Guia Didático do Professor Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 1 Substâncias Químicas Química 1ª Série Ensino Médio CONTEÚDOS DIGITAIS MULTIMÍDIA
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: Discutir o processo de surgimento dos elementos químicos a partir do estudo da teoria do Big Bang. Objetivos específicos: Especular sobre um cenário possível para os primórdios do universo; Reconhecer que os elementos químicos que existem em todos os corpos e objetos foram formados desde o início do universo há bilhões de anos; Explicitar em linhas gerais a ideia básica por trás da teoria do Big Bang; Reconhecer que no início do séc.xx havia um embate teórico se o universo teria evoluído (em expansão) ou se ele seria estacionário (homogêneo e imutável); Relacionar os estudos de Hubble, com o uso da espectroscopia, e a demonstração de que as galáxias estavam se afastando umas das outras; Caracterizar a Era de Planck; Reconhecer que durante a nucleossíntese só eram formados elementos químicos simples, como o hidrogênio, hélio e lítio; Vídeo (Audiovisual) Programa: Tudo se Transforma Episódio: Gênesis dos Elementos Químicos 1 Duração: 10 minutos Área de aprendizagem: Química Conteúdo: Substâncias Químicas Conceitos envolvidos: átomo primordial, constante cosmológica, desvio para o vermelho, efeito Doppler, época de Planck, elementos químicos, espectroscópio, nucleossíntese, teoria do Big Bang, universo estacionário, universo em expansão. Público-alvo: 1ª série do Ensino Médio Citar a fusão nuclear estelar como a fonte dos elementos químicos mais pesados. Identificar que a matéria, conforme a conhecemos, não existia. 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.
Introdução O guia é baseado no episódio Substâncias Químicas Gênesis dos Elementos Químicos 1. Portanto, o foco é o surgimento do universo, com base na teoria do Big Bang. Esse episódio explica a formação e o surgimento dos primeiros elementos químicos. Além disso, também aborda a Era de Planck, tentando explicar o que ocorreu no período que antecedeu ao Big Bang. O programa Tudo se Transforma apresenta a Química sob uma perspectiva histórica, destacando a sua evolução ao longo da história da humanidade e de como as descobertas no campo do que hoje chamamos de Química contribuíram para mudanças no estilo de vida e de compreensão do mundo no qual estamos. Dessa forma, o aluno poderá perceber a importância do conhecimento científico para a ampliação da sua compreensão da natureza e das possibilidades de atuação no mundo. professor! Fique atento em mostrar aos alunos o quanto a química está intimamente ligada às coisas do nosso dia-a-dia! Audiovisual Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 1 Neste guia, apresentamos tópicos que poderão ser explorados antes, durante e após a exibição do vídeo. Você poderá selecionar aqueles mais adequados e acrescentar outros, não contemplados aqui. Também cabe a você decidir o melhor momento para introduzi-los. 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, seria interessante reservar uma atividade que substitua o vídeo para que a continuidade do programa não seja prejudicada.
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 deve se estender muito, pois poderá ser retomada de forma mais produtiva posteriormente, quando o vídeo já estiver sido apresentado. Depois da apresentação, tente dar sentido ao assunto abordado pelo vídeo, contextualizando, sempre que possível, com exemplos que façam parte do cotidiano dos alunos. Dessa maneira, eles terão mais condições de questionar e facilidade para assimilar o que foi apresentado. O Surgimento do Universo Tudo que existe hoje, a matéria, o espaço e até mesmo o tempo, veio de um minúsculo ponto. Talvez uma das maiores curiosidades do homem seja saber como aconteceu o início de tudo, ou seja, como surgiu o universo. Antes da apresentação do vídeo, instigue os alunos a pensarem sobre o surgimento do universo, que processos ocorreram e como apareceram os primeiros elementos químicos. Lembre-lhes que essa questão não pode ser explicada de forma simples e que para ser respondida de maneira plena está contando com a pesquisa e o trabalho de inúmeros cientistas de vários países desde a década de 20 e ao longo de todo o século XX. É possível que alguns alunos tenham um discurso religioso, pautado na criação divina do universo. Explique que, apesar de grande parte das filosofias religiosas oferecerem alguma explicação para a origem do universo, não convém prolongar a discussão. O melhor é tentar encontrar uma síntese entre ciência e religião, uma vez que ambas são formas distintas de conhecimento. Reafirme, sem menosprezar as explicações religiosas, que o intuito deste episódio é tratar esse tema refletindo sobre quais as transformações que desencadearam o surgimento da matéria e, consequentemente, a origem do universo. 4 Em seguida, lembre que o mundo material é composto por substâncias geradas pela combinação de vários elementos químicos cerca de 100 e que se tivermos um olhar químico para tudo que nos cerca, chegaremos à conclusão que os elementos químicos estão presentes em quase tudo ao nosso redor.
Para melhor visualização dos alunos, destaque a imagem a seguir. Aponte que o vídeo mostra um rapaz na cozinha de sua casa fazendo uma vitamina de frutas e, ao mesmo tempo, aparecem os símbolos dos elementos químicos que fazem parte das substâncias que formam os objetos e frutas presentes nesta cena. Em geral, não paramos para pensar que cada objeto ou produto é composto por dezenas, centenas ou milhares de substâncias, e que a história por trás desse conhecimento químico envolveu observações, testes, descobertas, invenções e aperfeiçoamentos. Quando usamos objetos em nosso cotidiano, não nos damos conta de que cada um deles é resultado de um longo processo de construção do conhecimento, iniciado em um passado bem distante até os nossos tempos. mais detalhes! Professor, você poderá encontrar mais informações sobre a teoria do Big Bang no site: http:// www.uff.br/ecosed/cosmogonia.pdf Audiovisual Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 1 Os alunos certamente já sabem que tudo que nos cerca é composto por átomos e substâncias. Mas, será que eles sabem explicar quanto tempo de existência têm essas partículas? E se elas sempre existiram? Quando foram criadas? Houve um tempo em que os átomos não existiam? Como surgiram todos os elementos químicos da tabela periódica? Big Bang. Este é o nome da famosa teoria que explica a evolução do universo, desde os primeiros instantes até hoje. Pergunte aos alunos se eles já ouviram falar na Teoria do Big Bang. Informe lhes que essa foi a teoria mais famosa sobre a evolução do universo e a mais aceita para explicar o surgimento dos elementos químicos. Essa teoria diz que o universo surgiu há pelo menos 13,7 bilhões de anos, a partir de um estado inicial de temperatura e densidade altamente elevadas. O universo teria surgido após uma grande explosão cósmica, entre 10 e 20 bilhões de anos atrás, isto é, a uma grande liberação de energia, criando o espaço-tempo. 5
Conteúdos Digitais Multimídia Guia Didático do Professor Informe aos alunos que o nome Big Bang foi usado pelo astrônomo inglês Fred Hoyle como uma forma de debochar e ridicularizar o modelo e seus defensores em um programa de rádio. Lembre que esse nome (algo semelhante a teoria do grande boom ou grande explosão ), cujo objetivo era menosprezar o autor da ideia, acabou servindo para divulgar a teoria, pois o nome tornou-se um termo científico respeitável. Um dos primeiros cientistas a considerar a hipótese de que o universo teria um início foi o astrônomo, físico e padre belga, George Lemaitre, que, no ano de 1927, propôs a hipótese de que o universo primordial teria surgido de um ponto extremamente denso, semelhante a um grande núcleo atômico radioativo. Lemaitre afirmava que esse Ovo Cósmico ou átomo primordial teria explodido, dando origem aos elementos químicos e, consequentemente, às estrelas e galáxias. Lembre aos alunos que Einstein não acreditava na ideia de um universo em expansão e que, para adequar suas equações ao modelo de universo estacionário, introduziu uma constante antigravidade, denominada constante cosmológica. Destaque a animação ao lado, do vídeo, com a apresentação da discordância de Einstein sobre a possibilidade de um universo em expansão. Posteriormente, Einstein aceitou, a partir dos estudos de Edwin Hubble, em 1929, a ideia de que as galáxias se distanciavam rapidamente umas das outras desde a origem do universo. Na época, Einstein assumiu a constante cosmológica como o maior erro de sua vida, pois foi introduzida exclusivamente para compatibilizar os seus cálculos com o modelo de universo estacionário, considerado por ele, na ocasião, como o mais apropriado. Destaque a imagem do vídeo a seguir, que mostra a análise da imagem de espectroscopia (semelhante ao arco-íris) que levou Edwin Hubble a concluir que as galáxias estavam se afastando umas das outras. Informe aos alunos que, graças a um fenômeno denominado efeito Doppler, Hubble identificou que a luz vinda das galáxias apresentava, no espectroscópio, o chamado desvio para o vermelho (vide figura à direita a seguir): 6
Considerando que o universo está em expansão, se pensarmos em um movimento reverso, podemos admitir que, em um passado muito remoto, toda a matéria das galáxias esteve reunida em um único ponto. Esse pensamento retoma novamente a teoria de Lemaitre, ou seja, a Teoria do Big Bang. Porém, atualmente, existem correntes contrárias à teoria proposta por Lemaitre, pois esse modelo não satisfez as leis da relatividade/gravitação e estrutura da matéria/quântica, mas certamente George Lemaitre contribuiu e inspirou os modelos modernos. Época de Planck Lembre aos alunos que, à medida em que retornamos no tempo para tentar prever como era o universo em seu berço, deparamo-nos com alguns problemas teóricos importantes. Destaque que há uma barreira que não poderá ser superada apenas com o aprofundamento das pesquisas a partir dos conhecimentos da física moderna. Na verdade, à medida que chegamos perto do Big Bang, percebemos que a temperatura era tão elevada e crítica (1.416785(71) 1032 K) que as partículas subatômicas eram formadas e aniquiladas simultaneamente. Explique que, nessas condições, a unificação das forças físicas impede que os fenômenos sejam previstos adequadamente. Informe aos alunos que esse período obscuro é chamado de Era ou Época de Planck, sendo entendido como o momento zero até 10-43 segundos após o Big Bang, quando as quatro forças da natureza estavam unificadas. Isso revela que é necessário o surgimento de novas teorias físicas para descrever o que deve ter acontecido nos primórdios do universo, quando as partículas elementares ainda não existiam. E, como explicar o período anterior ao começo do universo se as leis da física que conhecemos hoje não existiam? Explique que, nesse ponto, a temperatura era tão elevada que só permitia a existência de um plasma de partículas fundamentais, denominado quark-gluon. mais detalhes! Professor, você poderá encontrar mais informações sobre a importância da espectroscopia para a compreensão do universo lendo o artigo disponível em: http:// qnesc.sbq.org.br/online/ qnesc03/historia.pdf dica! Saiba mais sobre o plasma de quark-gluon lendo o artigo Mais Quente que o Inferno, disponível em: http://scienceblogs.com. br/chivononpo/2010/02/ mais_quente_que_o_inferno.php Audiovisual Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 1 Pergunte aos alunos se eles conseguem imaginar como seria ter toda a energia contida nas galáxias do universo em um único ponto no momento anterior à grande expansão. Reserve um momento da aula para eles refletirem e, em seguida, informe que, nesse período, toda a matéria e energia do universo eram confinadas num espaço ínfimo, compreendido hoje pelo tamanho microscópico de um átomo. Aproveite para lembrar que, a partir da pesquisa de Rutherford, passamos a entender que grande parte da matéria é constituída de vazio, sendo que a maior parte da massa de um átomo (prótons + nêutrons) está confinada em um diminuto núcleo. 7
Conteúdos Digitais Multimídia Guia Didático do Professor Informe que após alguns segundos à explosão do Big Bang, a temperatura teria baixado cerca de 10 bilhões de kelvin e continuou esfriando até que a temperatura permitiu que as partículas fundamentais se unissem, dando origem às primeiras partículas subatômicas. Nesse ponto, a temperatura estava fria o suficiente para permitir que prótons e nêutrons formassem os primeiros elementos químicos, mas também quente o suficiente para que o processo de fusão nuclear acontecesse. Lembre aos alunos que esse processo aconteceu muito rapidamente e, com isso, ocorria a criação e o aniquilamento simultâneo de prótons, nêutrons e elétrons em uma sopa de partículas. Explique que foi necessário esperar que o universo esfriasse por 3 min para que o núcleo dos primeiros elementos químicos fosse formado, quando a temperatura já havia caído para um bilhão de kelvin. Aponte as imagens que mostram o processo de colisão na sopa de partículas, nos estágios iniciais da existência do universo. Estágio mais concentrado Segundos depois Dissipação das partículas Destaque as imagens a seguir que apresentam o processo de nucleossíntese, quando as partículas subatômicas se uniram formando os núcleos atômicos dos primeiros elementos, como o H-1 (prótio), H-2 (deutério), He-3 e He-4. Explique que o elemento químico mais simples é o isótopo do hidrogênio (prótio), formado por um próton e um elétron. 8
Primeiros Elementos Químicos A nucleossíntese primordial durou apenas 17 minutos. O que você consegue fazer em 17 minutos? Não muito. Informe aos alunos que os primeiros elementos químicos do universo, presentes durante os primeiros 20 minutos após a grande explosão, eram os mais simples e estáveis, como o hidrogênio (H) e o hélio (He). Explique que a maior parte dos átomos de hidrogênio no universo foi produzido nesse período. Durante os primeiros 17 minutos do universo, enquanto a temperatura era suficientemente alta, o processo de fusão nuclear (semelhante ao que ocorre nas estrelas) formou elementos químicos simples. Esse processo foi chamado de nucleossíntese primordial dos elementos. Destaque a imagem a seguir, para contextualizar a nucleossíntese, lembrando aos alunos que um processo semelhante ocorre nas estrelas, envolvendo a produção de hélio a partir da fusão de núcleos de hidrogênio. mais detalhes! Professor, você poderá saber mais sobre o uso da fusão nuclear na produção de energia limpa lendo a reportagem sobre a construção do maior reator de fusão nuclear do mundo, disponível em: http://www1.folha. uol.com.br/folha/ciencia/ ult306u14664.shtml Audiovisual Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 1 Informe aos alunos que, passados 20 minutos da fusão, a temperatura já estava tão baixa que era insuficiente para sustentar o processo de fusão. Explique que as baixas temperaturas impediram a formação de elementos mais pesados do que o lítio, por exemplo. Destaque para os alunos que durante milhares de anos após o Big Bang, a temperatura era alta demais para que os átomos completos existissem (núcleo + eletrosfera). Desse modo, os cientistas acreditam que há cerca de 300 mil anos a temperatura estava baixa o suficiente para permitir que os núcleos formados durante o período de nucleossíntese capturassem os elétrons. Apenas a partir desse período os átomos completos passaram a existir. 9
Conteúdos Digitais Multimídia Guia Didático do Professor mais detalhes! Professor, você poderá saber também sobre a gênese dos elementos químicos mais pesados lendo o artigo disponível em http://www.portaldoastronomo.org/noticia.php?id=315 2. a) Informe aos alunos que, contudo, no universo jovem só existiam elementos simples, como hidrogênio (Z=1), hélio (Z=2), lítio (Z=3) e berílio (Z=4). Questione os alunos sobre como é possível que existam hoje tantos tipos diferentes de elementos químicos (lembre aos alunos da tabela periódica), se o processo de nucleossíntese produziu apenas poucos tipos. Retome a ideia de que a fusão nuclear pode produzir elementos mais pesados. Explique aos alunos que, por volta de 200 milhões de anos após o Big Bang, o universo teve o surgimento das primeiras estrelas, formadas a partir dos gases primordiais. Informe que essas estrelas, de massa muito elevada (centenas de vezes maiores que o Sol), produzem carbono, oxigênio, etc., como subprodutos do processo de fusão. Contudo, elementos químicos mais pesados do que o ferro só podem ser produzidos em casos especiais, como a explosão das supernovas. Atividades Proponha um debate sobre a questão do surgimento do universo, apresentada no contexto do episódio. Agora que os alunos foram iniciados ao conteúdo, provavelmente mudaram a sua perspectiva a respeito da gênesis do universo. Peça a eles que escrevam um texto sobre o que mudou (se mudou) após a apresentação do tema. b) Em relação à afirmação as coisas que compõem o mundo material são constituídas por variadas combinações de vários elementos químicos, discuta exemplos de transformações da matéria que ocorrem ao nosso redor e peça aos alunos que escolham dois exemplos de objetos e tentem identificar os elementos que entram na sua composição (pesquisem a partir das substâncias que formam os objetos). c) Sugira que os alunos produzam modelos mostrando a evolução das partículas, indo do plasma quark-gluon, passando pelos núcleos primordiais, átomos completos leves e elementos pesados. d) Peça aos alunos que pesquisem sobre outras teorias do surgimento do universo e que levem a discussão para a sala de aula e debatam qual seria a teoria mais aceitável. 10
3. Avaliação 4. A avaliação deve ser vista como um processo de desenvolvimento na aprendizagem. Todos os momentos na construção do conhecimento devem ser analisados, desde a participação dos alunos em sala de aula até as atividades propostas no fim da apresentação. A avaliação, baseada somente em um sistema de aprovação, está totalmente obsoleta, por isso todo o processo de desenvolvimento dos alunos deve ser observado. De acordo com o desenvolvimento e a interação dos alunos, e também com o resultado das atividades, é possível verificar a necessidade de reapresentar o conteúdo ou não. Esse conjunto de atividades permitirá a você avaliar o seu próprio trabalho, tanto no que se refere ao estudo do conteúdo quanto à forma de apresentá-lo. Interdisciplinaridade Estimule seus alunos a discutir com o professor de história os aspectos históricos das descobertas citadas aqui. Peça que o(a) professor(a) de filosofia participe, falando sobre os mitos cosmogônicos (origem do universo) e crenças religiosas que existem em todas as culturas para explicar a origem do universo. Audiovisual Programa Tudo se Transforma Gênesis dos Elementos Químicos 1 Proponha aos professores de geografia e história que falem sobre o modelo geocêntrico e heliocêntrico e a sua importância na nossa percepção de mundo. Convide o(a) professor(a) de artes para ajudar na produção dos modelos envolvidos nessa temática. Peça que o(a) professor(a) de matemática ajude os alunos a compreender adequadamente as unidades de medida indicadas no guia como 1.416785(71) 1032 K, 10-43 segundos, a Era de Planck, etc. Sugira que o(a) professor(a) de biologia discuta quais os elementos químicos mais importantes para a vida (CHON) e peça que oriente os alunos na pesquisa dos macroelementos/microelementos e elementos tóxicos. 11
VÍDEO - AUDIOVISUAL EQUIPE PUC-RIO Coordenação Geral do Projeto Pércio Augusto Mardini Farias Departamento de Química Coordenação de Conteúdos José Guerchon Revisão Técnica Letícia R. Teixeira 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