a química - tv escola · a construção de um telescópio caseiro (uma reconstituição da luneta...

Além do Big Bang

a Química dAs estrelAs

ProFessoresFeliPe dAmAsio Física

João roberto Fortes mAzzei Química

APresentAçãoO documentário levanta questões sobre como podemos entender o funcionamento do univer-so 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 classifi-cá-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.

sinoPse do ProgrAmAno documentário, astrônomos e cientistas con-temporâneos 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 tam-bém. O filme revela que para chegar à Teoria do Big Bang foi necessário o trabalho intenso de cientistas, que por séculos levantaram hipóte-ses, debateram, discordaram e acumularam o conhecimento que hoje permite defender essa Teoria que explica a origem do universo. no pro-grama “Sala de Professor”, os convidados das disciplinas de Física e Química propõem ativida-des que ajudam a entender como os astrônomos

determinam a composição de estrelas.

sala de professor além do big bang 3

O documentário é uma excelente oportunidade para o docente de Física desenvolver conteúdos ligados aos conceitos básicos de Astronomia, Óptica Fí-sica 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: “Compi-lamos um vasto conhecimento sobre o Universo: de como ele se originou até como ele poderá aca-bar”. 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 perife-ria 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 sa-bemos sobre o Universo, sabemos por meio da luz

um Olhar Para O dOcumenTáriO a ParTir da FísicA

que chega até nós. O desenvolvimento da atividade se dá então a partir da definição de luz e como po-demos, 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 Ke-pler, 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 inven-ção 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 de-vem executar, promovendo entre eles a interação sociocultural (gaspar, 2005) que será essencial para todas as atividades. a partir desse experi-mento a discussão teórica será retomada.

a construção de um telescópio caseiro (uma reconstituição da luneta que galileu teria constru-ído) é simples e utiliza apenas materiais de baixo custo e fácil acesso, como:

construção de um telescÓPio cAseiro

garrafa pet lupa

lente de relojoeiro fita adesiva

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.

tesoura garrafa pet telescópio caseiro

fita adesiva

lente de relojoeiro

lupa

fita adesiva

sala de professoralém do big bang4

caso tenha dúvidas, consulte o “Veja mais...”. nele há a indicação de um vídeo que explica a montagem passo a passo do telescópio.

Finalizado o experimento, inicia-se a exposição dos conceitos necessários para a explicação das proprie-dades 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.

analisaremos a grande questão: do que é luz?

espectro eletromagnético. disponível em: <http://andre-godinho-cfq-8a.blogspot.com.br/2013/06/espectro-eletromagne-tico.html>. acesso em 07/04/2014.

O professor precisa expor que Maxwell, no final do século XiX, mostrou que a radiação eletromag-nética se movia a uma velocidade c, ou seja, a velocidade da luz no vácuo. Estava, assim, unifi-cada a ótica com o eletromagnetismo. dez anos após a morte de maxwell, sua teoria foi comprova-da experimentalmente por hertz.

atualmente, entendemos que a luz pode ser dividi-da 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.

etAPAs

construção de um telescópio caseiro;

exposição teórica sobre a luz

Para explorar mais o entendimento do funciona-mento 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”.

esPectro eletromAgnético

RÁDIO

Com

prim

ento

de

ond

a (m

)

comprimento de onda (nm)

Freq

uênc

ia (H

z)Do

tam

anho

do

com

prim

ento

de o

nda

106-1010 1010-1012 1012-1015 1015-1016 1016-1017 1017-1021 1021-1024

10-1-10-3103-10-1 10-3-10-5

700 600 500 400

10-6 - 10-7 10-7-10-8 10-8-10-11 10-11-10-15

Prédios Pessoas Formiga Buraco de agulha

LUZ INFRAVERMELHA LUZ ULTRAVIOLETA

Protozoário EspECTRO VIsíVEL

Vírus Proteína Átomo Núcleo atômico

MICROONDAS INFRAveRMeLhO vISíveL

Aumento de energiA

ULtRAvIOLetA RAIOS x RAIOS GAMA

Baixa frenquência = elevado comprimento de onda elevada frenquência = baixo comprimento de onda


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://portal-doprofessor.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 es-tados físicos e termoquímica.

após a exibição do documentário, o professor de Química pode iniciar a sua fala com a seguinte per-gunta: “O que o Big Bang tem a ver com a Química?”.

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 pode-rá 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 uni-verso em que vivemos, incluindo as estrelas, que são verdadeiras usinas de compostos químicos.

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.

Devido à gama de assuntos que podem ser abar-cados 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.

a atomística, por exemplo, é um assunto que poderá ser intensamente enriquecido com o apoio desse documentário. O professor poderá relacionar a identi-ficação 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 so-bre 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 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 partí-culas alfa sob uma lâmina de ouro.


A descobertA de rutherFord

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.

3. ao bombardear a folha de ouro com as partí-culas 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 de-tectada em outras partes da tela.

Fonte radioativa emissora de partículas alfa

Bloco de chumbo

átomos de ouro

núcleo do átomo

Partículas alfa

raio de partículas alfa

lâmina de ouroPlaca revestida por material fluorescente

Partículas desviadas

elétrons

5. Outra porção de raios, bem menor, era rebatida e voltava na direção oposta na que havia sido enviada.

6. com isso, o pesquisador concluiu que o átomo é formado por um núcleo pequeno que con-centra 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 cho-carem com outro elétron).

no momento da fundamentação teórica, o professor poderá, explicar ao aluno que esse experimento foi realizado em 1911. a lâmina de ouro foi bombarde-ada 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 pro-tegido por um colete de chumbo.

a partir desse experimento, ruherford fez as se-guintes observações:

A maioria das partículas alfa positivas atraves-sava 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-


tribuída de maneira desuniforme. Para um melhor entendimento podemos imaginar que, se atirásse-mos certa quantidade de grãos de areia em uma peneira de buracos grandes, conseguiríamos resul-tados similares aos encontrados por rutherford.

Baseados nas observações realizadas por ruther-ford, podemos concluir que:

1. Por meio do modelo atômico de J.J. Thomson (pudim de passas), o efeito esperado seria que o feixe de partículas atravessasse a lâ-mina de ouro sem sofrer desvios.

2. Porém, o efeito mostra a repulsão e, con-sequentemente, o desvio da partícula alfa positiva, se opondo ao modelo de Thomson que sustenta a ideia da distribuição unifor-me 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 pos-tula um novo modelo atômico: o átomo nuclear.

a comparação entre o número de partículas alfa que atravessavam a lâmina e o número de partícu-las 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 profes-sor poderá levar ao alunos as ideias de hipótese, de experimentação e de conclusão científica. Em rela-ção a essa última, é muito importante o professor fazer referência ao fato de que a ciência vive e expe-rimenta 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 di-vulgador da ciência, poderá contar a história de cientistas como ernest rutherford, mostrando que todos eram pessoas comuns como os próprios

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 gera-ções um mundo mais tranquilo.

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 dis-cussão 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, es-pectrometria e polarimetria.

Vale a pena desenvolver um experimento simples em sala de aula. uma proposta experimental inte-ressante 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 de-tecção 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 for-necida a um determinado elemento químico (no caso da chama, energia em forma de calor), al-guns 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 li-bera 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 com-primento 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


coloração das chamas, possamos identificar o elemento presente em cada composto.

a chama do bico de Bunsen fornece temperatu-ra 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 qualitativa-mente 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:

sódio: amarelo-alaranjadopotássio: violeta-pálido

cálcio: vermelho-alaranjadocobre: verde-azulado

Para a realização do teste sem grandes riscos, pro-põe-se o uso de uma lamparina a álcool, soluções dos sais e palitos de churrasco com um algodão en-rolado 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 solu-ções, sempre trocando o algodão para cada solução.

uma boa dica para enriquecer este trabalho é o professor estabelecer uma correlação entre a co-loração apresentada pelos fogos de artifício com o fenômeno observado durante o experimento.

a avaliação pode ser feita com base na participa-ção 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).

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”.

mAteriAl

rolo de algodão para curativos;

10 palitos de churrasco;

1 lamparina;

álcool etílico (1l);

Sal de cozinha;

Biotônico fontoura. (para obter o potássio)


montAgem de um esPectrômetro cAseiro

uma cOnVerSa enTre aS disciPlinAs

Para realizar essa atividade interdisciplinar, o primeiro passo se dá pela construção de um es-pectrômetro 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 com-posição dos materiais por esse método.

a montagem do espectrômetro é relativamente simples:• Emumdosladosdacaixa,coloqueduaslâminas

de um aparelho de barbear descartável com as fa-cesafiadasviradasumaparaaoutra.Dessaformaé feita uma fenda de 0,2mm.

• Noladoopostodacaixa,coloqueumCDusadoemumângulode60°comofundo.

• Abraumorifícionapartedecimadacaixa,atravésdo qual se possa observar o CD.

• Feche comfita isolantepreta todosospequenosorifícios 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, dispo-nível em: <www.youtube.com/watch?v=37GL_BVaf1U>.

Faça as observações com diferentes fontes de luz, como lâmpadas e velas.

Fenda

cd

Olho

Fonte luminosa

cd

60˚


leis de kirchhoFF

Finalizado o experimento, propõe-se criar, no Fa-cebook, um perfil com todas as informações que os professores abordaram em sala de aula. utili-zando 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 Fa-cebook, 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 ale-mão 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.

a origem dessas linhas espectrais descritas por Kirchhoff é outro ponto relevante. Elas estão as-sociadas com a estrutura dos átomos descrita por rutherford e com a natureza da luz.

Para encerrar o debate, aborde o tema da classifica-ção 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 ava-liação, os professores irão propor aos alunos que formem grupos. Para cada grupo, uma questão será proposta e gerará pesquisa sobre temas es-pecíficos. 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:

• Comosabemosaquantidadeespecíficadecadaelementoqueformaasestrelas?

• Comosabemosdoquesãofeitososplanetas,seelesapenasrefletemaluzdasestrelas?

• ComosabemosqueoUniversoestá seex-pandidoapenasanalisandoaluzdasestrelas?

• PorqueachamosqueoUniversoteveiníciocomoeventochamadoBigBang?

a avaliação deve considerar todo o processo de pes-quisa e publicação da página no Facebook, além da maneira como ocorre a interação entre os diferentes grupos por meio de comentários e curtidas. as pos-tagens 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.

Gás quente

Espectro de emissão

Espectro contínuo

Gás frio

Espectro de absorção


etAPAs

montagem do espectrômetro caseiro;

exposição de conceitos teóricos;

Produção de perfis no Facebook.

mAteriAl

caixa de cereal vazia;

cd usado;

lâminas de barbear de aparelhos descartáveis;

Tesoura;

Fita adesiva.

sugestÕes de leiTura e OuTrOS recurSOS

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: compa-nhia das letras, 1996.

livros e revistAs

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-carl-sagan-legendado-em.html>.


sugestÕes de leiTura e OuTrOS recurSOS

PAsseios e visitA

catavento cultural e educacional. mais informações em: <http://www.cataventocultural.org.br/>.

museu de ciência e Tecnologia – Puc-rS. mais informações em: <http://www.pucrs.br/mct/>.

Parque Viva a ciência. mais informações em: <http://www.vivaciencia.ufsc.br/>.

Planetário do rio de Janeiro. mais informações em: <http://www.planetariodorio.com.br/>.

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/>. aces-so 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. disponível em: <http://www.infoescola.com/quimica/teste-da-chama/>. acesso em: 15 fev. 2013

universidade do colorado. PheT – Simulações interativas de ciências. disponível em: <http://phet.colorado.edu/pt_BR/>. acesso em 15 fev. 2013.

universidade Federal do rio grande do Sul. centro de referência para o ensino de Física. disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/cref/>. acesso em 15 fev. 2013.

um documentário da TV escola. um ponto de partida para grandes trabalhos com os alunos. assim é o Sala de Pofessor. O progra-ma incentiva os professores de ensino médio a desenvolverem projetos que mudem a roti-na em sala de aula. em cada programa, dois professores convidados criam um projeto a partir de documentários exibidos na TV es-cola. 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 profes-sores também podem usar as artes criadas para o programa: são animações, tabelas, mapas e infográficos que tornam os con-teúdos mais visuais e interativos. as dicas pedagógicas e as computações gráficas fo-ram 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 pro-dutos, acesse o site tvescola.mec.gov.br ou curta a fan page da TV escola no Facebook.

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