Programa

Tudo se TransformaGênesis dos Elementos Químicos 2

CONTEÚDOS DIGITAIS MULTIMÍDIA

Química1ª Série | Ensino Médio

Substâncias Químicas

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Objetivo geral:

Perceber que há relação entre a evolução do

universo, a atividade de nucleossíntese e a

diversidade dos elementos químicos.

Objetivos específicos:

Identificar a radiação cósmica de fundo como uma

evidência do Big Bang;

Relacionar a formação das estrelas com o acúmulo

dos primeiros elementos químicos;

Definir nucleossíntese;

Diferenciar a nucleossíntese primordial da nucleos-

síntese estelar;

Perceber que diferentes processos, ao longo da evo-

lução do universo, produziram todos os elementos

químicos atuais;

Identificar o fenômeno da supernova como

responsável pela produção de elementos químicos

pesados.

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.

Vídeo (Audiovisual)

Programa: Tudo se Transforma

Episódio: Gênesis dos Elementos Químicos 2

Duração: 10 minutos

Área de aprendizagem: Química

Conteúdo: Substâncias Químicas

Conceitos envolvidos: Big Bang, captura de nêutrons, fusão nuclear,

nucleossíntese estelar, nucleossíntese primordial, radiação cósmica

de fundo, supernovas.

Público-alvo: 1ª série do Ensino Médio

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

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IntroduçãoO programa Tudo se Transforma apresenta a química sob

uma perspectiva histórica, destacando a sua evolução ao

longo da história da humanidade. As descobertas nos estu-

dos do que hoje chamamos de Química contribuíram para

mudanças no estilo de vida e de compreensão do mundo.

Dessa forma, o aluno poderá perceber a importância do

conhecimento científico para o entendimento dos fenôme-

nos naturais que antecederam a história da humanidade.

Este guia acompanha o episódio Substâncias Químicas –

Gênesis dos Elementos Químicos 2, cujo tema central é o pro-

cesso de formação das estrelas e dos elementos químicos

mais pesados. Nesse sentido, serão apresentados tópicos

que poderão ser explorados antes, durante e após a exibição

do vídeo. Selecione aqueles que considerar mais adequados

e acrescente outros, não contemplados no guia. Também

caberá 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, é interessante que você desenvolva

uma atividade extra para substituir a exibição do vídeo, para

que a continuidade do programa não seja prejudicada.

professor!

Procure mostrar aos alu-

nos o quanto a Química

está intimamente relacio-

nada ao nosso dia-a-dia!

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1. DesenvolvimentoVocê 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 precisa

estender-se muito, pois poderá ser retomada de forma mais produtiva após a apresentação do vídeo.

Depois da exibição, tente dar sentido ao assunto abordado no vídeo, contextualizando, sempre que possível, com exemplos

que façam parte do cotidiano dos alunos.Dessa maneira, eles terão condições para questionar e mais facilidade para assimilar o

que foi vivenciado.

As Evidências do Big Bang

Estes fótons formaram a radiação de fundo que é detectada até hoje por radiotelescópios que formam uma “fotografia” do universo dessa época. Essa é uma das maiores provas da teoria do Big Bang.

O episódio Substâncias Químicas – Gênesis dos Elementos Químicos 2 apresenta antigas questões formuladas pela humanidade

acerca da origem do universo. Antes de entrarmos efetivamente no assunto principal deste guia é importante lembrar que o Big

Bang – Grande Explosão – devido à grande concentração de massa e energia no espaço, é uma das teorias mais aceitas sobre o

surgimento do universo. Uma das maiores provas que evidenciam o Big Bang é a existência da radiação cósmica de fundo.

Lembre aos alunos que a teoria do Big Bang propunha que o universo inicial era constituído de um plasma quente de fótons e

elétrons. Explique que essa teoria previa a existência de uma radiação eletromagnética invisível, decorrente do processo de

origem do universo. Essa radiação, denominada radiação cósmica de fundo, deveria existir em todo o universo, ainda nos dias

atuais. Em 1964, dois pesquisadores americanos, Arno Penzias e Robert Wilson, estavam realizando pesquisas de telecomuni-

cações usando um delicado receptor de micro-ondas quando identificaram, acidentalmente, um fraco ruído de fundo. Estranha-

mente, essa radiação de micro-ondas parecia não variar em intensidade, independente da direção da antena. Imediatamente, eles

perceberam que estavam observando uma radiação de fundo em micro-ondas, que enchia todo o espaço de maneira uniforme.

Essa radiação foi chamada de radiação de fundo e identificada como um eco do Big Bang do universo primitivo.

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mais detalhes!

Para saber mais informa-

ções sobre as evidências

do Big Bang, acesse

a reportagem: O que

Mudou na Física Depois

da Radiação Cósmica de

Fundo? Disponível em:

http://www.comciencia.

br/reportagens/cosmi-

cos/cos04.shtml

Antes da radiação desacoplar-se da matéria, os fótons interagiam fortemente com os elétrons livres. Porém, a diminuição de

elétrons livres no espaço fez com que os fótons percorressem o espaço sem entrar em contato com a matéria. Esses fótons

contribuíram para a formação da radiação cósmica de fundo.

As expressões “registro fóssil do Big Bang” ou “eco do Big Bang”, referindo-se à radiação cósmica de fundo, são comumente

usadas pela comunidade científica. Segundo o professor do Departamento de Raios Cósmicos do Instituto de Física da Unicamp,

Roberto de Andrade Martins, essas são boas definições para a radiação cósmica de fundo, e justifica: “o fóssil do peixe não é

mais o peixe, virou algo diferente, não tem mais carne, osso, escama. A radiação também não é mais como era antigamente,

ela seria um vestígio residual da era primitiva”.

Nucleossíntese Primordial

Entre 100 e 150 milhões de anos após o Big Bang, a GRAVIDADE foi unindo parte da matéria for-mada até então. Certos aglomerados de matéria tiveram massas suficientes para formar estrelas.

Os cientistas revelaram que, após o Big Bang, ocorreu o surgimento dos primeiros elementos químicos. Lembre aos alunos

que, entretanto, a nucleossíntese primordial produziu apenas os elementos químicos mais simples, como hidrogênio, hélio,

lítio e berílio. Três minutos depois do Big Bang o universo possuía nêutrons livres e fótons em equilíbrio térmico. Os nêutrons

livres têm vida média em torno de 900 segundos antes de decaírem, gerando um próton, um elétron e um antineutrino do

elétron. O universo ficou cheio de nêutrons e prótons que, em alta pressão, formaram núcleos de deutério e trítio (isótopos do

hidrogênio), e também de hélio-3 e hélio-4 (isótopos do hélio).

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Destaque a imagem e aponte as casas dos quatro elementos químicos mais leves, na posição que estão na tabela periódica:

H1

Be4

He2

Um ponto importante a ressaltar para os alunos é que, durante a fusão nuclear dos núcleos de hidrogênio, parte da massa é

transformada em energia. Uma maneira de exemplificar é utilizando a famosa equação E = m.c2, idealizada por Einstein, onde

a massa m pode transformar-se em energia E. Explique que essa energia gerada pela fusão nuclear equilibra a energia gravita-

cional e mantém a estrela viva e radiante.

Informe aos alunos que alguns milhões de anos após o Big Bang a gravidade começou a unir elementos, contribuindo para a

formação das primeiras estrelas. Devido à ação da gravidade, o núcleo de uma estrela poderia chegar à temperatura de 15 mi-

lhões de graus, tornando possível as reações de fusão nuclear do hidrogênio. Sendo assim, a nucleossíntese passava a ocorrer,

então, no interior das estrelas, sendo chamada de nucleossíntese estelar. Destaque que esse campo de estudo traz à frente

dos nossos olhos um universo muitas vezes não pensado pelos alunos.

Nucleossíntese Estelar

O hélio agora é o principal elemento que alimenta a fusão nuclear na estrela. A natureza se reorganizou sozinha e encontrou um novo equilíbrio.

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mais detalhes!

Leia sobre a formação

dos elementos quími-

cos: MACIEL, Walter J.

Formação dos Elementos

Químicos, IAG/USP,

nº62,66-73, jun/ago

2004. Disponível em:

http://www.astro.iag.

usp.br/~maciel/teaching/

artigos/elementos.html

Informe aos alunos que à medida em que o hidrogênio da estrela vai se esgotando, a estrela é pressionada, cada vez mais,

pela ação da sua própria gravidade. Isso leva o núcleo da estrela a temperaturas de 100 milhões de graus, produzindo a fusão

nuclear do hélio. Nesse exato momento surge o elemento carbono. Vale lembrar que processos semelhantes acontecem,

gerando nitrogênio e oxigênio.

A nucleossíntese estava de volta, dessa vez, no interior das estrelas.

He He Be He C

Fusão Nuclear do Hélio

+ = + =

Átomo de Berílio Átomo de Hélio Átomo de Carbono

Observe que a imagem mostra o processo de fusão de três núcleos de hélio - He (Z=2) que geram, ao final, um átomo de

carbono – C (Z= 6). Esclareça, inicialmente, que dois núcleos de hélio se fundem em um átomo de berílio – Be (Z= 4) e que,

a partir da fusão com outro átomo de hélio, surge o átomo de carbono.

Portanto, ressalte aos alunos que a abundância dos elementos químicos tem a distribuição graduada da seguinte maneira: primeiro,

os elementos mais abundantes no universo – hidrogênio (H), hélio (He), seguidos de carbono (C), nitrogênio (N) e oxigênio (O).

Estrelas grandes podem oferecer condições para a fusão de outros elementos como o cálcio e o alumínio.

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No início do episódio vimos que as estrelas produzem hélio a partir da fusão nuclear do hidrogênio. Depois, com a queima

do hélio, outros elementos são produzidos, como o carbono, e assim por diante. É importante lembrar que estrelas grandes

podem oferecer condições para que o processo de fusão permita que sejam formados outros elementos mais pesados, como

o cálcio (Ca) e o alumínio (Al). Nesse sentido, temperaturas cada vez mais quentes favorecem a fusão de elementos mais

pesados. É importante lembrar que essas reações ocorrem sempre nas regiões mais centrais das estrelas, nos seus núcleos.

Questione os alunos se eles já pararam para pensar que os elementos químicos que compõem a água que bebemos – H2O

– têm bilhões de anos de existência. Lembre-lhes que todos ao átomos de hidrogênio foram formados pela nucleossíntese

primordial, no início do universo, e que o oxigênio foi formado pela nucleossíntese estelar. Pensando nisso, podemos conside-

rar que somos formados de matéria resultante do processo de fusão das estrelas, logo, somos formados de Poeira das Estrelas

(nome de um famoso documentário sobre o tema).

Captura de Nêutrons

Mas, e os elementos mais pesados do que o ferro? Como são criados? De onde eles vêm?

Provoque os alunos e peça que eles observem a tabela periódica e que identifiquem o elemento ferro. Explique aos alunos que

a evolução do universo levou também a uma evolução dos elementos químicos, gerando elementos mais pesados que o ferro

(Z=26). Questione, então, como foram formados os elementos mais pesados do que o ferro. Também solicite que observem,

na tabela periódica, quantos e quais são os elementos mais pesados do que o ferro.

Explique que, além da fusão nuclear, os novos elementos podem ser formados através de um processo denominado captura

de nêutrons. Informe que a captura neutrônica é uma reação nuclear em que nêutrons livres – que são partículas bastante es-

táveis – colidem com núcleos atômicos. A partir desse processo são formados isótopos instáveis que, ao emitir partículas beta,

promovem a conversão de uma parte da massa em prótons, gerando elementos químicos mais pesados.

Indique que esse processo caracteriza a captura lenta de nêutrons.

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A imagem mostra o núcleo atômico sendo bombardeado por nêutrons, que se unem ao núcleo atômico, aumentando

a massa atômica.

Como foi dito anteriormente, as estrelas vão produzindo elementos novos através da fusão nuclear, e esse processo libera

energia. Isso ocorre para todos os elementos mais leves que o ferro. Contudo, o processo estelar que gera o elemento ferro, ao

contrário do que ocorre com os outros elementos, consome energia. Sendo assim, ressalte para os alunos que grande parte da

energia da estrela vai sendo consumida e, por isso, ela acaba resfriando-se repentinamente. Nesse resfriamento repentino, o

núcleo da estrela é totalmente transformado em ferro em poucas horas!

Desta maneira, a pressão também cai e as camadas mais externas começam a migrar em direção ao centro da estrela.

No centro, elas esbarram com o núcleo sólido de ferro e voltam, sendo ejetadas para o espaço a altas velocidades: o que

chamamos de supernova.

Supernova

Supernovas são fenômenos muito energéticos que surgem quando estrelas gigantescas, pelo menos 9 vezes maiores que o Sol, sucumbem à sua própria gravidade.

Explique aos alunos que as supernovas implodem e depois explodem, expelindo nêutrons, núcleos de elementos químicos,

outras partículas e muita energia. Esse processo é denominado captura rápida de nêutrons. Retome, então, que, através

da captura dos nêutrons, os elementos mais pesados podem ser gerados. Podemos imaginar o núcleo de um determinado

elemento químico sendo violentamente bombardeado por nêutrons no momento da explosão da estrela. Assim, alguns

nêutrons podem ser retidos pelos núcleos e, a partir de reações nucleares, mudar o número de prótons, ocorrendo a

transmutação de um elemento em outro. Se nas estrelas ocorre a captura lenta de nêutrons, nas supernovas a captura

rápida de nêutrons envolve um grande fluxo energético.

Lembre, ainda, que os raios cósmicos de alta energia que vagam pelo espaço podem atingir o núcleo de elementos que foram

expelidos pelas supernovas, fragmentando-os e produzindo uma diversidade de elementos mais leves.

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mais detalhes!

Leia o texto Supernovas,

de Luis Guilherme Haun,

publicado em:

http://www.planeta-

riodorio.com.br/index.

php?option=com_conte

nt&view=article&id=650:

supernovas&catid=56:as

trofisica&Itemid=169

Conclua, informando que esses processos reunidos produziram todos os elementos químicos que encontramos hoje no universo.

Destaque a imagem que mostra os elementos da tabela periódica, comentando que foram produzidos (e estão sendo), em

diversos momentos da evolução do universo, por diferentes processos.

Os processos de nucleossíntese iniciados há bilhões de anos permanecem ativos. Estrelas nascem, estrelas morrem o tempo todo.

AtividadesPeça aos alunos que se organizem em grupos de cinco. Eles deverão escolher entre três processos estudados e desenvolver

um projeto gráfico: o primeiro consiste na representação do surgimento do carbono a partir da fusão dos núcleos do elemento

hélio, através de um desenho; o segundo deverá ilustrar o processo de nucleossíntese estelar; e o terceiro deverá representar

o que ocorre no fenômeno da supernova. Os alunos poderão usar os recursos gráficos que acharem melhor. Juntamente com os

projetos, eles deverão entregar, por escrito, uma redação, detalhando o que ocorre nos dois processos.

Proponha um debate sobre a questão do surgimento das estrelas, apresentada no episódio. Tente fazê-la de forma ordenada,

para que os alunos possam expressar o que mudou com a apresentação do tema e qual a ideia que eles tinham antes da

exibição do conteúdo.

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c) Professor, faça um levantamento dos planetários no Brasil. Caso haja algum existente nas regiões próximas à escola ou nas

cidades vizinhas, seria interessante levar os alunos para esse passeio. Eles teriam a experiência visual sobre o universo e a

formação das estrelas, ou seja, seria uma boa oportunidade para fixar o conteúdo estudado em sala.

AvaliaçãoO processo de avaliação deve ser visto como parte do desenvolvimento da aprendizagem. Isso quer dizer que todos os momentos

em sala para a construção do conhecimento devem ser levados em consideração, desde a contribuição dos alunos com a participa-

ção e debates sobre os conteúdos, quanto a realização das atividades propostas no fim de cada apresentação.

A avaliação possibilita ao professor avaliar seu próprio trabalho, uma vez que a participação dos alunos, as dúvidas apresentadas

e os resultados das atividades fornecem a ele subsídios para identificar se o objetivo inicial foi atingido ou se há necessidade de

uma nova reformulação na apresentação do conteúdo.

InterdisciplinaridadeSugira aos professores de Geografia e História que falem sobre o modelo geocêntrico e heliocêntrico, detacando a sua impor-

tância na nossa percepção de mundo. Se possível, organizem um encontro para apresentarem o tema em conjunto.

Estimule seus alunos a discutirem com os professores de História e/ou de Filosofia sobre os mitos cosmogônicos (origem do

universo) presente nas lendas e mitos criados pelos diversos povos para explicar a origem do universo.

Também seria interessante que na aula de Artes, o professor da disciplina orientasse a produção dos modelos envolvidos na

temática estudada em Química.

3.

4.

VÍDEO - AUDIOVISUAL

EQUIPE PUC-RIO

Coordenação Geral do ProjetoPércio Augusto Mardini Farias

Departamento de Química Coordenação de Conteúdos José Guerchon

Revisão Técnica Nádia Suzana Henriques Schneider

Assistência Camila Welikson

Produção de Conteúdos André Moisés Nisenbaum CCEAD - Coordenação Central de Educação a Distância Coordenação GeralGilda 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 ProfessorStella M. Peixoto de Azevedo Pedrosa

Assistência de Produção dos Guias do ProfessorTito Tortori

RedaçãoAlessandra Muylaert ArcherGisele MouraGislaine GarciaTito Tortori

DesignEduardo DantasIsabela La CroixRomulo Freitas

RevisãoAlessandra Muylaert ArcherGislaine Garcia