INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CURSO DE LICENCIATURA EM QUÍMICA

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AMANDA ALMERINDO RANGEL E DIEGO SUHET MOREIRA

CRESCIMENTO DE CRISTAIS: UMA PERSPECTIVA PARA O ENSINO DE QUÍMICA NO ENSINO MÉDIO A PARTIR DA EXPERIMENTAÇÃO

VILA VELHA 2022

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AMANDA ALMERINDO RANGEL E DIEGO SUHET MOREIRA

CRESCIMENTO DE CRISTAIS: UMA PERSPECTIVA PARA O ENSINO DE QUÍMICA NO ENSINO MÉDIO A PARTIR DA EXPERIMENTAÇÃO

Monografia apresentada à Coordenadoria do Curso de Licenciatura em Química do Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Vila Velha, como requisito parcial para obtenção do título de Licenciado(a) em Química.

Orientadora: Prof. Drª Araceli Verónica Flores Nardy Ribeiro

VILA VELHA - ES 2022

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DECLARAÇÃO DO(A) AUTOR(A)

Declaro, para fins de pesquisa acadêmica, didática e técnico-científica, que este Trabalho de Conclusão de Curso pode ser parcialmente utilizado, desde que se faça referência à fonte e à autora.

Vila Velha, 22 de dezembro de 2022.

Amanda Almerindo Rangel Diego Suhet Moreira

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AGRADECIMENTOS

Eu, Amanda Almerindo Rangel agradeço, à Deus por estar presente em todos os momentos da minha vida, me dando forças para não desistir dos meus sonhos e objetivos;

Aos meus pais, Jaqueline e Wilson e, meus irmãos, Daniel e Ana Alice, pelo apoio, carinho, incentivo e por diversas vezes não deixaram que esse sonho fosse deixado de lado. Por sempre acreditarem em mim e no meu potencial;

Ao meu companheiro Wdson Junior pelo incentivo de sempre, por me ouvir nos momentos em que estava sobrecarregada e sem ânimo para continuar, suas palavras de encorajamento e força, me fizeram chegar até aqui;

À Prof.ª Dr.ª Araceli por aceitar a me orientar, pelos ensinamentos durante esta caminhada, e, por fim, pela paciência que teve comigo durante o desenvolvimento deste trabalho;

Aos meus familiares e colegas do Ifes Campus Vila Velha, meus sinceros agradecimentos, especialmente à Milena Amorim Langami, pelo companheirismo do técnico à graduação, das idas e vindas ao Campus, foi fundamental esta amizade, e, o Diego por ser meu parceiro de trabalho, para concluirmos esta fase da graduação;

Eu, Diego Suhet Moreira agradeço primeiramente a Deus pela saúde e força de ter chegado até aqui.

Agradeço a minha família por ter me apoiado a todo momento, principalmente aos meus avós, Maria e Joab, que sempre acreditaram em mim e nunca me desampararam.

Ao meu companheiro Carlos Daniel que esteve comigo durante todos os anos de graduação, sempre me ajudando e me incentivando a fazer o melhor que eu pudesse mesmos nos dias mais difíceis.

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A Prof.ª Dr.ª Araceli por ter me orientado no presente trabalho, pelas oportunidades, atenção e paciência que teve comigo em todos os momentos.

A minha querida amiga Amanda pela amizade durante o curso e por ter aceitado realizar junto a mim este trabalho.

A todos os professores e amigos do Ifes Campus Vila Velha que passaram por mim durante os últimos quatro anos, vocês foram essenciais.

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RESUMO

Com o aparecimento das novas tecnologias, notou-se que o perfil dos alunos do ensino médio vem se modificando com o passar dos anos, tornando-se mais difícil a comunicação de professores que utilizam somente métodos expositivos e tradicionais de ensino. Neste sentido, faz-se necessário uma série de reformulações nas práticas pedagógicas, acreditando-se que a experimentação possa ser ferramenta de grande magnitude, quando atrelada às aulas tradicionais, como aparato de incentivo ao interesse dos alunos para o estudo de ciências. Assim, este trabalho de conclusão de curso teve como finalidade a apresentação de uma intervenção pedagógica experimental, desenvolvida com duas turmas de 2º ano do curso técnico em química integrado ao ensino médio do Ifes campus Vila Velha. O tema principal foi o crescimento de cristais por nucleação secundária, utilizando uma solução supersaturada de sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4.5H2O). Nesta proposta fez-se necessário a discussão de conceitos como os de cristalização, saturação, nucleação, e, estrutura do cristal. Aplicou-se um questionário pré e pós intervenção, utilizando a escala Likert, a fim de verificar e comparar a aprendizagem em relação aos conteúdos expostos na aula prática.

Palavras-chave: Experimentação. Ensino de Química. Crescimento de cristais.

Cristalização.

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ABSTRACT

With the emergence of new technologies, it has been noticed that the profile of high school students has been changing over the years, making it more difficult for teachers who use only expository and traditional teaching methods to communicate.

In this sense, a series of reformulations in the pedagogical practices is necessary, believing that experimentation can be a tool of great magnitude, when coupled with traditional classes, as an incentive to the interest of students to study science. Thus, the purpose of this end-of-course work was to present an experimental pedagogical intervention, developed with two classes of the 2nd year of the integrated high school chemistry technical course of the Ifes campus Vila Velha. The main theme was crystal growth by secondary nucleation, using a supersaturated solution of copper sulfate pentahydrate (CuSO₄.5H₂O). In this proposal it was necessary to discuss concepts such as crystallization, saturation, nucleation, and crystal structure.

A questionnaire was applied pre and post intervention, using a Likert scale, in order to verify and compare learning in relation to the content exposed in the practical class.

Keywords: Experimentation. Chemistry teaching. Crystal growth. Crystallization.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1- Esquema de representação de soluções de NaCl: insaturada, saturada,

saturada com corpo de fundo e supersaturada, respectivamente ………. 21

Figura 2- Solubilidade de sais comuns à 20°C ……… 22

Figura 3- Diagrama de fases esquemático representando os estados de solução insaturada, supersaturada (metaestável) e saturada contendo cristais ……… 23

Figura 4- Processo de nucleação e crescimento do cristal ……….. 24

Figura 5- Nucleação heterogênea de um sólido sobre um substrato ………. 25

Figura 6- Esquema de rede hipotética de uma estrutura cristalina (A) e amorfa (B). ……… 26

Figura 7- Célula unitária e ponto de rede ………. 26

Figura 8- Célula unitária com os eixos coordenados (x, y e z), mostrado os comprimentos axiais (a, b e c) e os ângulos interaxiais (α, β e γ) ……….. 27

Figura 9- Geometrias dos sete sistemas cristalinos ……… 28

Figura 10- Estrutura cúbica do diamante ……….. 28

Figura 11- Estrutura cúbica do cloreto de sódio ……….. 29

Figura 12- Estrutura geométrica do sulfato de cobre pentahidratado (triclínico) … 29 Figura 13- Sulfato de cobre pentahidratado ………. 32

Figura 14- Balança analítica ……… 32

Figura 15- Chapa de aquecimento ……… 33

Figura 16- Hastes com “CuSO4” impressos ……… 33

Figura 17- Impressora 3D modelo FDM ……… 34

Figura 18- Sementes de cristais de sulfato de cobre pentahidratado ………. 35

Figura 19- Preparo do esquema de imersão da semente na solução ………. 36

Figura 20- Béquer com haste impressa em material plástico ……… 37

Figura 21- Questões discursivas do questionário final ………... 39

Figura 22- Cristal formado a partir de sementes ………. 41

Figura 23- Formação dos cristais no fundo do béquer ………42

Figura 24- Momento de revisão e discussão ……… 43

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Figura 25- Alunos utilizando a balança analítica utilizada para a pesagem do soluto

………. 44

Figura 26- Alunos utilizando a chapa de aquecimento na formação da solução supersaturada ……….. 45

Figura 27- Alunos preparando o esquema de imersão da semente na solução …. 45 Figura 28- Alunos inserindo a semente na solução ……… 46

Figura 29- Soluções com a semente imersa em repouso e haste 3D imersa na solução ……….. 46

Figura 30- Discentes Amanda e Diego com os alunos, e, os cristais formados por cada grupo ……… 47

Figura 31- Alunos com os cristais formados ………. 47

Figura 32- Cristal formado na haste 3D ……… 49

Figura 33- Cristal formado a partir de sementes ………. 49

Figura 34- Título e descrição do questionário inicial ………... 50

Figura 35- Título e descrição do questionário final ………. 51

Figura 36- Turma 1: Gráficos da questão 4 demonstrando a porcentagem das alternativas do questionário inicial e final, respectivamente ……… 52

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Figura 46- Turma 2: Gráficos da questão 2 demonstrando a porcentagem das alternativas do questionário inicial e final, respectivamente ……… 60 Figura 47- Turma 2: Gráficos da questão 7 demonstrando a porcentagem das alternativas do questionário inicial e final, respectivamente ……… 60

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 13

2. OBJETIVOS 15

2.1. OBJETIVO GERAL 15

2.2. OBJETIVO ESPECÍFICOS 15

3. REVISÃO DE LITERATURA 16

3.1. ENSINO DE QUÍMICA 16

3.2. EXPERIMENTAÇÃO 17

3.3. CRISTALIZAÇÃO 19

3.4. SATURAÇÃO DE SOLUÇÕES E SOLUBILIDADE 20

3.5. SUPERSATURAÇÃO 22

3.6. NUCLEAÇÃO 23

3.7. ESTRUTURA DOS SÓLIDOS 25

3.8. A IMPRESSÃO 3D NA EDUCAÇÃO 30

4. METODOLOGIA 31

4.1. MOMENTO I: ESCOLHA DO EXPERIMENTO 31

4.1.1. Material 32

4.1.2. Equipamentos 32

4.1.3. Procedimentos 34

4.1.3.1. Preparo das sementes 34

4.1.3.2. Crescimento de cristais 35

4.2. MOMENTO II: INTERVENÇÃO PEDAGÓGICA 37

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 40

5.1. MOMENTO I: ESCOLHA DO EXPERIMENTO 40

5.1.1. Preparo das semestes 42

5.2. MOMENTO II: INTERVENÇÃO PEDAGÓGICA 42

5.2.1. Avaliação dos questionários 50

5.2.1.1. Turma 1: Comparando os questionários 50

5.2.1.2. Turma 2: Comparando os questionários 56

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS 63

7. REFERÊNCIAS 65

APÊNDICE A – ROTEIRO EXPERIMENTAL 73

APÊNDICE B - QUESTIONÁRIO INICIAL 76

APÊNDICE C - PLANO DE AULA DE CRISTALIZAÇÃO: CRESCIMENTO DE

CRISTAIS. 78

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1. INTRODUÇÃO

O tema desta pesquisa de graduação aborda a importância da experimentação como uma estratégia para o ensino de química. A questão inicial sobre a escolha do tema foi referente à educação, em que o objetivo do ensino de química no ensino médio é permitir ao estudante a compreensão dos processos químicos que ocorrem no mundo, além disso, contribuir para que o estudante seja capaz de julgar, com fundamentação científica, e, tomar suas decisões, enquanto indivíduo e membro de uma sociedade. Valente (2018), afirma que a educação acontece em vários locais, mas é na escola que se formaliza o ato de educar, pois ela disponibiliza instrumentos para a aquisição e aprimoramento do conhecimento. A escola pode auxiliar o estudante a encontrar os caminhos para uma vida digna, embora com limitações. Em relação ao processo de ensino/aprendizagem, para que o educando sinta prazer no ato de aprender é necessário que o professor sinta também prazer no ato de ensinar.

Apesar da importância da química no nosso cotidiano há uma preocupação sobre a aprendizagem dessa disciplina no ensino médio, tendo em vista as dificuldades relatadas pelos professores no impasse dos alunos em construir o conhecimento e relacionar com o cotidiano (PEREIRA et al., 2021). O ensino tradicional não é a melhor forma de garantir que o aluno aprenda e compreenda um conceito científico, pois esse ensino é administrado de forma que o aluno saiba muitas fórmulas, decore reações, e, propriedades, mas não consegue relacioná-las com o seu meio.

Nesse modelo de ensino, o professor é o centro da aula e os alunos são apenas os espectadores, desfavorecendo o processo de ensino aprendizagem (GONÇALVES, 2020).

Trabalhar com as substâncias, aprender a observar um experimento cientificamente, visualizar de forma que cada aluno descreva o que observou durante a reação, é capaz de levar a um conhecimento seguro. O grande desinteresse dos alunos pelo estudo da química se deve, em geral, à falta de atividades experimentais que possam relacionar a teoria à prática (QUEIROZ, 2004).

As aulas práticas despertam o interesse dos estudantes pela ciência, envolvendo-os em uma investigação científica, assim melhoram sua capacidade de solucionar

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problemas, de compreender conceitos básicos, e, de desenvolver novas habilidades. Através das atividades experimentais, o indivíduo se vê desafiado a buscar soluções para os questionamentos. Para Nascimento e Ventura (2003),

“A aula prática é uma sugestão de estratégia de ensino que pode contribuir para melhoria na aprendizagem de Química. Os experimentos facilitam a compreensão da natureza da ciência e dos conceitos científicos, auxiliam no desenvolvimento de atitudes científicas e no diagnóstico de concepções não científicas.”

Do ponto de vista de Silva (2016), um dos problemas na realização de atividades experimentais se deve ao fato de que, quando a experimentação é implementada na educação básica, é apenas aquela com aulas demonstrativas e de observação, com objetivo de comprovar teorias anteriormente trabalhadas em sala de aula. O experimento, por si só, não é garantia de aprendizagem, exige um acompanhamento constante do professor e um bom planejamento. Com a observação o aluno também pode aprender, entretanto, o professor precisa planejar e escolher uma metodologia que vai contribuir com a aprendizagem.

A aula prática pode ser aliada à teoria, pois, facilita muito a compreensão da disciplina em química, podem-se incluir demonstrações feitas pelo professor, e, experimentos realizados pelo próprio aluno relacionando o conteúdo já visto em sala de aula com a prática, utilizando conceitos e fórmulas para assim, formar o elo entre a teoria e prática, propiciando aos alunos oportunidades de confirmar suas ideias (PEREIRAet al., 2021).

Portanto, é de fundamental importância a experimentação no ensino de química no ensino médio, por meio da qual as dificuldades dos alunos em compreender os conteúdos de química podem ser superadas, tornando o estudo mais prazeroso, contribuindo para o aumento do conhecimento científico(GONÇALVES, 2005).

Apesar de muitos professores terem a consciência de que o ensino de química pode muitas vezes ser interessante, e que através da experimentação mudanças podem acontecer, em inúmeras escolas, as aulas práticas são menos recorrentes. Os principais motivos indicados pelos professores são a inexistência de laboratórios, ou mesmo a presença deles, a ausência de recursos para manutenção, além da falta de tempo para preparação das aulas (GONÇALVES, 2005).

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Portanto, podemos chegar então à seguinte conclusão: as ferramentas teóricas interligadas às práticas podem preencher essa lacuna deixada pelo ensino tradicional, fazendo com que o aluno compreenda e enxergue, de outra maneira, uma série de conceitos científicos que nunca lhe fizeram sentido (PEREIRA et al., 2021).

O desenvolvimento desta pesquisa consistiu em uma intervenção pedagógica experimental, com o intuito de contextualizar, e, interligar os conteúdos em que os alunos possuem dificuldades para que, na prática, seja possível compreender os conceitos teóricos. Além disso, utilizamos a tecnologia da impressão 3D, que é uma tecnologia capaz de construir inúmeros modelos, com diferentes formas e dimensões, mesmo para um usuário com pouco conhecimento acerca da ferramenta (SAMAGAIA E DELIZOICOV NETO, 2015).

Sendo assim, desenvolveu-se uma aula prática sobre cristalização, com duas turmas de 2º ano do curso técnico em química integrado ao ensino médio. O processo de cristalização pode ser associado à vivência do aluno visto que é um processo largamente utilizado na obtenção de açúcar e sal, além de serem empregados materiais de baixo custo, ou até materiais alternativos para sua realização.

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GERAL

● Desenvolver, com os alunos do ensino médio, a técnica de cristalização, utilizando materiais alternativos e de fácil obtenção.

2.2. OBJETIVO ESPECÍFICOS

● Testar a formação de cristais empregando sais solúveis, a partir de ponto de nucleação secundário;

● Estudar os conceitos de solubilidade de sais e saturação das soluções.

● Aplicar a experimentação com alunos de ensino médio produzindo o cristal de sulfato de cobre penta hidratado.

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3. REVISÃO DE LITERATURA 3.1. ENSINO DE QUÍMICA

De acordo com Gonçalves e Goi (2018), o ensino de ciências da natureza tem sido motivo de constantes análises e reformas educacionais, isso devido às dificuldades encontradas por professores e alunos durante o processo de ensino e aprendizagem de conteúdos científicos dessa área do conhecimento.

A química, assim como outras ciências, exerce grande influência na vida cotidiana, e, seu estudo, portanto, não se limita aos estudos e pesquisas de laboratórios, e, de produção industrial (USBERCO, 2007). Ensinar o conteúdo de química é importante para desenvolver no aluno a capacidade de participar criticamente nas questões da sociedade, ou seja, a capacidade de tomar decisões fundamentadas em informações, e, ponderadas as diversas consequências decorrentes de tal posicionamento (SANTOS e SCHETZLER, 1996).

A disciplina de química está totalmente presente em nosso cotidiano, em medicamentos, na alimentação, na higienização, na geração de energias, no meio ambiente, entre outros. Dentro da concepção de Peruzzo (2006), em nosso dia a dia é muito frequente encontrarmos indicações de substâncias químicas nas embalagens de alimentos, nos frascos de cosméticos, nos rótulos de produtos de limpeza, nas etiquetas de roupas, nas caixas e bulas de remédios e em tantos outros objetos.

No ensino de Química ainda é predominante o método tradicionalista, no qual o professor transmite de forma acelerada uma sequência de conhecimentos, e, a aprendizagem, é memorística, sendo pouco ou nada significativa para os educandos (GONÇALVES, 2005).

O ensino da Química requer atenção, pois é uma ciência que utiliza uma linguagem diferente, com símbolos e equações que ainda não fazem parte do vocabulário dos alunos. Por conta disso, muitos estudantes não compreendem os fenômenos e consequentemente, não conseguem associar com os acontecimentos do seu cotidiano (SALLES, 2011).

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Alguns autores como Hodson (2005) defendem a Experimentação como alternativa associada às aulas formais para o Ensino de Ciências no Ensino Médio. De acordo com o autor, a reflexão a se fazer sobre metodologias de ensino possui três pilares principais: a reconceituação do trabalho prático, a aprendizagem da ciência, e, a relação entre a prática e reflexão (Hodson, 1994).

3.2. EXPERIMENTAÇÃO

De acordo com Kogler (2014), a experimentação pode ser considerada um instrumento importante para a melhoria do ensino, pois ela aperfeiçoa as condições para a aprendizagem e, por isso, os estudantes sentem-se motivados para os estudos, o que resulta na participação mais ativa nas aulas.

As atividades experimentais foram inseridas nas escolas, devido à forte influência de trabalhos desenvolvidos nas universidades, pois o objetivo era melhorar a aprendizagem do conhecimento científico através da aplicação do que foi aprendido (GALIAZZI et al., 2001). O investimento na pesquisa em ensino de química trouxe também resultados que mostram a importância da experimentação para o processo de ensino-aprendizagem de química e ciências (GIORDAN, 1999).

Hofstein e Lunetta (1982) afirmam que desde a década de 60, as atividades experimentais começaram a ser utilizadas para incentivar os estudantes à investigação, o laboratório se tornou, pelo menos para os educadores e elaboradores de currículos, o centro do ensino e aprendizagem em ciências.

Portanto, foram atribuídas aos laboratórios a tarefa de auxiliar os estudantes a desenvolverem uma crítica sobre os estudos de ciências e a investigação científica baseada na abordagem da descoberta.

Salvadego (2009) realizou um estudo baseado em Laburú (2016), onde ele analisa as aulas experimentais a partir das categorias Motivacional, Funcional, Instrucional e Epistemológica, e aponta a experimentação como um fator determinante para o aumento do interesse dos alunos na disciplina de Química. A proposta do autor foi analisar os argumentos de alguns professores do ensino médio sobre utilizar ou não atividades experimentais como mecanismo instrucional. Resultante disso, ele cita que grande parte dos discentes afirmam que o experimento tem poder de ilustrar a teoria, facilitando a compreensão dos conceitos por parte dos alunos, e,

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consequentemente, a construção do conhecimento. Ainda assim, o índice de professores que não utilizam atividades experimentais como recurso de ensino ainda é alto. A justificativa dos docentes para a não realização dessas atividades é em função da carência de condições para tal, ao quantitativo de alunos por turma, à inadequação de infraestrutura física e material e à carga horária reduzida (ASSIS;

LABURÚ; SALVADEGO, 2009).

Hodson (2005) alega que a experimentação possui o poder de estimular o desenvolvimento conceitual, de forma com que os estudantes elaborem e explorem suas ideias a fim de comparação com a ideia científica, tendo então um importante papel no desenvolvimento cognitivo do aluno.

Ferreira et al. (2010) defende o uso da experimentação na Química, ele aponta que os experimentos devem ser conduzidos visando a diferentes objetivos, tal como demonstrar um fenômeno, ilustrar um princípio teórico, coletar dados, testar hipóteses, desenvolver habilidades de observação ou medidas, adquirir familiaridade com aparatos, entre outros.

Silva et al. (2015) realizou um estudo abordando a importância da experimentação com turmas do 2º ano do ensino médio. Diante disso, o autor pôde constatar que a atividade experimental proporcionou ao professor abordar alguns dos conteúdos de química que muitas vezes são de difícil compreensão.

Uma alegação de Guimarães (2009) é que o uso do laboratório pode estimular a curiosidade dos alunos, mas para isso, é necessário que estes sejam desafiados cognitivamente. Portanto, a experimentação pode ser uma estratégia eficaz no ensino de ciência se atrelada de maneira correta aos conteúdos expostos em salas de aula.

Visando utilizar como estratégia metodológica a experimentação, atrelada aos conceitos químicos, foi proposta uma aula experimental, como tema central a cristalização, que envolve outros conceitos químicos básicos (saturação e solubilidade) que são fundamentais para a compreensão do processo de cristalização.

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3.3. CRISTALIZAÇÃO

Segundo Constantino et al. (2004), quando, numa solução, estão presentes duas (ou mais) substâncias sólidas dissolvidas, ambas em quantidades apreciáveis, é muitas vezes possível forçar a cristalização de uma delas, deixando a outra em solução. Este processo é chamado de cristalização seletiva, e, evidentemente, constitui-se em um método de separação de misturas. Há duas variáveis que podemos manipular para “forçar” a cristalização: a temperatura e a quantidade de solvente.

De acordo com Costa e Giulietti (2010), cristalização é a conversão de uma substância ou várias substâncias do estado gasoso, líquido ou sólido amorfo para o estado cristalino. Na cristalização a partir de soluções, ocorre uma mudança de fase de um produto (o soluto) originalmente em solução para uma fase sólida.

Um sólido pode ser classificado como cristalino se os átomos e moléculas que o constituem estão organizados em uma estrutura tridimensional regular. Se não há uma estrutura tridimensional regular que se repete ao longo de todo o sólido, o material é classificado como amorfo, conforme será explicado detalhadamente no item 3.7 (ASTRATH, 2006).

De acordo com a literatura, o setor sucroalcooleiro, no Brasil, utiliza-se de cristalização para obtenção de açúcar a partir do caldo tratado da cana-de-açúcar.

Neste processo realizado em batelada, o xarope é concentrado sob vácuo até atingir um certo grau de supersaturação. Adicionam-se núcleos cristalinos de açúcar (sementes) e, pela adição de xarope e evaporação controlada, os cristais crescem até o tamanho desejado. A enorme quantidade de material produzido dessa commodity ressalta a importância da operação de cristalização para o setor sucroalcooleiro (JESUS, 2004).

Além disso, um produto que obteve destaque na indústria cosmética é o ácido hialurônico, que vem sendo apontado como ingrediente mágico pelo seu altíssimo poder umectante. O processo produtivo desse biopolímero envolve uma etapa final de cristalização para sua separação com alto grau de pureza (COSTA e GIULIETTI, 2010).

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A cristalização não pode acontecer sob quaisquer condições. É necessário que o sistema esteja longe do equilíbrio. É por meio da cristalização que um sistema que está distante do equilíbrio busca alcançá-lo. Uma das maneiras de manipular as condições operacionais do sistema é compreendendo a solubilidade da substância, na qual, está diretamente interligada com a temperatura (COSTA e GIULIETTI, 2010).

3.4. SATURAÇÃO DE SOLUÇÕES E SOLUBILIDADE

A literatura aponta que o conceito de soluções é potencialmente significativo e auxilia na aprendizagem de diversos conceitos químicos importantes, isso porque, por meio dele, pode-se propiciar uma melhor compreensão de ideias relativas a misturas, substâncias, ligações químicas, modelo corpuscular da matéria, interação química, além de estar relacionado a conceitos de funções químicas, equilíbrio químico, tipos de reações químicas e eletroquímica, já que as soluções constituem o meio mais comum de ocorrência de reações químicas (ECHEVERRÍA, 1996).

As soluções são misturas homogêneas, de dois ou mais componentes, nas quais as substâncias que as constituem encontram-se distribuídas de forma uniforme pelo sistema. Os componentes de uma solução são chamados de soluto e solvente, sendo o soluto, a espécie que é dissolvida pelo solvente (CARMO, 2005). A quantidade de um sólido que pode ser dissolvida em um líquido é limitada pela solubilidade, que varia de acordo com o par sólido-líquido, e, com as condições intensivas do ambiente, principalmente temperatura (COSTA, 2012).

De acordo com Silva, Martins e Andrade (2004), a solubilidade é a concentração de soluto dissolvido em um solvente em equilíbrio com o soluto não dissolvido à temperatura e pressão especificadas, ou seja, é a medida da quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvida em um determinado solvente. O tamanho molecular (ou iônico), a polaridade (ou carga), forças dispersivas e dipolares, ligações de hidrogênio, e, a temperatura são fatores que se destacam na determinação da solubilidade e devem ser considerados no seu entendimento.

A solubilidade de um determinado soluto em um determinado solvente depende da temperatura, e, da natureza do soluto, sendo que a solubilidade pode aumentar ou diminuir com o aumento da temperatura. Essa propriedade, frequentemente

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aumenta com a temperatura, mas existem alguns sistemas em que ela permanece aproximadamente constante ou diminui com o aumento da temperatura (MAIA, 2019).

Quando uma solução contém menos soluto dissolvido do que a máxima quantidade possível, essa solução é dita insaturada. Uma solução que contém a quantidade máxima de soluto dissolvido no solvente (determinada pela sua solubilidade) é dita saturada. Como a solubilidade é função da temperatura, de maneira geral, à saturação correspondem diferentes concentrações, a depender da temperatura em que a solução se encontra (RUSSELL, 1994). Na Figura 1, temos a representação de algumas soluções de NaCl, onde estão descritas as quantidades do composto de acordo com seu grau de saturação em 100 mL de água. As maneiras que podemos classificar as soluções de acordo com a sua solubilidade são: insaturada, saturada, saturada com corpo de fundo e supersaturada.

Figura 1- Esquema de representação de soluções de NaCl: insaturada, saturada, saturada com corpo de fundo e supersaturada, respectivamente.

Fonte:Cena/USP, 2020.

Experimentalmente é determinada a quantidade máxima solúvel de cada sal em 100 mL do solvente a 20°C, na Figura 2, são apresentadas as solubilidades dos sais

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mais comuns, dentre eles, o sulfato de cobre pentahidratado, que foi o sal escolhido para a intervenção pedagógica.

Figura 2- Solubilidade de sais comuns à 20°C.

Fonte: COSTA (2012) modificada.

3.5. SUPERSATURAÇÃO

Quando uma solução contém mais soluto dissolvido do que aquele determinado pela concentração de equilíbrio, a solução é dita supersaturada (RUSSELL, 1994).

As soluções em estados variados de saturação podem ser sumarizadas em um diagrama de fases esquemático, Figura 3, de concentração versus temperatura, onde se distinguem três campos: solução insaturada (sistema monofásico), solução supersaturada (sistema monofásico), e, solução saturada coexistindo com cristais (sistema bifásico) (COSTA, 2012).

A zona metaestável está situada entre as curvas de saturação e de supersaturação, é um campo de estabilidade aparente, no qual a solução ainda não atingiu o excesso de soluto suficiente para permitir a formação de núcleos estáveis. A largura da zona metaestável varia em função de diversos fatores, como solubilidade, taxa de resfriamento, presença de impurezas e outros (CIRINO, 2016).

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Figura 3- Diagrama de fases esquemático representando os estados de solução insaturada, supersaturada (metaestável) e saturada contendo cristais.

Fonte: COSTA, 2012.

A supersaturação é necessária para a formação de núcleos estáveis, pois em um sistema situado exatamente sobre a curva de saturação, o consumo de soluto para a formação de núcleos cristalinos torna a solução insaturada, que redissolve estes núcleos. A supersaturação faz com que as sementes formadas não sejam dissolvidas, e, a barreira energética da nucleação seja transposta. O grau de supersaturação é uma das mais importantes variáveis para a nucleação e o crescimento cristalino em soluções aquosas (COSTA, 2012).

De acordo com CIRINO (2016) é na zona metaestável, onde temos uma solução supersaturada, o ponto ideal para que haja a cristalização, havendo então a formação de núcleos, e, em seguida, o crescimento dos cristais.

3.6. NUCLEAÇÃO

De acordo com Nývlt et al. (2001), a nucleação é a formação de corpos cristalinos a partir de uma solução supersaturada. O autor ainda afirma que na região de supersaturação existe um equilíbrio dinâmico de formação, e, desintegração de

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agregados quase-líquidos do soluto (os chamados clusters ou embriões – algumas dezenas de moléculas unidas por forças intermoleculares relativamente fracas e organizadas de modo regular). Na Figura 4 podemos observar as etapas de nucleação.

Figura 4- Processo de nucleação e crescimento do cristal.

Fonte: BALDAN (2014).

O processo de nucleação ocorre de duas maneiras: espontaneamente (nucleação primária) ou induzida (nucleação secundária).

A nucleação primária ou espontânea (homogênea) é a forma mais simples que se dá a nucleação. Lopes (2017) afirma que em um soluto líquido ela irá ocorrer quando o próprio soluto fornecer os átomos para formar os núcleos. Quando falamos de um soluto puro, assim que for resfriado abaixo da sua temperatura de solidificação, formarão diversos núcleos homogêneos por meio do movimento lento de átomos que vão se ligando uns aos outros. Neste tipo de nucleação é necessário que exista um certo resfriamento para que o processo aconteça, e de acordo com Silva (2015), dessa forma, a formação de núcleos se dá homogeneamente, e, a transição de fases ocorre de maneira igualitária pela peça.

Na nucleação secundária ou artificial (heterogênea), Soares (2000) afirma que as paredes do molde, usado como ponto de nucleação, funcionam como ponto de partida para a solidificação. A velocidade de aquecimento, a temperatura e o tempo em que o soluto permanece superaquecido podem afetar a formação ou dissolução de eventuais núcleos heterogêneos formados a partir de impurezas presentes. A autora também alega que a velocidade de resfriamento até à temperatura de início

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de solidificação determina o número total de núcleos que podem crescer. Portanto, quanto maior a velocidade resfriamento, maior o número de núcleos e o refinamento da microestrutura.

Para que a nucleação secundária aconteça, o agente nucleante terá de ser molhado pelo soluto líquido, e este deverá igualmente solidificar facilmente sobre aquele. Na Figura 5 podemos observar como funciona, onde mostra uma superfície (agente nucleante) sendo molhada pelo líquido que irá solidificar respectivamente, originando um pequeno ângulo de contato entre ele e o sólido.

Figura 5- Nucleação heterogênea de um sólido sobre um substrato.

Fonte: SMITH, 1998.

Por fim, Azeredo (2010) pontua que quando a temperatura de cristalização está próxima da temperatura de fusão, apenas algumas estruturas cristalinas maiores vão se desenvolver. Quando a temperatura se abaixa, a nucleação irá ocorrer de maneira rápida, formando um grande número de pequenas estruturas de sólidos cristalinos.

3.7. ESTRUTURA DOS SÓLIDOS

O estado sólido é um dos estados físicos da matéria, cuja característica própria possui forma e volume definidos, e, os átomos, íons ou moléculas estão em posições rígidas. Os materiais em seu estado sólido podem ser classificados como cristalinos e amorfos. Nos sólidos cristalinos, Figura 6 (A), as partículas constituintes estão distribuídas em uma estrutura interna ordenada, por exemplo, o gelo, o diamante e o grafite. Já, os sólidos amorfos, Figura 6 (B), é um sólido no qual os

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átomos, íons ou moléculas se encontram em um arranjo desordenado, por exemplo, o vidro (MILFONT, 2017).

Figura 6- Esquema de rede hipotética de uma estrutura cristalina (A) e amorfa (B).

(A) (B)

Fonte: BROWNet al,2002.

Um sólido é caracterizado pelo arranjo ordenado tridimensional de seus átomos, denominado de retículo cristalino. Para simplificar um trabalho de descrição de um retículo cristalino, é fundamental especificar a célula unitária (Figura 7), que é uma pequena fração do retículo que contém as suas características e que pode ser usado para construir o retículo inteiro. Uma rede (Figura 7) é um arranjo regular e repetitivo de pontos num plano. Logo a estrutura cristalina é a associação de uma ou mais unidades estruturais (moléculas ou íons) com cada ponto da rede (RUSSEL, 1994).

Na Figura 7 está representada um esquema de uma célula unitária, que é uma região imaginária, de lados paralelos, a partir da qual o cristal inteiro pode ser construído por deslocamentos translacionais, onde as células unitárias se encaixam perfeitamente sem que haja espaços entre elas (CUCINELLI NETO, 2013).

Figura 7- Célula unitária e ponto de rede.

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Fonte: BROWNet al, 2002.

Uma vez que existem muitas estruturas cristalinas diferentes possíveis, algumas vezes é conveniente dividi-las em grupos, de acordo com as configurações das células unitárias e/ou arranjos atômicos. Um desses esquemas está baseado na geometria da célula unitária, isto é, no formato do paralelepípedo apropriado para a célula unitária, independente das posições atômicas na célula (CALLISTER JR e RETHWISCH, 2016).

Nesse contexto, um sistema de coordenadas x, y, z é estabelecido com a sua origem localizada em um dos vértices da célula unitária. Cada um dos eixos ×, y e z coincide com um dos três vértices do paralalepípedo que se estende a partir deste vértice. A geometria da célula unitária é completamente definida em termo de seis parâmetros: os comprimentos das três arestas, a, b e c, e os três ângulos entre os eixos α, β e γ e são chamados de parâmetros de rede, conforme a Figura 8 demonstra (CALLISTER JR e RETHWISCH, 2016).

Figura 8- Célula unitária com os eixos coordenados (x, y e z), mostrado os comprimentos axiais (a, b e c) e os ângulos interaxiais (α, β e γ).

Fonte: CALLISTER JR e RETHWISCH, 2016.

Com base neste princípio, são encontrados cristais que possuem sete possíveis combinações diferentes de a, b e c, e α, β e γ, cada um dos quais representa um sistema cristalino distinto. Estes sete sistemas cristalinos são: o cúbico, tetragonal, hexagonal, ortorrômbico, romboédrico, monoclínico e triclínico. As relações para os parâmetros de rede, e, as configurações das células unitárias para cada um estão representadas na Figura 9 (CUCINELLI NETO, 2013).

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Figura 9- Geometrias dos sete sistemas cristalinos.

Fonte: CUCINELLI NETO, 2013.

Um dos cristais mais conhecido mundialmente é o diamante que é um alótropo do carbono. A rede de fortes ligações C–C se repete através do cristal e, como resultado, o diamante é a substância mais dura que se conhece (ATKINS e PAULA, 2012). O diamante é um sólido até em temperaturas acima de 4000 ºC, porque é necessária uma quantidade enorme de energia para quebrar essas fortes ligações covalentes (CANHAM e OVERTON, 2015). A Figura 10, demonstra a estrutura cristalina do diamante.

Figura 10- Estrutura cúbica do diamante.

Fonte: SHRIVERet al,2008.

Um sólido cristalino utilizado diariamente é o cloreto de sódio (NaCl), que é uma estrutura iônica comum. Os íons Na⁺ ficam nos vértices e nos centros das faces de um cubo, formando um cubo de face centrada (Figura 11). Cada íon Na⁺ é rodeado

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por 6 íons Cl^- dispostos no vértice de um octaedro regular. Analogamente, cada íon Cl^-é rodeado por 6 íons Na⁺(LEE, 2003).

Figura 11- Estrutura cúbica do cloreto de sódio.

Fonte: SHACKELFORD, 2008.

O cloreto de sódio ocorre naturalmente como o mineral sal-gema, que se origina de lagos salinos que secaram em épocas remotas. Ele tem algumas aplicações: na indústria química onde é fonte de sódio e cloro para a fabricação de ácido clorídrico e uma grande quantidade de compostos com sódio. O sal é utilizado extensivamente em seu estado natural para curtir couros, fertilizantes, alimentação de animais de criação e outros. E sua função doméstica, é usado na preparação de alimentos de vários tipos (KLEIN e DUTROW, 2012).

Nesta pesquisa, utilizou-se o sulfato de cobre pentahidratado, que é um sal azul brilhante, que é encontrado na natureza como calcantita. A geometria desse cristal é conhecida como triclínico, conforme apresenta a Figura 12.

Figura 12- Estrutura geométrica do sulfato de cobre pentahidratado (triclínico).

Fonte: NEVESet al, 2011.

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Nesse sentido, a fim de envolvermos a tecnologia em nossa pesquisa, o presente trabalho, utilizou hastes 3D, com o intuito de funcionar como uma ponte de nucleação artificial. Portanto, nesta proposta disseminamos sobre a impressão 3D, que foi desenvolvida no Campus Vila Velha, e, construímos um material com melhor design, como uma alternativa para a realização do experimento.

3.8. A IMPRESSÃO 3D NA EDUCAÇÃO

A impressora 3D FDM (Fused Deposition Modeling, ou Modelagem por Fusão e Deposição) funciona com a fusão de um filamento sólido em uma mesa de impressão, camada após camada. Essa técnica permite a produção de peças resistentes, duráveis, e, dimensionalmente estáveis com uma boa precisão. Com este recurso, os professores podem produzir seus próprios materiais didáticos para auxiliar na aprendizagem dos alunos, além de criar soluções que promovam assistência a necessidades especiais (3D Lab, 2020).

Os materiais mais comuns utilizados nas impressoras 3D desse tipo são os filamentos chamados de ABS (acrilonitrila butadieno estireno) e PLA (polilactídeo).

De acordo com Barnatt (2014), os filamentos de PLA encontram-se disponíveis em uma grande variedade de cores e são muito populares entre os entusiastas da tecnologia, uma vez que apresentam maior facilidade para imprimir do que o ABS.

Percebe-se cada vez mais a necessidade de Tecnologias Educacionais inovadoras, no sentido de melhorar o processo de ensino e aprendizagem nas instituições educacionais públicas do Brasil. A impressora 3D, por exemplo, é uma dessas possibilidades (TARSSO GOMES SANTOS; FERREIRA DE ANDRADE, 2020).

Segundo Tarsso Gomes Santos e Ferreira De Andrade (2020), na educação, a impressora 3D vem sendo empregada como uma ferramenta capaz de potencializar o processo de ensino. De acordo com Blikstein (2013) o grande diferencial dos objetos desenvolvidos mediante a impressora 3D está na qualidade, podendo usá-los para testes reais e funcionais.

A impressora 3D possibilita a produção de materiais didáticos que possam auxiliar o docente em aulas que necessitam de uma melhor visualização, como os modelos atômicos. Além da química, outras disciplinas como a física, biologia e matemática

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4. METODOLOGIA

Segundo Kauark; Manhães e Medeiros (2010), a metodologia é a descrição detalhada e fiel de todas as etapas e caminhos percorridos na elaboração da pesquisa. Inicia-se então apresentando a modalidade escolhida na investigação.

Considera-se essa pesquisa primeiramente como qualitativa, pois o pesquisador é o instrumento-chave e o ambiente é uma fonte de dados. Possui caráter descritivo, onde o resultado não é o foco da abordagem, mas sim o processo e seu significado (GODOY, 1995).

O estudo foi desenvolvido em duas etapas: inicialmente foi realizada uma pesquisa sobre experimentos de cristalização. Após a seleção, os experimentos foram testados, e, o que apresentou melhores resultados, o cristal de sulfato de cobre pentahidratado foi selecionado para ser empregado na proposta experimental. E em um segundo momento foi realizada a intervenção pedagógica com a aplicação da aula experimental.

A pesquisa foi realizada no Instituto Federal do Estado do Espírito Santo, Campus Vila Velha, localizado no bairro Soteco, com 2 turmas de 2ª série do curso técnico em química integrado ao ensino médio, no horário matutino, durante as aulas de Química Analítica e Instrumental totalizando 73 alunos.

4.1. MOMENTO I: ESCOLHA DO EXPERIMENTO

Inicialmente fez-se uma pesquisa de experimentos para isso foram utilizados livros, como Química na cabeça (MATEUS, 2005), e, artigos científicos. Usou-se como critério a escolha de experimentos que envolviam as técnicas da gravimetria, visto que no curso técnico em química, os alunos estudam sobre formação de cristais neste conteúdo de Química Analítica. A partir disso, testou-se os procedimentos, objetivando a melhor compreensão das etapas e a elaboração da contextualização da intervenção.

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4.1.1. Material

Os materiais utilizados nos experimentos incluem béqueres de vidro (150 mL), proveta, bastão de vidro, fio dental, palitos de picolé, balança analítica (Shimadzu do Brasil, Brasil), chapa de aquecimento com agitador magnético (Marconi - Equipamentos para Laboratório, Brasil), impressora 3D (GTMax 3D A1V2, Brasil), e, o sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4.5H2O) (Armazém Suíço - Essências e Produtos Químicos, Brasil), demonstrado na Figura 13.

Figura 13- Sulfato de cobre pentahidratado.

Fonte: autores, 2022.

4.1.2. Equipamentos

Na preparação da solução supersaturada, pesou-se cerca de 80 g de CuSO4.5H2O em uma balança analítica, com precisão de ± 0,0001 g (Figura 14).

Figura 14- Balança analítica.

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No aquecimento da solução, usou-se a chapa de aquecimento, demonstrada na Figura 15, regulada na temperatura de 200 ºC.

Figura 15- Chapa de aquecimento.

Na impressão 3D das hastes (Figura 16), utilizou-se a impressora FDM (Fused Deposition Modeling, ou Modelagem por Fusão e Deposição), demonstrada na Figura 17.

Figura 16- Hastes com “CuSO4” impressos.

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Figura 17- Impressora 3D modelo FDM.

4.1.3. Procedimentos

4.1.3.1. Preparo das sementes

Adicionou-se o sulfato de cobre pentahidratado, em 120 mL de água destilada até que fosse dissolvido completamente. Nesta etapa, utilizou-se o método de resfriamento, a solução é aquecida e em seguida, deixa-se a solução esfriar lentamente, causando então o crescimento dos cristais. Após 7 (sete) dias, os cristais já estavam bem definidos, conforme ilustrado na Figura 18.

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Figura 18- Sementes de cristais de sulfato de cobre pentahidratado.

Fonte: autores, 2022

4.1.3.2. Crescimento de cristais

Na primeira fase do experimento, foram preparadas soluções supersaturadas de sulfato de cobre pentahidratado (CuSO₄.5H₂O). Para o preparo da solução, foram adicionados em um béquer, aproximadamente 120 mL de água destilada, e a mesma colocada sob a chapa de aquecimento. À medida que a água estava sendo aquecida, foram sendo adicionados aos poucos, aproximadamente 80 g de sulfato de cobre pentahidratado, previamente pesado em balança analítica. Com o auxílio de um bastão de vidro, a solução foi sendo misturada até que o sal estivesse completamente dissolvido na água, formando uma solução homogênea.

Retirou-se o béquer da chapa de aquecimento e deixou-se a solução esfriar lentamente. Enquanto a solução ficava morna, preparou-se o esquema onde amarrou-se a semente em uma ponta de um fio dental, e na outra ponta, um palito de picolé para que ficasse apoiado nas bordas do béquer, de forma com que o cristal tivesse a condição de imergir-se na solução supersaturada sem contato com as paredes da vidraria. Foram utilizadas as sementes de cristais que foram preparadas da forma descrita em 4.1.3.1.

Quando a solução ficou morna, as sementes obtidas foram imersas nas soluções supersaturadas para observação do crescimento cristalino, e o béquer foi deixado

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em repouso por 7 (sete) dias. A Figura 19 apresenta o procedimento descrito anteriormente.

Figura 19- Preparo do esquema de imersão da semente na solução.

Além deste método, na segunda turma participante da pesquisa também desenvolveu a temática de impressão 3D, utilizando como ponte de nucleação artificial. Utilizou-se um método, onde não era necessário o uso das sementes.

Desenvolveu-se uma estrutura (haste) que foi impressa em uma impressora 3D do tipo FDM (Fused Deposition Modeling, ou Modelagem por Fusão e Deposição) disponíveis no Campus, a intenção era que ficasse mais didático, pois a peça carregava a fórmula do composto (CuSO4) e tinha uma estética melhor, para que após a aula os alunos conseguissem ficar com o cristal. A Figura 20 representa a haste impressa, usada como um ponto de nucleação artificial.

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Figura 20- Béquer com haste impressa em material plástico.

4.2. MOMENTO II: INTERVENÇÃO PEDAGÓGICA

A abordagem desta pesquisa é de caráter qualitativo e baseou-se na elaboração de uma aula experimental a partir do livro Química na cabeça (MATEUS, 2005). No entanto, foi feito um levantamento bibliográfico de diversos outros trabalhos que envolviam a temática “crescimento de cristais'', como tema central, para verificarmos outras metodologias já desenvolvidas, e, consequentemente, realizarmos a análise dos resultados que foram obtidos.

A diferença de uma pesquisa de cunho qualitativo para quantitativo é que a forma de aquisição das informações e dados se dá através de uma interação direta entre o pesquisador e o seu material de estudo/análise, com a finalidade de compreender os fenômenos segundo a perspectiva dos próprios sujeitos participantes da situação estudada (MINAYO, 2001).

O desenvolvimento da pesquisa foi realizado em 2 (duas) turmas da 2º série do curso técnico em química integrado ao ensino médio do Instituto Federal do Espírito Santo – Campus Vila Velha (ES), sob supervisão da professora regente Araceli Verónica Flores Nardy Ribeiro.

A intervenção pedagógica foi realizada na aula experimental de Química Analítica e Instrumental, onde foi desenvolvido o experimento proposto. Os alunos participantes executaram o procedimento, por meio de etapas pré-definidas por um roteiro. Após

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anteriormente na aula (primeira aplicação – 17/02/2022 – 30 alunos), ou, se anteciparam aos conceitos que seriam discutidos posteriormente na teoria (segunda aplicação – 27/09/2022 – 43 alunos).

Para a orientação dos alunos em relação aos procedimentos experimentais, foi disponibilizado um roteiro (APÊNDICE A). Foi necessário realizar a validação da intervenção, para posteriormente aplicação do roteiro experimental de crescimento de cristais nas turmas. A validação foi realizada com a professora orientadora em dois momentos, inicialmente no dia 03 (três) de fevereiro, e, no segundo momento, no dia 10 (dez) de fevereiro de 2022, e, além disso, foram preparadas as sementes para os alunos utilizarem durante o procedimento experimental.

Com a finalidade de coletar dados necessários para comparação pré e pós intervenção pedagógica, elaborou-se um questionário inicial (APÊNDICE B), composto por 08 (oito) questões afirmativas, a fim de saber os conhecimentos prévios dos alunos referentes ao assunto. Para avaliação dos dados foi empregada a Escala Likert. A ferramenta escolhida para a construção do questionário foi o Google Formulário, que está disponível gratuitamente na plataforma do Google.

Segundo Bertram (2008) Escala Likert, é um instrumento psicométrico em que o respondente deve indicar sua concordância ou discordância sobre uma afirmação, item ou reagente, o que é feito por meio de uma escala ordenada e unidimensional para obtenção das respostas.

O modelo de Escala Likert consiste em desenvolver um conjunto de afirmações relacionadas a um determinado tema, para as quais os alunos emitirão seu grau de concordância (LIKERT, 1932). Nesta escala, os respondentes se posicionam de acordo com uma medida de concordância atribuída ao item, e, de acordo com esta afirmação, se infere o grau de interação com este tema. Portanto, anteriormente à aula experimental, os estudantes tiveram acesso ao questionário inicial, e, responderam conforme seus conhecimentos prévios.

Para a realização da aula, elaborou-se um plano de aula, detalhando os momentos, os procedimentos experimentais e quais materiais e reagentes usariam. O plano de aula funciona como um guia que orienta o professor sobre seus objetivos e abre um

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leque de opções criativas a fim de alcançá-los. No Apêndice C está representado o plano de aula elaborado para a aplicação.

A aula foi dividida em 2 (duas) etapas, a 1ª foi desenvolvida da seguinte maneira:

● Aplicação do questionário inicial (Apêndice B);

● Revisão e discussão dos conceitos envolvidos na temática de cristalização (solubilidade, saturação e nucleação);

● Execução do procedimento experimental.

A 2ª etapa, ocorreu da seguinte forma:

● Visualização do resultado final (cristal formado pelos alunos);

● Comparações entre os diferentes cristais formados;

● Aplicação do questionário final.

Após a intervenção, aplicou-se o questionário final que possuía as mesmas perguntas do questionário inicial (APÊNDICE B), com o objetivo de comparar as respostas obtidas antes e após a aplicação do experimento. Também foram incluídas 02 (duas) questões discursivas, para que o aluno relatasse a sua opinião em relação à contribuição do experimento para sua aprendizagem, e, deixasse um feedback para a nossa pesquisa. Na Figura 21 estão expostas as duas perguntas que foram incluídas no questionário final.

Figura 21- Questões discursivas do questionário final.

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O questionário foi organizado e disponibilizado de maneira simples, através de um link, para todos os alunos contribuintes. Nesse sentido, utilizou-se procedimentos e técnicas de coleta de dados, para melhor compreensão em relação à aprendizagem dos alunos, portanto, o questionário antes e após a aula foram fundamentais para os mensurar os resultados da intervenção pedagógica.

Conforme exposto no Apêndice B, o questionário utilizou opções de respostas que expressavam o grau de concordância em cada questão. Cada afirmação apresentavam as seguintes opções de respostas:

● Discordo totalmente

● Discordo parcialmente

● Não sei opinar

● Concordo parcialmente

● Concordo totalmente

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1. MOMENTO I: ESCOLHA DO EXPERIMENTO

Para a escolha do procedimento experimental foram realizados alguns testes prévios, empregando diferentes substâncias, como o açúcar, sulfato de cobre pentahidratado, e, sal (cloreto de sódio), porém todos tinham o mesmo objetivo que era a formação de cristais a partir de soluções supersaturadas.

As substâncias que apresentaram a formação de cristais, após 7 (sete) dias, foram o açúcar, e, o sulfato de cobre pentahidratado. Porém, foi escolhido o sulfato de cobre pentahidratado para a realização da prática com os alunos, por ele apresentar uma cor mais chamativa do que o açúcar, que é incolor.

O açúcar, como dito anteriormente, apresentou bons resultados, e, além disso, é de fácil preparo. Entretanto, um dos motivos de não utilizarmos o açúcar em nossa aula experimental é devido ao grande acúmulo de formigas que foi gerado no béquer. E neste caso, o ponto de nucleação usado foi um palito de churrasco unido a alguns cristais do próprio açúcar, imerso na solução supersaturada. Sua estrutura cristalina resultante é apresentada na Figura 22, portanto, tem grande potencial de aplicação para aulas experimentais como uma alternativa para a explicação de cristalização.

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Figura 22- Cristal formado a partir de sementes.

Portanto, escolheu o sulfato de cobre pentahidratado para o desenvolvimento da aula experimental. Na preparação da solução supersaturada, o CuSO₄.5H₂O foi pesado em uma balança analítica, porém, balanças de uso culinário digitais, também podem ser facilmente usadas para este objetivo, visto que a massa a ser pesada do sal é elevada.

No aquecimento da solução, usou-se a chapa de aquecimento regulada na temperatura de 200 ºC, para que o líquido atingisse temperaturas maiores, fazendo com que o sal se solubilizasse completamente, e, não reste nenhum corpo de fundo.

Entretanto, nesta etapa, pode ser utilizado o fogão comercial ou um fogareiro de acampamento.

Conforme explicado no item 4.1.2, utilizou-se a impressora 3D, para a produção das hastes, o material utilizado na impressora foi um bioplástico (PLA) derivado do amido de milho, e, cada impressão levou aproximadamente 3 horas para produzir 8 peças. A modelagem das peças foi feita de forma autoral utilizando o modelador online Tinkercad, fornecido gratuitamente pela companhia de softwares de design AutoDesk. O Lab Maker, onde o material foi confeccionado, é um laboratório de impressão 3D localizado no Ifes - Campus Vila Velha com aporte do projeto Rio Doce Escolar, coordenado pela Profa. Dra. Manuella Villar Amado.

Em seguida, foram preparadas as sementes (pontos de nucleação secundária) que seriam usadas futuramente na intervenção pedagógica com as turmas. A seguir são descritas as etapas desenvolvidas.

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5.1.1. Preparo das semestes

Para preparar as sementes, utilizou-se o método de resfriamento, que consiste em preparar uma solução concentrada do sal, esta solução é aquecida para a completa solubilização do sal, e, posteriormente, deixa-se a solução esfriar, causando o crescimento dos cristais. Após 7 (sete) dias, podemos obter os cristais, conforme demonstrado na Figura 23, e, então, retirou-se da solução o líquido sobrenadante que ainda restava, e, as sementes foram colocadas sobre um papel de filtro para secarem.

Figura 23- Formação dos cristais no fundo do béquer.

É importante que se conheça a solubilidade do sal que será utilizado, no caso o sulfato de cobre pentahidratado, tem a solubilidade de 32 g em 100 mL de água a 20º C, portanto, utilizamos aproximadamente 80 g do sal para 120 mL de água.

5.2. MOMENTO II: INTERVENÇÃO PEDAGÓGICA

A intervenção foi aplicada em duas turmas distintas, que foram chamadas de turma 1 e turma 2, sendo assim, inicialmente vamos analisar a turma 1, onde a aplicação ocorreu no dia 17/02/2022. Essa turma estava retornando de um contexto pandêmico. A maior parte de suas disciplinas da 2ª série foram realizadas remotamente, portanto, a professora regente destacou que muitos tinham dificuldades em compreender os conceitos de solução saturada, visto que os alunos

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haviam estudado equilíbrio de solubilidade, e esse conceito deveria já estar enraizado. Sendo assim, para a melhor compreensão desse conceito, no início da proposta experimental foi realizada uma demonstração prática de como se comportam as soluções insaturadas, saturadas e supersaturadas.

A turma 2, onde a aplicação ocorreu no dia 27/09/2022, apresentou maior compreensão dos conceitos de saturação e solubilidade, visto que, as aulas já haviam voltado ao formato totalmente presencial, e, a disciplina de Química Analítica e Instrumental foi dada totalmente presencialmente, o que facilitou o processo de ensino-aprendizagem.

Sabendo que havia necessidade de explicar alguns conceitos previamente, a intervenção foi dividida em dois momentos. Inicialmente foi feita uma breve discussão e revisão acerca de conteúdos que faziam parte da explicação da aula prática sobre crescimento dos cristais. Na Figura 24, está exposto este momento de revisão com a turma.

Figura 24- Momento de revisão e discussão.

Fonte: arquivo Araceli, 2022.

Tanto na turma 1 quanto na turma 2, durante esta revisão, notamos que a maior parte dos alunos tinham conhecimento sobre os conceitos de saturação de

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soluções, e, solubilidade, porém nucleação muitos ainda não compreendiam completamente, mesmo que a professora regente já tivesse explicado anteriormente. Além disso, neste momento, foi detalhado o roteiro experimental, como seriam preparadas as soluções, e, seria desenvolvido o trabalho.

Em seguida, os alunos já iniciaram o preparo da solução supersaturada. Na Figura 25, os alunos estão utilizando a balança analítica para a pesagem de 80 g de sulfato de cobre pentahidratado.

Figura 25- Alunos utilizando a balança analítica utilizada para a pesagem do soluto.

Seguindo o roteiro, os alunos aqueceram cerca de 120 mL de água destilada, e, foram adicionando aos poucos, o sulfato de cobre pentahidratado, até a completa solubilização dele, portanto, nesta etapa, os alunos precisavam misturar constantemente a solução para que não restasse um corpo de fundo no béquer. A Figura 26, demonstra os alunos aquecendo a solução.

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Figura 26- Alunos utilizando a chapa de aquecimento na formação da solução supersaturada.

Na próxima etapa, os alunos enquanto esperavam a solução ficar morna, com o auxílio dos graduandos, foram preparar o esquema para que o cristal ficasse imerso na solução supersaturada, as imagens que apresentam este momento estão expostas nas Figuras 27 e 28.

Figura 27- Alunos preparando o esquema de imersão da semente na solução.

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Figura 28- Alunos inserindo a semente na solução.

Ao final da aula, os alunos inseriram a semente na solução supersaturada preparada e, somente na turma 2 foram utilizadas também as hastes 3D, a fim de criar uma ponte de nucleação artificial. As hastes foram imersas na solução, como demonstrado na Figura 29.

Figura 29- Soluções com a semente imersa em repouso e haste 3D imersa na solução.

No segundo momento da intervenção, após uma semana de repouso, como a solução foi esfriando lentamente, houve a formação dos cristais, e, portanto, neste momento os alunos visualizaram o resultado final da aula, conforme demonstram as Figuras 30 e 31. Não haveria a necessidade de esperarmos uma semana para a

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avaliação dos cristais formados, entretanto, optou-se por esse prazo devido a aula da professora regente ocorrer uma vez por semana.

Figura 30- Discentes Amanda e Diego com os alunos, e, os cristais formados por cada grupo.

Figura 31- Alunos com os cristais formados.

Como mencionado na metodologia, utilizamos com a turma 2, uma haste 3D, com o objetivo de envolvermos questões tecnologias na aula experimental, já que a tecnologia da impressão 3D tem ganhado espaço no contexto escolar, assim como

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os avanços desta tecnologia estão atualmente presentes em áreas como medicina, engenharia, construção civil e outros. Nesta perspectiva, utilizamos a impressora 3D como uma proposta de intervenção, desenvolvendo uma aula prática voltada para a área da química (ciências da natureza e suas tecnologias), proporcionando a união entre teoria e prática tornando o estudante um membro efetivo desse processo de construção do conhecimento(FREITAS NETO; LOUBET; ALBUQUERQUE, 2022).

Um ponto a se destacar é que, foram utilizadas as hastes de nucleação artificial, porém, somente em duas soluções que estava com a haste 3D houve a formação do cristal. Por ser uma metodologia nova, e, ainda não muito explorada, somente podemos supor o que interferiu no crescimento do cristal quando utilizado a haste 3D.

A provável explicação para este erro, está relacionado com a temperatura em que a haste foi imersa na solução. Visto que, os grupos que conseguiram formar os cristais, foram os grupos que estavam mais adiantados em relação aos outros grupos, portanto, eles esperaram mais tempo para inserir a haste 3D na solução.

Como esta é uma metodologia nova, não foram encontradas referências bibliográficas que relatam as dificuldades deste método.

De acordo com Klein e Dutrow (2012), o primeiro estágio no crescimento do cristal é o da nucleação, indicando que o crescimento só começa após um núcleo (ou semente) ter se formado, no caso de um ponto de nucleação artificial, a haste causará uma perturbação na solução, com isso haverá a formação de cristais. Na Figura 32, está exposto o cristal formado na haste 3D, e, na Figura 33 os cristais formados utilizando as sementes de cristais.

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Figura 32- Cristal formado na haste 3D.

Figura 33- Cristal formado a partir de sementes.

Um dos problemas verificados ao final dos experimentos, e que devemos destacar, foi a formação de cristais de sulfato de cobre pentahidratado também no fundo do béquer. Esses cristais estavam muito grudados, e na hora de limpar a vidraria, infelizmente, alguns béqueres acabaram se quebrando. Uma alternativa proposta pelos discentes é realizar o procedimento de aquecimento da solução no béquer, entretanto, quando a mesma estiver morna, deve ser transferida para um copo plástico, para que nele ocorra a formação do cristal, pois assim, evitamos a quebra da vidraria.

No subtópico a seguir, serão analisados os questionários aplicados, e, discutidos os resultados positivos e/ou negativos, ao compararmos os questionários antes e

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depois da aplicação da intervenção. Além disso, comparamos a turma 1 com a turma 2, visto que, estavam inseridas em contextos totalmente distintos.

5.2.1. Avaliação dos questionários

Neste subtópico serão avaliados os questionários aplicados, e, como dito anteriormente, foi aplicada a intervenção em duas turmas distintas, portanto, foram divididos em 2 tópicos: sendo no primeiro a avaliação da turma 1, e, seguidamente a avaliação da turma 2.

5.2.1.1. Turma 1: Comparando os questionários

O questionário inicial foi aplicado antes do desenvolvimento da intervenção com a turma, e, o questionário final foi respondido pelos alunos após o desenvolvimento da aula. Ambos os questionários foram respondidos por 30 alunos que estavam matriculados na disciplina. O título e a descrição do formulário inicial, está representado na Figura 34.

Figura 34- Título e descrição do questionário inicial.

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O formulário aplicado após a intervenção, também obteve 30 respostas, e, o seu título e descrição estão expostos na Figura 35.

Figura 35- Título e descrição do questionário final.

Para facilitar a discussão dos resultados, no questionário elaborado para este trabalho, todas as perguntas eram afirmações positivas, ou seja, a resposta esperada, em caso de resposta correta, era “concordo totalmente”. A seguir são apresentados os resultados em gráficos de setores, sendo que o primeiro gráfico apresenta as respostas antes da aplicação do procedimento experimentar, e, o segundo gráfico corresponde às respostas após a aplicação da intervenção pedagógica.

Ao compararmos os gráficos gerados com as respostas dos 30 alunos para cada questão, percebe-se que as seguintes questões: 4 (quatro), 5 (cinco) e 8 (oito), apresentam uma diferença significativa na porcentagem do questionário aplicado antes, e, após a intervenção de maneira favorável.

Analisando a questão 4 (quatro), somente 56,7% dos alunos antes de participarem da intervenção concordam totalmente com a afirmação explícita, e, após a aula prática, essa porcentagem de alunos aumenta para 86,7%, demonstrando a