UM OLHAR PARA OS ELEMENTOS QUÍMICOS NATURAIS SOB A PERSPECTIVA DA EDUCAÇÃO AMBIENTAL

Adriano Lopes Romero^1,2, Marcia Borin da Cunha¹

¹Programa de Pós-Graduação em Educação em Ciências e Educação Matemática, Universidade Estadual do Oeste do Paraná (Unioeste). adrianoromero@utfpr.edu.br, borin.unioeste@gmail.com.

²Departamento Acadêmico de Química, Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).

Resumo: No presente artigo chamamos a atenção, utilizando a perspectiva da Educação Ambiental, para os elementos químicos naturais, principalmente aqueles de menor abundância na crosta terrestre. Indicamos, com base em informações divulgadas pelas Sociedades Americana e Europeia de Química, que há 12 elementos químicos em risco de extinção. Tal cenário foi formado pelo aumento do consumo desses elementos químicos para fabricação, principalmente, de dispositivos eletrônicos, tais como smartphones. Essas discussões podem (e devem) ser trabalhadas em situações de ensino na disciplina de Química na Educação Básica.

Abstract: In this article, we draw attention, using the Environmental Education perspective, to the natural chemical elements, especially those of lesser abundance in the earth's crust. We indicate, based on information released by the American and European Chemical Societies, that there are 12 chemical elements at risk of extinction. This scenario was formed by the increase in the consumption of these chemical elements for the manufacture, mainly, of electronic devices, such as smartphones. These discussions can (and should) be worked on in teaching situations in the discipline of Chemistry in Basic Education.

Introdução

Atualmente são conhecidos 118 elementos químicos, entendidos na concepção de Paneth (2003 [1931]), sendo 90 de ocorrência natural e 28 sintetizados em laboratório. Para facilitar o estudo dos elementos conhecidos foi criado, pelos praticantes da Química, arranjos gráficos que organizam essas entidades com base em suas propriedades químicas e físicas. Entre as várias formas de arranjos gráficos existentes, a mais comum é a tabela periódica recomendada pela IUPAC (sigla para International Union of Pure and Applied Chemistry), Figura 1.

Figura 1: Tabela periódica dos elementos químicos recomendada pela IUPAC.

Fonte: https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/.

Engana-se quem pensa que os elementos químicos são apenas um conteúdo escolar cujos nomes e símbolos precisam ser memorizados em disciplinas de Química na Educação Básica, essas entidades estão presentes em nosso cotidiano, fazem parte de nossas vidas, mas a maioria de nós provavelmente não está familiarizada com os usos diários de alguns dos muitos elementos conhecidos. Alguns elementos sobre os quais muitos nunca ouviram falar têm uso em tecnologias ou aplicações que consideramos óbvias - mas os suprimentos desses elementos na Terra não são infinitos.

Sendo assim, conhecer as formas com que os elementos químicos ocorrem na natureza, sua abundância, uso em nosso cotidiano, consequências do descarte inadequado de dispositivos que contenham essas entidades, assim como a (existência de uma efetiva) logística reversa e possibilidades de reuso é um dever dos cidadãos, enquanto corresponsáveis pela construção individual e coletiva de valores sociais relacionados à educação ambiental. Tal defesa está alinhada com a lei n^o 9.795, de 27 de abril de 1999, que dispõe sobre a educação ambiental e institui a Política Nacional de Educação Ambiental, na qual destacamos os dois primeiros artigos:

Art. 1º Entendem-se por educação ambiental os processos por meio dos quais o indivíduo e a coletividade constroem valores sociais, conhecimentos, habilidades, atitudes e competências voltadas para a conservação do meio ambiente, bem de uso comum do povo, essencial à sadia qualidade de vida e sua sustentabilidade. Art. 2º A educação ambiental é um componente essencial e permanente da educação nacional, devendo estar presente, de forma articulada, em todos os níveis e modalidades do processo educativo, em caráter formal e não-formal (BRASIL, 1999, on-line).

Consideramos que esses dois artigos, em certa medida, justificam um olhar, com uma perspectiva da Educação Ambiental, para os elementos químicos naturais.

Desenvolvimento

Apesar de relevante, no presente trabalho não abordaremos a gênese dos elementos químicos, que, de certa forma, justifica porque em nosso planeta algumas substâncias e seus componentes (elementos químicos) são mais abundantes do que outros. Para isso sugerimos a leitura de Holzle (2016), Mota (2019) e Quimlab (2021). As diferenças de abundância, de propriedades físicas e químicas e potencialidades de uso dos diferentes elementos químicos passíveis de extração estão associados aos preços de venda dos mesmos. A título de comparação, apresentamos dados de abundância na crosta terrestre e preço de venda de 15 metais em dólar americano (Tabela 1).

Tabela 1. Comparação do preço de venda e abundância na crosta terrestre de alguns metais.

Metal	Abundância na crosta terreste (mg/Kg)	Preço (USS/Kg)
Ródio	0,001	147.000
Paládio	0,015	49.500
Ouro	0,004	44.800
Platina	0,005	27.800
Rutênio	0,001	10.400 - 10.600
Escândio	22	3.460
Prata	0,075	521
Gálio	19	148
Lítio	20	81,4 - 85,6
Níquel	84	13,9
Titânio	5650	11,1 - 11,7
Cobre	60	6
Zinco	70	2,55
Alumínio	82300	1,79
Ferro	56300	0,424

Fonte: Produzida com informações retiradas de Wikipédia (2021).

Podemos observar uma relação (praticamente) inversamente proporcional entre o preço e a abundância do metal na crosta terrestre. Apesar da diminuição da quantidade em que os metais menos abundantes são utilizados em equipamentos eletrônicos, consequência de avanços tecnológicos, se observa que o consumo desses recursos naturais tem aumentado consideravelmente. Esse fato é denominado de paradoxo de Jevons, que foi percebido na segunda metade do século XIX pelo economista britânico William Stanley Jevons (1835 - 1882), considerado um dos pioneiros da economia ecológica. Jevons constatou, durante sua pesquisa acerca da utilização do carvão como fonte de energia no Reino Unido, que o aumento na eficiência da queima de carvão ao invés de poupar este recurso, como era esperado, ampliou as suas possibilidades de uso econômico e, consequentemente, sua utilização. Desde então, esse paradoxo tem sido utilizado para justificar/entender que uma melhoria na eficiência, com a qual um recurso natural é utilizado, frequentemente é associada a um aumento no consumo deste recurso (MACHADO et al., 2019).

Devido ao aumento do consumo, nas últimas décadas, muitos dos elementos químicos naturais estão em risco de extinção. Em 2015, o Instituto de Química Verde da Sociedade Americana de Química publicou uma tabela periódica indicando quais elementos químicos estão em risco de extinção (Figura 1).

Figura 1. Tabela periódica com indicativo de disponibilidade de elementos químicos.

Fonte: https://www.compoundchem.com/2015/08/19/endangered-elements/.

O termo "em risco de extinção" não significa que esse elemento desaparecerá completamente da Terra, mas que chegará um ponto em que a oferta será diminuída em relação a demanda, ou chegaremos ao ponto em que não será mais economicamente viável extrair ou usar um determinado elemento, e alternativas terão que ser procuradas (BRUNNING, 2015).

Como podemos observar, no total, nessa tabela periódica foram indicados 44 elementos químicos cujo fornecimento está em risco. Para alguns, o risco é mais sério do que para outros - mas há 9 elementos [hélio (He), zinco (Zn), gálio (Ga), germânio (Ge), arsênio (As), prata (Ag), índio (In), telúrio (Te) e háfnio (Hf)] mostrados nesta tabela para os quais existe a preocupação de que haja uma séria ameaça ao seu fornecimento nos próximos 100 anos, e mais 7 [ruténio (Ru), ródio (Rh), ósmio (Os), irídio (Ir), platina (Pt), tântalo (Ta) e urânio (U)] para os quais há uma ameaça crescente devido ao aumento do uso (BRUNNING, 2015). No presente artigo, veremos alguns desses elementos de risco: seus usos, por que seu suprimento está ameaçado e o que pode ser feito para resolver esse problema.

Em 2019, a Sociedade Europeia de Química, produziu outra tabela periódica para contribuir para a conscientização sobre o uso de elementos químicos naturais. A distorção observada na tabela periódica é devido a indicação relativa da abundância dos elementos químicos.

Figura 2: Tabela periódica indicando a abundância e escassez de elementos químicos.

Fonte: https://www.euchems.eu/euchems-periodic-table/.

Nessa versão da tabela periódica há indicação de 12 elementos químicos em risco de extinção, muitos dos quais são utilizados para fabricação de smartphones. Além dos nove indicados anteriormente, entraram para essa lista o estrôncio (Sr), ítrio (Y) e tântalo (Ta).

A Sociedade Europeia de Química pontua que a proteção de elementos ameaçados deve ser alcançada em vários níveis. Como indivíduos, precisamos questionar se as atualizações de nossos telefones móveis e outros dispositivos eletrônicos são realmente necessárias, e precisamos nos certificar de que reciclamos corretamente para evitar que eletrônicos antigos não acabem em aterros sanitários ou poluindo o meio ambiente. Em um nível político, precisamos ver um maior reconhecimento do elemento de risco que a escassez representa, e movimentos precisam ser feitos para apoiar melhores práticas de reciclagem e uma economia circular eficiente. Além disso, a transparência e as questões éticas precisam ser consideradas para evitar o abuso dos direitos humanos, bem como para permitir que os cidadãos façam escolhas informadas ao comprar smartphones ou outros eletrônicos - já que muitos dos elementos químicos utilizados na fabricação de dispositivos eletrônicos são importados de zonas de conflito (EUROPEAN CHEMICAL SOCIETY, 2019).

A seguir apresentaremos algumas considerações sobre os elementos químicos em risco de extinção.

Quadro 1: Algumas informações acerca dos elementos químicos em extinção.

Elemento químico	Minerais onde são encontrados/extraídos	Usos/aplicações
Hélio	23% da massa do Universo é composta por hélio. Na Terra, o gás natural pode conter em torno de 0,4% de gás hélio. Em 2019 foram produzidos 160 milhões de metros cúbicos de hélio, sendo Estados Unidos, Algeria e Austrália os principais países produtores.	1. Em soldagem em altas temperaturas; quando a presença de ar (oxigênio, nitrogênio…) poderia enfraquecer a solda; 2. Como líquido refrigerante em aparelhos de ressonância magnética; 3. Em dirigíveis e balões recreativos; principalmente por não ser inflamável como o hidrogênio; 4. Em laser; misturado com 15% de neônio (HeNe laser); 5. Na forma líquida é utilizado na refrigeração de equipamentos científicos de grande precisão; por exemplo, são necessários aproximadamente 120 toneladas de hélio para refrigerar o Grande Colisor de Hádrons.
Zinco	É encontrado em diversos minerais, tais como esfalerita (ZnS) e calamina. Em 2019 a produção mundial foi da ordem de 13 milhões de toneladas, sendo China, Peru e Austrália os principais países produtores.	1. O óxido de zinco é muito importante na fabricação de tintas, borracha, plásticos, cosméticos, baterias, pigmentos, sabões, entre outros; 2. Sulfeto de zinco é (era) utilizado em tintas fosforescentes, alguns tipos de lâmpadas e em algumas técnicas com raios-X; 3. No recobrimento de outros metais para retardar a corrosão; 4. Na fabricação da liga conhecida como latão; uma mistura de cobre com zinco em diferentes proporções, variando conforme a necessidade das propriedades desejadas no material; 5. Em medicamentos e suplementos alimentares.
Gálio	Não é encontrado livre na superfície terrestre. Os minerais que contém gálio, como a gallita (CuGaS2), são raros e a obtenção é feita como um subproduto do refino de outros metais (minerais). Em 2019 foram produzidas 320 mil toneladas de gálio, cerca de 97% deste total são produzidos nos Estados Unidos.	1. A semelhança do arsenieto de gálio (GaAs) com o silício faz com que seja um possível substituto na indústria de eletrônicos; 2. O gálio tem um baixo ponto de fusão e um alto ponto de ebulição; o que torna adequado na construção de termômetros em substituição do mercúrio; 3. O nitreto de gálio é um semicondutor; e também tem aplicações na área da eletrônica; 4. Em ligas com baixo ponto de fusão; como a liga Galinstan - uma mistura de gálio, índio e estanho - com ponto de fusão de −19 °C e temperatura de ebulição acima de 1300 °C; 5. Alguns sais de gálio têm apresentado eficácia para uso medicamentoso; 6. Sais do isótopo gálio-67 tem uso em medicina nuclear.
Germânio	Minerais contendo germânio são raros; pequenas quantidades estão presentes como germanita e argirodita. Em 2019 foram produzidas 130 mil toneladas de germânio, sendo 65% deste total produzido pela China.	1. Usado dopado com outros elementos (gálio e arsênio) na indústria de eletrônicos; 2. Em detectores de infravermelho pelo fato de óxido de gálio ser transparente à esta parte do espectro; 3. Como catalisador em processos químicos; 4. Com antimônio e telúrio (GeSbTe) em DVDs regraváveis; 5. Na fabricação de fibra óptica e ligas metálicas.
Arsênio	É encontrado apenas em pequenas quantidades na forma pura, a maioria das vezes está associado a outros elementos (como um mineral). Em 2019 foram produzidas 33 mil toneladas de trióxido de arsênio, sendo a China e o Marrocos os dois principais países produtores.	1. Por ser muito venenoso alguns compostos contendo arsênio são utilizados como inseticidas ou veneno para ratos; 2. Na manufatura de alguns tipos de vidros especiais e na dopagem de componentes eletrônicos (como transistores); 3. Na fabricação do que é conhecido como bronze arsenical; no qual o arsênio é usado no lugar do estanho, na liga com cobre; 4. Em armas químicas ou agentes desfoliantes para aplicações militares; 5. O composto arsenato de cobre cromatado era muito aplicado em madeiras para dar longevidade ao material; está em substituição devido aos problemas ambientais que pode causar.
Prata	Raramente ocorre pura na natureza, a principal ocorrência mineral é na forma de sulfetos. A produção mundial é da ordem de 27 mil toneladas, sendo o México, Peru e China os principais países produtores.	1. Em contatos elétricos; 2. Cunhagem de moedas; 3. Materiais para odontologia; 4. Ligas para solda; 5. Em baterias de alta capacidade do tipo prata zinco, prata-cádmio e óxido; 6. Na fabricação de espelhos; 7. Na fabricação de circuitos impressos; 8. Na prata esterlina possui 92,5% de prata na liga; é usada na fabricação de joias e materiais domésticos; 9. Nanopartículas do elemento são usadas em aplicações nas quais se deseja propriedade antibacteriana.
Índio	Existem poucos minerais com o elemento e nenhum em abundância suficiente para justificar a mineração direta. Em 2019 foram produzidas 760 toneladas de índio, sendo a China e Coreia do Sul os dois principais países produtores.	1. Em válvulas de sistemas de proteção contra incêndios (sprinklers), por causa do seu baixo ponto de fusão; 2. Na fabricação de telas sensíveis ao toque em celulares e tablets; 3. Fosfeto, antimonieto e nitreto de índio são usados como semicondutores em eletrônica; 4. Em recobrimento de rolamentos de alta performance por causa da baixa fricção; 5. Os compostos InGaN e InGaP são usados em LEDs e diodos de lasers; 6. Em painéis solares do tipo CIGS (Cobre-Índio-Gálio-Selênio); 7. Na liga tipo ‘Galinstan’ (gálio, índio e estanho) na substituição do mercúrio em termômetros; 8. Em ligas de aplicação odontológica para diminuir o uso de mercúrio em amálgamas; 9. Em barras de controle em usinas nucleares.
Telúrio	Algumas vezes é encontrado livre na natureza, mas a maior abundância é na forma de teluretos (como na calaverita, AuTe2). Em 2019 foram produzidas 470 toneladas de telúrio, sendo a China (~62%) e a Rússia os dois principais países produtores.	1. Usado em ligas; principalmente com cobre ou aço inoxidável para melhorar a usinabilidade; 2. Adicionado ao chumbo para torná-lo mais resistente aos ácidos, melhorando a resistência e dureza; 3. Em CDs e DVDs regraváveis; 4. Como catalisador no refino do petróleo; 5. Na dopagem com ouro, prata e cobre para uso em semicondutores; 6. Na vulcanização de borrachas; 7. Na coloração de vidros e cerâmicas; 8. Em painéis solares (telureto de cádmio); 9. Na forma de dióxido de telúrio em microscopia confocal.
Háfnio	É encontrado em conjunto com minerais como a zirconita (ZrSiO4).	1. Em barras de controle para reatores nucleares, tais como os usados em submarinos nucleares; 2. Em ligas com outros metais; ligas com ferro, titânio, tântalo ou nióbio; 3. Óxido de háfnio pode ser usado como isolante elétrico em microchips; 4. Catalisadores contendo o elemento tem aplicação em reações de polimerização; 5. Adição de pequenas quantidades aprimora a aderência de óxidos protetores em ligas baseadas em níquel; 6. Isótopos de háfnio tem utilidade em geoquímica e geocronologia; 7. Na remoção de resíduos de gases em lâmpadas incandescentes.
Estrôncio	É encontrado principalmente na forma de sulfato (SrSO4) ou carbonato (SrCO3). Em 2019 foram produzidas 220 mil toneladas de estrôncio, sendo Espanha, China, México e Irã os principais países produtores.	1. Era utilizado na produção de vidros para televisão com tubo (modelos antigos); 2. Na produção de fogos de artifício, principalmente para obter uma cor avermelhada; 3. Em imãs do tipo ferrita; 4. No refino do metal zinco; 4. O isótopo de estrôncio-90 tem sido usado em sistemas de geradores termoelétricos por radioisótopos; 5. Cloreto de estrôncio hexaidratado faz parte da composição de alguns cremes dentais para dentes sensíveis; 6. Tintas modernas do tipo ‘brilha no escuro’ podem conter aluminato de estrôncio; 7. O titanato de estrôncio (SrTiO3) pode ser usado como uma imitação do diamante.
Ítrio	O mineral xenótimo (YPO4) pode conter até 50% de fosfato de ítrio, e é minerado na China e Malásia.	1. Usado para aprimorar ligas dos metais alumínio, cromo e magnésio; 2. Em sistemas de geração de lasers; 3. Em LEDs que produzem luz branca; 4. Na geração da cor vermelha em antigos tubos de televisões coloridas; 5. Na forma de Y3Fe5O12 é utilizado como um meio para filtrar micro-ondas; 6. Granada de ítrio e alumínio é usada em joalheria para simular diamante; 7. Óxido de ítrio é adicionado em lentes de câmeras para torná-la resistente aos impactos e ao calor; 8. O isótopo radioativo ítrio-90 pode ser usado na medicina, no tratamento de câncer de fígado, por exemplo.
Tântalo	Alguns dos minerais dos quais se obtém o tântalo são tantalita-(Fe), wodginita, euxenita e policrásio. Em 2019 foram produzidas 1,8 mil toneladas de tântalo, sendo Congo, Ruanda, Brasil e Nigéria os principais países produtores.	1. Um dos principais usos é na indústria de eletrônicos, na produção de resistores e capacitores, muitos destes usados em telefones celulares; 2. Por ser relativamente inerte no corpo humano tem aplicação na fabricação de implantes médicos; 3. Por sua alta resistência à corrosão é usado em equipamentos que necessitam lidar com materiais corrosivos; 4. Em eletrodos para luzes do tipo neon; 5. Em retificadores AC/CD; 6. Adicionado em vidro para fabricação de lentes especiais, principalmente para câmeras fotográficas; 7. Ligas com tântalo podem ser muito resistentes, podem ser usadas em pás de turbinas, trocadores de calor, reatores nucleares, foguetes e aviões supersônicos; 8. Uso em tipos específicos de radiotransmissores.

Fonte: Produzido com informações retiradas de U.S. Geological Survey (2020) e Holzle (2016).

Podemos observar que os 12 elementos químicos indicados no Quadro 1 possuem vários usos/aplicações, o que demanda um grande volume de extração dos mesmos a partir da crosta terrestre. Segundo dados disponíveis no último relatório do Serviço Geológico dos Estados Unidos, para os elementos arsênio e prata, caso o consumo desses se mantenha constante, podemos estimar que as reservas naturais desses elementos químicos se esgotarão em cerca de 20 anos.

Tal cenário tem estimulado estudos visando a recuperação de elementos químicos presentes em lixos eletrônicos. Por exemplo, um iPhone, como indicou Nogrady (2016), continha 0,034 gramas de ouro, 0,34 de prata, 0,015 de paládio e menos de um miligrama de platina. E também continha metais mais abundantes como o alumínio (25 gramas) e cobre (15 gramas). A partir dessas proporções, se estima que um milhão de iPhones contêm quase 16 toneladas de cobre, 350 kg de prata, 34 kg de ouro e 15 kg de paládio. Fato que tem estimulado o surgimento de empresas especializadas na extração de metais presentes no lixo eletrônico.

Considerações Finais

O paradoxo de Jevons é facilmente observado no contexto dos dispositivos eletrônicos. Nas últimas duas décadas enquanto os dispositivos eletrônicos, tal como os smartphones, reduziram de tamanho e as quantidades de elementos químicos utilizadas para fabricação, o consumo de metais para atender esse nicho de mercado aumentou consideravelmente. As projeções realizadas por diferentes instituições, tal como a Sociedade Americana de Química e a Sociedade Europeia de Química, indicam que a continuidade desse cenário poderá resultar na extinção de elementos químicos menos abundantes na crosta terrestre.

A partir do exposto no presente artigo, consideramos que olhar para os elementos químicos naturais, utilizando a perspectiva da Educação Ambiental, pode ser uma interessante possibilidade de abordagem didática para se trabalhar a tabela periódica dos elementos químicos na Educação Básica. Para isso, uma opção seria utilizar Textos de Divulgação Científica sobre reciclagem de lixos eletrônicos como recurso didático em situações de ensino.

Referências

BRASIL. Lei n^o 9.795, de 27 de abril de 1999. Dispõe sobre a educação ambiental, institui a Política Nacional de Educação Ambiental e dá outras providências. Disponível em: <http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/leis/l9795.htm>. Acesso em: 01 fev. 2021.

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HOLZLE, L. R. B. (2016). Tabela periódica com aplicações dos elementos químicos. Tabela periódica.org, 2016. Disponível em: <https://www.tabelaperiodica.org/tabela-periodica-com-aplicacoes-dos-elementos-quimicos/>. Acesso em: 01 fev. 2021.

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