Concepções dos Alunos Sobre Ligação Química

Concepções dos Alunos Sobre Ligação Química

(Parte 1 de 2)

QUÍMICA NOVA NA ESCOLAN° 24, NOVEMBRO 2006

Recebido em 3/1/06; aceito em 23/3/06

Concepções sobre ligação química

A seção “O aluno em foco” traz resultados de pesquisas sobre idéias informais dos estudantes, sugerindo formas de levar essas idéias em consideração no ensino-aprendizagem de conceitos científicos. Neste número a seção apresenta dois artigos.

A compreensão do comportamento das moléculas passa pelo entendimento da ligação química (Hurst, 2002; Gagliardi e Giordan, 1986). Ocorre, porém, que para estudar as moléculas, os estudantes têm de ser capazes de realizar a passagem nada trivial que é a da observação para a formulação de modelos. Trabalhar com modelos é uma parte intrínseca do conhecimento químico e, sem o uso deles, a Química fica reduzida a uma mera descrição de propriedades macroscópicas e suas mudanças. Teoria atômica, fórmulas químicas, equações químicas, teoria cinética, teoria de ácidos e bases, reações redox e velocidades de reação, todos recaem em modelos para sua explicação (Harrison e Treagust, 1996).

Mesmo após uma educação formal em Química, os estudantes apresentam falhas na compreensão dos conceitos químicos e não conseguem fazer relações importantes (Bodner, 1991; Nakhleh, 1992). Além disso, deve-se ressaltar o fato há muito conhecido de que os alunos apresentam explicações para os fenôme- nos muitas vezes diferentes daquelas que seriam aceitáveis cientificamente (concepções alternativas). Quando essas idéias dos alunos interagem com as demonstrações do professor, com a linguagem científica, com leis e teorias e com as próprias experiências dos alunos, os estudantes tentam reconciliar seus modelos mentais com os conceitos aceitos cientificamente. O resultado dessa reconciliação pode ser um conceito científico distorcido a uma concepção alternativa (Driver e Easley, 1978; Boo, 1998; Harrison e Treagust, 1996). O tema ligação química, por ser abstrato, longe das experiências dos alunos, tem, conseqüentemente, grande potencial para gerar concepções equivocadas por parte dos estudantes.

Concepções dos estudantes sobre ligações químicas

A partir da análise da literatura sobre esse tema, as principais concep- ções sobre ligações químicas apresentadas pelos estudantes podem ser agrupadas nas seguintes categorias: a) confusão entre ligação iônica e covalente; b) antropomorfismos; c) regra do octeto; d) geometria das moléculas e polaridade; e) energia nas ligações químicas e f) representação das ligações. A seguir apresentaremos cada uma delas.

Confusão entre ligação iônica e covalente

Um dos maiores problemas com o tópico “ligação química” é a confusão que vários alunos fazem entre ligações covalentes e iônicas (Nicoll, 2001; Tan e Treagust, 1999; Posada, 1999). Para alguns, os compostos iônicos existem como moléculas discretas assim como os compostos covalentes e, portanto, as ligações iônicas são entendidas como unidirecionais e sujeitas às mesmas regras de comportamento que as ligações covalentes (Barker e Millar, 2000). O retículo cristalino não é uma representação comum para a maioria dos

Carmen Fernandez e Maria Eunice Ribeiro Marcondes

As dificuldades conceituais que alunos apresentam sobre o tema “ligações químicas” são atribuídas a problemas mais básicos, como a compreensão da natureza de átomos e moléculas. Este artigo apresenta uma revisão da literatura a respeito das concepções dos estudantes sobre esse tema, com o intuito de alertar os professores sobre quais são as idéias mais comuns que surgem quando do estudo desse tópico. Sabendo de antemão quais serão as dificuldades, fica mais fácil a proposição de metodologias específicas para tentar superá-las.

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Trabalhar com modelos é uma parte intrínseca do conhecimento químico e, sem o uso deles, a Química fica reduzida a uma mera descrição de propriedades macroscópicas e suas mudanças

QUÍMICA NOVA NA ESCOLAN° 24, NOVEMBRO 200621 Concepções sobre ligação química estudantes e muitos acreditam que o cloreto de sódio existe como uma entidade discreta (Tan e Treagust, 1999).

Para muitos estudantes, as ligações covalentes são fracas, uma vez que compostos covalentes apresentam baixos pontos de ebulição em geral (Barker e Millar, 2000). Além disso, têm a idéia de que “ligações covalentes são rompidas quando uma substância muda de estado” (Tan e Treagust, 1999). Muitos estudantes pensam que “todos os átomos covalentemente ligados formam macromoléculas” e se mostram confusos em relação à diferença entre forças intermoleculares e intramoleculares.

A idéia de compartilhamento parece pouco elaborada entre os estudantes, pois alguns pensam que “os pares de elétrons são compartilhados igualmente nas ligações covalentes” (Birk e Kurtz, 1999), enquanto outros manifestam a idéia de que na ligação covalente há o “compartilhamento de um único elétron entre os dois átomos” (Boo, 1998). Provavelmente, o conceito de eletronegatividade não está claro e, portanto, parece que não há uma regra governando o processo da ligação.

A ligação covalente tem um melhor status para vários desses alunos do que a ligação iônica ou a metálica, a julgar pela frase: “ligações iônicas e metálicas não são ligações de verdade, no sentido de ligações covalentes” (Boo, 1998). Para muitos alunos, parece que o conceito de ligação não está convenientemente diferenciado. Idéias como “tanto metais como compostos iônicos são moleculares por natureza”, ou “as ligações covalentes envolvem uma transferência total de elétrons”, expressas por estudantes (Coll e Treagust, 2001a), corroboram essa hipótese.

A palavra “compartilhar” tem significado muito específico em Química. Um par de elétrons compartilhado significa que o par de elétrons existe em algum lugar entre os átomos na molécula. Já na linguagem do dia-adia, compartilhar significa possuir ou usar conjuntamente. Tais palavras parecem aumentar as concepções alternativas nos estudantes, uma vez que eles tentam construir significados de um novo conceito baseados em conceitos já existentes (Peterson et al., 1989).

Os modelos de ligação iônica que os estudantes apresentam parecem estar fundamentados em três suposições. A primeira delas é a conjectura da valência, segundo a qual a configuração eletrônica é que determinaria o número de ligações iônicas formadas. Por exemplo, o átomo de sódio pode doar um elétron, logo ele só é capaz de fazer uma ligação iônica com um átomo de cloro. A segunda é a conjectura da história, ou seja, as ligações seriam formadas apenas entre os átomos que doaram e aceitaram elétrons. Por exemplo, no cloreto de sódio, o íon cloreto é ligado àquele sódio específico que doou o elétron para aquele ânion, e viceversa. A terceira é a de “apenas forças”, em que os íons interagem com os contra-íons ao seu redor, mas para aqueles não ionicamente ligados, essas interações são apenas forças. Por exemplo, no cloreto de sódio, o íon cloreto estaria ligado a apenas um íon sódio e seria atraído pelos demais cinco íons de sódio, mas apenas por forças, não por ligações (Taber, 1994).

Antropomorfismos

Muitas explicações dos alunos para justificar a ligação revelam aspectos antropomórficos como, por exemplo, “...o carbono quer fazer quatro ligações” (Barker e Millar, 2000); “áto- mos necessitam de camadas preenchidas”; “a razão para os elétrons serem transferidos é a obtenção de uma camada completa” (Taber, 1998).

Regra do octeto

Os estudantes usam a regra do octeto como base para explicar as reações e as ligações químicas. As idéias mais comuns são: “uma ligação covalente mantém os átomos unidos porque a ligação está compartilhando elétrons”; “ligações iônicas são a transferência de elétrons”, ao invés de as atrações dos íons que resultam da transferência de elétrons (Taber, 1998). Parece que a razão para os elétrons serem transferidos é a obtenção de uma camada completa.

Para muito alunos, “o sódio reage com o cloreto, pois, a regra do octeto faz com que as reações químicas ocorram” (Bodner, 1991). Mortimer et al. (1994) evidenciaram que alunos que já haviam concluído o Ensino Médio tiveram dificuldade em reconhecer alguns resultados empíricos como conflitantes com a explicação da estabilidade do cloreto de sódio baseada na regra do octeto. Parece haver uma tendência generalizada no ensino de Química de atribuir a estabilidade das substâncias à formação do octeto eletrônico e que esta “crença” não é abalada facilmente nos alunos por evidências experimentais. Os autores alertam para o problema da ênfase no conhecimento ritualístico em detrimento do conhecimento de princípios químicos.

Geometria das moléculas e polaridade

A maioria das concepções dos estudantes com relação à geometria e à polaridade das moléculas advém de dificuldades de visualização tridimensional e da falta de pré-requisitos para esse conhecimento. Os alunos confundem o arranjo dos pares de elétrons e geometria molecular. Assim, por exemplo, os alunos afirmam

A palavra “compartilhar” tem significado muito específico em Química. Um par de elétrons compartilhado significa que o par de elétrons existe em algum lugar entre os átomos na molécula. Já na linguagem do dia-a-dia, compartilhar significa possuir ou usar conjuntamente

A maioria das concepções dos estudantes com relação à geometria e à polaridade das moléculas advém de dificuldades de visualização tridimensional e da falta de pré-requisitos para esse conhecimento. Eles confundem o arranjo dos pares de elétrons e geometria molecular

QUÍMICA NOVA NA ESCOLAN° 24, NOVEMBRO 200622 Concepções sobre ligação química que a geometria das moléculas é devida apenas “a uma repulsão igualitária entre as ligações e a polaridade da ligação determina a geometria da molécula” (Peterson et al., 1989; Peterson e Treagust, 1989) e que a “geometria da molécula é devida somente à repulsão entre os pares de elétrons ligantes” (Birk e Kurtz, 1999).

Em termos da polaridade da ligação, é idéia corrente que “ocorre o compartilhamento igualitário dos elétrons em todas as ligações covalentes”, que “a polaridade de uma ligação é dependente do número de elétrons de valência em cada átomo envolvido na ligação” e que “a carga iônica determina a polaridade da ligação” (Peterson et al., 1989; Peterson e Treagust, 1989). Alguns estudantes explicam o conceito de polaridade sem mencionar a idéia de eletronegatividade (Nicoll, 2001).

Aparentemente o conceito de polaridade é muito mais difícil de ensinar do que o de geometria molecular. Algumas concepções sobre polaridade da molécula são devidas a um reducionismo: os alunos ou consideram a polaridade da ligação como variável, mas não consideram a influência da geometria molecular, ou o contrário (Furió e Calatayud, 1996).

Energia nas ligações químicas

Em relação à energia envolvida nas ligações, na mente de alguns estudantes “a ligação química é interpretada como se fosse uma mola e que, liberaria energia quando rompida” (Hapkiewicz, 1991). A quebra da ligação seria análoga àquele brinquedo de criança em que um palhaço fica preso dentro de uma caixa e quando esta é aberta leva-se um susto. Os alunos têm a idéia de que “a ligação segura os átomos juntos e libera energia quando é rompida” (Hapkiewicz, 1991).

Muitos alunos enxergam a “ligação química como uma entidade física”. Essa noção parece estar conectada à noção do dia-a-dia de que para construir qualquer estrutura é necessária energia e que, o contrário, a destruição libera energia. Logo, para os estudantes, a formação da ligação requer energia e sua quebra libera energia. Essa concepção pode resultar de uma extrapolação sobre os eventos do nível observável para o nível microscópico. Somam-se a essa concepção idéias advindas da Biologia, em que os alimentos armazenam energia química, e isso leva à idéia errônea de que o oxigênio não possui energia química e que a energia viria somente do alimento (Boo, 1998). Os estudantes acham também que “todas as reações são mais favoráveis em altas temperaturas”; “todas as reações exotérmicas são espontâneas”; “a energia é estocada nas ligações (da comida, do ATP) e é liberada nos processos químicos” (Teichert e Stacy, 2002). Também, “a quebra das ligações H-H e O-O libera energia” (Mulford e Robinson, 2002) e “somente as ligações iônicas fracas podem ser rompidas em processos de dissolução”. Para vários alunos “uma reação ocorre pois um dos reagentes é mais reativo que o outro” e ele seria a mola propulsora para a reação ocorrer (Boo, 1998). E “o calor causa expansão das moléculas e causa um rompimento das moléculas de água” (Griffiths e Preston, 1992).

Representação das ligações

Num artigo clássico, Ben-Zvi et al. (1987) descrevem problemas com as idéias dos estudantes ao visualizar uma reação química. Aproximadamente 25% dos alunos investigados possuíam uma idéia aditiva ao invés de interativa das substâncias. Por exemplo, eles representavam o com- posto Cl2O como sendo constituído por dois fragmentos: um de Cl2 e outro de O. As representações de modelos apresentadas em livros textos podem levar a interpretações errôneas por parte dos estudantes. Por exemplo, a formação do NaCl(s) é muitas vezes representada nos livros por:

Essa representação pode levar o aluno a pensar que um único átomo de sódio reage com um único átomo de cloro formando um único par iônico de NaCl, não levando em consideração a rede cristalina formada (Ben Zvi et al., 1987).

Muitos alunos preferem modelos de átomos e moléculas que representam essas entidades como estruturas discretas e concretas e, também, vários parecem confundir átomos com células. Vários estudantes concluíram que “átomos podem se reproduzir e crescer e que o núcleo atômico é capaz de se dividir”. “As camadas eletrônicas são visualizadas como conchas que encapsulam e protegem os átomos”, enquanto que as “nuvens eletrônicas formariam estruturas nas quais os elétrons estariam embebidos” (Harrison e Treagust, 1996).

Vários alunos, tanto das séries iniciais como aqueles que estavam no final do curso, acreditam que “os elétrons numa ligação não se movem”, que “os elétrons envolvidos numa ligação pi se movimentam realizando uma figura de um oito ao redor do núcleo”, vários “fazem confusão entre camadas e orbitais” e, também, têm “falhas nas representações microscópicas de átomos e moléculas” (Nicoll, 2001).

Alguns alunos apresentam idéias alternativas para representar a molécula de água: “a molécula de água se assemelha a uma figura fechada

Em relação à energia envolvida nas ligações, na mente de alguns estudantes “a ligação química é interpretada como se fosse uma mola e que, liberaria energia quando rompida” . Os alunos têm a idéia de que “a ligação segura os átomos juntos e libera energia quando é rompida”

Alunos acreditam que “os elétrons numa ligação não se movem”, que “os elétrons envolvidos numa ligação pi se movimentam realizando uma figura de um oito ao redor do núcleo” e vários “fazem confusão entre camadas e orbitais”

QUÍMICA NOVA NA ESCOLAN° 24, NOVEMBRO 200623 Concepções sobre ligação química com nenhuma forma definida”, “é esférica com partículas espalhadas através dela” e, também, “as moléculas de água são compostas de duas ou mais esferas sólidas”. Adicionalmente, um grande número de alunos imagina que “as moléculas de água no gelo se tocam umas às outras continuamente não deixando nenhum espaço entre elas”, ou que “no gelo as moléculas de água não são ligadas em nenhum padrão” (Griffiths e Preston, 1992).

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