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
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
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;
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.
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.
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.
professor!
Fique atento em mostrar
aos alunos o quanto a
química está intimamente
ligada às coisas do nosso
dia-a-dia!
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Introdução
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.
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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.
mais detalhes!
Professor, você poderá
encontrar mais informações sobre a teoria do
Big Bang no site: http://
www.uff.br/ecosed/Cosmogonia.pdf
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.
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.
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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.
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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):
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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
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.
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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.
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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.
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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.
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
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.
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.
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Primeiros Elementos Químicos
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mais detalhes!
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).
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
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.
2.
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Atividades
a)
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.
Avaliação
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3.
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.
4.
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.
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.
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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