PROCESSOS QUÍMICOS NA FORMAÇÃO DE CORAIS: UMA PROPOSTA DE EXPERIMENTAÇÃO INVESTIGATIVA PARA O ENSINO DE QUÍMICA

REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.18463077

Francisco José Mininel¹
Silvana Márcia Ximenes Mininel²

RESUMO
Os recifes de corais constituem ecossistemas marinhos de elevada biodiversidade e relevância ambiental, cuja formação está diretamente relacionada a processos químicos envolvendo equilíbrios iônicos e reações de precipitação do carbonato de cálcio. No contexto do Ensino de Química, essa temática possibilita a articulação entre conceitos abstratos, como equilíbrio químico e deslocamento de equilíbrios, e situações reais de grande impacto socioambiental. Este artigo tem como objetivo discutir os fundamentos químicos da formação de corais, com ênfase nos equilíbrios carbonato–bicarbonato–dióxido de carbono, e propor uma experimentação investigativa que favoreça a aprendizagem significativa desses conceitos no Ensino Médio ou Superior. A metodologia baseia-se em uma abordagem investigativa, utilizando sistemas aquosos que simulam o ambiente marinho e a formação do carbonato de cálcio sob diferentes condições de pH e concentração de CO₂. Os resultados esperados indicam que variações no pH e na concentração de íons carbonato influenciam diretamente o equilíbrio químico, afetando a precipitação do CaCO₃, o que permite discutir fenômenos como a acidificação dos oceanos. Conclui-se que a experimentação proposta contribui para o desenvolvimento do pensamento científico, da contextualização ambiental e da compreensão dos equilíbrios químicos.
Palavras-chave: Ensino de Química. Equilíbrio químico. Formação de corais. Experimentação investigativa. Educação ambiental.

ABSTRACT
Coral reefs are marine ecosystems of high biodiversity and environmental relevance, whose formation is directly related to chemical processes involving ionic equilibria and precipitation reactions of calcium carbonate. In the context of Chemistry Teaching, this theme enables the articulation between abstract concepts, such as chemical equilibrium and equilibrium shifts, and real situations of significant socio-environmental impact. This paper aims to discuss the chemical foundations of coral formation, emphasizing the carbonate–bicarbonate–carbon dioxide equilibria, and to propose an investigative experimentation that promotes meaningful learning of these concepts in Secondary or Higher Education. The methodology is based on an inquiry-based approach, using aqueous systems that simulate the marine environment and calcium carbonate formation under different pH and CO₂ concentration conditions. The expected results indicate that variations in pH and carbonate ion concentration directly influence chemical equilibrium, affecting CaCO₃ precipitation, allowing discussions on phenomena such as ocean acidification. It is concluded that the proposed experimentation contributes to the development of scientific thinking, environmental contextualization, and understanding of chemical equilibria.
Keywords: Chemistry teaching. Chemical equilibrium. Coral formation. Inquiry-based experimentation. Environmental education.

1. INTRODUÇÃO

O Ensino de Química enfrenta, historicamente, desafios relacionados à abstração excessiva dos conteúdos e à dificuldade dos estudantes em relacionar conceitos teóricos com fenômenos do cotidiano (CHASSOT, 2014). Entre esses conteúdos, o equilíbrio químico destaca-se como um dos temas de maior complexidade conceitual, exigindo do aluno compreensão de sistemas dinâmicos e múltiplas variáveis simultâneas (ATKINS; JONES, 2012).

De acordo com os PCNEM, contextualizar o conteúdo nas aulas com os alunos significa primeiramente assumir que todo conhecimento envolve uma relação entre sujeito e objeto. Nesses documentos, a contextualização é apresentada como recurso por meio do qual se busca dar um novo significado ao conhecimento escolar, possibilitando ao aluno uma aprendizagem mais significativa (BRASIL, 1999).

Contextualizar a química não é promover uma ligação artificial entre o conhecimento e o cotidiano do aluno. Não é citar exemplos como ilustração ao final de algum conteúdo, mas que contextualizar é propor “situações problemáticas reais e buscar o conhecimento necessário para entendê-las e procurar solucioná-las (PCN+, p.93)”.

A contextualização nas aulas de Química deve favorecer o estudo de contextos sociais relacionados a diferentes aspectos, com fundamentos em conhecimentos referentes à ciência e à tecnologia, a fim de promover a formação de alunos críticos, atuantes e possíveis transformadores de sua realidade social. Para alcançar a realização de um ensino contextualizado, faz-se necessária também a discussão desse modo de ensinar Química na formação inicial e continuada dos professores de modo a problematizar e sistematizar os conhecimentos teóricos pertinentes a contextualização (SILVA & MARCONDES 2014).

Desse modo, Wartha et al. (2013) diz que a contextualização é claramente um princípio norteador para o ensino de Ciências, o que significa um entendimento mais complexo do que a simples exemplificação ou mera apresentação superficial de contextos sem uma problematização que de fato provoque a busca de entendimentos sobre os temas de estudo. Nesse contexto, a formação de corais (Figura 1) apresenta-se como uma temática potente para o ensino, pois envolve reações químicas reais, relevantes ambientalmente e diretamente associadas às discussões contemporâneas sobre mudanças climáticas e acidificação dos oceanos (NOAA, 2020). Os corais são formados, principalmente, pela precipitação do carbonato de cálcio (CaCO₃), processo controlado por equilíbrios químicos dependentes do pH e da concentração de dióxido de carbono dissolvido na água do mar (SKOOG et al., 2015).

Assim, este artigo busca integrar conceitos químicos fundamentais ao Ensino de Química por meio de uma abordagem investigativa, promovendo a contextualização científica e ambiental.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1. Formação Química dos Corais

Os corais são organismos marinhos que constroem seus esqueletos a partir da deposição de carbonato de cálcio, predominantemente na forma de aragonita. Esse processo ocorre em meio aquoso e está relacionado ao sistema de equilíbrio do dióxido de carbono na água do mar (RAVEN; BERG; JOHNSON, 2016).

As principais reações envolvidas são:

1. Dissolução do dióxido de carbono:

2. Formação do ácido carbônico:

3. Primeira dissociação:

4. Segunda dissociação:

5. Precipitação do carbonato de cálcio:

$${Ca}^{2+}\left(aq\right)+{CO}_3^{2-}\left(aq\right)\rightleftharpoons {CaCO}_3\left(s\right)$$

Esses equilíbrios são sensíveis a alterações no pH, temperatura e concentração de CO₂, o que explica a vulnerabilidade dos corais à acidificação dos oceanos (NOAA, 2020).

2.2. Equilíbrio Químico e Deslocamento de Equilíbrio

Segundo o Princípio de Le Chatelier, um sistema em equilíbrio reage a perturbações externas de modo a minimizar seus efeitos (ATKINS; JONES, 2012). No caso dos corais, o aumento da concentração de CO₂ desloca o equilíbrio no sentido da formação de íons H⁺, reduzindo a concentração de CO₃²⁻ disponível para a precipitação do CaCO₃.

Esse fenômeno é fundamental para compreender por que a elevação do CO₂ atmosférico compromete a calcificação dos corais, tornando-se um tema relevante para o Ensino de Química associado à educação ambiental.

A formação dos corais pode ser explicada também, através da calcificação que ocorre no espaço subcalicoblástico a partir de um fluido inicial derivado da água do mar, com um aporte adicional de DIC (Índice de Carbono Dissolvido) proveniente do metabolismo. A elevação do pH do fluido calcificante ocorre pela remoção de prótons do local de calcificação por trocadores Ca^2+-ATPase. As anidrases carbônicas (AC) catalisam as reações diretas, convertendo CO₂ em íons HCO³⁻. A transferência de DIC para o espaço subcalicoblástico pode ocorrer por difusão de CO₂ e/ou por bombeamento de HCO³⁻ através de transportadores de ânions bicarbonato (BAT). A relação entre a atividade das zooxantelas localizadas no tecido endodérmico oral do coral e a geração de DIC metabólico dentro do endoderma aboral e das células calicoblásticas (laranja), bem como o transporte para o fluido calcificante, permanece incerta (Figura 2, modificada de McCulloch et al.2012).

3. METODOLOGIA

A proposta metodológica baseia-se em uma experimentação investigativa, conforme defendido por Carvalho (2013), em que os estudantes formulam hipóteses, testam variáveis e analisam dados. A aula prática é uma maneira eficiente de ensinar e melhorar o entendimento dos conteúdos de química, facilitando a aprendizagem. Os experimentos facilitam a compreensão da natureza da ciência e dos seus conceitos, auxiliam no desenvolvimento de atitudes científicas e no diagnóstico de concepções não-científicas. Além disso, contribuem para despertar o interesse pela ciência. Neste enfoque, buscamos motivar os alunos a participarem das aulas práticas, tornando-as mais dinâmicas, proporcionando o desenvolvimento dos conteúdos, segundo os seus anseios e de uma forma mais significativa. Nesta perspectiva, as contextualizações dos conteúdos são de extrema importância, como fator motivacional e para a construção do conhecimento de uma forma holística.

3.1. Descrição do Experimento

O experimento simula a formação de carbonato de cálcio em meio aquoso sob diferentes condições de pH e concentração de CO₂.

Materiais:

• Solução de cloreto de cálcio (CaCl₂);

• Solução de bicarbonato de sódio (NaHCO₃);

• Indicador de pH;

• Fonte de CO₂ (sopro com canudo ou comprimido efervescente);

• Béqueres e tubos de ensaio.

Procedimentos gerais:

1. Preparar sistemas com diferentes valores de pH;

2. Adicionar soluções de Ca²⁺ e HCO₃⁻;

3. Introduzir CO₂ em um dos sistemas;

4. Observar a formação ou dissolução do precipitado de CaCO₃.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os alunos demonstraram compreender muito bem, a partir da experimentação, o processo químico envolvido na formação dos corais, evidenciando que a vivência prática foi fundamental para a consolidação dos conceitos trabalhados. A contextualização do conteúdo, articulando teoria e prática, permitiu que os estudantes estabelecessem relações significativas entre os fenômenos observados e os conceitos químicos estudados, tornando o aprendizado mais claro e consistente. Nesse processo, a experimentação mostrou-se essencial para despertar o interesse, promover a participação ativa e favorecer a construção do conhecimento. Destaca-se, ainda, a mediação exercida pela professora, que conduziu as atividades de forma intencional e reflexiva, orientando as observações, estimulando o pensamento crítico e garantindo que os objetivos de aprendizagem fossem plenamente alcançados.

Tabela 1. Influência do pH na precipitação do CaCO₃.

Fonte: Os autores.

Em relação à experimentação, indicamos o diálogo didático, com a mediação explícita da professora, conduzindo a observação, o levantamento de hipóteses e a interpretação do experimento:

Professora: Pessoal, antes de começarmos, vamos relembrar o objetivo do experimento. O que estamos tentando simular aqui?

Aluno 1: A formação do carbonato de cálcio em água.

Professora: Isso mesmo. E não é de qualquer jeito, certo? Em quais condições nós vamos variar o sistema?

Aluno 2: O pH e a quantidade de gás carbônico.

Professora: Excelente. Essas duas variáveis são fundamentais. Agora, observem estes béqueres. Cada um tem um pH diferente, indicado pela cor do indicador. O que vocês acham que pode acontecer quando adicionarmos as soluções de cloreto de cálcio e bicarbonato de sódio?

Aluno 3: Pode formar um sólido branco, o carbonato de cálcio.

Professora: Muito bem. Vamos testar essa hipótese. (A professora orienta a adição das soluções.) Observem atentamente. O que vocês estão vendo?

Aluno 1: Está formando um precipitado branco em alguns tubos.

Professora: Ótima observação. Agora comparem: ele se forma da mesma maneira em todos os sistemas?

Aluno 2: Não. Em alguns parece mais intenso, em outros quase não aparece.

Professora: Exatamente. Isso já nos mostra que o pH influencia a formação do CaCO₃. Agora vamos para a próxima etapa. Neste sistema aqui, vou introduzir CO₂ usando o canudo. Antes de soprar, alguém arrisca uma previsão?

Aluno 3: Talvez o precipitado aumente, porque tem mais carbono.

Professora: Uma hipótese interessante. Vamos observar o que acontece. (A professora introduz o CO₂.) E agora, o que vocês percebem?

Aluno 1: O sólido está diminuindo… parece que está se dissolvendo.

Professora: Muito bem observado. Então, o que o CO₂ está fazendo com o sistema

Aluno 2: Ele deixa a solução mais ácida.

Professora: Exatamente. O CO₂ dissolvido em água forma ácido carbônico, diminuindo o pH. E quando o meio fica mais ácido, o carbonato de cálcio tende a se dissolver, voltando à forma de íons em solução.

Professora: Então, o que podemos concluir sobre a relação entre pH, CO₂ e a formação do CaCO₃?

Aluno 3: Que em pH mais alto o carbonato de cálcio precipita, e em pH mais baixo, com mais CO₂, ele se dissolve.

Professora: Perfeito. Essa é a ideia central do experimento. Vocês acabaram de observar, na prática, um equilíbrio químico sendo deslocado conforme as condições do meio. Esse tipo de processo acontece, por exemplo, nos oceanos e em sistemas naturais de formação de rochas calcárias.

Professora: Agora, vamos registrar essas observações e relacioná-las com a equação química envolvida, ok?

4.1. Interpretação Química dos Dados Experimentais

A tabela evidencia que:

• Valores mais elevados de pH favorecem a presença do íon carbonato (CO₃²⁻), deslocando o equilíbrio no sentido da formação do precipitado de CaCO₃, conforme a reação:

$${Ca}^{2+}\left(aq\right)+{CO}_3^{2-}\left(aq\right)\rightleftharpoons {CaCO}_3\left(s\right)$$

• À medida que o pH diminui, ocorre aumento da concentração de íons H⁺, que consomem o íon carbonato, deslocando o equilíbrio para a esquerda:$${CO}_3^{2-}\left(aq\right)+H^{+}\left(aq\right)\rightleftharpoons {HCO}_3^{-}\left(aq\right)$$

Esse deslocamento reduz significativamente a disponibilidade de CO₃²⁻, resultando em decréscimo acentuado da massa de CaCO₃ precipitada, o que está diretamente associado ao fenômeno da acidificação dos oceanos e à dificuldade de calcificação dos corais. O equilíbrio químico envolvendo o sistema carbonato em meio aquoso é fortemente dependente do pH e da concentração de dióxido de carbono dissolvido. Em ambientes onde ocorre o aumento da pressão parcial de CO₂, como nos oceanos submetidos a maiores taxas de absorção desse gás atmosférico, há um deslocamento do equilíbrio no sentido da formação de ácido carbônico (H₂CO₃), que se dissocia progressivamente em bicarbonato (HCO₃⁻) e íons hidrogênio (H⁺) (STUMM & MORGAN, 1996). O aumento da concentração de H⁺ no meio provoca a diminuição do pH e desloca o equilíbrio do sistema carbonato, reduzindo significativamente a disponibilidade de íons carbonato (CO₃²⁻). Esse deslocamento ocorre porque os íons carbonato reagem com os prótons livres, formando bicarbonato, conforme previsto pelo princípio de Le Chatelier (MILLERO, 2007). Como consequência direta, há um decréscimo acentuado da quantidade de CO₃²⁻ disponível para reagir com íons cálcio (Ca²⁺), o que resulta na redução da massa de carbonato de cálcio (CaCO₃) precipitada. Esse processo químico está intimamente relacionado ao fenômeno da acidificação dos oceanos, amplamente documentado na literatura científica. Desde o início da Revolução Industrial, os oceanos absorveram aproximadamente um terço do CO₂ antropogênico emitido para a atmosfera, levando a uma queda mensurável do pH médio das águas oceânicas (CALDEIRA & WICKETT, 2003; DONEY et al., 2009).

Essa acidificação compromete a saturação de carbonato de cálcio, dificultando a biomineralização em organismos calcificantes. Os recifes de coral são particularmente afetados por esse processo, uma vez que sua estrutura é composta majoritariamente por aragonita, uma forma cristalina de CaCO₃ altamente sensível a variações de pH. A diminuição da disponibilidade de íons carbonato reduz a taxa de calcificação dos corais, tornando seus esqueletos mais frágeis e aumentando sua vulnerabilidade à dissolução (KLEYPAS et al., 2006). Assim, o deslocamento do equilíbrio químico do sistema carbonato em direção às espécies mais protonadas constitui um dos principais fatores responsáveis pela dificuldade de calcificação observada em ambientes marinhos acidificados.

Figura 3. Gráfico da variação do pH x precipitação de carbonato.

A construção do gráfico relacionando o pH à massa de carbonato depositada pelos alunos mostrou-se uma estratégia eficaz para a consolidação da aprendizagem (Figura 4). Ao analisar os dados e interpretar a relação entre a acidez do meio e a deposição de carbonato, os estudantes conseguiram compreender, de forma mais concreta, os efeitos da variação do pH nos processos químicos envolvidos. Essa atividade também promoveu discussões significativas sobre a acidificação dos oceanos, permitindo que os alunos associassem os resultados experimentais à diminuição da disponibilidade de carbonato para a formação de estruturas calcárias. Como consequência, foi possível aprofundar o entendimento sobre o impacto desse fenômeno na redução dos recifes de corais, destacando a importância da química na compreensão de problemas ambientais atuais. 

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A temática da formação de corais mostra-se altamente eficaz para o Ensino de Química, pois permite a integração entre conceitos fundamentais, como equilíbrio químico e reações de precipitação, e questões ambientais contemporâneas. A experimentação investigativa proposta favorece a aprendizagem significativa, o desenvolvimento do pensamento crítico e a compreensão do papel da Química na interpretação de fenômenos naturais.

Analisando os resultados pode-se perceber que os alunos se sentem mais motivados para entender os conteúdos de química, quanto se tem uso de aulas práticas e mais dinâmicas, onde possibilitem aos alunos uma interação entre eles e com o próprio professor.

Além disso, a abordagem contribui para a formação de estudantes mais conscientes acerca das consequências das ações humanas sobre os oceanos, reforçando o caráter interdisciplinar e social do ensino científico.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2012.

BRASIL. Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio. Brasília: MEC; SEMTEC, 1999.

CALDEIRA, K.; WICKETT, M. E. Anthropogenic carbon and ocean pH. Nature, v. 425, p. 365, 2003.

CARVALHO, A. M. P. Ensino de Ciências por investigação: condições para implementação em sala de aula. São Paulo: Cengage Learning, 2013.

CHASSOT, A. Alfabetização científica: questões e desafios para a educação. 6. ed. Ijuí: Unijuí, 2014.

DONEY, S. C. et al. Ocean acidification: the other CO₂ problem. Annual Review of Marine Science, v. 1, p. 169–192, 2009.

KLEYPAS, J. A. et al. Impacts of ocean acidification on coral reefs and other marine calcifiers. Report of a workshop held at St. Petersburg, FL, 2006.

MILLERO, F. J. Chemical Oceanography. 3. ed. Boca Raton: CRC Press, 2007.

McCULLOCH, M. T., TROTTER, J. A., FALTER, J. & MONTAGNA, P. Coral resilience to ocean acidification and global warming through pH up-regulation. Nat. Clim. Chang. 2, 623–627, 2012.

NOAA. Coral reef conservation program. Washington, 2020.

PARÂMETROS Curriculares Nacionais (PCN) – Ensino Médio; Ministério da Educação, 1999.

RAVEN, P. H.; BERG, L. R.; JOHNSON, G. B. Biologia. 10. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2016.

SILVA, E. L.; MARCONDES, M. E. R. Contextualização no Ensino de Ciências: Significados e Epistemologia. In: SANTANA, E. M.; SILVA, E. L. Tópicos em Ensino de Química. São Carlos: Pedro & João Editores, 2014.

SKOOG, D. A. et al. Fundamentos de Química Analítica. 9. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2015.

STUMM, W.; MORGAN, J. J. Aquatic Chemistry: Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters. 3. ed. New York: Wiley, 1996.

WARTHA, E. J.; SILVA, E. L.; BEJARANO, N. R. R. Cotidiano e Contextualização no Ensino de Química. Química Nova na Escola, v. 35, n. 2, p. 84 –91, 2013.

¹ Docente do Curso Superior de Farmácia da Universidade Brasil, Campus de Fernandópolis-SP. Doutor em Química pelo Instituto de Química (UNESP- Campus de Araraquara-SP). E-mail: [email protected]

² Docente do Curso Superior de Farmácia da Universidade Brasil, Campus de Fernandópolis-SP. Mestre em Química (PPGQUIM/UNESP-Araraquara-SP). E-mail: [email protected]