Guia Didático do Professor

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1 Guia Didático do Professor Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 2 Substâncias Químicas Química 1ª Série Ensino Médio CONTEÚDOS DIGITAIS MULTIMÍDIA

2 Conteúdos Digitais Multimídia Guia Didático do Professor Coordenação Didático-Pedagógica Stella M. Peixoto de Azevedo Pedrosa Redação Gislaine Garcia Tito Tortori Revisão Alessandra Muylaert Archer Projeto Gráfico Eduardo Dantas Diagramação Isabela La Croix Revisão Técnica Nádia Suzana Henriques Schneider Produção Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Realização Fundo Nacional de Desenvolvimento da Educação Ministério da Ciência e Tecnologia Ministério da Educação Objetivo geral: Perceber que há relação entre a evolução do universo, a atividade de nucleossíntese e a diversidade dos elementos químicos. Objetivos específicos: Identificar a radiação cósmica de fundo como uma evidência do Big Bang; Relacionar a formação das estrelas com o acúmulo dos primeiros elementos químicos; Definir nucleossíntese; Diferenciar a nucleossíntese primordial da nucleossíntese estelar; Perceber que diferentes processos, ao longo da evolução do universo, produziram todos os elementos químicos atuais; Vídeo (Audiovisual) Programa: Tudo se Transforma Episódio: Gênesis dos Elementos Químicos 2 Duração: 10 minutos Área de aprendizagem: Química Conteúdo: Substâncias Químicas Conceitos envolvidos: Big Bang, captura de nêutrons, fusão nuclear, nucleossíntese estelar, nucleossíntese primordial, radiação cósmica de fundo, supernovas. Público-alvo: 1ª série do Ensino Médio Identificar o fenômeno da supernova como responsável pela produção de elementos químicos pesados. Pré-requisitos: Não existem pré-requisitos. Tempo previsto para a atividade: Consideramos que uma aula (45 a 50 minutos cada) será suficiente para o desenvolvimento das atividades propostas.

3 Introdução O programa Tudo se Transforma apresenta a química sob uma perspectiva histórica, destacando a sua evolução ao longo da história da humanidade. As descobertas nos estudos do que hoje chamamos de Química contribuíram para mudanças no estilo de vida e de compreensão do mundo. Dessa forma, o aluno poderá perceber a importância do conhecimento científico para o entendimento dos fenômenos naturais que antecederam a história da humanidade. Este guia acompanha o episódio Substâncias Químicas Gênesis dos Elementos Químicos 2, cujo tema central é o processo de formação das estrelas e dos elementos químicos mais pesados. Nesse sentido, serão apresentados tópicos que poderão ser explorados antes, durante e após a exibição do vídeo. Selecione aqueles que considerar mais adequados e acrescente outros, não contemplados no guia. Também caberá a você decidir o melhor momento para introduzi-los. professor! Procure mostrar aos alunos o quanto a Química está intimamente relacionada ao nosso dia-a-dia! Audiovisual Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 2 Verifique com antecedência a disponibilidade dos recursos necessários um computador ou um equipamento específico de DVD conectado a uma TV ou projetor multimídia para a apresentação do vídeo no dia previsto. Porém, não esqueça que imprevistos podem acontecer. Caso ocorra algum problema com os aparelhos de mídia na hora da apresentação, é interessante que você desenvolva uma atividade extra para substituir a exibição do vídeo, para que a continuidade do programa não seja prejudicada.

4 Conteúdos Digitais Multimídia Guia Didático do Professor 1. Desenvolvimento Você poderá iniciar a aula perguntando aos alunos se eles conhecem algo sobre a História da Química, ou sobre o período histórico que o vídeo apresenta. Permita que eles expressem suas ideias, incentivando uma atmosfera de debate. Se possível, aproveite esses conhecimentos prévios para valorizar o episódio que será assistido. Entretanto, essa dinâmica não precisa estender-se muito, pois poderá ser retomada de forma mais produtiva após a apresentação do vídeo. Depois da exibição, tente dar sentido ao assunto abordado no vídeo, contextualizando, sempre que possível, com exemplos que façam parte do cotidiano dos alunos.dessa maneira, eles terão condições para questionar e mais facilidade para assimilar o que foi vivenciado. As Evidências do Big Bang Estes fótons formaram a radiação de fundo que é detectada até hoje por radiotelescópios que formam uma fotografia do universo dessa época. Essa é uma das maiores provas da teoria do Big Bang. O episódio Substâncias Químicas Gênesis dos Elementos Químicos 2 apresenta antigas questões formuladas pela humanidade acerca da origem do universo. Antes de entrarmos efetivamente no assunto principal deste guia é importante lembrar que o Big Bang Grande Explosão devido à grande concentração de massa e energia no espaço, é uma das teorias mais aceitas sobre o surgimento do universo. Uma das maiores provas que evidenciam o Big Bang é a existência da radiação cósmica de fundo. 4 Lembre aos alunos que a teoria do Big Bang propunha que o universo inicial era constituído de um plasma quente de fótons e elétrons. Explique que essa teoria previa a existência de uma radiação eletromagnética invisível, decorrente do processo de origem do universo. Essa radiação, denominada radiação cósmica de fundo, deveria existir em todo o universo, ainda nos dias atuais. Em 1964, dois pesquisadores americanos, Arno Penzias e Robert Wilson, estavam realizando pesquisas de telecomunicações usando um delicado receptor de micro-ondas quando identificaram, acidentalmente, um fraco ruído de fundo. Estranhamente, essa radiação de micro-ondas parecia não variar em intensidade, independente da direção da antena. Imediatamente, eles perceberam que estavam observando uma radiação de fundo em micro-ondas, que enchia todo o espaço de maneira uniforme. Essa radiação foi chamada de radiação de fundo e identificada como um eco do Big Bang do universo primitivo.

5 Antes da radiação desacoplar-se da matéria, os fótons interagiam fortemente com os elétrons livres. Porém, a diminuição de elétrons livres no espaço fez com que os fótons percorressem o espaço sem entrar em contato com a matéria. Esses fótons contribuíram para a formação da radiação cósmica de fundo. As expressões registro fóssil do Big Bang ou eco do Big Bang, referindo-se à radiação cósmica de fundo, são comumente usadas pela comunidade científica. Segundo o professor do Departamento de Raios Cósmicos do Instituto de Física da Unicamp, Roberto de Andrade Martins, essas são boas definições para a radiação cósmica de fundo, e justifica: o fóssil do peixe não é mais o peixe, virou algo diferente, não tem mais carne, osso, escama. A radiação também não é mais como era antigamente, ela seria um vestígio residual da era primitiva. mais detalhes! Para saber mais informações sobre as evidências do Big Bang, acesse a reportagem: O que Mudou na Física Depois da Radiação Cósmica de Fundo? Disponível em: br/reportagens/cosmicos/cos04.shtml Audiovisual Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 2 Nucleossíntese Primordial Entre 100 e 150 milhões de anos após o Big Bang, a GRAVIDADE foi unindo parte da matéria formada até então. Certos aglomerados de matéria tiveram massas suficientes para formar estrelas. Os cientistas revelaram que, após o Big Bang, ocorreu o surgimento dos primeiros elementos químicos. Lembre aos alunos que, entretanto, a nucleossíntese primordial produziu apenas os elementos químicos mais simples, como hidrogênio, hélio, lítio e berílio. Três minutos depois do Big Bang o universo possuía nêutrons livres e fótons em equilíbrio térmico. Os nêutrons livres têm vida média em torno de 900 segundos antes de decaírem, gerando um próton, um elétron e um antineutrino do elétron. O universo ficou cheio de nêutrons e prótons que, em alta pressão, formaram núcleos de deutério e trítio (isótopos do hidrogênio), e também de hélio-3 e hélio-4 (isótopos do hélio). 5

6 Conteúdos Digitais Multimídia Guia Didático do Professor Destaque a imagem e aponte as casas dos quatro elementos químicos mais leves, na posição que estão na tabela periódica: 1 3 H Li 4 Be Um ponto importante a ressaltar para os alunos é que, durante a fusão nuclear dos núcleos de hidrogênio, parte da massa é transformada em energia. Uma maneira de exemplificar é utilizando a famosa equação E = m.c2, idealizada por Einstein, onde a massa m pode transformar-se em energia E. Explique que essa energia gerada pela fusão nuclear equilibra a energia gravitacional e mantém a estrela viva e radiante. 2 He Informe aos alunos que alguns milhões de anos após o Big Bang a gravidade começou a unir elementos, contribuindo para a formação das primeiras estrelas. Devido à ação da gravidade, o núcleo de uma estrela poderia chegar à temperatura de 15 milhões de graus, tornando possível as reações de fusão nuclear do hidrogênio. Sendo assim, a nucleossíntese passava a ocorrer, então, no interior das estrelas, sendo chamada de nucleossíntese estelar. Destaque que esse campo de estudo traz à frente dos nossos olhos um universo muitas vezes não pensado pelos alunos. Nucleossíntese Estelar O hélio agora é o principal elemento que alimenta a fusão nuclear na estrela. A natureza se reorganizou sozinha e encontrou um novo equilíbrio. 6

7 Informe aos alunos que à medida em que o hidrogênio da estrela vai se esgotando, a estrela é pressionada, cada vez mais, pela ação da sua própria gravidade. Isso leva o núcleo da estrela a temperaturas de 100 milhões de graus, produzindo a fusão nuclear do hélio. Nesse exato momento surge o elemento carbono. Vale lembrar que processos semelhantes acontecem, gerando nitrogênio e oxigênio. A nucleossíntese estava de volta, dessa vez, no interior das estrelas. He + He = Be + He = C Fusão Nuclear do Hélio Átomo de Berílio Átomo de Hélio Átomo de Carbono mais detalhes! Leia sobre a formação dos elementos químicos: MACIEL, Walter J. Formação dos Elementos Químicos, IAG/USP, nº62,66-73, jun/ago Disponível em: usp.br/~maciel/teaching/ artigos/elementos.html Audiovisual Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 2 Observe que a imagem mostra o processo de fusão de três núcleos de hélio - He (Z=2) que geram, ao final, um átomo de carbono C (Z= 6). Esclareça, inicialmente, que dois núcleos de hélio se fundem em um átomo de berílio Be (Z= 4) e que, a partir da fusão com outro átomo de hélio, surge o átomo de carbono. Portanto, ressalte aos alunos que a abundância dos elementos químicos tem a distribuição graduada da seguinte maneira: primeiro, os elementos mais abundantes no universo hidrogênio (H), hélio (He), seguidos de carbono (C), nitrogênio (N) e oxigênio (O). Estrelas grandes podem oferecer condições para a fusão de outros elementos como o cálcio e o alumínio. 7

8 Conteúdos Digitais Multimídia Guia Didático do Professor No início do episódio vimos que as estrelas produzem hélio a partir da fusão nuclear do hidrogênio. Depois, com a queima do hélio, outros elementos são produzidos, como o carbono, e assim por diante. É importante lembrar que estrelas grandes podem oferecer condições para que o processo de fusão permita que sejam formados outros elementos mais pesados, como o cálcio (Ca) e o alumínio (Al). Nesse sentido, temperaturas cada vez mais quentes favorecem a fusão de elementos mais pesados. É importante lembrar que essas reações ocorrem sempre nas regiões mais centrais das estrelas, nos seus núcleos. Questione os alunos se eles já pararam para pensar que os elementos químicos que compõem a água que bebemos H2O têm bilhões de anos de existência. Lembre-lhes que todos ao átomos de hidrogênio foram formados pela nucleossíntese primordial, no início do universo, e que o oxigênio foi formado pela nucleossíntese estelar. Pensando nisso, podemos considerar que somos formados de matéria resultante do processo de fusão das estrelas, logo, somos formados de Poeira das Estrelas (nome de um famoso documentário sobre o tema). Captura de Nêutrons Mas, e os elementos mais pesados do que o ferro? Como são criados? De onde eles vêm? Provoque os alunos e peça que eles observem a tabela periódica e que identifiquem o elemento ferro. Explique aos alunos que a evolução do universo levou também a uma evolução dos elementos químicos, gerando elementos mais pesados que o ferro (Z=26). Questione, então, como foram formados os elementos mais pesados do que o ferro. Também solicite que observem, na tabela periódica, quantos e quais são os elementos mais pesados do que o ferro. Explique que, além da fusão nuclear, os novos elementos podem ser formados através de um processo denominado captura de nêutrons. Informe que a captura neutrônica é uma reação nuclear em que nêutrons livres que são partículas bastante estáveis colidem com núcleos atômicos. A partir desse processo são formados isótopos instáveis que, ao emitir partículas beta, promovem a conversão de uma parte da massa em prótons, gerando elementos químicos mais pesados. Indique que esse processo caracteriza a captura lenta de nêutrons. 8

9 A imagem mostra o núcleo atômico sendo bombardeado por nêutrons, que se unem ao núcleo atômico, aumentando a massa atômica. Como foi dito anteriormente, as estrelas vão produzindo elementos novos através da fusão nuclear, e esse processo libera energia. Isso ocorre para todos os elementos mais leves que o ferro. Contudo, o processo estelar que gera o elemento ferro, ao contrário do que ocorre com os outros elementos, consome energia. Sendo assim, ressalte para os alunos que grande parte da energia da estrela vai sendo consumida e, por isso, ela acaba resfriando-se repentinamente. Nesse resfriamento repentino, o núcleo da estrela é totalmente transformado em ferro em poucas horas! Desta maneira, a pressão também cai e as camadas mais externas começam a migrar em direção ao centro da estrela. No centro, elas esbarram com o núcleo sólido de ferro e voltam, sendo ejetadas para o espaço a altas velocidades: o que chamamos de supernova. Supernova Supernovas são fenômenos muito energéticos que surgem quando estrelas gigantescas, pelo menos 9 vezes maiores que o Sol, sucumbem à sua própria gravidade. Audiovisual Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 2 Explique aos alunos que as supernovas implodem e depois explodem, expelindo nêutrons, núcleos de elementos químicos, outras partículas e muita energia. Esse processo é denominado captura rápida de nêutrons. Retome, então, que, através da captura dos nêutrons, os elementos mais pesados podem ser gerados. Podemos imaginar o núcleo de um determinado elemento químico sendo violentamente bombardeado por nêutrons no momento da explosão da estrela. Assim, alguns nêutrons podem ser retidos pelos núcleos e, a partir de reações nucleares, mudar o número de prótons, ocorrendo a transmutação de um elemento em outro. Se nas estrelas ocorre a captura lenta de nêutrons, nas supernovas a captura rápida de nêutrons envolve um grande fluxo energético. Lembre, ainda, que os raios cósmicos de alta energia que vagam pelo espaço podem atingir o núcleo de elementos que foram expelidos pelas supernovas, fragmentando-os e produzindo uma diversidade de elementos mais leves. 9

10 Conteúdos Digitais Multimídia Guia Didático do Professor mais detalhes! Leia o texto Supernovas, de Luis Guilherme Haun, publicado em: php?option=com_conte nt&view=article&id=650: supernovas&catid=56:as trofisica&itemid=169 Conclua, informando que esses processos reunidos produziram todos os elementos químicos que encontramos hoje no universo. Destaque a imagem que mostra os elementos da tabela periódica, comentando que foram produzidos (e estão sendo), em diversos momentos da evolução do universo, por diferentes processos. Os processos de nucleossíntese iniciados há bilhões de anos permanecem ativos. Estrelas nascem, estrelas morrem o tempo todo a) b) Atividades Peça aos alunos que se organizem em grupos de cinco. Eles deverão escolher entre três processos estudados e desenvolver um projeto gráfico: o primeiro consiste na representação do surgimento do carbono a partir da fusão dos núcleos do elemento hélio, através de um desenho; o segundo deverá ilustrar o processo de nucleossíntese estelar; e o terceiro deverá representar o que ocorre no fenômeno da supernova. Os alunos poderão usar os recursos gráficos que acharem melhor. Juntamente com os projetos, eles deverão entregar, por escrito, uma redação, detalhando o que ocorre nos dois processos. Proponha um debate sobre a questão do surgimento das estrelas, apresentada no episódio. Tente fazê-la de forma ordenada, para que os alunos possam expressar o que mudou com a apresentação do tema e qual a ideia que eles tinham antes da exibição do conteúdo.

11 3. 4. c) Professor, faça um levantamento dos planetários no Brasil. Caso haja algum existente nas regiões próximas à escola ou nas cidades vizinhas, seria interessante levar os alunos para esse passeio. Eles teriam a experiência visual sobre o universo e a formação das estrelas, ou seja, seria uma boa oportunidade para fixar o conteúdo estudado em sala. Avaliação O processo de avaliação deve ser visto como parte do desenvolvimento da aprendizagem. Isso quer dizer que todos os momentos em sala para a construção do conhecimento devem ser levados em consideração, desde a contribuição dos alunos com a participação e debates sobre os conteúdos, quanto a realização das atividades propostas no fim de cada apresentação. A avaliação possibilita ao professor avaliar seu próprio trabalho, uma vez que a participação dos alunos, as dúvidas apresentadas e os resultados das atividades fornecem a ele subsídios para identificar se o objetivo inicial foi atingido ou se há necessidade de uma nova reformulação na apresentação do conteúdo. Interdisciplinaridade Sugira aos professores de Geografia e História que falem sobre o modelo geocêntrico e heliocêntrico, detacando a sua importância na nossa percepção de mundo. Se possível, organizem um encontro para apresentarem o tema em conjunto. Audiovisual Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 2 Estimule seus alunos a discutirem com os professores de História e/ou de Filosofia sobre os mitos cosmogônicos (origem do universo) presente nas lendas e mitos criados pelos diversos povos para explicar a origem do universo. Também seria interessante que na aula de Artes, o professor da disciplina orientasse a produção dos modelos envolvidos na temática estudada em Química. 11

12 VÍDEO - AUDIOVISUAL EQUIPE PUC-RIO Coordenação Geral do Projeto Pércio Augusto Mardini Farias Departamento de Química Coordenação de Conteúdos José Guerchon Revisão Técnica Nádia Suzana Henriques Schneider Assistência Camila Welikson Produção de Conteúdos André Moisés Nisenbaum CCEAD - Coordenação Central de Educação a Distância Coordenação Geral Gilda Helena Bernardino de Campos Coordenação de Audiovisual Sergio Botelho do Amaral Assistência de Coordenação de Audiovisual Eduardo Quental Moraes Coordenação de Avaliação e Acompanhamento Gianna Oliveira Bogossian Roque Coordenação de Produção dos Guias do Professor Stella M. Peixoto de Azevedo Pedrosa Assistência de Produção dos Guias do Professor Tito Tortori Redação Alessandra Muylaert Archer Gisele Moura Gislaine Garcia Tito Tortori Design Eduardo Dantas Isabela La Croix Romulo Freitas Revisão Alessandra Muylaert Archer Gislaine Garcia