Quimica Nova Indicadores Naturais

Quimica Nova Indicadores Naturais

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Quim. Nova, Vol. 25, No. 4, 684-688, 2002

*e-mail: adriana@iqm.unicamp.br

INDICADORES NATURAIS DE pH: USAR PAPEL OU SOLUÇÃO?

Daniela Brotto Lopes Terci e Adriana Vitorino Rossi* Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, CP 6154, 13083-970 Campinas - SP

Recebido em 15/8/01; aceito em 12/12/01

NATURAL pH INDICATORS: USING PAPER OR SOLUTION? In this work, the fruit extracts of Morus nigra - mulberry, Syzygium cuminii - jambolão, Vitis vinifera – grape, Myrciaria cauliflora - jabuticaba are suggested as pH indicators in the form of either solutions or paper. The pH indicator solutions were prepared by soaking the fruits or their peels in ethanol 1:3 (m/V) for 24 h, followed by simple filtration. The pH indicator papers were prepared by imersion of the qualitative filter paper strips in the pH indicator solutions. The different pH leads to color changes in the indicator solutions or papers and it can be used for teaching elementary chemistry concepts.

Keywords: natural pH indicator; didactic experiment; acid-base equilibrium.

Indicadores visuais são substâncias capazes de mudar de cor dependendo das características físico-químicas da solução na qual estão contidos, em função de diversos fatores, tais como pH, potencial elétrico, complexação com íons metálicos e adsorção em sólidos. Podem ser classificados de acordo com o mecanismo de mudança de cor ou os tipos de titulação nos quais são aplicados1. Os indicadores ácido-base ou indicadores de pH são substâncias orgânicas fracamente ácidas (indicadores ácidos) ou fracamente básicas (indicadores básicos) que apresentam cores diferentes para suas formas protonadas e desprotonadas; isto significa que mudam de cor em função do pH2, 3 .

O uso de indicadores de pH é uma prática bem antiga que foi introduzida no século XVII por Robert Boyle4, 5 .

Boyle preparou um licor de violeta e observou que o extrato desta flor tornava-se vermelho em solução ácida e verde em solução básica. Gotejando o licor de violeta sobre um papel branco e, em seguida, algumas gotas de vinagre, observou que o papel tornava-se vermelho. Assim foram obtidos os primeiros indicadores de pH em ambas as formas: solução e papel2, 6 .

Nesta época, o conceito de ácidos e bases ainda não estava formalizado. Isto só veio a ocorrer numa primeira tentativa cientificamente reconhecida, no século XIX, por iniciativa do químico sueco Svante Arrhenius7. Entretanto, ainda no século XVII, Boyle empregava a seguinte descrição: “Ácido é qualquer substância que torna vermelho os extratos de plantas”.

A partir dos trabalhos de Boyle, publicações sobre o uso de extratos de plantas como indicadores tornaram-se freqüentes. Os extratos mais utilizados nesta época eram os de violeta e de um líquen, Heliotropium tricoccum, chamado em inglês de “litmus” e em fran-

Durante o século XVIII, notou-se que nem todos os indicadores apresentavam as mesmas mudanças de cor. Em 1775, Bergman escreveu que extratos de plantas azuis são mais sensíveis aos ácidos, ou seja, possuem uma variação gradual de cor, que pode diferenciar ácidos fortes de fracos. Por exemplo, ácido nítrico torna o extrato vermelho, já o vinagre não. E quando se trabalha com extrato de litmus, esta mudança gradual de cor para ácidos de diferentes forças não é observada8 .

Em 1767, Willian Lewis usou, pela primeira vez, extratos de plantas para a determinação do ponto final em titulações de neutralização. Antes disso, os extratos obtidos a partir de diversas espécies de plantas só tinham aplicação para a análise qualitativa de águas minerais mencionadas por Boyle, Iorden e duClos9-1 .

Em 1835, Marquat, realizando estudos com diversas espécies vegetais, propôs o termo antocianinas (do grego: anthos = flores; kianos = azul) para se referir aos pigmentos azuis encontrados em

Somente no início do século X, Willstätter e Robinson relacionaram as antocianinas como sendo os pigmentos responsáveis pela coloração de diversas flores e que seus extratos apresentavam cores que variavam em função da acidez ou alcalinidade do meio. Foi notado que as antocianinas possuem coloração avermelhada em meio ácido, violeta em meio neutro e azul em condições alcalinas13,14. Este estudo explicou as mudanças de cores de extratos vegetais observadas por Boyle.

Atualmente, sabe-se que as antocianinas, pigmentos da classe dos flavonóides, são responsáveis pelas cores: azul, violeta, verme-

Antocianinas são compostos derivados das antocianidinas, cuja estrutura genérica ilustrada na Figura 1 é o cátion flavílico. Nas antocianinas, uma ou mais hidroxilas das posições 3, 5 e 7 estão ligadas a açúcares, aos quais podem estar ligados ácidos fenólicos. Os diferentes grupos R e R’ e açúcares ligados nas posições 3, 5 e 7, assim como os ácidos a eles ligados, caracterizam os diferentes tipos de antocianinas, sendo que as mais comuns são apresentadas na Tabela 1.

As diferentes cores exibidas pelos vegetais que contêm antocianinas dependem da influência de diversos fatores, como a

Antocianidina

(grupo OH em 7) Grupo em R Grupo em R’

Cianidina OH H Delfinidina OH OH Malvidina OCH OCH Pelargonidina H H Peonidina OCH H Petunidina OCH OH

Figura 1. Estrutura genérica das antocianidinas

685Indicadores Naturais de pH: Usar Papel ou Solução?Vol. 25, No. 4 presença de outros pigmentos, a presença de quelatos com cátions metálicos e o pH do fluído da célula vegetal17,18 .

A propriedade das antocianinas apresentarem cores diferentes, dependendo do pH do meio em que elas se encontram, faz com que estes pigmentos possam ser utilizados como indicadores naturais de pH19,20. As mudanças estruturais que ocorrem com a variação do pH e são responsáveis pelo aparecimento das espécies com colorações diferentes, incluindo o amarelo em meio fortemente alcalino, podem ser explicadas pelo esquema das principais transformações ilustradas na Figura 2.

Vários autores têm estudado as propriedades indicadoras de pH das antocianinas tendo em vista aplicações analíticas para o ensino de Química. Extratos de várias flores e de feijão preto foram utilizados em aula, para a determinação do ponto final em titulações de neutralização na Universidade Federal de São Carlos23,24, enquanto o extrato de repolho roxo foi aplicado em atividades educacionais para a determinação da acidez de diversas substâncias de uso doméstico num trabalho do GEPEQ-SP25. Na Universidade de Nebraska, os estudos foram feitos com o extrato de cranberry, um fruto bastante utilizado pelos americanos para preparar um molho que acompanha o tradicional peru do Dia de Ação de Graças26 .

A utilização destes extratos naturais indicadores de pH pode ser explorada didaticamente, desde a etapa de obtenção até a caracterização visual e/ou espectrofotométrica das diferentes formas coloridas que aparecem em função das mudanças de pH do meio. Podem ser elaboradas atividades experimentais para o ensino de Química no nível médio, visando a abordagem de temas envolvendo processos de separação de misturas e conceitos relacionados a equilíbrio químico e indicadores de pH. Incrementando a sofisticação e o grau de complexidade conceitual, a proposta pode ser adaptada e tornarse adequada para o desenvolvimento de atividades didáticas para o ensino superior.

As perspectivas de trabalho pedagógico que podem ser desenvolvidas com a utilização destes extratos em atividades didáticas representam uma importante ferramenta para fortalecer a articulação da teoria com a prática. Isto é bastante desejável por favorecer o sucesso do processo de ensino/aprendizagem, o que nem sempre é tarefa trivial, principalmente quando o tema é a Química.

A contextualização do ensino é fundamental para que a aprendizagem seja efetiva e isto fica bem claro na essência dos Parâmetros Curriculares Nacionais – PCN’s nos quais se preconiza que “a concepção curricular seja transdisciplinar e matricial, de forma que as marcas das linguagens, das ciências, das tecnologias e, ainda, dos conhecimentos históricos, sociológicos e filosóficos, como conhecimentos que permitem uma leitura crítica do mundo, estejam presen-

Os PCNs representam a proposta para o ensino médio, que é fundamentada nos critérios estabelecidos pela Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional, LDB/96 (Lei 9.394/96) e regulamentados pela Câmara de Educação Básica do Conselho Nacional de Educação (Parecer no 15/98, aprovado em 01/06/98, Resolução CEB/ CNE nº 03/98), com uma ampla discussão sobre temas multidisciplinares e interdisciplinares. Os assuntos devem ser propostos e tratados de uma maneira global, articulando-se as competências e habilidades que serão desenvolvidas em cada disciplina e nos conjuntos das disciplinas, em cada área e no conjunto das áreas27. Com relação ao ensino de Química, além de temas interdisciplinares, os PCNs enfatizam a exploração de conceitos químicos a partir do cotidiano dos alunos. Além disso, destaca-se que a experimentação na escola média tem função pedagógica e desenvolve habilidades cognitivas, tais como controle de variáveis, tradução da informação de uma forma de comunicação para outra (gráficos, tabelas e equações químicas), elaboração de estratégia para resolução de problemas, tomada de decisão baseada em análises de dados e valores, respeito às idéias dos colegas e colaboração no trabalho coletivo27 .

Com relação ao ensino superior, os princípios das Diretrizes

Curriculares para os Cursos de Graduação também preconizam fortalecer a articulação da teoria com a prática. Certamente, as atividades que podem ser desenvolvidas com a utilização dos extratos naturais indicadores de pH representam importante ferramenta para que sejam atingidos alguns objetivos apresentados na versão para os Cursos de Graduação em Química, que até Agosto/2001 está em avaliação no Conselho Nacional de Educação28 .

Neste trabalho é apresentado um estudo de avaliação da viabilidade do uso de alguns extratos de frutas comuns no Brasil como indicadores de pH em ambas as formas: solução e de papel. Os experimentos realizados são simples, têm baixo custo e envolvem uso de poucos reagentes e materiais. Conceitos químicos importantes podem ser abordados de maneira contextualizada com as atividades experimentais descritas, sendo que conforme o grau de dificuldade e sofisticação podem ser adaptadas de acordo com o nível de ensino a que se destinem. Dada a simplicidade da proposta, as aplicações didáticas podem ser realizadas sem a necessidade de infra-estrutura laboratorial para aulas práticas.

As espécies utilizadas foram Morus nigra (amora), Myrciaria cauliflora (jabuticaba), Syzygium cuminii (jambolão) e Vitis vinífera

Tabela 1. Antocianinas freqüentemente encontradas em vegetais21

Antocianina Fontes

Pelargonidina-3-glucosídeo morangos Cianidina-3-glucosídeo morangos, amoras, ameixas, jambolão

Petunidina-3-arabinosídeo cebola roxa Peonidina-3-glucosídeocerejas, jabuticabas, uvas, ameixas Delfinidina-3,5-diglucosídeo berinjelas

Figura 2. Possíveis mudanças estruturais das antocianidinas em meio aquoso em função do pH

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(uva), sendo algumas informações descritas na Tabela 2. Foram utilizadas frutas frescas e frutas congeladas, as quais foram armazenadas em sacos plásticos e mantidas em congelador doméstico.

A obtenção do extrato de amora foi realizada pela maceração da fruta seguida da imersão em etanol na proporção 1:3 (m/V) e repouso por 24 horas, à temperatura ambiente33. Os extratos de jabuticaba, jambolão e uva foram obtidos pela imersão da casca em etanol na proporção 1:3 (m/V) e repouso por 24 horas, à temperatura ambiente. Posteriormente, os extratos foram filtrados, obtendo-se as soluções indicadoras de pH.

Durante a etapa de filtração, observou-se que parte do extrato ficava impregnada no papel de filtro. Isto originou o estudo com papel indicador de pH.

Para o estudo de preparação de papel indicador de pH, procedeu-se à imersão de tiras de papel de filtro qualitativo de 0,3 4,0 cm em cada um dos extratos. Seguia-se um período de aproximadamente 1 hora para secagem ao ar.

Para avaliar a adequação dos extratos como indicadores de pH, foram utilizadas soluções tampão com pHs variando de 1 a 143. Utilizaram-se tubos de ensaio contendo 5 mL de solução tampão, aos quais adicionou-se 1 mL dos extratos brutos. A observação da coloração resultante era feita 30 segundos após a adição dos extratos. A avaliação dos papéis de filtro impregnados com os extratos foi realizada pela observação da cor do papel resultante após a imersão das tiras nas soluções tampão.

Foi feita a determinação do pH de alguns produtos de uso doméstico, utilizando-se os indicadores desenvolvidos em papel e em solução. Os resultados obtidos foram comparados com medidas realizadas com indicadores comerciais de pH (fita indicadora universal de pH, Merck, e papel indicador universal de pH, Reagen).

Em diferentes pHs, os extratos assumem diferentes colorações que podem ser facilmente identificadas por observação visual, definindo-se escalas de pH em função da cor da solução resultante. As escalas de variação de cor dos extratos de amora, jabuticaba, jambolão e uva em função do pH estão ilustradas nas Figuras 3 a 6.

As variações de cores observadas indicam que os extratos brutos de amora, jabuticaba, jambolão e uva podem ser usados como soluções indicadoras de pH.

As ligeiras diferenças de cores entre os extratos das diferentes frutas, para um mesmo valor de pH, podem ser atribuídas ao fenômeno de associação entre os corantes, que é influenciado pela quantidade e pelos tipos de antocianinas presentes nos extratos34. Estudos de caracterização de extratos de algumas espécies vegetais podem ser encontrados na literatura35-37 e estão sendo realizados em nosso

Quando se deseja medir o pH de materiais coloridos, a utilização de soluções indicadoras torna-se inadequada porque ocorre mascaramento das cores. Para contornar este problema, é bastante comum a utilização de papel indicador universal de pH ou pHmetros. Com relação a aplicações didáticas, em alguns casos, o custo e a dificuldade de aquisição podem inviabilizar a utilização de indicadores comerciais.

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