A Química das estrelas Além do Big Bang PROFESSORES Felipe Damasio Física João Roberto Fortes Mazzei Química Sinopse do Programa No documentário, astrônomos e cientistas contemporâneos contam a história do universo e as diferentes teses que ao longo do tempo foram elaboradas para tentar compreender o que acontece aqui na Terra e fora do planeta também. O filme revela que para chegar à Teoria do Big Bang foi necessário o trabalho intenso de cientistas, que por séculos levantaram hipóteses, debateram, discordaram e acumularam o conhecimento que hoje permite defender essa Teoria que explica a origem do Universo. No programa “Sala de Professor”, os convidados das disciplinas de Física e Química propõem atividades que ajudam a entender como os astrônomos determinam a composição de estrelas. Apresentação O documentário levanta questões sobre como podemos entender o funcionamento do Universo e permite discutir acerca da invenção de um aparelho simples revolucionou nossa visão de mundo. O entendimento de conceitos básicos sobre o que é luz, e como podemos classificá-la, é o ponto de partida para a exploração do documentário por parte do professor de Física. A Química está presente na sustentação e fundamentação teórica da ideia de átomo e no conceito de transmutação dos átomos em novos elementos químicos. Um olhar para o documentário a partir da física O documentário é uma excelente oportunidade para o docente de Física desenvolver conteúdos ligados aos conceitos básicos de Astronomia, Óptica Física e Geométrica. Para explorar didaticamente o documentário, que conta como foi o início de nosso Universo, podemos começar com a introdução do vídeo. No início (1min30s) o narrador diz: “Compilamos um vasto conhecimento sobre o Universo: de como ele se originou até como ele poderá acabar”. Na hora e meia seguinte, o documentário traz inúmeras informações acumuladas durante séculos e séculos por grandes cientistas. O professor de Física pode abordar a seguinte questão: Como nós, que estamos em um planeta pequeno, que orbita uma estrela comum na periferia de uma galáxia comum, podemos saber tanto do Universo se não viajamos para além da Lua? A resposta é simples: a luz! Grande parte do que sabemos sobre o Universo, sabemos por meio da luz que chega até nós. O desenvolvimento da atividade se dá então a partir da definição de luz e como podemos, a partir dela, saber tanto sobre o Universo. O professor de Física deve ressaltar que grandes avanços no entendimento do Universo foram feitos a olho nu. Um exemplo disso são os dados que Kepler, citado no documentário (22min42s), coletados pelo astrônomo Tycho Brahe. Porém, no mesmo período em que Kepler desenvolvia sua ciência, um instrumento foi inventado: o telescópio. Essa invenção e o modo como ela revolucionou nossa visão do Universo a partir do trabalho de Galileu, são discutidos largamente no documentário (25min15s). Toda a proposta começa com a realização de um experimento simples, que os próprios alunos devem executar, promovendo entre eles a interação sociocultural (Gaspar, 2005) que será essencial para todas as atividades. A partir desse experimento a discussão teórica será retomada. construção de um telescópio caseiro A construção de um telescópio caseiro (uma reconstituição da luneta que Galileu teria construído) é simples e utiliza apenas materiais de baixo custo e fácil acesso, como: Corte a extremidade inferior da garrafa pet e fixe as lupas com a fita adesiva nas extremidades. A lente de relojoeiro deve ser anexada na parte superior da garrafa. Na parte inferior você deve fixar a lupa. lente de relojoeiro fita adesiva lente de relojoeiro fita adesiva fita adesiva Garrafa pet sala de professor lupa tesoura garrafa pet além do big bang lupa telescópio caseiro 3 Caso tenha dúvidas, consulte o “Veja mais...”. Nele há a indicação de um vídeo que explica a montagem passo a passo do telescópio. O professor precisa expor que Maxwell, no final do século XIX, mostrou que a radiação eletromagnética se movia a uma velocidade c, ou seja, a velocidade da luz no vácuo. Estava, assim, unificada a ótica com o eletromagnetismo. Dez anos após a morte de Maxwell, sua teoria foi comprovada experimentalmente por Hertz. Finalizado o experimento, inicia-se a exposição dos conceitos necessários para a explicação das propriedades da luz. Também é possível desenvolver uma discussão sobre a velocidade da luz e as grandes escalas astronômicas, e de que maneira podemos especular sobre o Universo e seu funcionamento. Atualmente, entendemos que a luz pode ser dividida em visível e não visível ao olho humano. Todos os tipos de luz podem ser resumidos no espectro eletromagnético, cada tipo possui uma frequência ou comprimento de onda. Analisaremos a grande questão: Do que é luz? espectro eletromagnético Do tamanho do comprimento de onda Frequência (Hz) Comprimento de onda (m) aumento de energia RÁDIO MICROONDAS infravermelho visível ultravioleta raios x raios gama 10 3-10 -1 10 -1-10 -3 10 -3-10 -5 10 -6 - 10 -7 10 -7-10 -8 10 -8-10 -11 10 -11-10 -15 Baixa frenquência = elevado comprimento de onda 10 6-10 10 Prédios 10 10-10 12 Pessoas Formiga 10 12-10 15 Buraco de agulha Elevada frenquência = baixo comprimento de onda 10 15-10 16 Protozoário Espectro Visível 10 16-10 17 Vírus LUZ INFRAVERMELHA 10 17-10 21 Proteína 10 21-10 24 Átomo Núcleo atômico LUZ ULTRAVIOLETA 700 600 500 400 Comprimento de onda (nm) Espectro Eletromagnético. Disponível em: <http://andre-godinho-cfq-8a.blogspot.com.br/2013/06/espectro-eletromagnetico.html>. Acesso em 07/04/2014. Para explorar mais o entendimento do funcionamento do telescópio, o professor tem disponível no Portal do Professor do MEC o objeto de ensino “Instrumentos de observação”. Se desejar explorar mais os conceitos de ótica, também no Portal do Professor está disponível o material “Kit Ótico”. 4 além do big bang ETAPAS Construção de um telescópio caseiro; Exposição teórica sobre a luz sala de professor veja mais Como construir um telescópio caseiro. Disponível em: <http://youtube/MqDaGoy4QLg>; Portal do Professor do MEC. A física e o cotidiano - Laboratório virtual: Kit Ótico. Disponível em: <http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=33254>; Portal do Professor do MEC. Óptica – Instrumentos de observação. Disponível em: <http://portaldoprofessor. mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=30462> Um olhar para o documentário a partir da química Nesta atividade, trabalharemos com os conceitos de estrutura atômica, radioatividade, matrizes energéticas, tabela periódica, mudanças de estados físicos e termoquímica. Após a exibição do documentário, o professor de Química pode iniciar a sua fala com a seguinte pergunta: “O que o Big Bang tem a ver com a Química?”. Devido à gama de assuntos que podem ser abarcados pelo documentário, é aconselhável que o professor faça um recorte e escolha um tema para ser estudado. Com isso, diminui a chance de se perder o foco sobre as habilidades e competências que se deseja contemplar. Dada a importância do tema e a curiosidade que o assunto provoca, espera-se que os alunos tenham um grau de participação elevado. O professor poderá aproveitar as discussões para tecer comentários sobre o fato de o Big Bang estar relacionado a todas as coisas do Universo. Vale lembrar que, segundo especialistas, o Big Bang teria dado origem ao Universo em que vivemos, incluindo as estrelas, que são verdadeiras usinas de compostos químicos. A atomística, por exemplo, é um assunto que poderá ser intensamente enriquecido com o apoio desse documentário. O professor poderá relacionar a identificação atômica e a fundamentação de conceitos, tais como: regiões mais importantes do átomo, número de prótons, número de massa, número de elétrons, partículas radioativas, fissão e fusão nucleares etc. Não cabe aqui escrevermos aprofundadamente sobre tais conceitos, e sim fomentar ideias e estímulos para que estes sejam melhor transferidos da fala do professor para o saber do aluno. Sob a ideia prévia de que a Química é o estudo das transformações dos elementos, o professor deve pontuar que o Big Bang não deixa de ser uma transformação interessantíssima de estudo. As ferramentas desse estudo são os elementos químicos, o estudo do átomo e sua constituição. Um aspecto interessante que pode ser tratado é a correlação entre o modelo heliocentrista, isto é, aquele que tem o Sol como centro do universo, e o modelo atômico proposto por Ernest Rutherford baseado no experimento do bombardeio de partículas alfa sob uma lâmina de ouro. sala de professor além do big bang 5 a descoberta de rutherford 5.Outra porção de raios, bem menor, era rebatida e voltava na direção oposta na que havia sido enviada. 1.A descoberta começou quando o pesquisador posicionou um raio de partículas alfa em frente a uma folha muito fina de ouro. 2.Ao redor da folha, ele posicionou uma tela que, quando entrava em contato com as partículas, produzia luz. 6.Com isso, o pesquisador concluiu que o átomo é formado por um núcleo pequeno que concentra praticamente toda a massa do átomo (responsável por rebater a pequena porção de partículas) e uma imensa região praticamente vazia, onde os elétrons orbitavam (por isso a maior parte das partículas atravessava a folha ou era rebatida para outras regiões, ao se chocarem com outro elétron). 3.Ao bombardear a folha de ouro com as partículas alfa, ele percebeu que a grande maioria atravessava a placa de ouro, sendo detectada pela parte da tela atrás dela. 4.Uma parcela pequena dessas partículas era desviada em diferentes direções, sendo detectada em outras partes da tela. Fonte radioativa emissora de partículas alfa Raio de partículas alfa Partículas desviadas Bloco de chumbo Átomos de ouro Partículas alfa Elétrons Lâmina de ouro Placa revestida por material fluorescente Núcleo do átomo No momento da fundamentação teórica, o professor poderá, explicar ao aluno que esse experimento foi realizado em 1911. A lâmina de ouro foi bombardeada por partículas alfa positivas, oriundas do núcleo do radioisótopo polônio, e o mesmo foi protegido por um bloco de chumbo, pois este é meta-estável. O professor pode inclusive lembrar aos alunos que, quando se realiza um exame de raio X, é necessário que o técnico que realiza essa operação esteja protegido por um colete de chumbo. A partir desse experimento, Ruherford fez as seguintes observações: 6 além do big bang A maioria das partículas alfa positivas atravessava a lâmina de ouro sem sofrer desvios; Um número muito pequeno de partículas alfa positivas sofrem desvio; Pouquíssimas partículas alfa não atravessavam, isto é, ficavam retidas pela lâmina de ouro. Os resultados mostravam que a lâmina de ouro não era maciça, como postulou John Dalton, em 1803, e sim que era composta por uma grande região vazia, como uma “peneira”, ou seja, a massa seria dis- sala de professor tribuída de maneira desuniforme. Para um melhor entendimento podemos imaginar que, se atirássemos certa quantidade de grãos de areia em uma peneira de buracos grandes, conseguiríamos resultados similares aos encontrados por Rutherford. alunos e que, portanto, eles também podem se tornar cientistas, e até mesmo descobridores de novidades científicas que ajudem a humanidade a ser e viver melhor, deixando para as novas gerações um mundo mais tranquilo. Baseados nas observações realizadas por Rutherford, podemos concluir que: Quando achar conveniente, o professor poderá lançar a pergunta: Afinal, quais são os elementos que constituem as coisas? Como resposta, ele poderá discutir o conceito de Bohr e levar esta discussão para a identificação em laboratório de tais elementos. Nesse momento, pode ser interessante falar sobre técnicas modernas de identificação dos compostos químicos, tais como cromatografia, espectrometria e polarimetria. 1. Por meio do modelo atômico de J.J. Thomson (pudim de passas), o efeito esperado seria que o feixe de partículas atravessasse a lâmina de ouro sem sofrer desvios. 2. Porém, o efeito mostra a repulsão e, consequentemente, o desvio da partícula alfa positiva, se opondo ao modelo de Thomson que sustenta a ideia da distribuição uniforme das cargas. 3. O retorno de algumas partículas alfa positivas mostra que estas colidem com algo maciço, capaz de fazê-las “ricochetear”. Desta forma, o modelo atômico proposto por Rutherford, desabilita o modelo atômico de Thomson. Em fevereiro de 1911, Rutherford defendeu a tese intitulada “Da dispersão das partículas alfa e beta pela matéria e da estrutura do átomo”, na qual postula um novo modelo atômico: o átomo nuclear. A comparação entre o número de partículas alfa que atravessavam a lâmina e o número de partículas alfa que retornavam possibilitou a Rutherford concluir que o raio do núcleo era 10 mil vezes menos que o raio do átomo. Assim, ele propôs um modelo atômico similar ao Sistema Solar. A partir da explicação desse experimento, o professor poderá levar ao alunos as ideias de hipótese, de experimentação e de conclusão científica. Em relação a essa última, é muito importante o professor fazer referência ao fato de que a ciência vive e experimenta mudanças a todo instante, e que mesmo as observações científicas, a proposição de modelos e as conclusões sobre os mesmos não são definitivos e nem representam verdade absoluta. Nesse momento, o professor, atuando como divulgador da ciência, poderá contar a história de cientistas como Ernest Rutherford, mostrando que todos eram pessoas comuns como os próprios sala de professor Vale a pena desenvolver um experimento simples em sala de aula. Uma proposta experimental interessante é o ensaio de chamas, que em laboratório é a base do princípio da espectrofotometria de absorção atômica para determinação de traços metálicos em materiais. O teste é um procedimento simples para a detecção da presença de cátions metálicos. Ele se baseia no espectro de emissão dos elementos e no princípio proposto por Neils Bohr: Quando uma certa quantidade de energia é fornecida a um determinado elemento químico (no caso da chama, energia em forma de calor), alguns elétrons da camada de valência absorvem esta energia e passam para um nível de energia mais elevado, produzindo o que chamamos de estado excitado. Quando um desses elétrons excitados retorna ao estado fundamental, ele libera a energia recebida anteriormente em forma de radiação. Cada elemento libera a radiação em um comprimento de onda característico, pois a quantidade de energia necessária para excitar um elétron é única para cada elemento”. A radiação liberada pelos elementos situa-se em comprimento de onda na faixa do espectro visível, isto é, pode ser enxergada pelo olho humano em forma de cores. Assim, torna-se possível identificar a presença de certos elementos devido à cor característica que eles emitem quando aquecidos por uma chama. O teste de chama consiste em levar diferentes amostras de sais ao fogo para que, por meio da além do big bang 7 coloração das chamas, possamos identificar o elemento presente em cada composto. A chama do bico de Bunsen fornece temperatura suficiente para excitar os elétrons de um nível mais interno da eletrosfera para um mais externo. Ao retornar ao estado fundamental, esses elétrons devolvem a energia restante em forma de radiação luminosa (luz), que pode ser detectada qualitativamente por meio da observação visual da chama. Fonte disponível em: <http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Ficheiro:Espectro_eletromagnetico-pt.svg&page=1>. As cores originadas pelos metais mais comuns no nosso cotidiano são: MATERIAL sódio: amarelo-alaranjado potássio: violeta-pálido cálcio: vermelho-alaranjado cobre: verde-azulado Para a realização do teste sem grandes riscos, propõe-se o uso de uma lamparina a álcool, soluções dos sais e palitos de churrasco com um algodão enrolado na ponta. Molha-se esse algodão em uma das soluções para, em seguida, introduzi-lo no fogo. É possível visualizar bem a mudança na cor da chama. O processo deve ser repetido para as outras soluções, sempre trocando o algodão para cada solução. Uma boa dica para enriquecer este trabalho é o professor estabelecer uma correlação entre a coloração apresentada pelos fogos de artifício com o fenômeno observado durante o experimento. A avaliação pode ser feita com base na participação dos alunos em um debate. Sugerimos, para isso, o tema “A Química das estrelas”. Este documentário é muito adequado para turmas de primeiro e terceiro anos do Ensino Médio, e contempla a matriz do Enem 2011 no que tange às habilidades (H8, H9; H10 e H17-23). 8 além do big bang Rolo de algodão para curativos; 10 palitos de churrasco; 1 lamparina; Álcool etílico (1L); Sal de cozinha; Biotônico fontoura. (para obter o potássio) ETAPAS Exibição do documentário; Discussão sobre o Big Bang e a formação das substâncias que formam o universo; Abordargem teórica sobre um assunto de interesse (nesta proposta o assunto será a estrutura atômica); Procedimento experimental: “O ensaio de chamas”. sala de professor UMA CONVERSA ENTRE AS DISCIPLINAS Para realizar essa atividade interdisciplinar, o primeiro passo se dá pela construção de um espectrômetro com materiais de baixo custo e fácil acesso. Esse experimento permitirá a visualização do espectro de luz emitida por diferentes fontes, como luz incandescente, fluorescente e muitas outras. Ao comparar os diferentes espectros, o estudante perceberá como podemos inferir a composição dos materiais por esse método. montagem de um espectrômetro caseiro A montagem do espectrômetro é relativamente simples: • Em um dos lados da caixa, coloque duas lâminas de um aparelho de barbear descartável com as faces afiadas viradas uma para a outra. Dessa forma é feita uma fenda de 0,2mm. • No lado oposto da caixa, coloque um CD usado em um ângulo de 60° com o fundo. • Abra um orifício na parte de cima da caixa, através do qual se possa observar o CD. • Feche com fita isolante preta todos os pequenos orifícios em volta do CD, bem como seus lados; isso impedirá que a luz entre na caixa por essa parte. Depois de pronto, o aparelho deve ficar semelhante ao que se vê na figura abaixo. Caso necessário, consulte um vídeo que orienta a construção do espectrômetro, disponível em: <www.youtube.com/watch?v=37GL_BVaf1U>. Olho CD Fenda CD Fonte Luminosa 60˚ Faça as observações com diferentes fontes de luz, como lâmpadas e velas. sala de professor além do big bang 9 Finalizado o experimento, propõe-se criar, no Facebook, um perfil com todas as informações que os professores abordaram em sala de aula. Utilizando esse perfil, os alunos poderão contribuir, por meio de comentários e indicações de sites, com mais informações relevantes sobre o tema, além de abrir discussões e debates. Entre as informações presentes no perfil do Facebook, inclua a decomposição da luz por Isaac Newton e a discussão em torno da variação do espectro contínuo com a temperatura. O primeiro ponto é a descoberta do químico alemão Robert Bunsen de que um elemento químico poderia ser identificado pela cor por meio de uma chama incolor. A isso se seguiu a contribuição de seu colaborador, Kirchhoff, que associou linhas do espectro com elementos específicos. As três leis empíricas da espectroscopia de Kirchhoff devem ser abordadas e discutidas com a definição de espectro de emissão e absorção. leis de kirchhoff Espectro contínuo A origem dessas linhas espectrais descritas por Kirchhoff é outro ponto relevante. Elas estão associadas com a estrutura dos átomos descrita por Rutherford e com a natureza da luz. Para encerrar o debate, aborde o tema da classificação espectral. Ressalte como cada linha escura do espectro de uma estrela está associada à presença de um elemento, e como a análise dessas linhas permite inclusive saber a temperatura da estrela. Para avançar no debate, e como forma de avaliação, os professores irão propor aos alunos que formem grupos. Para cada grupo, uma questão será proposta e gerará pesquisa sobre temas específicos. Para cada um desses temas, deverá ser produzido um perfil no Facebook no qual os alunos de outros grupos poderão interagir. Entre os temas que poderão ser discutidos estão: • Como sabemos a quantidade específica de cada elemento que forma as estrelas? • Como sabemos do que são feitos os planetas, se eles apenas refletem a luz das estrelas? • Como sabemos que o Universo está se expandido apenas analisando a luz das estrelas? • Por que achamos que o Universo teve início com o evento chamado Big Bang? Espectro de emissão Gás quente Espectro de absorção Gás frio 10 além do big bang A avaliação deve considerar todo o processo de pesquisa e publicação da página no Facebook, além da maneira como ocorre a interação entre os diferentes grupos por meio de comentários e curtidas. As postagens de novos assuntos feitas na página construída no facebook e o número de curtidas podem ser um bom parâmetro para a avaliação dos trabalhos. Isso torna a avaliação menos rígida e mais atual, além de prazerosa para o estudante, pois leva em conta a modernização das tecnologias e acompanha às tendências dos alunos em seu cotidiano. sala de professor MATERIAL ETAPAS Caixa de cereal vazia; Montagem do espectrômetro caseiro; CD usado; Exposição de conceitos teóricos; Lâminas de barbear de aparelhos descartáveis; Produção de perfis no Facebook. Tesoura; Fita adesiva. SUGESTÕES DE LEITURA E OUTROS RECURSOS Livros e Revistas ATKINS, P. Princípios de Química. cap. 1, pp. 17-52. São Paulo: BOOKMAN, 2001. BRADY, J. E. Química geral. 2 ed., v.1., cap. 3, pp. 92-98. Rio de Janeiro: LTC, 2003. FELTRE, R.; SETSUO, Y. Química Geral. cap. 2, pp. 32-40. São Paulo: Moderna, 1995. FREIRE, P. Pedagogia da Autonomia – saberes necessários à prática educativa. São Paulo: Paz e Terra, 2004. GASPAR, A. Experiências de Ciências para o Ensino Fundamental. São Paulo: Ática, 2005. MOREIRA, M. A. Aprendizagem Significativa. Brasília: UnB, 1999. RUSSELL, J. B. Química geral. 2 ed., v. 1., caps.1, 2 e 3, pp. 11- 62. São Paulo: Makron Books, 2004. SAGAN, C. O mundo assombrado por demônios – a ciência vista como uma vela no escuro. São Paulo: Companhia das Letras, 1996. filmes e documentários Poeira das Estrelas. Disponível em: <http://www.youtube.com/watch?v=aEwmX8yerWQ>. Cosmos – uma viagem pessoal. Disponível em: <http://ensinofisicaquimica.blogspot.com.br/2008/05/cosmos-de-carlsagan-legendado-em.html>. sala de professor além do big bang 11 SUGESTÕES DE LEITURA E OUTROS RECURSOS sites e outros recursos Ministério da Educação. Disponível em: <http://portaldoprofessor.mec.gov.br/index.html#>. Acesso em 15 fev. 2013. Parâmetros curriculares nacionais. Disponível em: <http://www.infoenem.com.br/competencias-e-habilidades/>. Acesso em: 15 fev. 2013. Sociedade Brasileira de Física. Píon – Ligado na Física! Disponível em: <http://pion.sbfisica.org.br/pdc/>. Acesso em 15 fev. 2013. Teste de chama. 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O programa incentiva os professores de Ensino Médio a desenvolverem projetos que mudem a rotina em sala de aula. Em cada programa, dois professores convidados criam um projeto a partir de documentários exibidos na TV Escola. São sempre propostas e experimentos inovadores, que podem ser reaplicados em qualquer escola do país. Os trabalhos apresentados são detalhados em dicas pedagógicas como essa e ficam disponíveis no site da TV Escola. Os professores também podem usar as artes criadas para o programa: são animações, tabelas, mapas e infográficos que tornam os conteúdos mais visuais e interativos. As dicas pedagógicas e as computações gráficas foram transformadas em fascículos interativos para tablets. E o professor também pode navegar pelo material extra do programa no blog do Sala. Para ter acesso a esses produtos, acesse o site tvescola.mec.gov.br ou curta a fan page da TV Escola no Facebook. FOTO