Além do Big Bang A Química das Estrelas
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TÍTULO DO PROGRAMA Além do Big Bang Professores Felipe Damasio – Física João Roberto Fortes Mazzei – Química TÍTULO DO PROJETO A Química das Estrelas APRESENTAÇÃO A partir do documentário, trazer questões sobre como podemos a partir de um planeta pequeno, localizado em uma região periférica de uma galáxia comum, entender como funciona todo o Universo. Tudo que sabemos vem com a luz viajando nós por longos anos. Como a invenção de um aparelho simples pode ter revolucionado toda a nossa visão de Universo. A partir do telescópio, inventado por um obscuro holandês durante o século XVII, os alunos são levados ao mundo que se mostra a partir do entendimento e análise da luz. A partir da Física, o entendimento de conceitos básicos sobre o que é luz e como podemos classificá-la dá o ponto de partida para a exploração do documentário. A química está presente na sustentação e fundação teórica da ideia de átomo e transmutação dos átomos em novos elementos químicos. 1 O documentário pode ser melhor entendido se o professor de Física e química transmitirem aos seus alunos as noções de atomística, reações nucleares e transmutação atômica, presentes nos conteúdos da matriz curricular química e Física e que são citados em muitas das passagens apresentadas neste vídeo. A química está presente na sustentação e fundação teórica da ideia de átomo e transmutação destes em novos elementos químicos. O documentário pode ser melhor entendido pelos alunos se o professor de química lhes transmitir as noções de atomística, reações nucleares e transmutação atômica, presentes nos conteúdos da matriz curricular química e que são citados em muitas das passagens apresentadas neste vídeo. UM OLHAR PARA O DOCUMENTÁRIO A PARTIR DA FÍSICA DESCRIÇÃO DA ATIVIDADE Para explorar didaticamente o documentário que conta como foi o início de nosso Universo, podemos começar logo com a introdução do vídeo. No início (1min30s) o narrador fala “compilamos um vasto conhecimento sobre o Universo: de como ele se originou até como ele poderá acabar” e na hora e meia seguinte o documentário traz inúmeras informações acumuladas durante séculos e séculos pelos grandes cientistas de nossa História. A grande questão que o professor de Física pode abordar é: 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: Luz! A imensa maioria que sabemos do Universo, o sabemos por meio da luz que chega até nós. O desenvolvimento da atividade é 2 então acompanhar o que é luz e como podemos a partir dela saber tanto do Universo. A primeira questão que o professor de Física deve deixar claro é que grandes avanços no entendimento do Universo foram feitas a olho nu. Um exemplo disto são os dados que o Kepler, citado no documentário (22min42s), foram coletados pelo astrônomo Tycho Brahe. Porém, no mesmo período que Kepler desenvolvia sua ciência, um instrumento fora inventado e iria revolucionar nossa visão do Universo: o telescópio. A invenção do telescópio e como ele revolucionou nossa visão do Universo a partir do trabalho de Galileu é discutido largamente no documentário (25min15s). Experimentos Simples Toda a proposta começa com a realização de um experimento simples, que os próprios alunos devem executar de tal modo a promoverem uma interação sociocultural (Gaspar, 2005) que vai ser essencial para todas as atividades. Serão a partir deles que a discussão teórica será retomada. A construção de um telescópio caseiro é simples e utiliza apenas materiais de baixo custo e fácil acesso, como garrafa pet 2 L, uma lupa e uma lente de relojoeiro. É uma reconstituição da luneta que Galileu teria reconstruído. Um vídeo no You Tube está no quadro ‘Saiba mais’ com a montagem passo a passo. Exposição Teórica A partir dos experimentos, toda a exposição dos conceitos envolvidos para a explicação das propriedades luz. Discussão sobre velocidade da luz e as grandes escalas astronômicas. De como podemos especular tanto sobre o Universo e seu funcionamento. Mas a grande questão é: o que é luz? Para a resposta o professor deve lembrar que Maxwell mostrou no fim do século XIX que a radiação 3 eletromagnética se movia a velocidade c, a velocidade da luz no vácuo. Estava unificada a óptica com o eletromagnetismo. Maxwell morreu aos 48 anos, dez anos depois sua teoria foi comprovada experimentalmente por Hertz. Então entendemos hoje que luz pode ser divida entre a visível e não visível ao ser humano. Todos os tipos de luz podem ser resumidos no espectro eletromagnético (Figura 1), se diferenciando somente pela sua frequência ou comprimento de onda. Figura 1 – Espectro Eletromagnético (FRIEDRICH SAURER/SCIENCE PHOTO LIBRARY) Para poder explorar mais o entendimento do funcionamento do telescópio, o professor tem disponível no Portal do Professor o objeto de ensino ‘Instrumentos de observação’ (quadro Sabia Mais). Se desejar explorar mais os conceitos de óptica, também no Portal do Professor está disponível o material ‘Kit Ótico (quadro veja mais) A questão que o professor de Química e a atividade interdisciplinar ajudarão a solucionar é: como a luz, que agora sabemos o que é, pode ter tantas informações e como a partir dela podemos entender tanto sobre o funcionamento de nossa Universo? 4 Material (Experimento 1) Uma lupa; uma lente de relojoeiro; uma garrafa PET 2 L vazia; tesoura e fita adesiva. Etapas (Experimento 1) pegue a garrafa pet e corte a extremidade inferior, o fundo da garrafa; deverá fixar as lupas com a fita isolante nas extremidades; A lupa pequena você deverá anexar a parte mais fina da garrafa, aonde ficava a tampa e na parte inferior você deverá fixar de acordo com o tamanho da lente, com a ajuda da fita grossa de plástico que você cortou. Saiba mais (Experimento 1) http://youtu.be/MqDaGoy4QLg. Saiba mais (Instrumentos de observação) http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=33254 Saiba mais (Kit Ótico) http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=33254 UM OLHAR PARA O DOCUMENTÁRIO A PARTIR DA QUÍMICA DESCRIÇÃO DA ATIVIDADE 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? Dada a importância e curiosidade de todos pelo assunto, os alunos deverão ter um grau de participação elevado. A partir deste momento, o professor poderá aproveitar as discussões para tecer comentários em relação ao fato de que o big bang está relacionado com todas as coisas envolvidas no Universo. Mas, em relação a química, segundo especialistas, no Big Bang se deu origem ao universo que vivemos, inclusive das estrelas, que são verdadeiras usinas de compostos químicos. 5 Sob a ideia prévia de que a QUIMICA é o estudo das transformações dos elementos, o professor deve pontuar que o Big Bang não deixa de ser uma transformação interessantíssima para ser estudada, através dos elementos químicos, do estudo do átomo e sua constituição. Devido à gama muito grande de assuntos que podem ser abarcados pelo documentário, é aconselhável que o professor faça um recorte e escolha o núcleo ao qual deseja tecer suas considerações e com isso, não perder o foco, sobre as habilidades e competências que deseja contemplar. Em uma dessas vertentes a ser abordada, a atomística é um estudo que poderá ser intensamente enriquecido sob 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, através do conceito contido nos livros e que precisam ser facilitados para melhor entendimento dos seus alunos. Não cabe aqui, escrevermos aprofundadamente tais conceitos, e sim, fomentar ideias e estímulos para que estes sejam melhor transferidos da fala do professor para o saber do aluno. Um aspecto interessante que pode ser estabelecido é a correlação, por exemplo, entre o modelo heliocentrista, isto é, aquele que tem o sol como centro do universo, com o modelo atômico proposto por Ernest Rutherford baseado na experiência do bombardeio de partículas alfa sob a Lâmina de ouro. O experimento: http://3.bp.blogspot.com/922wAAZ188c/T95mX5jtJ0I/AAAAAAAAAIE/jITch26H_g4/s1600/ruther2.jpg No momento da fundamentação teórica, o professor poderá, então, apresentar ao 6 aluno que “essa experiência foi realizada em 1911 e a lâmina de ouro foi bombardeada por partículas alfa positivas, oriundas do núcleo do radioisótopo polônio (Po), e que o mesmo foi protegido por um bloco de chumbo, pois o Pb é meta-estável. Nesse momento o professor poderá até fazer uma inserção, lembrando aos alunos que quando se realiza um raio X, é necessário que o técnico que realiza essa operação precisa estar protegido por um colete de chumbo. As observações feitas por Ruherford: - A maioria das partículas alfa positivas atravessava a lâmina de ouro sem sofrer desvios; - Um número muito pequeno de partículas alfa positivas sofria desvio; - Muito poucas partículas alfa não atravessavam, isto é, ficavam retidas pela lâmina de ouro. Os resultados das experiências mostravam que a lâmina de ouro não era maciça, como postulava John Dalton, em 1803, e sim que a mesma, era composta por uma grande região vazia, como uma “peneira”, ou seja, a massa seria distribuída de forma desuniforme. Para mais claro 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. O Átomo Nuclear Baseado nas observações realizadas por Rutherford, concluiremos que: Através do modelo atômico de J.J. Thomson (pudim de passas), o efeito esperado seria que o feixe de partículas atravessaria pela lâmina de ouro sem sofrer desvios (1). Porém, o efeito (2) 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. 7 O retorno de algumas partículas alfa positiva (3) 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, que o levam a postular um novo modelo atômico: o átomo nuclear. A comparação do número de partículas alfa que atravessavam a lâmina com o número de partículas alfa que retornavam possibiltou levou Rutherford a concluir que o raio do núcleo 10 mil vezes menos que o raio do átomo. Assim, Rutherford propôs um o modelo atômico, similar ao sistema solar . A partir da explicação desse experimento, o professor poderá, então, levar ao seu aluno a ideia de hipótese, de experimentação e conclusão científica. No contexto de conclusão científica, 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, proposição de modelos e 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 seres comuns como os próprios alunos e que, portanto, cada um deles poderá ser um cientista e, como tal, descobridor de novidades científicas que ajudem a humanidade a ser e viver melhor e deixe para as novas gerações, um universo melhor para se viver“. Em um determinado momento do transcurso da aula, o professor poderá lançar a pergunta: Afinal, quais são elementos que constituem as coisas? Como resposta, o poderá discutir o conceito de Bohr e levar a discussão para a identificação em laboratório de tais espécieis. Neste momento, falar sobre 8 técnicas modernas de identificação dos compostos, tais como: cromatografia, espectrometria, polarimetria, etc. Sugestão de 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 e se baseia no espectro de emissão dos elementos e no princípio proposto por Neils Bohr que diz: “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 passando 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 através da apresentação de cores. Desta forma, 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 coloração das chamas, possamos identificar o elemento presente em cada composto. 9 A chama do bico de Bunsen fornece temperatura suficiente para excitar os elétrons de um nível mais interno da eletrosfera a um mais externo. Ao retornar ao estado fundamental, estes elétrons devolvem a energia restante em forma de radiação luminosa (LUZ) de cor e intensidade, que podem ser detectados com qualitativamente através da observação visual da chama. http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Ficheiro:Espectro_eletromagneticopt.svg&page=1 As cores que podem ser observadas para os metais mais comuns ao nosso cotidiano nos ensaios são: sódio – amarelo-alaranjado; potássio – violeta-pálido; cálcio – vermelhoalaranjado e cobre – verde-azulado PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: Para a realização deste teste sem grandes riscos, propõe-se o uso de uma lamparina a álcool soluções dos sais; adotam-se os palitos de churrasco com um algodão enrolado na ponta. Molha-se esse algodão em uma das soluções para, em seguida, introduzi-lo na chama. É possível visualizar bem a mudança na cor da chama. O processo é repetido para as outras soluções, sempre trocando o algodão para cada solução. 10 Uma boa dica para enriquecer este trabalho é o professor estabelecer uma correlação entre a coloração apresentada pelos fogos de artifício com os ensinamentos absorvidos através desta aula. Este documentário é muito bem aplicado às turmas de primeiro e terceiro anos do ensino médio e contempla os Parâmetros Curriculares Nacionais – PCN no que tange às seguintes habilidades: H8 - Identificar etapas em processos de obtenção, transformação, utilização ou reciclagem de recursos naturais, energéticos ou matérias-primas, considerando processos biológicos, químicos ou físicos neles envolvidos. H9 - Compreender a importância dos ciclos biogeoquímicos ou do fluxo energia para a vida, ou da ação de agentes ou fenômenos que podem causar alterações nesses processos. H10 - Analisar perturbações ambientais, identificando fontes, transporte e(ou) destino dos poluentes ou prevendo efeitos em sistemas naturais, produtivos ou sociais. H17 - Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica. H18 - Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam. H19 - Avaliar métodos, processos ou procedimentos das ciências naturais que contribuam para diagnosticar ou solucionar problemas de ordem social, econômica ou ambiental. H20 - Caracterizar causas ou efeitos dos movimentos de partículas, substâncias, objetos ou corpos celestes. H21 - Utilizar leis físicas e (ou) químicas para interpretar processos naturais ou tecnológicos inseridos no contexto da termodinâmica e(ou) do eletromagnetismo. 11 H22 - Compreender fenômenos decorrentes da interação entre a radiação e a matéria em suas manifestações em processos naturais ou tecnológicos, ou em suas implicações biológicas, sociais, econômicas ou ambientais. H23 - Avaliar possibilidades de geração, uso ou transformação de energia em ambientes específicos, considerando implicações éticas, ambientais, sociais e/ou econômicas. Material rolo algodão para curativos 10 palitos de churrasco 1 lamparina álcool etílico (1L) Sal de cozinha Biotônico fontoura Etapas • exibição do documentário • discussão a cerca do bigbang e formação das substâncias que formam o universo, estrelas, etc • abordargem teórica sobre um assunto de interesse. Nesta proposta o assunto será estrutura atômica • Procedimento experimental: O ensaio de Chamas Veja mais... . http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=22183 12 UMA CONVERSA ENTRE AS DISCIPLINAS DESCRIÇÃO DO PROJETO INTERDISCIPLINAR OU DAS POSSÍVEIS RELAÇÕES QUE PODEM SER CONSTRUÍDAS Como sabemos do que as estrelas são feitas Experiência de espectroscopia. Para iniciar a atividade interdisciplinar, a primeira atividade é a construção de um espectrômetro com materiais de baixo custo e fácil acesso. Este experimento permite ver o espectro da luz emitida por diferentes fontes como luz incandescente, fluorescente e muitas outras. Ao comparar os diferentes espectros o estudante poderá visualizar que podermos inferir sobre o que compõe os materiais emissores analisando o seu espectro. A grande questão: como sabemos do que são feitas as estrelas e, mais, como sabemos a percentagem exata de cada elemento químico delas. 13 Material (Experimento Espectrômetro) caixa de cereal vazia; CD; lâmina de barbear; tesoura e fita adesiva. Etapas (Experimento Espectrômetro) Em um dos lados da caixa, duas lâminas de uma máquina de barbear descartável são colocadas viradas com as faces afiadas viradas uma para a outra para fazes a fenda de 0.2 mm; No lado oposto da caixa, é montado um CD a um ângulo de 60º com o fundo da caixa; Em cima, é aberto um orifício, através do qual se observa o CD. A luz de fundo é removida da caixa, tapando todos os pequenos orifícios á volta do CD, bem como os lados do CD, com fita preta; Fazer a observação com diferentes fontes de luz como lâmpadas e velas. Saiba mais (Experimento Espectrômetro) http://www.youtube.com/watch?v=37GL_BVaf1U. Exposição teórica: página no facebook para discussão Nesta página o aluno encontrará todas as informações que os professores abordam em sala de aula, e no facebook, os alunos poderão contribuir e discutir por meio de comentários e indicações de outros locais com outras informações relevantes sobre o assunto. As informações na página do facebook começam com a decomposição da luz por Isaac Newton. Seguem com 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 se identificado pela cor de uma chama incolor, que segue com a contribuição de seu 14 colaborador, Kirchhoff, que associou a linhas do espectro com elementos específicos. As três leis empíricas da espectroscopia de Kirchhoff são finalmente abordadas e discutidas com a definição de espectro de emissão e absorção. A origem destas linhas espectrais descritas por Kirchhoff é outro ponto relevante. Elas estão associadas com a estrutura dos átomos descoberta por Rutherford e a natureza da luz. Para encerrar o debate o tema da classificação espectral é abordado. Principalmente como cada linha escura do espectro de uma estrela está associada a presença de um elemento e como analisando estas linhas podemos inclusive saber a temperatura da estrela. Avaliação das atividades Para avançar no debate, e como forma de avaliação, os professores irão propôs aos alunos que formem grupos. A cada grupo, uma questão será levantada e gerará pesquisa sobre temas específicos. Para cada um destes temas, a ser abordado por grupo de alunos, deverá ser produzida uma página no facebook a qual os alunos de outros grupos poderão interagir. Entre os temas que poderão ser levantados 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 um grande começo com o evento chamado Big Bang? 15 A avaliação será processual de 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. BIBLIOGRAFIA, SUGESTÕES DE LEITURA E OUTROS RECURSOS Livros e Revistas 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: Editora Ática, 2005). MOREIRA, M.A. Aprendizagem Significativa. (Brasília: Editora UnB, 1999). SAGAN, C. O mundo assombrado por demônios – a ciência vista como uma vela no escuro. (São Paulo: Companhia das Letras, 1996). . ATKINS, P. Princípios de Química. São Paulo : BOOKMAN, 2001. Cap. 1, p. 1752. . BRADY, James E. Química geral V. l. 2ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003. 2v . Cap. 3, p. 92-98. . FELTRE, R. & SETSUO, Y. Química Geral. MODERNA, 1995. Cap. 2, p. 32-40. . RUSSELL, John B. Química geral V. I. 2.ed. São Paulo: Makron Books, 2004. Cap.1, 2 e 3, p.11- 62 Sites e Outros recursos Ministério da Educação. Portal do Professor. Disponível em http://portaldoprofessor.mec.gov.br/index.html#. 16 Universidade do Colorado. PhET. Disponível em http://phet.colorado.edu/pt_BR/. Sociedade Brasileira de Física. Píon – Ligado na Física! Disponível em http://pion.sbfisica.org.br/pdc/. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Centro de Referência para o Ensino de Física. Disponível em http://www.if.ufrgs.br/cref/. . Parâmetros curriculares nacionais. Disponível em: <http://http://www.infoenem.com.br/competencias-e-habilidades//>. Acesso em: 02 nov. 2012 . Teste de chama. Disponível em: <http:// http://www.infoescola.com/quimica/teste-da-chama//> . Acesso em: 02 nov. 2012 Filmes e Documentários GLEISER, M. Poeira das Estrelas. SAGAN, C. Cosmos – uma viagem pessoal. Passeios e Visitas Fundação Planetário do Rio de Janeiro. Planetário do Rio. Mais informações http://www.planetariodorio.com.br/. Pontífice Universidade Católica do Rio Grande do Sul. Museu de Ciência e Tecnologia. Mais informações http://www.pucrs.br/mct/. Secretaria de Cultural do Estado de São Paulo. Catavento Cultural e Educacional. Mais informações http://www.cataventocultural.org.br/. Universidade Federal de Santa Catarina. Parque Viva a Ciência. Mais informações http://www.vivaciencia.ufsc.br/. 17
