Instrumento analítico alternativo em aulas práticas no nível médio: I

ISSN 2176-1868
Instrumento analítico alternativo em aulas práticas no nível médio:
I - Espectrofotometria
Tania Regina de Assis (UENP-CLM) [email protected]
Juliane Priscila Diniz (TECPAR) [email protected]
Guilherme Sachs (Col. Integrado de Bandeirantes) [email protected]
Paula Jimena Diniz (UNOPAR) [email protected]
Luís Guilherme Sachs* (UENP-CLM) [email protected]
*autor para correspondência
Resumo:
Neste trabalho desenvolveu-se metodologia analítica para uso de escâner como alternativa ao
espectrofotômetro de luz visível, nas determinações de concentração de soluções. Com soluções
padrões de CuSO4, obtiveram-se curvas de calibração para as regressões dos canais RGB de imagens
escaneadas. O canal R foi o que melhor se correlacionou com a concentração de CuSO4 (R2=0,98). A
resolução (150 a 300 dpi) e área selecionada (5,0x103 a 3,5x104 pixels) das imagens não diferiram
significativamente na análise de variância (p>0,05), para a intensidade das cores das soluções. O
escâner pode ser opção na determinação de concentrações de soluções no espectro visível, podendo
ser usado para fins didático-pedagógicos. Os licenciandos da UENP/CLM, em seus estágios
curriculares, aplicaram estes conhecimentos com os alunos do Colégio Integrado de BandeirantesCIB. Promoveu-se a integração universidade/escola e a interdisciplinaridade no ensino de Ciências
da Natureza, conforme recomendam as OCEM.
Palavras chave: Escâner, Lambert-Beer, Ciências naturais.
Alternative analytical tool in practice lessons in the high school:
I - Spectrophotometry
Abstract
In this work was developed analytical methodology to use of scanner as an alternative to visible light
spectrophotometer in the determination of the solutions concentration. With standard solutions of
CuSO4, it was obtained calibration’s curves to the regressions of the RGB channels of scanned
images. The R channel was more closely correlated with the concentration of CuSO4 (R2=0.98). The
scanner’s resolution (150 to 300 dpi) and the selected area (5.0 x103 3.5 x104 pixels) of the images did
not differ significantly in the variance’s analysis (p>0.05), to the colors intensity of the solutions. The
scanner can be an option in the determination of the concentrations solutions of the visible spectrum
and it can be used for didactic teaching. The licensees of UENP/CLM in their stages, they applied this
knowledge with high school students of the “Colégio Integrado de Bandeirantes-CIB”. It promoted
the integration University/High School and interdisciplinarity in the teaching of natural sciences, as
recommended by OCEM.
Key-words: Scanner, Lambert-Beer, Natural Sciences.
1 Introdução
Em documento da SECAD-MEC, é mencionado que a diversidade não se trata de uma
mera inclusão de conteúdos específicos no currículo escolar, mas uma atitude de respeito e
valorização do outro e do diferente a ser assumida por todos dentro da escola. Neste sentido,
as OCEM sugerem vários temas para serem abordados nas aulas de química, entre estes a
descrição de fenômeno ligado a pigmentos naturais e artificiais e elaboração de comunicações
descritivas e analíticas usando linguagem científica (BRASIL, 2006).
Dentro de um enfoque construtivista, os conhecimentos devem ser estruturados como
uma síntese integradora, análise histórica e epistemológica dos conceitos e modelos
científicos, análise do problema relevante no contexto, análise das concepções prévias e dos
procedimentos e valores desejáveis (MORADILLO; OKI, 2004).
Em modelos pedagógicos baseados no construtivismo, o educando deve construir seu
próprio conhecimento e não absorvê-lo de maneira passiva dentro da sala de aula ou através
da leitura mecânica de livros. Neste modelo, o professor tem a função de facilitador no
processo de aprendizagem e não apenas ser um transmissor do conhecimento (MACHADO;
MAIA 2004).
O uso da bagagem anterior de experiência e padrões mentais facilita a incorporação de
novas experiências, ou seja, em uma perspectiva vygotskyana, o professor precisa atuar na
Zona de Desenvolvimento Proximal do educando. Cada novo fato ou experiência é assimilado
em uma rede de compreensão já existente na mente. A aprendizagem não é nem uma
atividade passiva e nem simplesmente objetiva. O modelo construtivista reflete melhor o
processo natural do cérebro de dar sentido ao mundo ao seu redor (WOLYNEC, 2008).
A atividade humana é medida pelo uso de ferramentas, que estão para a evolução
cultural como os genes para a evolução biológica. As ferramentas são criadas e
modificadas pelos seres humanos como forma de se ligarem ao mundo real e de
regularem o seu comportamento e as suas interações com o mundo e com os outros.
Cada indivíduo alcança a consciência através da atividade mediada por essas
ferramentas, as quais unem a mente com o mundo real dos objetos e dos
acontecimentos (FINO, 2001).
A simples transmissão de informações não dá conta de promover nos alunos a
elaboração de suas idéias de forma significativa, principalmente quando se trata de
conhecimento distante de sua realidade. “É imprescindível que o processo de ensinoaprendizagem decorra de atividades que contribuam para que o aluno possa construir e utilizar
o conhecimento” (BRASIL, 2006). Para a realização de tais atividades, muitas vezes faz-se
necessário o uso de outros instrumentos além dos tradicionais quadro e giz. Um instrumento
pode, às vezes, ser utilizado, de forma inovadora, para um fim que não foi inicialmente
previsto. Um exemplo disso pode ser o uso do escâner como alternativa instrumental ao
espectofotômetro de luz visível (SACHS, 2004), uma vez que este último raramente é
encontrado em escolas de ensino fundamental e médio, ao contrário do escâner que é um
instrumento relativamente barato e bastante difundido nas escolas e até mesmo entre os
professores e alunos da rede pública.
Desta forma, o envolvimento dos alunos de Ensino Médio, através do uso de
instrumentos analíticos alternativos e de baixo custo, os quais propiciem a utilização de
conceitos de diferentes áreas, permitindo ao aluno construir um novo conhecimento, atende à
interdisciplinaridade proposta pelas OCEM no ensino das Ciências da Natureza: Química,
Biologia, Física e Matemática.
Partindo destes pressupostos, o objetivo deste trabalho foi desenvolver uma
metodologia alternativa e de baixo custo que permitisse o uso de escâner, em substituição ao
espectrofotômetro, para as determinações de concentrações de soluções, com fins didáticopedagógicos. Além disso, buscou-se a integração de conceitos oriundos de diferentes áreas do
saber que possibilitasse uma aprendizagem interdisciplinar, mais significativa que as
tradicionais aulas de química, além de discussões de temas transversais.
2 Material e Métodos
Foram preparadas soluções de Sulfato de Cobre II (CuSO4) nas concentrações de
10,00 a 100,0 g/L com água deionizada, em intervalos de 10,00 g/L. A partir das soluções de
Sulfato de Cobre II de concentrações 50,00 g/L foi obtida a curva espectral em
espectrofotômetro B&L Spectronic 88, na faixa de 400 a 840 nm em intervalos de 10 nm. Da
curva espectral, escolheu-se o comprimento de onda de máxima absorvância para obtenção da
curva de calibração no espectrofotômetro para as soluções padrões, que foi o comprimento de
onda de 670nm. Destas soluções, foram construídas as curvas de padronização no escâner. As
amostras com concentrações de 10,00 a 100,0g/L foram transferidas, com auxílio de uma
seringa e agulha, para embalagens plásticas retangulares com dimensões internas de 1,3cm x
3,5cm x 5,8cm, previamente vedadas com borracha de silicone. Estas amostras foram
escaneadas em escâner Plustec OpticPro P12, em resolução óptica de 150 a 300 dpi em 24 bits
e os dados armazenados como bitmaps. As cores médias das amostras foram obtidas
selecionando áreas das imagens entre 5,0x103 a 1,0x105 pixels e calculando o valor da cor
média dos pixels em parâmetros RGB 24 bits, utilizando o software SH 2.0. A padronização
do escâner teve o dióxido de titânio-TiO2 (TiPure DuPont®) como referência para o branco e
negro de fumo (Degussa do Brasil Ltda) para o preto. Com os valores de cores RGB 24 bits
obtidos pelo escâner, foram feitas curvas de regressão para os canais de cores R, G e B em 8
bits (256 níveis de precisão), e escolhido o canal de maior coeficiente de determinação para
comparação com os valores obtidos pelo espectrofotômetro.
Esta metodologia foi reproduzida e testada em aulas práticas de Química Geral no
curso de licenciatura em Ciências Biológica da Universidade Estadual do Norte do Parana –
Campus Luiz Meneghel UENP-CLM - Bandeirantes-PR. Posteriormente, os licenciandos
aplicaram esta metodologia, em seus estágios, em aulas de química para os alunos de 3ª série
do ensino médio do Colégio Integrado de Bandeirantes. Cada turma recebeu amostras para
construção de curvas padrões em escâner e em espectrofotômetro. As turmas foram divididas
em grupos, e cada grupo recebeu algumas amostras para determinar as concentrações do sal
em ambos aparelhos. As soluções das amostras para análise eram de concentração
desconhecida para os alunos.
Posteriormente em outras aulas experimentais foram determinadas por essa
metodologia as concentrações de fosfato em efluentes domésticos e turbidez de águas de
exorradas e erosões.
3 Resultados e Discussão
Este trabalho foi desenvolvido dentro do projeto de ensino Formação de professores e
contemporaneidade: uma proposta de aproximação universidade-escola, desenvolvido na
Universidade Estadual do Norte do Paraná – Campus Luiz Meneghel, e visa a aplicação de
conceitos científicos, através de aulas prática, seminários, palestras e feiras de ciências, por
licenciandos dos cursos de Graduação desta Universidade, junto a alunos do ensino médio do
Colégio Integrado de Bandeirantes, mantido pela Fundação Luiz Meneghel.
A partir de uma solução de CuSO4 50,00g/L, foram obtidos os dados de absorção de
luz monocromática em espectrofotômetro. Os resultados estão apresentados na Tabela 1. Com
estes valores, traçaram-se as curvas espectrais de transmitância (Figura 1) e absorvância
Compr. de onda
%Trasmitância
Absorvância
Compr. de onda
%Trasmitância
Absorvância
Compr. de onda
%Trasmitância
Absorvância
Compr. de onda
%Trasmitância
Absorvância
Compr. de onda
%Trasmitância
Absorvância
(Figura 2).
400
94
0,03
490
96
0,02
580
67
0,17
670
10
1,00
760
13
0,89
410
96
0,02
500
95
0,02
590
59
0,23
680
10
1,00
770
16
0,80
420
97
0,01
510
94
0,03
600
51
0,29
690
11
0,96
780
19
0,72
430
97
0,01
520
93
0,03
610
42
0,38
700
11
0,96
790
24
0,62
440
97
0,01
530
91
0,04
620
32
0,49
710
11
0,96
800
29
0,54
450
97
0,01
540
90
0,05
630
24
0,62
720
11
0,96
810
36
0,44
460
97
0,01
550
85
0,07
640
19
0,72
730
11
0,96
820
43
0,37
470
97
0,01
560
80
0,10
650
14
0,85
740
11
0,96
830
50
0,30
480
96
0,02
570
75
0,12
660
11
0,96
750
12
0,92
840
56
0,25
TABELA 1 - Percentagem de Transmitância e Absorvância de solução de CuSO4 a 50g/L em função do
comprimento de onda utilizado.
FIGURA 1 - Curva espectral da % de Transmitância de solução de CuSO4 a 50g/L obtida em espectrofotômetro
de transmissão.
FIGURA 2 - Curva espectral da Absorvância de solução de CuSO4 a 50g/L obtida em espectrofotômetro de
transmissão.
Analisando as curvas espectrais do CuSO4, pode-se observar que nas condições deste
ensaio a faixa de maior absortividade foi de 630 a 790 nm, com máxima absortividade em 670
a 680 nm. Os valores observados estão dentro da faixa de cores complementares da solução
sulfato de cobre II. O sulfato de cobre II apresenta a cor entre ciano e azul, com intensidade
de cor dependente de sua concentração em solução. A cor complementar do ciano é o
vermelho e a do azul é o amarelo, assim, a faixa espectral de maior absorvância para esta
solução está compreendida entre o amarelo e o vermelho. Zancan e Amaral (1967)
recomendam para o sulfato cúprico o comprimento de onda de 650 nm.
A partir dos valores apresentados por Bertulani (2010) e Senese (2010), foi construído
o Quadro 1 que traz as cores observadas no espectro visível das diferentes substâncias e suas
respectivas cores complementares.
A Figura 3 apresenta as curvas de regressão dos canais de cor RGB em função da
concentração das soluções de CuSO4 e os coeficientes de determinação das regressões de
cada canal de cor. Os valores foram obtidos a partir de imagens escaneadas dos frascos em
acrílico contendo as soluções de CuSO4 em concentrações entre 10,00 a 100,0 g/L.
Cor observada/
Comprimento de onda (nm)
Verde-amarelo 520-550
Amarelo 550-580
Laranja 580-620
Vermelho 620-680
Púrpura 680-780
Violeta 380-420
Azul-violeta 420-440
Azul 440-470
Verde-azul 470-500
Verde 500-520
Cor absorvida (complementar)/
Comprimento de onda (nm)
Violeta 380-420
Azul-violeta 420-440
Azul 440-470
Verde-azul 470-500
Verde 500-520
Verde-amarelo 520-550
Amarelo 550-580
Laranja 580-620
Vermelho 620-680
Púrpura 680-780
QUADRO 1 - Cores observadas das substâncias e seus respectivos espectros de máxima absorção.
FIGURA 3 - Intensidade de cor dos canais RGB obtidas em escâner em função da concentração de CuSO4.
Analisando as curvas de regressão dos canais de cores RGB, obtidas das imagens
escaneadas de soluções de sulfato de cobre II, observa-se que o canal R apresenta a maior
variação em função da concentração desta substância e o melhor coeficiente de correlação
(R2=0,98). Já os canais G e B sofreram menos influências da variação da concentração de
CuSO4, apresentando menores coeficientes de correlação (R2) 0,85 e 0,23, respectivamente.
A cor apresentada pelo sulfato de cobre em solução é ciano-azul, situando-se entre o
verde e o azul no espaço de cor RGB. Esta cor apresenta máxima absorção das ondas
vermelhas (620-680 nm) (quadro 1). O canal R de cor RGB capta as ondas longas do espectro
visível que compreendem a faixa do amarelo-vermelho, justamente a faixa de cor
complementar da solução de CuSO4.
O comportamento da absorvância em função da concentração é linear, de acordo como
a lei de Lambert-Beer, até determinadas concentrações de solutos, perdendo esta característica
em concentrações maiores (AUGUSTO et al., 2000). O canal R teve um comportamento
similar às medidas de absorvâncias até a concentração de CuSO4 de 40g/L, atendendo a lei de
Lambert-Beer. Entretanto, empregando-se regressões de 2ª ordem foi possível obter
correlação significativa do canal R de cor RGB com concentração de sulfato de cobre II, até o
limite testado que foi de 100,0g/L.
A Tabela 2 traz os valores reais das concentrações das soluções de CuSO4 e os valores
das concentrações obtidos através de espectrofotômetros a 670 nm e por meio de escâner
Real
Canal R
Real
Canal R
Real
Canal R
Real
Canal R
Real
Canal R
(canal R - sistema RGB) de imagens das soluções.
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
15,0
15,0
15,9
6,0
11,5
2,5
5,5
12,9
12,8
10,5
21,0
19,8
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
20,0
20,0
20,0
20,0
20,0
20,9
10,3
15,7
20,3
10,5
16,1
16,5
25,7
17,9
15,5
25,0
25,0
25,0
30,0
30,0
30,0
30,0
30,0
30,0
35,0
20,5
24,9
23,6
31,4
23,1
22,8
25,4
34,9
35,4
31,4
35,0
35,0
40,0
40,0
45,0
45,0
45,0
45,0
50,0
50,0
39,1
28,7
36,5
36,3
46,1
43,0
47,6
40,2
46,4
54,9
50,0
60,0
60,0
65,0
65,0
70,0
70,0
80,0
80,0
90,0
55,1
65,6
53,9
57,8
61,7
62,7
75,7
86,6
77,9
85,9
TABELA 2- Concentrações reais das soluções de CuSO4 e as concentrações calculadas através dos resultados do
do canal R de cor RGB de imagens escaneadas das soluções
A Figuras 4 apresenta a curva de regressão das concentrações obtidas com escâner em
função da concentração real das soluções.
FIGURA 4 - Curva de regressão das concentrações de CuSO4 obtidas por escâner em função da concentração
real das soluções.
Os resultados das concentrações de sulfato de cobre II obtidos através de escâner pelo
canal R de cor RGB mantiveram-se lineares com a concentração real da solução. Mesmo
trabalhando-se em faixa ampla de concentrações, já fora da faixa linear da lei de LambertBeer, foi possível obter coeficientes de correlações significativos no teste t (p<0,01) para o
canal R de cor.
Essa metodologia foi levada pelos licenciandos em Ciências Biológicas aos alunos de
Ensino Médio, onde as experiências foram reproduzidas na forma de aula prática. Foram
abordados conceitos de concentração de soluções, absorção, reflexão e transmissão de luz,
precisão e exatidão (acurácia), regressões, o método científico dentre outros. A proximidade
dos resultados experimentais e reais casou entusiasmo nos alunos de ensino médio, que se
surpreenderam com o fato de ter se utilizado o escâner para esta finalidade, além do uso de
materiais reciclados.
Obviamente que o uso tal experimento, assim como o uso de materiais de descarte,
não seria recomendáveis para uma situação que requeresse um resultado mais preciso e
acurado, como nas análises de rotina ou ensaios científicos. Entretanto, para a finalidade
didático-pedagógica se aplica perfeitamente. Verificou-se que explicação da teoria a partir
desses modelos resultou em uma maior participação nas aulas, e uma maior compreensão dos
conceitos abstratos retratados com a experiência. A aplicação de uma metodologia, quando se
lida com conceitos abstratos, permite uma maior autonomia dos educandos para realizarem
inferências posteriores, em situações cotidianas. Prova disso foi que os alunos de Ensino
Médio reproduziram essa experiência em uma feira de ciências do Colégio, que foi uma das
escolhidas para representar o Colégio em uma Mostra de Ciências regional (Prêmio Inovação
Tecnológica) onde o trabalho foi premiado terminando em 1º lugar no ano de 2009.
4 Considerações Finais
-Aspecto experimental: A solução de CuSO4 absorveu mais as ondas médias e longas do
espectro visível, com pico em 670 a 680 nm, sendo o canal R o que melhor correlacionou-se
com a concentração do CuSO4. O escâner associado ao software SH 2.0 é alternativa viável ao
espectrofotômetro, nas determinações de concentrações de soluções coloridas, com fins
didático-pedagógicos.
-Aspecto educacional: O experimento proporcionou condições para exploração do método
científico. O uso dessa metodologia para avaliar teor de fosfato em efluentes domésticos e
análise de turbidez de águas de enxurradas propiciou a discussão de temas transversais ligados
ao meio ambiente. A participação de acadêmicos e alunos de Ensino Médio possibilitou o
desenvolvimento de temas interdisciplinares, aliando conceitos das Ciências Naturais com
discussões de temas transversais, como a conservação do meio ambiente, em conformidade
com as OCEM.
Referências
AUGUSTO, F.; ANDRADE, C. J.; CUSTODIO, R. Faixa linear de uma curva de calibração. Chemkeys,
2000. Disponível em: <http://chemkeys.com/br/wpcontent/themes/chemkeysbr/articleI.php?u=ZmFpeGEtbGluZWFyLWRlLXVtYS1jdXJ2YS1kZS1jYWxpYnJh
Y2Fv>. Acesso em: 10 jan. 2010.
BERTULANI, C. A. Luz e Cor. Ensino de física a distância. Instituto de Física/Universidade Federal do Rio de
Janeiro. Disponível em: <www.if.ufrj.br/teaching/luz/cor.html>. Acesso em: 23 jan. 2010.
BRASIL. Orientações Curriculares para o Ensino Médio. Ciências da Natureza, Matemática e suas
Tecnologias (MEC/SEB, Brasília), v. 2. 2006.
FINO, C. N. Vygotsky e a Zona de Desenvolvimento Proximal (ZDP): três implicações pedagógicas. Revista
Portuguesa de Educação. v.13 n.2 p.273-291. 2001.
MACHADO, F. B. E.; MAIA, L. P. Um Framework Construtivista no Aprendizado de Sistemas Operacionais Uma Proposta Pedagógica com o uso do Simulador SOsim. WORKSHOP DE EDUCAÇÃO EM
COMPUTAÇÃO, 12; CONGRESSO DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE COMPUTAÇÃO, 24. Salvador
(BA), ago. 2004.
MORADILLO, E. F.; OKI, M. C. M. Educação ambiental na universidade: construindo possibilidades. Quím.
Nova v.27 n.2 São Paulo March/Apr. 2004.
SACHS, P. Uso do escâner como alternativa ao espectrofotômetro para a determinação das concentrações de
soluções. 2004. 47p. TCC (Bacharelado em Ciência Biológicas) Universidade Estadual do Norte do Paraná –
Campus Luiz Meneghel UENP-CLM - Bandeirantes-PR.
SENESE, F. How color absorbed detemines the color observed. General Chemistry Online! Frostburg State
University. 2004. Disponível em: <http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/features/colorcomplement.shtml>. Acesso em: 02 jan. 2010.
WOLYNEC, E. Evolução dos conceitos sobre o cérebro e o processo de aprendizagem. Informativo
Pedagógico da Univiversidade Nilton Lins, 2008. Disponível em
<www.niltonlins.br/graduacao/informativosPedagogico>. Acesso em: 10 ago 2008.
ZANCAN, G. T.; AMARAL, D. Práticas de Bioquímica Geral. Instituto de Bioquímica da Universidade
Federal do Paraná. Curitiba. 1967. 101p.