atômicos são tratados genericamente, e os livros e os professores, de maneira geral, apresentam os modelos atômicos sem aplicá-los a átomos de um dado elemento. No ensino, frequentemente, é dada mais ênfase à distribuição eletrônica de um átomo específico do que ao modelo deste. Assim, o aluno tem dificuldade de transpor seu conhecimento aprendido sobre modelos atômicos para interpretar um átomo determinado como, por exemplo, o de sódio. Para análise da quarta questão, que investigava o entendimento do aluno sobre íon e como este se forma,

De acordo com os resultados , verificamos que 64,7% dos alunos tiveram dificuldade em apresentar uma resposta que se aproximasse da ideia de carga elétrica, deixando em branco, dando respostas confusas e mesmo assinalando não saber. Isso sugere que os alunos não relacionam os modelos de estrutura atômica nas explicações que envolvem a formação do íon. Talvez esse fato esteja associado a lacunas individuais ou porque o ensino não mediou o estabelecimento dessas relações.

Mesmo os alunos já tendo o conhecimento do conceito de íon, uma vez que geralmente este é tratado no ensino de estrutura atômica e ligações químicas, não conseguiram compreender a relação entre suas estruturas e o comportamento que produzem (De Posada, 1999).Para os alunos que responderam às justificativas apresentadas para a formação dos íons, estes se baseavam na ideia da existência de carga, revelando algum conhecimento sobre o assunto. Alguns exemplos das manifestações dos alunos são apresentados a seguir.

“... eu acredito que se forma uma corrente e aí se forma o íon.”
“... se fundem partícula + com a – e forma o íon.
“... se formam com elétrons, cátions e assim desenvolve o íon.”
“... íons podem se formar quando o composto é jogado em solução aquosa.”

Apenas 8 alunos (4,3%) associaram a ideia de íon à formação de cátion e ânion, manifestando, em suas respostas, que os íons são átomos que doam ou recebem elétrons. Os dados indicam que o conceito de íon foi pouco assimilado pelos alunos, uma vez que a grande maioria não conseguiu representá-lo nem tão pouco explicar sua formação.

Como aponta Caamaño (2004), em geral, no ensino, o íon é definido como o átomo que ganhou ou perdeu elétrons em sua camada de valência. Essa maneira simplificada de tratar esse conceito pode dificultar o estabelecimento de relações por parte do aluno entre átomo e íons e a compreensão de vários fenômenos presentes em seu cotidiano, que estão associados à ideia de íon. Dessa forma, o ensino parece não estar contribuindo para que os alunos reorganizem suas representações do mundo físico a partir de conhecimentos da ciência.

De Posada (1999) assume que a aprendizagem de ciências não implica na realidade em abandonar os processos e conteúdos da ciência intuitiva, mas integrar hierarquicamente essas formas de representar e conceber o mundo em um novo sistema de conhecimento científico no qual adquirem um novo significado. Para tanto, o conhecimento científico não pode substituir outras formas de saber, mas pode integrar-se a algumas delas, reescrevendo suas predições e ações.

Conclusão:

Esse trabalho evidenciou que a maioria dos alunos tem grandes dificuldades em representar a estrutura do átomo. Seus desenhos, muitas vezes, mostram uma confusão de conceitos, tanto do ponto de vista estrutural do átomo, quanto da formação do íon.

Parece claro que não houve estabelecimentos de relações entre as representações de átomos e íons, mesmo quando estimulados a refletirem sobre uma entidade mais específica: o átomo de sódio.

Deve-se considerar que a aprendizagem desses conceitos é importante para a construção de uma visão da estrutura da matéria, a qual deveria subsidiar o entendimento das propriedades e transformações das substâncias. Desse modo, neste estudo, algumas implicações para o ensino devem ser consideradas, tais como: o investimento do professor na construção do conhecimento por parte do aluno de um modelo consistente sobre a estrutura atômica; a introdução do conceito de íons em estreita relação com o modelo atômico; e o estabelecimento de relações entre as propriedades dos materiais e os modelos que procuram explicar tais comportamentos.

Este estudo revela que conhecer como os alunos pensam pode auxiliar o professor a planejar melhor suas aulas; a acompanhar mais aprofundadamente a aprendizagem de seus alunos, de maneira a vislumbrar melhores resultados de aprendizagem, possibilitando aos alunos a integração dos conceitos e as construções de novas reelaborações.

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terça-feira, 8 de janeiro de 2013

Íons e suas aplicações.