Os estados físicos da água e as mudanças de estado

A substância água pode existir em três estados físicos diferentes: líquido, sólido (gelo) e gasoso (vapor de água), facto que pode ser explicado pela teoria atómica (Brimblecombe et al., 1983). Segundo esta teoria, as unidades estruturais das substâncias podem movimentar-se sobre si próprias (rotação) e umas em relação às outras (vibração e translação). No estado sólido só existem movimentos de vibração e de rotação. No estado gasoso é máximo o movimento de translação. É pelo movimento de translação que se explica a difusão dos gases (mistura gradual com outro gás).

Em qualquer dos três estados físicos, a unidade estrutural da água é a molécula. O modo como as moléculas se dispõem entre si é que varia. As distâncias médias inter – moleculares aumentam do estado sólido para o estado gasoso. Quando a água no estado sólido (gelo) funde, as moléculas mantêm-se, mas a distância entre elas aumenta (em geral). Para isso é necessário fornecer energia ao gelo. O mesmo acontece quando se dá a vaporização da água, ou seja, a sua passagem do estado líquido para o estado gasoso.

Durante as mudanças de estado, a temperatura mantém-se constante. A energia fornecida é usada apenas para separar as moléculas, sem produzir aumento de temperatura. A

temperaturas inferiores a 100º Celsius, a água no estado líquido, em contacto com a atmosfera (sistema aberto), também se evapora, embora muito lentamente (Duvigneaud, 1996).

Jones & Gaudin (1997) distinguem vaporização de evaporação, processos de transição da água do estado líquido para o estado gasoso, com absorção de energia. Quando essa transição se faz a uma temperatura inferior a 100º Celsius, abrangendo apenas as partículas da camada superficial, consideram que se dá a evaporação. Nas várias situações de evaporação, a fonte de calor pode ser o próprio ar atmosférico, os raios solares, uma chama, etc. (Frandon, 1999). Quando, porém, a água é aquecida até uma temperatura de 100º Celsius, a transição é turbulenta, abrangendo quaisquer partículas da massa líquida; nesse caso, estamos, segundo aqueles autores (Jones & Gaudin, 1997), em presença do fenómeno da vaporização.

No estado sólido as partículas estão fortemente ligadas umas às outras, sendo as energias de ligação muito elevadas e o movimento das partículas muito limitado. Daí os sólidos terem uma forma constante. No estado gasoso as ligações inter – moleculares são fracas, as distâncias inter – moleculares são grandes e as partículas movem-se mais desorganizadamente. A nível macroscópico, os gases têm volume variável e tomam a forma do recipiente onde estão (Santos, 1997).

O facto de uma mudança de estado estar associada a uma mudança de aspecto de substância faz com que os alunos tenham dificuldade em aceitar a conservação de substâncias nas mudanças de estado.

Uma revisão de literatura realizada por Duarte (1993), acerca da evolução das ideias dos alunos sobre a conservação da matéria nas mudanças de estado, evidenciou que os alunos apresentam concepções diferentes, consoante as suas idades, como se passa a explicitar:

- por volta dos cinco ou seis anos de idade, não conservam a matéria nem a água; - com sete ou oito de idade, conservam a água no estado líquido (se não houver mudança de estado);

- entre oito e onze anos de idade, começam a conservar a água, em qualquer estado. Acresce, ainda, que a compreensão das diversas mudanças de estado não é simultânea. Na verdade, a compreensão da ebulição precede a da evaporação e esta desenvolve-se paralelamente à da condensação.

Relativamente à evaporação da água, García et al (2000) apresentam uma série de explicações dadas por alunos espanhóis com idades compreendidas entre os cinco e os dezoitos anos. A resposta predominante em crianças entre os cinco e sete anos de idade corresponde à

não conservação da água: “a água desaparece”. Uma outra resposta é que a “água entra no solo”. Para os alunos que defendem esta última ideia, a água não muda de estado, continuando no estado líquido e apenas muda de lugar, conservando-se. Esta explicação vai sendo menos frequente com o avançar da idade, desaparecendo nos alunos com doze anos de idade. Entre os nove e onze anos de idade, a resposta mais frequente é que “a água evapora-se ou transforma- se”. A explicação cientificamente aceite (que considera que a água muda de estado, convertendo-se em vapor, que não se vê, e se mistura com o ar) é dada por 35% dos alunos com doze anos de idade, através da resposta “a água evaporada está dispersa no ar”, aumentando a percentagem para 75%, no caso de alunos com dezassete anos de idade.

No que se refere à condensação, alguns alunos espanhóis, com idades compreendidas entre os 12 e os 14 anos, foram questionados sobre a constituição das gotas que aparecem na tampa de uma panela, onde tinha sido fervida água (Prieto, et al, 2000). Verificaram-se três tipos de ideias:

a) “É uma espécie de suor” – os alunos estabelecem uma analogia entre o suor e o vapor de água; esta ideia é própria de crianças mais pequenas;

b) “É o vapor transformado em água” – Os alunos, por volta dos 12 anos, não identificaram o vapor com a água da panela;

c) São moléculas de água que se juntaram por arrefecimento” – Esta explicação, apresentada por pouquíssimos alunos entre os doze e os catorze anos, é próxima da cientificamente aceite.

Silva (2002) identificou algumas concepções de alunos portugueses, com idades compreendidas entre os dez e onze anos, sobre conservação da matéria nas mudanças de estado. Dessas concepções realçam-se, pela importância que têm para o nosso trabalho, a ideia de que só a água no estado líquido é que é, na verdade, água e a ideia que o vapor de água não é água porque não é líquido.

Com base numa análise de diversos estudos sobre este assunto, Prieto et al. (2000) sintetizam as principais dificuldades na compreensão das mudanças de estado, por parte de alunos de diferentes idades. Umas das dificuldades dos alunos, resulta do facto de recorrem bastante a aspectos concretos, relacionados com “evidências” visuais e facilmente observáveis. Os alunos têm, também, dificuldade em aceitar e reconhecer a existência de vapor de água. Contudo, as mudanças de estado começam por ser exclusivas da água e só mais tarde se generalizam às outras substâncias. Os alunos utilizam, muitas vezes, ideias dependentes da

percepção mais elementar, mas exprimem essas mesmas ideias com termos “mais científicos” (por exemplo, sobre a condensação, dizem que atravessa o vidro por difusão”). Assim sendo, uma linguagem técnica mais avançada não significa, necessariamente uma compreensão conceptual mais elaborada.