UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE DO ESPÍRITO SANTO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS NATURAIS
Modelo Atômico Quântico: Uma análise dos livros didáticos utilizados
em escolas de Ensino Médio dos municípios de São Mateus e Conceição
da Barra
Luiza Queiroz Barbosa
Monografia de Conclusão de Curso
São Mateus-ES
2018
Luiza Queiroz Barbosa
Modelo Atômico Quântico: Uma análise dos livros didáticos utilizados
em escolas de Ensino Médio dos municípios de São Mateus e Conceição
da Barra
Monografia apresentada ao
Departamento de Ciências
Naturais – DCN-CEUNES,
Universidade Federal do Espírito
Santo, como parte dos requisitos
para obtenção do título de
Licenciado em Química
Orientadora: Prof (a). Dr (a). Carla
da Silva Meireles
São Mateus-ES
2018
Luiza Queiroz Barbosa
Modelo Atômico Quântico: Uma análise dos livros didáticos utilizados
em escolas de Ensino Médio dos municípios de São Mateus e Conceição
da Barra
Monografia apresentada ao
Departamento de Ciências Naturais
– DCN-CEUNES, Universidade
Federal do Espírito Santo, como
parte dos requisitos para obtenção
do título de Licenciado em Química
São Mateus, 22 de Junho de 2018
BANCA EXAMINADORA
____________________________
Prof (a). Dr (a). Carla da Silva Meireles – Orientador (a)
____________________________
Prof (a). Dr (a). Ana Nery Furlan Mendes
____________________________
Prof (a). Ma. Kelly Grace Rizzi Siqueira
São Mateus-ES
2018
A Deus, por me dar forças para trilhar o meu caminho e aos meus pais por me fazerem a
pessoa que sou hoje e por sempre me apoiarem, acreditarem no meu potencial e pela
total motivação, força e suporte para continuar.
Agradecimentos
Primeiramente, devo agradecer à minha família: meus queridos pais, Adalberto e Fatima,
sem eles, eu não conseguiria realizar essa jornada, que acredito estar apenas começando.
Aos meus irmãos Thais e Rodrigo que mesmo longe estão próximos me dando apoio. Ao
meu irmão Rocktalles, minha sobrinha afilhada Liz e minha cunhada Thais que
contribuíram imensamente para a realização do meu trabalho.
Ao meu namorado Bruno, por estar comigo e me fazer acreditar que eu chegaria até aqui.
Agradeço por toda paciência e total compreensão nos momentos que estive ausente.
Gostaria de agradecer imensamente a minha orientadora, Carla da Silva Meireles, por
acreditar em mim e por estar sempre disposta a ajudar. Obrigada pelas orientações e pelas
aprendizagens que tive no decorrer deste trabalho.
Gostaria de agradecer também a Banca examinadora: professora Ana Nery e professora
Kelly Rizzi por terem aceitado contribuir com minha pesquisa.
Agradeço aos professores que tive durante a faculdade. Obrigada pelos ensinamentos e
pela enorme contribuição para minha aprendizagem. Vocês foram de extrema
importância ao longo desta caminhada.
Aos amigos que fiz no decorrer da faculdade, Patrícia, Kercya, Janaina, Gracielle, que
estiveram junto comigo nos momentos mais difíceis e também nos momentos alegres,
reforçando ainda mais a amizade e principalmente a Marla, pela amizade que levarei
comigo para a vida e por não me deixar desistir e me fazer acreditar que eu conseguiria
concluir esta etapa.
“Não importa quanto a vida possa ser ruim, sempre existe algo que você pode fazer, e
triunfar. Enquanto há vida, há esperança”.
Stephen Hawking.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 12
1.1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................................... 15
1.1.1. VISÃO SOBRE O PROGRAMA NACIONAL DO LIVRO E DO MATERIAL DIDÁTICO E
O LIVRO DIDÁTICO: UM OLHAR CRÍTICO................................................................................... 15
1.1.2. A EVOLUÇÃO DOS MODELOS ATÔMICOS À LUZ DA TEORIA QUÂNTICA ............... 17
1.1.3.AS IMPLICAÇÕES DA MECÂNICA QUÂNTICA NO ENSINO E O MODELO ATÔMICO
QUÂNTICO INSERIDO NO ENSINO MÉDIO ................................................................................... 28
2. OBJETIVOS ......................................................................................................................................... 32
2.1. OBJETIVO GERAL ............................................................................................................................ 32
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................................................. 32
3. METODOLOGIA................................................................................................................................. 33
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................................................... 35
4.1. A ANÁLISE DOS LIVROS DIDÁTICOS .................................................................................................. 35
4.1.1.LIVRO 1: VIVÁ (V1) ....................................................................................................................... 36
4.1.2. LIVRO 2: SER PROTAGONISTA (S1) ............................................................................................... 37
4.1.3. LIVRO 3: QUÍMICA (Q1) ................................................................................................................ 38
4.1.4. LIVRO 4: QUÍMICA CIDADÃ (QC3) ................................................................................................ 40
4.2. CATEGORIAS .................................................................................................................................... 42
4.2.1. CATEGORIA: ANALOGIAS E FIGURAS RELACIONADAS A QUANTIZAÇÃO DE ENERGIA..................... 43
4.2.2. CATEGORIA: A REPRESENTAÇÃO MODELO ATÔMICO QUÂNTICO ................................................... 47
4.3. PROPOSTA DE ABORDAGEM PARA ENSINO DO MODELO ATÔMICO QUÂNTICO ................................. 50
4.3.1. ROTEIRO PARA PROPOSTA DE ABORDAGEM PARA ENSINO DO MODELO ATÔMICO QUÂNTICO....... 51
5.CONCLUSÃO........................................................................................................................................ 55
6. SUGESTÃO PARA ESTUDOS POSTERIORES.............................................................................. 57
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................................ 58
8. APÊNDICE ........................................................................................................................................... 63
APÊNDICE A ............................................................................................................................................ 63
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Símbolos criados por Dalton para os elementos e seus compostos..................18
Figura 2- Aparelho usado por Thomson para investigar as propriedades do elétron......19
Figura 3- Ilustração do modelo proposto por Thomson..................................................20
Figura 4- Ilustração do modelo proposto por Rutherford................................................21
Figura 5- Decomposição da luz branca por um prisma .....................................................44
Figura 6- Obtenção do espectro de emissão do hidrogênio formando linhas descontínuas
...............................................................................................................................................45
Figura 7- Modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio ao emitir energia .......................45
Figura 8- Analogia a quantização de energia sendo transferida em "pacotes de energia"
...............................................................................................................................................46
Figura 9- Representação modelo de Bohr e o espectro atômico.......................................47
Figura 10- Representação do orbital 1s para o átomo de hidrogênio................................48
Figura 11- Forma dos orbitais p .......................................................................................49
Figura 12- Representação da densidade e probabilidade do modelo quântico.................49
Figura 13- Formato dos orbitais s, p e d, maior probabilidade de se encontrar o elétron
...............................................................................................................................................50
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 – Identificação dos Livros do PNLD 2018 das diferentes escolas
analisadas e suas regiões..................................................................................................35
QUADRO 2 – Tema referente a análise dos livros.........................................................36
QUADRO 3 – Verificação da abordagem sobre MQ e suas categorias................................43
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SIMBOLOS
BNCC – Base Nacional Comum Curricular
INEP –Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais Anísio Teixeira
LD – Livro Didático
MAQ – Modelo Atômico Quântico
MEC – Ministério da Educação
MQ – Mecânica Quântica
PNLD – Programa Nacional do Livro e do Material Didático
SEDU – Secretaria de Educação do Estado do Espirito Santo
RESUMO
Neste estudo avaliou-se os livros didáticos selecionados pelo Programa Nacional do Livro
e do Material Didático de 2018, que são utilizados na disciplina de química em escolas
do ensino médio dos municípios de Conceição da Barra e algumas escolas de São Mateus,
de acordo com a abordagem do modelo atômico quântico. Considerando que o livro é um
recurso prático e muito utilizada pelo professor, foi abordado uma investigação de como
essa ferramenta auxilia a aprendizagem dos temas envolvendo a mecânica quântica. Para
tanto, foi realizada a busca dos livros referente ao Programa Nacional do Livro e do
Material Didático de 2018 utilizados pelas escolas da região. Aplicou-se, em sequência,
as técnicas de análise de conteúdo de Bardin como método de coleta de dados,
verificando-se no estudo como as teorias quânticas e o modelo atômico quântico são
abordados. A partir da análise de dados foi possível verificar que dentre os quatro livros
analisados, os livros "Química" e "Química Cidadã" utilizados no Instituto Federal do
Espírito Santo e na escola Ceciliano Abel de Almeida, respectivamente, ambas do
município de São Mateus, apresentaram resultados esperados visto que abordavam o
conhecimento da mecânica quântica aplicados principalmente ao modelo atômico
quântico. Os livros “Vivá” e “Ser Protagonista” utilizados nos municípios de Conceição
da Barra e São Mateus, apresentaram no mínimo um dos temas analisados. Com isso,
mostrou-se que é possível a química quântica, ser trabalhada no ensino médio mesmo
com um pouco de limitação, devido à complexidade matemática envolvida. Este fato,
apresenta um desafio para o professor, porém, não é impossível aplica-lo. Foi feita uma
sugestão de abordagem, realizadas numa sequência de aulas, em que utilizam-se várias
ferramentas como reportagens em revistas, jornais, filmes, etc., abrindo debates
relacionados ao tema, com o professor direcionando o conteúdo através da fala dos
alunos. A proposta de aula permite, no seu transcorrer, a oportunidade de fazer-se a
ligação entre os temas abordados e a vida real. Portanto, torna-se evidente por meio de
todo o estudo realizado através da análise do livro didático, que o ensino do modelo
atômico quântico é possível de ser aplicado e é uma forma de o aluno estar inteirado com
o mundo a sua volta.
Palavras-chave: Modelo Atômico Quântico. Mecânica Quântica. Livro Didático.
ABSTRACT This article assessed the didactic books selected by the Program National Book and Teaching Material of 2018, which are used at the discipline of chemistry in high schools at the district of Conceição da Barra and São Mateus, according to broached the quantum atomic model. Considering that, the book is a practical resource and much used by the teacher, an investigation was made as to how this tool helps the learning of the themes involving quantum mechanics. For that, was necessary to make a research of the books related to the the didactic books selected by the Program National Book and Teaching Material of 2018 used by the schools of the region. Then, the techniques of content analysis of Bardin were applied as a method of data collection, and it was verified how quantum theories and quantum atomic model are they broached. As from the data analysis, it was possible to verify that among the four books analyzed, the books "Chemistry" and "Citizen Chemistry", used in the Federal Institute of Espírito Santo and at Ceciliano Abel de Almeida School, respectively, both from São Mateus, district, presented expected results as they broached the knowledge of the quantum mechanics applied mainly to the quantum atomic model. The books “Vivá” and “to be protagonist”, used in the district of Conceição da Barra and São Mateus presented at least one of the themes analyzed. With this, it was shown that it is possible to quantum chemistry, to be worked in high school even with a little limitation, due to the mathematical complexity involved. This fact presents a challenge for the teacher; however, it is not impossible to apply it. A suggestion of an approach was proposed proposing the use of pedagogical workshops, performed in a sequence of classes, in which several tools are used as articles in magazines, newspapers, films, etc., opening debates related to the theme, with the teacher directing the content through the students' speech. The class proposal workshop allows, in the course of time, the opportunity to make the connection between the topics addressed and the real life. Therefore, it is evident from all the accomplished study by the didactic book analysis that the teaching of the quantum atomic model is possible to be applied and is a way for the students to be acquainted with the world around them.
Keywords: Quantum Atomic Model. Quantum Mechanics. Didactic Books.
12
1. INTRODUÇÃO
O ensino de química quântica é importante para que os alunos se tornem cidadãos aptos
a entender as transformações da natureza. O ponto chave do entendimento das transformações
que o cercam é o conhecimento do átomo, bem como as partículas que o constituem. Tendo
como base os princípios da mecânica quântica (MQ), uma ciência que melhor explica à
estrutura dos átomos e, consequentemente, todas as formas de matéria existentes, destaca-se
então a importância de sua abordagem em sala de aula. Diante disso, fica evidente a necessidade
de investigar como os temas relacionados a MQ são abordados no livro didático (LD) e se estes
apresentam o modelo atômico quântico (MAQ).
Conceitos químicos como estrutura da tabela periódica, ligações químicas e formação
de moléculas apresentam como base os conceitos que envolvem o MAQ. Este modelo consegue
descrever o comportamento da estrutura dos átomos com um ou mais elétrons, ou seja,
demonstra a evolução para a explicação do átomo por não mais considerar a física clássica e
sim a revolucionária MQ. Entretanto, como discussões entre teorias da física clássica e quântica
existem até hoje, elas devem ser levadas a sala de aula para que os alunos entendam a construção
da ciência (COSTA, 2016).
Ao tratar os modelos atômicos sem levar em consideração o modelo mais atual devido
sua complexidade matemática, faz com que os alunos não sejam estimulados quanto a busca do
conhecimento. Conforme destaca Lourenço e Paiva (2010, p. 139), “[...] a motivação no
contexto escolar tem sido avaliada como um determinante crítico do nível e da qualidade da
aprendizagem e do desempenho. Um aluno motivado revela-se [...] envolvido no processo de
aprendizagem [...]”. A falta de motivação e estímulos, por meras abordagens superficiais dos
modelos atômicos não desperta a curiosidade do discente levando-o a desmotivação.
A investigação de como os conteúdos estão abordados nos LD é uma prática recorrente,
pois o ensino da educação básica é comumente realizado em "[...] um trabalho pedagógico de
desenvolvimento curricular fundamentalmente apoiado no uso de livros-texto nas diferentes
disciplinas [...]" (CHAVES, 2011, p. 9). É possível pensar que se um conteúdo não está no livro,
13
não há a necessidade de ser abordado. Porém, o professor deve ter a percepção e o olhar crítico
de quais conteúdos são plausíveis de serem abordados de acordo com o currículo. É importante
destacar a aplicação deste tema, sendo um ponto fundamental o desenvolvimento desta ciência
envolvendo os conceitos do MAQ principalmente para o avanço das teorias químicas.
Diante disso, se justifica a análise de conteúdo dos LD para investigar como o MAQ
está representado, bem como as características quânticas que foram utilizadas para a evolução
dos modelos atômicos até o modelo atual. De acordo com Bardin (2011, p. 31) a análise de
conteúdo apresenta um “leque de apetrechos; ou, com maior rigor, um único instrumento, mas
marcado por uma grande disparidade de formas e adaptável a um campo de aplicação muito
vasto: as comunicações”. As comunicações que a autora considera são vários meios os quais
possuem um emissor, no caso da pesquisa o LD, e um receptor, os alunos que estão diariamente
em contato com os LD.
É necessário analisar os livros pois é uma das ferramentas mais utilizadas em sala de
aula. A preocupação de como os conceitos serão abordados no ensino médio é de grande valia
para um melhor ensino/aprendizagem. Definitivamente, vale considerar a preocupação de como
os conceitos serão abordados através da análise dos resultados, sendo possível, de acordo com
Bardin (2011, p. 22) “[...] regressar às causas, ou até descer aos efeitos das características das
comunicações”.
Pode-se dizer que a abordagem do MAQ no ensino de química quando se compara os
diferentes livros didáticos do PNLD utilizados em sala, alguns apresentam de forma clara e bem
acessível aos alunos e em outros nem são abordados. Por essa razão, tem particular relevância
a análise realizada, podendo verificar como estão descritas essas abordagens.
Embora exista uma complexidade matemática envolvida no ensino do MAQ é
importante considerar o contexto histórico, as suas contribuições para o avanço da ciência e a
interdisciplinaridade com outras disciplinas como física, matemática, química e até filosofia.
De acordo com a Base Nacional Comum Curricular (BNCC) é importante utilizar da
interdisciplinaridade para a prática escolar. O ensino do MAQ destaca-se por isso, estando no
âmbito do que é discutido no documento para as ciências naturais e, consequentemente, sendo
um bom aliado ao docente e viável de ser aplicado em sala de aula (BRASIL, 2018).
14
A teoria descrita nos atuais livros do ensino médio necessita de uma complementação
motivacional e mais prática, como um conteúdo mais atual que desperte o interesse e o ser
crítico no aluno, fazendo com que este acompanhe os avanços no mundo. Portanto, pretende-
se avaliar os LD do PNLD 2018 selecionados pelas escolas do município de Conceição da Barra
e algumas escolas do município de São Mateus investigando a abordagem das principais teorias
envolvendo a MQ e o MAQ. Ao final deste estudo, será apresentado um roteiro de aula com
proposta de abordagem sobre o assunto.
15
1.1. Revisão Bibliográfica
1.1.1. Visão sobre o Programa Nacional do Livro e do Material Didático e o
livro didático: um olhar crítico
O PNLD é um programa do governo federal brasileiro. As escolas, uma vez cadastradas
no Censo Escolar do INEP, recebem os LD para melhor utilizarem os recursos pedagógicos
buscando um ensino de qualidade. Neste contexto, o MEC (2018) deixa claro que o programa
contém um guia dos LD que foram avaliados por profissionais da educação e foram escolhidos
para o programa vigente. Através de um edital online é disponibilizado pequenos resumos dos
livros para visualização do docente. Os professores recebem os exemplares completos e a partir
daí fazem a escolha do livro para ser adotado na escola.
De acordo com Almeida e Freitas (2011), pode-se dizer que a utilização de recursos
pedagógicos é imprescindível na busca do conhecimento, no desenvolvimento do ser social e,
consequentemente, no processo para um ensino de qualidade quando afirma que a utilização de
materiais didáticos é importante para desenvolver no aluno competências e habilidades que os
asseguram às transformações da realidade. Alega que o papel do professor é de suma
importância pois em conjunto com os recursos didáticos dão condições para o processo de
aprendizado do discente.
Conforme citado anteriormente é interessante, a utilização do LD como um recurso
usado pelo professor para complementar a sua metodologia de ensino podendo ser utilizada
para diversificar as aulas e que o aluno veja o livro como um material de apoio que pode estar
sempre em contato através de sua leitura. Um fato que se sobrepõe a escolha desse material são
às adequações das práticas escolares. No entanto o PNLD dispõe de uma lista com as
características dos livros aprovados que orientam a escola na escolha.
Conforme verificado por Nogueira, Silva e Colombo (2018), os LD ocupam um papel
de destaque na sala de aula devido as sistematizações e olhares voltados a ele pelo PNLD. Os
livros por passarem por um processo de seleção, contemplam as orientações que são
disponibilizadas pelo edital do PNLD e não pelo olhar crítico do professor que acaba se
passando por interlocutor secundário. O autor deixa claro que o LD deve alcançar muito mais
16
os docentes e os alunos. Assim, reveste-se de particular importância que o professor não perca
sua autonomia por decidir quais conteúdos abordar e quais sequências didáticas seguir.
É importante ressaltar que ambos os autores Almeida e Freitas (2011) e Nogueira, Silva
e Colombo (2018) falam a respeito dos suportes usados em sala de aula, mas, em cima disso,
destacam sempre o papel do professor. Porém, como menciona Nogueira, Silva e Colombo
(2018, p. 314) "[...] à medida que os programas e livros didáticos passam a elaborar e detalhar
a sequência e o formato das atividades de ensino, os professores vão, pouco a pouco, sendo
destituídos do trabalho de concepção e organização do ensino [...]". Deve-se ter uma análise
crítica dos recursos utilizados. As diretrizes do PNLD vem a compactuar para a melhoria dos
conteúdos dos livros porém o professor tem que ter um olhar crítico quanto a isso.
De acordo com Pavão e Freitas (2008, p. 21):
[...] os livros apresentam problemas e o professor deve estar sempre atento para
trabalhar eventuais incorreções. Também é preciso perceber que o livro é uma
mercadoria do mundo editorial, sujeito às influências sociais, econômicas, técnicas, políticas e culturais como qualquer outra mercadoria que percorre os caminhos da
produção, distribuição e consumo.
Quanto a percepção que o professor deve ter a respeito da utilização do LD, o autor
citado anteriormente deixa claro que os livros são passíveis de erros mas, cabe ao professor um
olhar crítico para melhor aproveitar essa ferramenta. Não se trata de não fazer o seu uso, até
porque seu uso reveste-se de particular importância, julga-se pertinente trazer à tona que em
conjunto com as metodologias de ensino do docente pode-se elevar o nível do ensino.
Por fim, podemos chegar à conclusão de que o PNLD e os LD nele selecionados são
importantes para a progressão do ensino. Logo, é indiscutível uma abordagem sobre as questões
relacionadas ao tema. Nesse sentido, é interessante se atentar para as exigências determinadas
pelos editais que justificam a escolha dos livros pelo PNLD, como isso contribui para os
conteúdos descritos nos livros e como reflete nos professores e alunos das escolas públicas.
17
1.1.2. A evolução dos modelos atômicos à luz da teoria quântica
No final do século XIX ocorreu uma grande reviravolta no que se acreditava ser o
comportamento das partículas que constituem o átomo. Essa revolução teve como ponto de
partida a teoria de quantização proposta por Max Planck. Neste período o átomo de Dalton já
havia sido contestado devido a descoberta do elétron. Vários problemas estavam sendo
discutidos e até então, não tinham solução segundo as teorias conhecidas. Dentre estes
problemas, cita-se a radiação do corpo negro, efeito fotoelétrico, espectro atômico e estrutura
atômica. Neste momento surge uma nova ciência aplicada ao átomo que, de certo modo, se
consolidou através de vários confrontos ao entendimento da física da época para vários
pesquisadores. Assim, é de particular importância, o conhecimento da história da evolução dos
modelos atômicos até se chegar no MAQ, o modelo atual.
Esta evolução resultou em avanços de pesquisas em diversas áreas ligadas direta e
indiretamente a esse tema devido principalmente no que diz respeito a tecnologias que utilizam
como base os princípios quânticos. Desta forma, faz-se necessária uma breve descrição da
evolução dos modelos atômicos iniciando por Dalton com a esfera indivisível, J.J. Thomson
com a descoberta do elétron, Rutherford com o modelo planetário, Bohr sendo o primeiro a
utilizar os conceitos quânticos e Schrodinger com o MAQ.
No ano de 1803 o professor e químico inglês John Dalton propôs sua teoria atômica. Foi
o primeiro cientista a defender que a matéria era constituída por átomos e desenvolver os
primeiros símbolos das representações dos átomos e consequentemente das moléculas (Figura
1). Definiu as características de massa sendo também o primeiro a contribuir para que o conceito
abstrato do átomo fosse deixado de lado. Dalton propôs o átomo com a forma de uma esfera
maciça como uma bola de bilhar (SANTOS, 2016).
18
Figura 1 - Símbolos criados por Dalton para os elementos e seus compostos
Fonte: (FILGUEIRAS, 2004, p. 42)
Camara (2015), afirma que embora já se soubesse da existência do átomo desde a
antiguidade, Dalton foi o primeiro a modifica-lo e utilizar o atomismo para explicar as questões
de conservação das massas e das proporções nas reações.
Dalton propôs a hipótese atômica (ATKINS e JONES, 2006, p. 38), constituída pelos
seguintes postulados:
1. Todos os átomos de um dado elemento são idênticos
2. Os átomos de diferentes elementos têm massas diferentes.
3. Um composto tem uma combinação específica de átomos de mais de um
elemento.
4. Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos, porém
trocam de parceiros para produzir novas substâncias.
Essas discussões acercado conhecimento da estrutura atômica são apontadas por Perez,
Castro e Nascimento (2018) em que relatam que muitos químicos da época atribuíam o modelo
de Dalton como artifício para a explicação das proporções das massas e não para conhecimento
e determinação da estrutura do átomo. Fato este que veio a ser complementado por outros
cientistas com descobertas que permitiram um conhecimento maior da estrutura interna da
matéria. Os autores apontam que em 1897 para se somar às discussões sobre o átomo, o físico
britânico J.J. Thomson através de experimentos com raios catódicos descobriu o elétron. Os
autores também ressaltam que nem bem o conceito do átomo deixou de ser abstrato, pois
19
segundo Dalton os átomos eram considerados esferas perfeitas, como as bolas de bilhar, a
primeira partícula subatômicas, ainda menor, havia sido descoberta. Determinando assim parte
da estrutura interna do átomo e avançando ainda mais a ciência.
Através de experimentos que eram realizados em um tubo de vidro no vácuo, Thomson
investigava os raios catódicos que eram provenientes de alta diferença de potencial entre dois
eletrodos metálicos. O cientista conseguiu comprovar experimentalmente que os feixes de raios
catódicos eram partículas carregadas negativamente, pois eram desviados por um campo
elétrico colocado entre duas placas e um campo magnético (Figura 2). Thomson observou que
os raios catódicos, feixe de elétrons, eram emitidas independente do átomo de metal usado,
determinando assim que os elétrons eram constituintes do átomo (ATKINS; JONES, 2006).
Figura 2- Aparelho usado por Thomson para investigar as propriedades do elétron
Fonte: (ATKINS; JONES, p. 39)
De acordo com Mahan e Myers (1995, p. 267):
Thomson demonstrou que quando raios catódicos são desviados de modo a se
chocarem com o eletrodo de um eletrômetro, o instrumento acusa uma carga negativa.
Além disso, ele foi o primeiro a demonstrar que tais raios são desviados pela ação de
um campo elétrico: constatou-se que são repelidos pelo eletrodo negativamente
carregado.
Com a descoberta de J. J. Thomson, o qual determinou a existência de uma partícula
menor que o átomo, com carga elétrica negativa e sendo atraídos por partículas positivas,
tornando-o, assim, eletricamente neutro. Thomson propôs o modelo atômico conhecido como
“pudim de passas” sendo os elétrons as passas e o pudim a massa de carga positiva.
20
Andrade (2015) discute que no modelo atômico proposto por J. J. Thomson, o termo
mais usual para como os elétrons se encontram é dito que a carga elétrica está incrustada em
uma esfera carregada positivamente constituindo assim o átomo (Figura 3).
Figura 3- Ilustração do modelo proposto por Thomson
Fonte: (NISENBAUM, acesso em 20 jun., 2018, p. 13)
O átomo no modelo proposto por Thomson, de acordo com Mahan e Myers (1995, p.
269) é “[...] uma esfera uniforme, carregada positivamente, com um raio de cerca de 10-8cm, na
qual os elétrons estariam inseridos de modo a se obter o arranjo eletrostaticamente mais
estável”.
O modelo de Thomson foi superado, em 1908 pelo físico Ernest Rutherford, como
consequência do experimento realizado pelo físico sobre espalhamento de partículas alfa por
folhas de metal. O experimento está relacionado com o trabalho sobre radioatividade
desenvolvido por Rutherford e, foi dado como importante para o aprimoramento da estrutura
do átomo. O experimento consistiu em incidir partículas (feixes de partícula com carga
positiva), proveniente de elementos radioativos, em uma fina camada de ouro, sendo observado
que algumas partículas sofriam desvios superiores a 90º, e a grande maioria sofria pequena
deflexão ou passava facilmente pela folha do metal (ATKINS; JONES, 2006). Mediante o
comportamento das partículas de carga positiva incididas e observadas experimentalmente,
Rutherford propôs “[...] um modelo de átomo no qual existe uma densa carga positiva central
circundada por um grande volume de espaço quase vazio. Rutherford chamou essa região de
21
carga positiva de núcleo atômico” (ATKINS; JONES, 2006, p.40, grifo do autor) e, estando os
elétrons em constante movimento em volta do núcleo.
Braga e Filgueiras (2013) destacam que em 1911 Rutherford propôs o modelo chamado
planetário, pois faz analogia ao sistema solar em que o átomo possui um núcleo positivo,
evidenciado pelos desvios das partículas , com os elétrons girando em torno do núcleo na
chamada eletrosfera. Com o núcleo atômico positivo a “[...] maioria das partículas alfa passava
pelo metal sem sofrer qualquer deflexão. Uma primeira conclusão foi que o átomo tem um
grande volume vazio [...]” (BRAGA; FILGUEIRAS, 2013, p. 1076). No entanto, o modelo
apresentava algumas falhas por atribuir ao comportamento dos elétrons leis baseadas na física
clássica. Esta conseguia explicar muito bem o movimento a nível macroscópico, como por
exemplo o movimento dos planetas, porém a nível microscópico não conseguia explicar o
movimento dos elétrons. No modelo proposto, os elétrons em constante movimento em volta
do núcleo (Figura 4), seguindo a física da época pela lei do eletromagnetismo, ocasionaria na
emissão de radiação, perda de energia das partículas e consequentemente fariam um movimento
em espiral e colidiriam com o núcleo. Com isso, o átomo planetário tornou-se instável.
Figura 4- Ilustração do modelo proposto por Rutherford
Fonte: (NISENBAUM, acesso em 20 jun., 2018, p. 17)
22
Segundo Pereira e Silva (2018), no início do século XX o aparecimento da mecânica
quântica possibilitou a compreensão de uma realidade moderna para o entendimento do átomo
com um novo olhar.
Um destaque na evolução da mecânica quântica foi o físico Max Planck. No ano de
1900, usando uma teoria diferente da física clássica que considerava a equipartição de energia,
Planck propôs a hipótese quântica que atribuiu a formas de energia sendo decompostas em
unidades discretas, que ele denominou de quanta, ou quantum de energia (MOURA,
FRANCISCO, et al., 2011). A hipótese por ele proposta conseguiu explicar a radiação emitida
pelo corpo negro, que era um dos problemas que a física da época não conseguia explicar. O
corpo negro, objeto que quando aquecido se comporta como absorvedor ideal, é capaz de
absorver toda a radiação incidida sobre ele. Esta radiação emite luz vermelha, passando do
laranja ao amarelo, até a cor branca, ou seja, ele não tem preferência em absorver ou emitir em
comprimentos de onda únicos (ATKINS; JONES, 2006).
Em sua hipótese quântica ele explicou a emissão de radiação considerando que um
oscilador, que são átomos aquecidos do corpo negro, absorve radiação apenas em pequenos
pacotes de energia, que ele denominou de “quantum” para a radiação emitida pelo corpo negro.
Com isso, a teoria quântica possibilitou um avanço ainda maior na ciência, pois conseguia
explicar não apenas a radiação do corpo negro mas também diversos outros fenômenos que até
então a mecânica clássica não conseguia explicar. Além disso, passou-se a ter melhor
entendimento da estrutura e explicações de como as partículas menores que e átomo se
comportavam (BRAGA; FILGUEIRAS, 2013).
A proposta da hipótese quântica de Planck atribui a energia liberada na radiação do
corpo negro pelo oscilador como sendo comumente chamada de E, à qual é emitida apenas em
múltiplos de h, ou seja, possui quantidade discreta, ou quanta de energia. A relação de Planck
descrita a seguir foi a que alavancou a mecânica quântica. Ajustou experimentalmente a
constante de proporcionalidade, h, denominada constante de Planck que possui valor de
6,63 𝑥10−34 J.s.E, a equação é dada por: E = nh, onde n é um número inteiro positivo e
diferente de zero (CAMARA, 2015).
Sá (2015) acrescenta grande contribuição também do físico Albert Einstein para o
desenvolvimento da mecânica quântica, inicialmente através de seu artigo sobre o Efeito
Fotoelétrico o qual foi laureado com o Premio Nobel. No efeito fotoelétrico, determinada
23
incidência de radiação na forma de luz sobre o metal pode arrancar um elétron da superfície do
metal (MAHAN; MYERS, 1995, grifo nosso).
Porém, a física clássica não conseguia explicar dados experimentais obtidos seguindo a
teoria ondulatória (MAHAN; MYERS, 1995, p. 272), como por exemplo:
• Os elétrons não serem emitidos a menos que a frequência da radiação da luz
fosse maior que um determinado valor característico do metal;
• A velocidade dos elétrons emitidos aumenta com o aumento da frequência da
onda eletromagnética;
• O aumento da intensidade da luz incidente não altera a energia dos elétrons
ejetados e sim o número de elétrons
Assim, em 1905, Einstein propôs “que a energia das partículas vibrantes dos sólidos era
quantizada. Isso significa que elas não podem possuir valores quaisquer de energia, mas sim
aqueles múltiplos de uma energia mínima” (MOURA, FRANCISCO, et al., 2011, p. 246).
Rosa (2004) aponta que Einstein conseguiu explicar o efeito fotoelétrico, bem como a
interação da radiação incidida sobre matéria e a frequência. Determinou também que a própria
luz é constituída pelos quanta de energia, conhecido hoje como fótons. Assim como Planck,
Einstein reforçou ainda mais a ideia de quantização de energia dando mais indícios para a nova
teoria.
Os trabalhos de Einstein sobre efeito fotoelétrico possibilitaram observações dos fótons
se comportando como partícula. Através de outras observações, como por exemplo a difração,
a radiação eletromagnética se comporta como onda. Com isso, alavancou-se as discussões sobre
a natureza da luz as quais ora se comportava como onda ora como partícula e acabara por
influenciar os trabalhos do físico francês Louis de Broglie, que determinou que assim como a
luz o elétron também possui característica de dualidade.
Em 1925, De Broglie propôs a dualidade associada ao elétron, estendendo a dualidade
à matéria ao considerar o caráter dual para as partículas (LOPES, 2013). De acordo com Atkins
e Jones (2006, p. 120), “[...]De Broglie sugeriu que todas as partículas deveriam ser entendidas
como tendo propriedades de ondas. Ele propôs, também, que o comprimento de onda associado
à ‘onda da partícula’ é inversamente proporcional à massa da partícula, m, e à velocidade, v”.
24
Formulou a expressão = h/mv, que conferia, por considerar o comprimento de onda e a massa
da partícula, o caráter dual para os elétrons e consequentemente a matéria
Essas ideias foram utilizadas por Bohr, que em 1913 propôs seu modelo baseado nas
descrições de Planck, Einstein e Rutherford. As teorias quânticas eram bem descritas no modelo
de Bohr para átomos que possuem apenas um elétron o qual foi apresentado em um dos seus
artigos publicados sobre o átomo de hidrogênio, intitulado “Ligação de Elétrons por Núcleos
Positivos” (BRAGA e FILGUEIRAS, 2013, p. 1076). Porém, não conseguia ser bem descrito
para aqueles átomos que possuem mais de um elétron (ROSA 2004).
De acordo com Mahan e Myers (1995, p. 274, grifo do autor), Bohr em seu modelo
atômico postulou que:
1. No átomo, somente é permitido ao elétron estar em certos estados estacionários,
sendo que cada um deles possui uma energia fixa e definida.
2. Quando um átomo estiver em um destes estados, ele não pode emitir luz. No
entanto, quando o átomo passar de um estado de alta energia para um estado de
menor energia há emissão de um quantum de radiação, cuja energia h é igual à
diferença de energia entre os dois estados.
3. Se o átomo estiver em qualquer um dos estados estacionários, o elétron se
movimenta descrevendo uma órbita circular em volta do núcleo.
4. Os estados eletrônicos permitidos são aqueles nos quais o momento angular do
elétron é quantizado em múltiplos de h/2π
O modelo atômico proposto por Bohr esclareceu a instabilidade do modelo planetário
de Rutherford. Nos postulados, explicou os elétrons descritos em estados estacionários, ou seja,
possuem órbitas bem definidas e nessas órbitas os elétrons estariam em movimento sem a
emissão de energia.
No segundo postulado, Bohr contribuiu para a explicação para uma das questões da
época, o espectro de emissão dos átomos. Em seu trabalho com átomos hidrogenóides
conseguiu atribuir características para as linhas espectrais. Ao incidir uma energia sobre o
átomo, ele passa do seu estado fundamental para o estado excitado e ao retornar ele emite um
quantum de radiação, sendo este quantum ao passar por um prisma se decompõe em certos
números de componentes ou linhas espectrais. Bohr justificou as linhas espectrais utilizando
25
a quantização de energia, perdendo energia apenas em quantidades discretas, na transição do
elétron pelas camadas energéticas. Essa diferença de energia é emitida em frequências
específicas as quais constituem as linhas do espectro e está relação é chamada de condição de
frequência de Bohr (ATKINS; JONES, 2006, grifo nosso).
É importante destacar o trabalho desenvolvido por Bohr introduzindo a MQ na descrição
das partículas que constituem o átomo, como sendo um ponto de partida sendo que algumas
ideias atribuídas por Bohr em seu postulado permanecem até hoje. Ao longo de novas
contribuições, as teorias quânticas foram se fundamentando para o desenvolvimento do modelo
atômico atual.
Contribuindo para os avanços, ao se conferir a dualidade onda/partícula, proposta por
De Broglie, no processo de entendimento do átomo com o olhar da nova ciência é importante
ressaltar os processos de transição entre a física clássica e a mecânica quântica. Em um desses
processos pode-se considerar a transição do modelo proposto por Bohr para o MAQ. Antes, se
considerava a posição do elétron estando em órbitas circulares e, sendo ressaltado por Camara
(2015, p.43) ao considerar a complementariedade, “[...] não há, aqui, maneira de visualizar
diretamente uma trajetória para o elétron, nem é possível, portanto, falarmos da existência de
uma órbita em torno de um núcleo atômico [...]”. Justamente por não mais considerar o elétron
como partícula e sim simultaneamente com características de onda e de partícula, Heisenberg
através da formulação de De Broglie, ao tentar descrever a posição do elétron incidindo uma
energia radiante sobre ele não conseguia chegar em conjunto à posição e ao momento da
partícula, o que caracterizou o princípio da incerteza de Heisenberg (MAHAN; MYERS, 1995).
De acordo com Mahan e Myers (1995), a equação do princípio da incerteza é
caracterizada por:
∆𝑝 ∆𝑥 ≥ℎ
4𝜋
A qual associada à medida da posição, ∆𝑥, do elétron está a incerteza no momento, ∆𝑝.
O princípio da incerteza afirma que “a velocidade do elétron é tão incerta que não há como
determinar sua trajetória” (MAHAN; MYERS, 1995, p. 280).
26
Reis, Kiouranis e Silveira (2017, p. 15) acrescentam que no princípio da incerteza “[...]
quando o elétron é colocado como objeto de investigação experimental, ora ele pode ser
percebido como onda, ora como corpúsculo, ora está aqui, ora está ali, sua definição não é
determinista, mas indeterminista”.
Partindo da complementariedade e do princípio da incerteza, necessitava-se de uma
explicação para o comportamento do átomo a luz, explicando principalmente o que antes não
era bem descrito, o comportamento de onda associado a partícula. Segundo Schimidt (2008),
Schrodinger estudou o trabalho de Einstein e o de De Broglie e apresentou em 1925 um artigo
atribuído a ideias de ondas associadas à matéria.
Em 1926 o cientista Erwin Schrodinger propõe a substituição da trajetória dos elétrons
por uma função de onda,Ψ, a qual atribui valores em função de determinada posição do elétron,
descrevendo a característica ondulatória da matéria baseada na mecânica quântica ou mecânica
ondulatória. De acordo com Schimidt (2008, p. 50) “[...] as ondas formam um sistema de
oscilações tridimensional em torno do núcleo atômico”.
Junior (2013) relata que uma das principais evoluções para os modelos atômicos
baseado nas propriedades quânticas que foram desenvolvidas ao longo dos anos foi a descrição
da função de onda, a qual Schrodinger aplicou artifícios matemáticos através de equações
diferenciais.
De acordo com Atkins e Jones (2006) baseado na função de onda atribuída por
Schrodinger, Max Born em 1927, elevou a função de onda ao quadrado 𝜓2, e em sua
interpretação, considerou a densidade de probabilidade e como é aplicada ao átomo, sendo que
“[...] a probabilidade de que a partícula esteja em determinada região do espaço dividida pelo
volume da região ocupada [...]” (ATKINS; JONES, 2006, p. 123). Para altos valores de
𝜓2maior é a densidade e probabilidade de se encontrar o elétron em determinada região.
Mahan e Myers (1995), destacam também que a função de onda apresentada de forma
isolada não possui significado físico, mas as interpretações do quadrado do valor absoluto da
função de onda ao quadrado|𝜓|2 possui propriedade física importante. Esta importância
contribui para o MAQ afirmando ainda mais as implicações de não poder determinar a posição
27
do elétron e sim a probabilidade de encontrar uma partícula a qual varia de lugar para lugar no
átomo.
O MAQ consegue explicar o comportamento dos elétrons tanto em átomos com apenas
um elétron quanto para átomos multieletrônicos, ou seja, supre as limitações do modelo atômico
proposto por Bohr. Além de conseguir explicar os espectros dos elementos químicos, a estrutura
da tabela periódica e as ligações químicas. As funções de onda para o átomo considerando as
interações dos elétrons com o núcleo obedecem algumas restrições, como por exemplo podendo
analisar uma região do átomo como se fosse uma caixa com isso se chega a quantização de
energia e níveis discretos de energia.
Os níveis de energia são associados ao número quântico principal n, e podem ser
calculados a partir da equação de Schrodinger. O número quântico principal, n, é “um número
inteiro que indica os níveis de energia” do elétron no átomo (ATKINS E JONES, 2006, p. 131).
Considerando as funções de onda para o elétron tratada no modelo proposto por
Schrodinger e levando em consideração também a densidade de probabilidade, se tem uma
região mais provável de encontrar o elétron no átomo, chamada de orbital atômico.
Com o avanço e as novas implicações a respeito do átomo a luz da teoria quântica tem-
se que o MAQ proposto por Schrodinger é considerado o modelo atômico mais atual. Embora
suas considerações tenham um formalismo difícil de ser aplicado no ensino médio, suas
discussões e considerações através das teorias quânticas envolvidas assim como as discussões
sobre a história da evolução dos modelos são plausíveis de serem abordados.
28
1.1.3.As implicações da mecânica quântica no ensino e o Modelo Atômico
Quântico inserido no ensino médio
A Teoria Quântica quando explicada no ensino médio se faz comumente a partir dos
conteúdos, que segundo Ávila (2016, p. 29) são:
• Radiação de Corpo Negro e a Equação de Planck;
• A Dualidade onda-partícula e o Efeito Fotoelétrico;
• Movimento Browniano e a Estrutura da Matéria;
• Postulados de Bohr;
• Hipótese de De Broglie;
• Princípio da Incerteza de Heisenberg.
Para a abordagem destes tópicos utilizam-se a representação visual e a rigidez
matemática. A primeira, que Junior (2007) chama de pictórica, são representações mais visuais
como, por exemplo representações dos orbitais atômicos e moléculas. Ao passo que a segunda
representa um caráter mais abstrato para representação dos conceitos (JUNIOR, 2012).
Junior (2012), ressalta também que os professores acabam apresentando somente a MQ
descrita nos livros, que, geralmente, aparecem na distribuição eletrônica através dos números
quânticos, utilizando um tratamento puramente ilustrativo.
Ao se referirem ao ensino da MQ para o ensino médio, Pinto e Zanetic (1999)
consideram que deve-se avaliar essas dificuldades enfrentadas na transposição didática da teoria
quântica dentre eles o formalismo matemático inerente à descrição quântica. Porém, a mesma
deve ser abordada através de outras formas permitindo ao aluno desenvolver suas
interpretações.
Parente, Santos e Tort (2014) corroboram essa opinião que o estudo da química quântica
no Ensino Médio é contestado por muitos devido à complexidade de alguns conceitos novos e
à matemática envolvida. Além disso, apontam que a mesma não deve ser deixada de lado pois
são necessários para o entendimento da estrutura interna do átomo.
Os modelos atômicos são geralmente aplicados no primeiro ano do ensino médio. Os
conceitos da MQ são frequentemente utilizados na descrição dos modelos atômicos e também
29
em conceitos como nível quântico principal, nível quântico secundário e radiação sendo
apresentados sem nenhuma dedução e aprofundamento das teorias. Deve-se considerar a falta
de tempo do professor, pois para melhor compreensão do tema é preciso se pensar em
abordagens que descrevam as teorias de forma completa. Sendo este um fato importante a ser
considerado no planejamento das aulas de química (PINTO e ZANETIC, 1999).
São comumente abordados em LD analogias em relação aos conteúdos apresentados aos
alunos. Londero (2014, p. 2) aponta que “[...] alguns pesquisadores defendem o uso do recurso
analógico para no ensino de conceitos científicos [...] surgem então como outra possibilidade
para o ensino”, sendo muito aplicada aos modelos atômicos. Esta pode ser uma forma de fugir
do formalismo para facilitar o entendimento quanto a conceitos da MQ e o MAQ. Parente,
Santos e Tort (2014) acrescentam que antes de fazer analogias devem se levar em conta a
influência do conhecimento prévio do aluno ao fazer as relações quanto ao ensino do tema.
O ensino de química quântica é um assunto complexo para ser compreendido no ensino
médio, em função da necessidade de um maior grau de abstração. Rocha (2015) cita que os
professores deixam de trabalhar muitos conceitos no ensino médio por conta de dificuldades de
compreensão e aprendizagem e de sua alta abstração, mesmo sabendo-se que hoje tudo que
envolve principalmente a tecnologia, muito utilizada pelos alunos, como por exemplo chip de
telefones celulares a cartões magnéticos e computadores, baseia-se na teoria quântica.
Segundo Gomes e Pietrocola (2011), um conceito básico, como o spin aparece no
universo escolar na disciplina de química no ensino médio, quando se estuda a distribuição
eletrônica nos átomos, mas somente no ensino superior ele é estudado de modo um pouco mais
aprofundado, talvez por ser o spin uma propriedade das partículas subatômicas bastante
específica e não há como explicá-la usando conceitos de física clássica (PEREZ, 2016).
Junior (2012) concorda que a MQ não é um conteúdo de fácil entendimento, porém é
preciso entrar no formalismo utilizado para desenvolvimento das teorias de Planck, Einstein,
Bohr, Schrodinger e outros com uma linguagem mais acessível voltada aos alunos do ensino
médio para que a MQ seja compreendida. Marandino (2004) traz a questão da transposição
didática, na qual aponta o professor com o papel fundamental no processo de transformação
dos conceitos científicos a serem aplicado no ensino. A transposição pode ocorrer por meios
30
alternativos aos LD, no sentido de que o professor pode trazer abordagens diferentes como, por
exemplo, o uso de reportagens e contextualizações com o meio que o aluno está inserido.
Rocha (2015) ao pesquisar a inserção de conceitos e princípios de MQ no ensino médio
percebeu um interesse crescente em que seja promovida a atualização curricular em disciplinas
científicas do ensino médio, observando que a teoria quântica é uma linha de pesquisa bastante
comum em programas de pós-graduação em Ensino de Ciências em todo o país, tendo a
quantidade de trabalhos publicados nesta área um aumento substancial nos últimos anos.
No currículo básico para escola estadual da Secretaria de Educação do Estado do
Espirito Santo (SEDU), a abordagem do MAQ não é sugerido em nenhuma série do ensino
médio. O documento sugere que o mínimo de teoria atômica aplicada seja o “modelo atômico
de Rutherford-Bohr” (ESPIRITO SANTO, 2009, p. 69).
Porém o documento da SEDU, currículo básico escola estadual, ao reconhecer que “no
direito de aprender se insere o direito a um ambiente e contextos de aprendizagens adequados
às necessidades e expectativas do educando, em que a prática educativa seja sustentada: por um
currículo aberto à vida [...]”, abre a possibilidade de se apresentar a Química Quântica desde
que se justifique claramente a necessidade do aluno do ensino médio em compreender esse tema
para que ele possa julgar e se posicionar frente a assuntos relevantes da atualidade (ESPIRITO
SANTO, 2009, p. 24).
A Base Nacional Comum Curricular (BNCC), alinhada a Reforma do Ensino médio,
aborda não mais disciplinas e sim áreas de conhecimento, sendo a área abrangente da química
as Ciências da Natureza e suas Tecnologias. A BNCC traz a abordagem da química quântica
como importante para ser aplicada no ensino médio, quando afirma que os alunos devem
desenvolver habilidades e “utilizar noções de probabilidade e incerteza para interpretar
previsões sobre atividades experimentais, fenômenos naturais e processos tecnológicos,
reconhecendo os limites explicativos das ciências” (BRASIL, 2018, p. 543).
A química quântica é uma produção humana e a educação formal deve viabilizar
situações para que ela possa ser estudada em diversos níveis. Apesar de certa dificuldade
existente em relação à isso Rocha (2015) propõe que se trabalhe seus conceitos e princípios
mais primitivos de uma forma acessível aos estudantes do ensino médio. O autor cita que já na
década de 70, Rüdinger (1976) e Frederick (1978) encontraram trabalhos sobre o ensino da
31
teoria quântica e desde então se afirma que, em geral, os estudantes apresentam grandes
dificuldades conceituais no estudo introdutório desta disciplina. Para o autor, a existência de
tais dificuldades não deve impedir esforços a fim de buscar a introdução adequada de tais
tópicos em todos os níveis de ensino para que se consiga atingir um nível satisfatório de
aprendizado.
Costa (2016) aborda que parar o conhecimento do átomo no modelo proposto por Bohr
no ensino médio não é satisfatório, pois o modelo não é suficiente para descrever átomos com
mais de um elétron. O autor cita que a abordagem do MAQ é indispensável por ser caracterizado
pelas teorias quânticas, que são uma das principais bases que o aluno precisa para outros
entendimentos da química. Daí a importância da inserção do modelo mais atual a ser aplicado
no ensino, para tanto Costa (2016, p. 30) afirma que “[...] o modelo mais adequado para o estudo
de átomos não hidrogenoídes e moléculas seria o de aproximações de orbital por meio das
equações de Schrödinger”.
Portanto, as abordagens quânticas no ensino médio são imprescindíveis para
desenvolver no aluno habilidades que impliquem em atitudes coerentes com o mundo moderno.
Vê-se, pois, que os LD selecionados no PNLD são uma realidade direta com os alunos visto
que o programa alcança todas as escolas públicas. Logo, é indiscutível que analisar os conceitos
aqui expostos em LD seja uma forma de melhorar o entendimento do aluno sobre as mudanças
que o cercam fora do ambiente escolar.
32
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GERAL
Analisar a abordagem do modelo atômico quântico nos livros didáticos de química
selecionados pelo PNLD 2018 e utilizados em algumas escolas de São Mateus-ES e Conceição
da Barra-ES.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Revisar a literatura sobre abordagens do tema MQ e MAQ no ensino médio;
• Analisar os livros didáticos do Ensino Médio utilizados em algumas escolas de São
Mateus-ES e Conceição da Barra-ES de acordo com método de análise e conteúdo
desenvolvido por Bardin (2011);
• Avaliar se os livros de química do PNLD 2018 tratam os temas que envolvem a MQ
e o MAQ e de que forma são abordados;
• Propor um roteiro com proposta de abordagem para o ensino do MAQ;
33
3. METODOLOGIA
Esta pesquisa entende-se por qualitativa e exploratória, pois busca analisar os LD usados
no ensino médio a fim de verificar e levantar hipóteses de como o MAQ é abordado. A pesquisa
exploratória considera o objeto de estudo sobre vários aspectos, levantando informações com o
objetivo principal de elucidar os fatos e se aprimorar no assunto (GIL, 2008).
Inicialmente, foi realizado um levantamento de trabalhos científicos para compor um
referencial teórico reconhecendo o material através das publicações de outros autores em
dissertações, artigos e teses para fundamentar a pesquisa e levantar questões acerca das
caracterizações realizadas na análise dos LD. Os livros foram obtidos com os professores das
escolas analisadas.
Para análise foram utilizados os livros do PNLD 2018 escolhidos pelas Escolas: EEEM
Professor Joaquim Fonseca (Conceição da Barra), CEEFMTI Marita Motta Santos (São
Mateus), EEEM Ceciliano Abel de Almeida (São Mateus), Instituto Federal do Espírito Santo
(São Mateus), EEEFM Wallace Castello Dutra (São Mateus) e EEEFM Nestor Gomes (São
Mateus).
A análise dos LD foi realizada dentro do contexto de análise temática de Bardin. O
método de Bardin para análise de conteúdo é voltado para três momentos: pré-análise,
exploração do material e o tratamento dos resultados (SILVA e FOSSÁ, 2015).
Na pré-análise realiza-se uma leitura flutuante, sendo o primeiro contato com o material,
levantando hipóteses acerca das caracterizações realizadas para se chegar aos objetivos,
formulando assim indicadores os quais são usados para as demarcações e recortes nos textos
analisados.
Em um primeiro momento avaliou-se os livros de forma geral buscando temas referentes
à mecânica quântica considerados importantes para abordagem do modelo atômico quântico:
quantização de energia, dualidade da matéria, incerteza na posição do elétron.
No segundo e terceiro momento foram criadas categorias para agrupar unidades de
análises semelhantes, sendo realizada então a exploração do material já agrupado, impondo as
inferências sempre que possível. Em seguida foi realizado o tratamento dos resultados, sendo
as mensagens dos LD interpretadas (BARDIN, 2011).
34
No final do estudo foi elaborado um roteiro através da utilização de várias ferramentas
como reportagens em revistas, jornais, o uso de simuladores e etc., abrindo debates relacionados
ao tema. A proposta consiste em cinco aulas com descrições de abordagens que o professor
pode utilizar envolvendo a MQ e o MAQ.
35
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo apresenta-se a análise de quatro livros didáticos de química do PNLD
2018, bem como um roteiro de aula que pode ser seguido pelos professores do ensino médio
como uma forma de ensinar o MAQ.
4.1. A análise dos livros didáticos
Foi realizada uma leitura prévia para verificar se os LD abordavam ou não os temas
relacionados a MQ que são essenciais para entendimento do MAQ, como os conceitos de
quantização de energia, dualidade da matéria e incerteza na posição do elétron.
Os livros e suas respectivas escolas estão descritas no Quadro 1. Para a identificação
dos livros ao longo do capítulo foi atribuído a eles a letra inicial do título do livro seguido pelo
número correspondente ao volume utilizado na pesquisa.
Quadro 1– Identificação dos Livros do PNLD 2018 das diferentes escolas analisadas e suas regiões
IDENTIFICAÇÃO AUTOR TÍTULO ESCOLA MUNICÍPIO/
BAIRRO
V1 Novais; Tissoni
Vivá
CEEFMTI Marita Motta Santos
São Mateus/ Centro
EEEM Professor Joaquim Fonseca
Conceição da Barra/Centro
S1 Lisboa e
colaboradores Ser
Protagonista
EEEFM Santo
Antônio
São Mateus/
Santo Antônio
EEEFM Wallace
Castello Dutra
São Mateus/
Guriri Norte
EEEFM Nestor Gomes
São Mateus/ Nestor Gomes
Km 41
Q1 Mortimer; Machado
Química Instituto Federal do Espírito Santo
São Mateus/ Litorâneo
QC3 Nilvana e
colaboradores Química Cidadã
EEEM Ceciliano Abel de Almeida
São Mateus/ Centro
Fonte: Produzida pela autora. (2018).
Nesta pré-análise foi avaliado se os livros apresentam o MAQ, ao tratarem dos modelos
atômicos, bem como temas da mecânica quântica considerados importantes para sua abordagem
tendo como base o referencial teórico desenvolvido na pesquisa.
36
Realizada uma abordagem qualitativa, verificou-se que todos os quatro livros referentes
às seis escolas apresentaram no mínimo um dos temas analisados. Cada tema e a presença nos
livros estão descritos no Quadro 2 sendo atribuídos a letra P para o assunto presente e A para
ausente.
Quadro 2: Tema referente a análise dos livros TEMAS V1 S1 Q1 QC3
Modelo Atômico Quântico A A P P
Quantização de energia A P P P
Dualidade da matéria P A P P
Incerteza na posição do elétron A A P P Fonte: Produzida pela autora. (2018).
Todos os livros ao descreverem os modelos atômicos em algum momento abordam a
MQ. Os livros Q1 e QC3 abordam o MAQ sendo suas descrições bem completas. Uma visão
geral das abordagens dos livros estão descritas a seguir.
4.1.1.Livro 1: Vivá (V1)
O livro apresenta no Volume 1, Capítulo 4, apenas um dos temas referentes à análise: a
dualidade do elétron. O comportamento dual do elétron é mencionado em um quadro no canto
direito da página do livro que expõe o modelo Rutherford-Bohr. Quanto ao comportamento
dual, o livro aponta que a MQ é a base da descrição do elétron e ainda afirma que “os
constituintes atômicos ora se comportam como partículas, com massa e dimensões definidas,
ora se manifestam como ondas, semelhantes às que constituem a luz” (NOVAIS, 2016, p. 91).
Em nenhum momento o livro destaca a contribuição de outros cientistas para a MQ ao
descrever as partículas subatômicas que compõe o átomo. A influência de Max Planck é dada
de forma sucinta descrevendo que o físico iniciou os estudos sobre MQ e não aborda a
importância do seu estudo para o desenvolvimento do modelo atômico. A quantização de
energia não é citada pelo livro.
O livro considera o modelo proposto por Bohr como um complemento para o modelo
de Rutherford devido a descrição da estabilidade do átomo. O livro V1 não considera a
quantização de energia ao descrever a emissão de radiação dos elementos químicos. Descreve
apenas que a “[...] emissão acontece quando uma amostra contendo esse elemento recebe
37
energia, seja por aquecimento, seja quando é submetido a descarga elétrica [...]” (NOVAIS,
2016, p. 91).
De acordo com a abordagem utilizada pelo livro V1 não há representação da nova teoria
para o elétron no modelo, pois não considera a descrição da MQ. Apresenta os postulados de
Bohr de uma maneira simples dando a descrição de que os postulados são assumidos como
verdade sem comprovações. O livro V1 menciona ao final do capítulo que o átomo é estável,
pois o movimento dos elétrons ao redor do núcleo ocorre por estar em camadas eletrônicas ou
níveis de energia. Desta forma, possíveis descrições aprofundadas da MQ não são abordadas
bem como o MAQ e sua característica de probabilidade.
De maneira geral, V1 expõe o assunto de maneira sucinta e por não dar ênfase as teorias
quânticas aborda o conteúdo sem a devida descrição do comportamento do elétron. Desta
forma, o aluno terá dificuldades no desenvolvimento de outros conhecimentos químicos como,
por exemplo, distribuição eletrônica ou ligações químicas.
4.1.2. Livro 2: Ser Protagonista (S1)
O livro apresenta a quantização de energia referente aos temas analisados sendo
abordada em três momentos. Primeiro o livro descreve que Bohr utilizou a quantização para
explicar a estabilidade do átomo:
Bohr sugeriu que uma teoria sobre a luz, proposta por Max Planck (1858-1947),
poderia ser aplicada ao átomo. Segundo Planck, toda energia do elétron é quantizada,
ou seja, os elétrons absorvem ou emitem quantidades fixas de energia na forma de
pequenos pacotes denominados quanta (LISBOA, 2016, p. 89).
O livro conforme citado aborda Max Planck como cientista que contribuiu para a
descrição do modelo proposto por Bohr, por fazer menção a teoria sobre a luz. O livro S1
poderia ter abordado a contribuição de outros cientistas como, por exemplo, Einstein, dando a
descrição do efeito fotoelétrico, o qual não foi mencionado pelo livro.
Na mesma página, em um quadro no canto direito, o livro S1 reescreve a informação já
dita sobre a quantização como sendo uma energia absorvida e liberada em “pacotes” ou
“pequenos pacotes”. Logo, na página seguinte, é dada a descrição de forma resumida dos
38
postulados propostos por Bohr, descrevendo as órbitas para o átomo de hidrogênio, ilustrando
a absorção e emissão de energia para apenas valores possíveis denominado de energia
quantizada. O livro acaba trazendo informações repetitivas e de forma sucinta quanto a
quantização de energia, o que pode ocasionar desinteresse do aluno.
O livro S1 por se limitar ao modelo proposto por Bohr como um complemento do
modelo de Rutherford, afirma que o mesmo veio a explicar o comportamento do elétron no
átomo e, por não mencionar o MAQ, o estudante é levado a pensar que o modelo Rutherford-
Bohr é o mais atual. O livro não menciona características importantes para a descrição do MAQ,
tais como o comportamento dual do elétron e a incerteza em sua posição.
4.1.3. Livro 3: Química (Q1)
O livro Q1 apresenta todos os temas indicadores analisados. São apresentados no
Volume 1, Capítulo 6, de forma bem descrita e aprofundada. A quantização de energia é bem
descrita e destacada diversas vezes em diferentes contextos nas explicações ao longo do texto,
dando indícios da importância desta teoria para a caracterização dos modelos atômicos. Como
consequência, os alunos se familiarizam com o assunto.
Antes da descrição da quantização de energia, o livro Q1 aborda sobre o teste de chama
e propõe um experimento para investigar a emissão de luz. Esta é uma abordagem interessante,
pois o livro por trazer primeiro o experimento e depois a teoria instiga o aluno na investigação
dos fenômenos que estão ocorrendo e contribui para uma aprendizagem mais significativa.
Uma outra abordagem interessante que o livro traz é a descrição da explicação do corpo
negro proposta por Planck, envolvendo a teoria da quantização, sem mencionar a terminologia
do “corpo negro”: “Planck propôs que átomos vibrando em um metal aquecido poderiam
absorver e emitir energia eletromagnética apenas em certas quantidades discretas, que eram
iguais ou múltiplas de quantidade determinada pela equação” (MACHADO, 2016, p. 161).
Esta é uma forma de facilitar o entendimento de um conceito utilizando inicialmente
uma abordagem sem usar termos que não estão inseridos no cotidiano do aluno como “corpo
negro”. No entanto, o livro também não fez menção a “corpo negro” em nenhum momento no
39
capítulo tornando a abordagem inadequada, pois o aluno deve se apropriar do termo relacionado
a sua descrição para a formação de conhecimento científico.
A quantização de energia também aparece relacionada aos níveis de energia aplicados
ao modelo proposto por Bohr, em que os autores retomam a explicação para o teste de chama
relacionando a cor observada nos elementos químicos com a frequência da radiação
eletromagnética, usando a teoria para descrever o espectro do átomo de hidrogênio: “[...] ao
receber energia, os elétrons saem do seu estado fundamental, que é o de menor energia, e são
promovidos para o estado excitado. Quando voltam ao estado fundamental, as espécies emitem
radiação de frequências características” (MACHADO, 2016, p. 163). Desta forma, o livro
facilita o entendimento do aluno, pois descreve, por exemplo, o espectro do átomo de
hidrogênio usando a teoria através das evidências experimentais.
O livro aborda o MAQ ainda no capítulo 6, descrevendo bem ao longo do capítulo as
novas descobertas e relacionando vários acontecimentos históricos e a descrição de outros
cientistas que tiveram influência na construção do modelo atual. Em um subtítulo do capítulo
6, o livro aborda descrições do comportamento dual do elétron, incerteza em sua posição e o
conceito de orbital.
Antes de falar da dualidade do elétron, retoma as discussões da natureza dual para a luz.
O livro apresenta relatos sobre o cientista Louis de Broglie, o qual em sua teoria associou uma
onda ao elétron, passando a também um caráter dual de onda e partícula e abrindo caminho para
contribuição da determinação da mecânica ondulatória de Erwin Schrodinger. “[...] O método
matemático de quantização proposto por De Broglie não teve muito sucesso, mas sua ideia
básica estimulou Erwin Schrodinger (1887 – 1961) a propor uma equação de ondas para o
elétron, que resultaria no modelo atômico atualmente aceito” (MACHADO, 2016, p. 175).
Vemos aqui que o livro demonstra também as dificuldades enfrentadas pelos cientistas sendo
essa abordagem de grande importância para a construção do conhecimento científico do
discente.
O livro Q1 aponta as formulações de Werner Heisenberg, que foram desenvolvidas na
mesma época em que as equações de onda associadas ao elétron era proposta por Erwin
Schrodinger. O livro não descreve de forma aprofundada o princípio da incerteza proposto por
Heisenberg apenas associa a incerteza devido ao elétron apresentar caráter dual.
40
Para a função de onda proposta por Schrodinger, associada ao elétron, o livro relata a
contribuição de Max Born com a interpretação de densidade de probabilidade do MAQ,
correspondente a (|𝜓|2), o qual representa a probabilidade de se encontrar um elétron em uma
região da eletrosfera.
Esta obra foi considerada, pela análise realizada, uma das mais completas por apresentar
todos os temas considerados importantes e trazer a descrição da quantização de energia ao MAQ
ao descrever que “[...] diferentemente do modelo de Bohr, no modelo atômico atual não apenas
a energia total do elétron está quantizada, mas também seu momentum angular, seu momento
magnético e ainda uma quarta grandeza chamada spin” (MACHADO, 2016, p. 178).
Apresenta a descrição dos números quânticos, a distribuição eletrônica e organização da
tabela periódica já descritas pelo modelo quântico, o que contribui bastante para que os alunos
tenham a noção que este modelo não está longe da realidade, pois o livro aborda as descrições
de outros conceitos químicos a partir das novas teorias descritas.
4.1.4. Livro 4: Química Cidadã (QC3)
O livro QC3 apresenta todas os temas indicadores referentes a análise e possui um
capítulo específico que aborda as características do modelo quântico.
O livro relata o desenvolvimento histórico para o surgimento da nova ciência até chegar
ao MAQ e as características do mundo microscópico que explicavam em todos os aspectos os
conceitos químicos até ali estudados. Desta forma, pode-se contribuir para que o aluno tenha
um entendimento da ciência como uma construção humana, por destacar as dificuldades
enfrentadas bem como a contribuição de vários estudos.
No início da exposição a este tema, o livro aplica uma linguagem mais compreensível
aos alunos, denominando a energia quantizada como pequenos pacotes de energia. Porém, ao
passo que acrescenta a contribuição de mais cientistas para o desenvolvimento da nova teoria,
o livro passa a acrescentar também uma preocupação com a linguagem um pouco mais técnica
atribuindo a quantização de energia a valores discretos, por exemplo. Esta é uma abordagem
41
interessante, pois contribui para a melhora do entendimento do aluno e por se preocupar em
descrever os termos técnicos das teorias influencia a aprendizagem de uma forma positiva.
Diferente dos outros livros, o QC3 explica de várias formas a quantização de energia e
descreve a base que desencadeou as explicações e considerações para o MAQ. Desta forma,
esta obra trata a quantização de energia de forma adequada, dando ênfase as contribuições tanto
de Planck quanto de Einstein, descrevendo a explicação do problema da radiação do corpo
negro e também o efeito fotoelétrico. O livro também tem a preocupação de mencionar algumas
aplicações e assim melhorar o entendimento da quantização de energia, pois o aluno percebe
que os conceitos estudados não estão longe da sua realidade. Sobre o MAQ, o livro destaca que:
Esse modelo foi responsável por inúmeros avanços tecnológicos no século passado.
Conhecer algo sobre ele permite a você, como cidadão do século XXI, saber como o
nosso olhar sobre a matéria é bastante diferente da visão clássica de quase cem anos
atrás que apesar de ter sido a base de toda à Química do Ensino Médio estudada até
aqui, não é suficiente para explicar tudo (SANTOS, W., 2016, p. 247).
Mesmo não aprofundando as teorias quânticas no ensino médio, o livro demonstra que
é possível de ser abordada e deve-se considerar principalmente a sua importância conforme
destacado anteriormente. O livro também aponta a sua interdisciplinaridade entre as disciplinas
quando afirma que “o estudo do modelo quântico tem um caráter interdisciplinar entre a
Química, a Física, a Matemática e até a Filosofia” (SANTOS, W., 2016, p. 247), permitindo ao
aluno um olhar diferente para a teoria. Destaca também a diferença entre a teoria clássica e a
quântica.
Para a dualidade onda-partícula da matéria o livro aponta que a hipótese de Broglie foi
desencadeada a partir da característica dual da luz e do efeito fotoelétrico. Apresenta a equação
desenvolvida por De Broglie que comprova a dualidade do elétron, que é a base da nova física.
Aponta que a MQ “revolucionou conceitos, como matéria, energia e causalidade. [...] deu base
para inúmeras descobertas e invenções como lasers, DVDs e células fotoelétricas [...] bem como
a produção de energia nuclear” (SANTOS, W., 2016, p. 250).
Para dar mais consistência a MQ o livro aborda o Princípio da incerteza, que foi baseado
no caráter dual da matéria e a contribuição do físico alemão Werner Karl Heisenberg para a
descrição do comportamento da matéria. Após introduzir todas as teorias principais para a MQ
42
aplicada ao átomo, o livro aborda o MAQ, com o subtítulo “A função de onda e os orbitais
atômicos”.
Os autores trazem a seguinte fala: “[...] havia a necessidade de desenvolver uma nova
equação matemática, que incorporasse os princípios já definidos: a quantização do elétron em
níveis e subníveis de energia, o seu caráter onda-partícula e o Princípio da incerteza [...]”
(SANTOS, W., 2016, p. 251). Neste ponto, nota-se que o livro está sempre reforçando as
características quânticas para facilitar a descrição e o entendimento do MAQ.
O livro demonstra que não há necessidade de abordar fórmulas matemáticas rígidas e
de difícil compreensão do aluno para falar da MQ. Descreve a função de onda, 𝜓,
caracterizando-a como fundamental e que a partir dela se chega aos números quânticos que já
haviam sido apontados por Bohr de modo arbitrário. Esta abordagem favorece a compreensão
do aluno de que o modelo proposto por Bohr não é o mais atual.
Para a densidade de probabilidade do modelo o livro descreve a região de maior
probabilidade de se encontrar o elétron, o orbital. Demonstra a representação pictórica para os
orbitais descrevendo ainda que “a solução da função de onda para os átomos permite fazer
previsões de como os orbitais de um átomo vão interagir com os orbitais de seus átomos
vizinhos” (SANTOS, W., 2016, p. 253) reforçando a ideia do novo modelo na qual a trajetória
do elétron não é definida. O livro estende o conceito do MAQ para a contribuição com outras
bases da química estudadas no ensino médio, como, por exemplo, tabela periódica, ligações
químicas, níveis e subníveis de energia, as configurações eletrônicas dos elementos.
Neste sentido, dada as descrições analisadas, o livro QC3, é considerado uma obra
adequada no que diz respeito à abordagem dos temas relacionados ao entendimento do MAQ.
Apresenta os pontos julgados como principais e trata o conteúdo de forma a facilitar a
compreensão do tema. O fato de trazer as aplicações e importância do MAQ faz com que aluno
tenha conhecimento da química aplicada.
4.2. Categorias
A pré-análise realizada mostrou que todos os livros, apresentando ou não o MAQ, ao
descreverem os modelos atômicos, em algum momento abordam temas da MQ. Assim, foi
43
possível chegar a duas principais categorias dentro dos temas avaliados: Analogias e figuras
relacionadas a quantização de energia; Representação do modelo atômico quântico. O Quadro
3 apresenta a verificação da abordagem sobre MQ e suas categorias.
Quadro 3: Verificação da abordagem sobre MQ e suas categorias
Categorias
Livros
V1 S1 Q1 QC3
Analogias e figuras relacionadas a quantização de energia Energia
Representação do modelo atômico quântico
Fonte: Produzida pela autora. (2018).
Para a categoria “Analogias e figuras relacionadas à quantização de energia” relatada
nos LD será verificada se os livros abordam corretamente as teorias através de analogias e
figuras envolvendo a MQ e se apresentam a quantização de forma a favorecer a construção do
conhecimento do aluno. Já na categoria “Representação do modelo atômico quântico” será
analisado como os livros apresentam e descrevem o modelo atômico mais atual e também se
utilizam as teorias quânticas de forma clara para o entendimento do aluno do MAQ, bem como
as suas representações. As categorias devem nortear a interpretação das mensagens quanto ao
conhecimento entendido pelo aluno sobre o mundo microscópico do átomo.
4.2.1. Categoria: Analogias e figuras relacionadas a quantização de energia
Nesta categoria os livros foram analisados quanto as analogias e as figuras utilizadas pelos
livros referente a quantização de energia.
Livro 1: Vivá (V1):
No próprio livro os autores explicam o que são analogias. Deixam claro que é uma
representação não igual da realidade, mas sim representações com o máximo de características
semelhantes para que o aluno consiga entender o conhecimento que está sendo aplicado.
Porém, quanto a questão da análise, o livro não traz nenhuma analogia e nem figuras
que abordem a quantização de energia. Os autores afirmam que “nesta etapa do curso de
Química, vamos nos limitar a uma ideia simplificada dessas explicações, porque os modelos
atômicos propostos após o de Rutherford só podem ser explicados com base na Mecânica
44
Quântica”. (NOVAIS, 2016, p. 91, grifo do autor). Com isso, não aborda nenhuma ilustração
para elucidar a quantização de energia no modelo proposto por Bohr e nem representam o MAQ
pelas características quânticas analisadas.
Livro 2: Ser Protagonista (S1):
Na Figura 5, o livro S1, ilustra o espectro eletromagnético através do arco-íris
exemplificando que, a luz solar ao passar por gotículas de água suspensas da atmosfera se
decompõe formando o arco-íris. Nesta parte, o livro ainda não abordou Planck e a quantização
de energia. Apenas descreve o que são espectros e as características de comprimento de onda,
frequência e sua relação com os espectros formados. É plausível este artifício abordado pelo
livro, pois traz elementos percebidos pelo aluno fora da sala de aula, como é o exemplo do arco-
íris demonstrando o conceito químico por traz das suas cores.
Figura 5- Decomposição da luz branca por um prisma
Fonte: (LISBOA, 2016, p. 88).
O livro apresenta o espectro atômico de emissão para o átomo de hidrogênio (Figura 6).
Utilizando a teoria da quantização de energia proposta por Max Planck, o modelo proposto por
Bohr, conseguia explicar os espectros descontínuos que aparecem também representados por
uma série de linhas coloridas luminosas separadas por regiões escuras. O interessante desta
abordagem do S1 é que demonstra um tipo de aplicação da teoria utilizada no modelo de Bohr,
que os modelos anteriores não conseguiam descrever.
45
Figura 6 - Obtenção do espectro de emissão do hidrogênio formando linhas descontínuas
Fonte: (LISBOA, 2016, p. 89).
A Figura 7 reforça mais a ideia de quantização abordada e dá uma ilustração mais
detalhada para que o aluno entenda a transição do elétron para o átomo de hidrogênio que
caracteriza as emissões descritas no espectro.
Figura 7 - Modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio ao emitir energia
Fonte: (LISBOA, 2016, p. 90).
Livro 3: Química (Q1):
O livro traz a analogia para a quantização de energia, com uma escada. “[...] Os níveis
de energia do elétron no átomo de hidrogênio corresponderiam aos degraus de uma escada. Ao
subirmos e descermos uma escada, só podemos parar nos degraus; não há como ficar entre dois
degraus” (MACHADO, 2016, p. 165). Esta analogia é válida para ser aplicada aos alunos, pois
auxilia no entendimento de que a absorção e emissão de energia ocorre apenas em determinados
46
valores que no caso seriam o degrau inteiro, pois não dá para subir meio degrau,
correspondendo assim aos valores discretos de energia. Uma simples analogia é uma forma de
demonstrar que a quantização só é permitida para determinados valores discretos.
Livro 4: Química Cidadã (QC3):
O livro ao longo do texto sobre a quantização de energia relaciona as explicações da
absorção e emissão como pequenos “pacotes” de energia. Porém, ao tratar a Figura 8, o livro
aborda que “essa analogia indica que a energia será transferida em quantidades fixas”
(SANTOS, W., 2016, p. 246). Deve-se ter cuidado ao tratar a quantização como sendo definidas
quantidades fixas de energia, como é tratado pelo livro, pois isto pode fazer com que o aluno
entenda que as quantidades de energia não variam.
Figura 8 - Analogia a quantização de energia sendo transferida em "pacotes de energia"
Fonte: (SANTOS, W., 2016, p. 246).
A Figura 9 representa a energia absorvida e emitida no salto quântico demonstrando que
cada transição entre os níveis energéticos corresponde a uma cor no espectro. O livro através
da representação do modelo proposto por Bohr demonstra as energias permitidas e o espectro
para o átomo de hidrogênio. A imagem permite ao aluno um melhor entendimento da relação
do salto quântico com os espetros por colocar um do lado do outro.
47
Figura 9 - Representação modelo de Bohr e o espectro atômico
Fonte: (SANTOS, W., 2016, p. 249).
Nesta categoria os livros S1, Q1 e QC3 utilizam as analogias como artifício para o
ensino das descrições das teorias quânticas. Por se tratar de um assunto um pouco abstrato esta
articulação referente as analogias, facilitam a construção do conhecimento e também estimulam
o aluno através da criatividade (PARENTE, SANTOS e TORT, 2014).
4.2.2. Categoria: A representação modelo atômico quântico
Os modelos atômicos são comumente apresentados por uma ordem cronológica,
demonstrando a ampliação dos conceitos e resolvendo as suas limitações. Dito isto, foi avaliado
nesta categoria se o livro apresenta o MAQ, bem como a sua representação.
Ao analisar os livros pode-se observar que apenas os livros Q1 e QC3 entram nesta
categoria por apresentarem o MAQ. No geral, para estes livros esta se dá de uma forma bem
completa, considerando as descrições das teorias quânticas que compõe a construção do modelo
através da representação dos orbitais.
O livro Q1 representa o orbital para o átomo de hidrogênio (Figura 10) da maneira mais
adequada apresentada no texto, logo depois das descrições quânticas, que são as bases
importantes para o entendimento do MAQ. Podemos destacar algumas características da
imagem do orbital 1s para a descrição do modelo atual. Uma dessas características aborda a
ideia de que não se pode determinar a posição do elétron devido à incerteza em sua localização
representando o caráter probabilístico do modelo, considerando a região com maior
48
probabilidade de encontrar o elétron. Outra característica destacada na imagem é uma cor mais
escura próxima ao núcleo dando ênfase que aquela região possui maior probabilidade.
Figura 10 - Representação do orbital 1s para o átomo de hidrogênio
Fonte: (MACHADO, 2016, p. 176).
A Figura 11, abordada pelo livro, apresenta uma representação pictórica do orbital p nos três
eixos. Os autores se preocupam em descrever as teorias quânticas aplicada ao MAQ em especial
aos orbitais e não dá apenas uma ilustração do seu formato. Para tanto, uma abordagem
interessante, para descrever o elétron diferente dos modelos anteriores, o livro traz que: “[...] o
elétron não circula pelo espaço descrito pelo orbital p. O elétron de certa forma é esse espaço”
(MACHADO, 2016, p. 178). Deste modo, o livro torna clara a descrição do modelo atual para
que o aluno entenda os conceitos.
49
Figura 11 - Forma dos orbitais p
Fonte: (MACHADO, 2016, p. 178)
O livro QC3 que traz considerações ao MAQ, apresenta a Figura 12, com a imagem da
representação da densidade e probabilidade do modelo atual. Porém, ao representar as partículas
do núcleo como esferas, o livro não se desvencilha das abordagens clássicas, o que acaba por
ser um ponto desfavorável para a descrição do novo modelo.
Figura 12 – Representação da densidade e probabilidade do modelo quântico
Fonte: (SANTOS, W., 2016, p. 251).
A Figura 13 traz as representações pictóricas dos orbitais atômicos do MAQ. O modelo
atual não mais apresenta a trajetória do elétron e sim a região de maior probablididade de ser
50
encontrado e os autores apontam que através de “recursos da computação, foi possível
selecionar as equações e obter descrições espaciais dos diferentes orbitais” (SANTOS, W.,
2016, p. 252).
Figura 13 - Formato dos orbitais s, p e d, maior probabilidade de se encontrar o elétron
Fonte: (SANTOS, W., 2016, p. 252).
Nesta categoria julga-se importante a descrição das teorias quânticas aplicadas ao MAQ
bem como a sua representação. Por isso, os livros V1 e S1 não entram na categoria pois não
mencionam o MAQ.
4.3. Proposta de abordagem para ensino do Modelo Atômico Quântico
Devido a certa dificuldade que os professores podem encontrar por não terem de
imediato uma ideia quanto a possíveis atividades que possam ser desenvolvidas em sala de aula
para o ensino do MAQ, neste trabalho é apresentada uma proposta de abordagem através de
uma proposta de aula visando potencializar a aprendizagem dos conceitos envolvendo a MQ,
bem como o ensino do modelo.
De acordo com a nova BNCC para o ensino envolvendo a MQ é imprescindível
desenvolver no aluno habilidades de interpretações dos fenômenos naturais e também os
51
processos tecnológicos que ocorrem a sua volta sendo importante também que o aluno
reconheça os limites explicativos da ciência (BRASIL, 2018).
O plano de aula é importante para a organização do conteúdo, pois a partir dele o
professor consegue elaborar a aula pensando em uma maneira melhor de abordar o assunto de
forma a alcançar os objetivos da aula e sanar possíveis dúvidas. Propõe-se, então, para o ensino
do MAQ, a utilização de 05 aulas, levando em consideração as bases principais da teoria
quântica que envolve o tema. O plano de aula contemplando este roteiro de abordagem
encontra-se no APÊNDICE A.
4.3.1. Roteiro para proposta de abordagem para ensino do Modelo Atômico
Quântico
Aula 1:
No primeiro momento o professor fará um levantamento prévio para avaliar se os alunos
possuem noções de alguma das teorias quânticas relacionadas ao conteúdo que envolvem as
descrições dos modelos atômicos. Como pré-requisitos para esta abordagem o aluno deverá ter
um conhecimento prévio da quantização de energia que é comumente descrita no modelo
proposto por Bohr.
Através da aula expositiva, abordar uma visão geral do tema destacando a importância
do mesmo e sua relação com temas atuais. É válido também para esta aula expositiva, o
professor descrever as transições entre a física clássica e o surgimento da mecânica quântica.
O professor pode abordar que o modelo quântico é o mais atual para que o aluno tenha
a consciência que se trata de um assunto contemporâneo. Podendo destacar também a
importância do tema frente as suas aplicações dando descrições do papel das teorias quânticas
na medicina, nos avanços tecnológicos, pelas contribuições para o desenvolvimento da ciência
moderna do átomo e também pela possibilidade de explicações de diversos conceitos químicos
aplicados no ensino médio (ARROIO et. al., 2005).
52
A partir daí os alunos serão orientados a se dividirem em grupos para realizarem uma
pesquisa através de palavras-chave relacionados ao assunto, que será discutido com mais
detalhes a partir das dúvidas na aula seguinte. O professor ao destacar inicialmente as
contribuições da MQ antes da pesquisa e relacionando com o cotidiano do aluno pode promover
o interesse da investigação de novos conteúdos a serem levados para a sala de aula.
Sendo assim, para auxiliar os alunos na pesquisa, o professor pode sugerir a busca
através de várias ferramentas como reportagens em revistas, jornais, filmes, sites da internet,
artigos e etc., das seguintes palavras-chave:
• modelo atômico quântico
• átomo quântico
• partículas elementares
• elétron
• quanta
• dualidade da matéria
• quântico
• incerteza do elétron
• densidade de probabilidade
As palavras a serem pesquisadas ajudarão os alunos a enriquecer o vocabulário, para
que durante as pesquisas possam refletir entre os diferentes usos de um mesmo conceito, dando
oportunidade ao avanço independente do aluno em buscar o conhecimento do assunto. Feito
isso, é importante que o professor dê ênfase que as buscas devem ser direcionadas a aplicações
reais no seu cotidiano.
O professor pode levar para a sala de aula como exemplo uma reportagem publicada
no site O globo intitulada “Uma corrida quântica pelo computador do futuro” através do link
https://oglobo.globo.com/sociedade/tecnologia/uma-corrida-quantica-pelo-computador-do-
futuro-11471165. A reportagem descreve algumas aplicações para a química quântica e
demonstra o interesse de pesquisadores pela área, possibilitando assim que os alunos não façam
simples buscas de assuntos copiando da internet, mas sim chamando a sua atenção que os
conteúdos vistos em sala não estão longe de sua realidade. Os alunos devem ser orientados a
não só levarem a reportagem como as dúvidas que tiveram sobre o tema.
53
Aula 2:
O professor iniciará a segunda aula a partir dos materiais trazidos pelos alunos quanto a
pesquisa proposta na aula anterior por meio de debates e levantando discussões sobre o tema.
Baseado nas dúvidas dos alunos, o professor irá direcionar a aula para explicação do conteúdo.
O debate serve para estimular os discentes ao conhecimento, pois propondo estas discussões a
aula se torna mais dinâmica favorecendo o aprendizado (FRIES, 2007).
Neste debate, além de esclarecer as dúvidas o professor deve explicar os conceitos:
quantização de energia; dualidade onda/partícula; princípio da incerteza; MAQ. Para tanto, é
sugerido o uso de slides como recurso.
Aula 3:
Na terceira aula o assunto anterior será retomado e assim será melhor descrito e
demonstrado o MAQ, através do uso de um simulador. O professor poderá levar os alunos para
a sala de computação (LIED) e auxiliá-los com relação ao uso do simulador. Se a escola não
possuir, o professor poderá levar o simulador para sala de aula como demonstrativo, pois
geralmente as escolas possuem recurso de mídias como retroprojetor que poderá ser utilizado
para a aula. O recurso do simulador pode ser acessado através do link
https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/hydrogen-atom. Sendo este simulador uma ótima
ferramenta educacional servindo para o professor evidenciar as teorias abordadas em sala.
Ainda na terceira aula será proposto a realização de seminários através de subtemas já
explicados pelo professor que são eles:
• Quantização de energia
• Dualidade onda/partícula
• Princípio da incerteza
• Modelo atômico quântico
54
Sendo assim, os alunos irão formar 5 grupos e o professor deve determinar tópicos que
os seminários devem conter como por exemplo: contribuição do cientista para o
desenvolvimento da teoria; conceitos envolvidos e aplicações.
Aula 4 e Aula 5:
No quarto e quinto momento serão realizadas as apresentações dos seminários de
maneira que o professor deixe que os alunos explanem seu entendimento do subtema proposto.
A proposta da apresentação de seminários é uma ferramenta importante que o docente pode
utilizar, pois além de fugir de uma aula tradicional, propõe que o aluno busque mais sobre o
tema ao produzir o seminário, indagando sobre as teorias e participando ativamente das aulas
(MELO, 2011).
Os alunos serão avaliados através da participação nas aulas, pelas discussões realizadas,
pelos materiais como as reportagens levadas para a sala e o desenvolvimento nos seminários
realizados. Sendo assim, esta proposta pedagógica busca auxiliar o docente com uma sequência
de 05 aulas para serem abordadas no ensino de química mais precisamente nos modelos
atômicos, dando ênfase ao mais atual e as teorias da MQ envolvidas. Sendo possível a aplicação
da proposta mesmo que não o MAQ não esteja descrito no LD.
55
5.CONCLUSÃO
A pesquisa realizada possibilitou a análise dos LD utilizados na disciplina de química
em escolas do ensino médio para avaliação da abordagem do MAQ. De forma geral, os
conteúdos analisados apresentaram as teorias envolvendo a MQ ao descreverem a estrutura
atômica. Os conceitos foram apresentados em alguns livros apenas para demonstrar
transformações entre a física clássica e a MQ ao tratar a evolução dos modelos atômicos.
Abordados, principalmente, ao descrever a instabilidade do modelo atômico proposto por
Rutherford e o modelo atômico proposto por Bohr. Entretanto, alguns autores destacaram muito
bem os princípios da MQ e os utilizaram para descrever o MAQ.
Os temas indicadores utilizados quantização de energia, dualidade da matéria, incerteza
na posição do elétron, permitiram melhor organizar os LD, destacando o que os autores traziam
de mais relevante sobre o assunto. Levando em consideração os livros analisados, todos
abordaram pelo menos um dos temas e os livros Química e Química Cidadã que são utilizados
no Instituto Federal do Espírito Santo e na escola Ceciliano Abel de Almeida, respectivamente,
ambas do município de São Mateus, apresentaram todos os temas indicadores relacionando de
forma clara a MQ na abordagem dos modelos atômicos contemplando também o MAQ.
A partir da pré-análise pode-se criar categorias para análise e interpretação das
abordagens envolvidas nos conceitos da MQ para o ensino do MAQ. A categorias, “analogias
e figuras relacionadas a quantização de energia” e a “representação modelo atômico quântico”,
possibilitaram a interpretação de como os livros abordavam o assunto.
Analogias e figuras relacionadas a quantização de energia só não são utilizadas no livro
V1. Nas demais obras, as analogias são abordadas trazendo elementos e ilustrações para
abordagens dos conceitos visando a melhor compreensão do tema. Devido ao fato da MQ
envolver a descrição do comportamento do “mundo microscópico” através do estudo das
partículas subatômicas, as analogias que foram encontradas nos livros S1, Q1 e QC3 foram
válidas por possibilitarem uma representação mais visual do que os conceitos buscam tratar,
facilitando, assim, o entendimento dos alunos. O professor deve dirigir a utilização das
analogias direcionando o aluno para a visualização correta de modo a não haver desconstrução
da real interpretação.
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Quanto a representação do MAQ, os livros V1 e S1 não trataram do assunto e, assim,
não descreveram todas as teorias quânticas consideradas como fundamentais para a descrição
do modelo. Ao fazer considerações sucintas e não aprofundar em temas da MQ acabaram por
limitar o assunto mesmo que alguns pontos fossem possíveis de serem abordados.
Os livros Q1 e QC3 trataram de forma bem completa o MAQ, mostrando que o tema é
possível de ser trabalhado no ensino médio de acordo com as suas descrições. Verificou-se que
os materiais dos livros descrevem bem a ordem cronológica dos acontecimentos, pois ao
abordarem os modelos atômicos também apresentam a existência do modelo mais
contemporâneo, favorecendo uma construção de conhecimentos (JUNIOR, 2013). Com isso, é
destacada a importância destas obras para a análise realizada.
Sendo assim, a avaliação de como a abordagem de assuntos específicos, como os
relacionados a MQ está apresentada nos livros didáticos, é importante pois permite ao professor
uma análise crítica dos recursos que são utilizados em sala de aula. Não é exagero afirmar que
esse tema contribuiu para ampliar o entendimento do mundo microscópico e como
consequência melhorar o conhecimento do mundo macroscópico através do ensino do MAQ no
ensino médio.
57
6. SUGESTÃO PARA ESTUDOS POSTERIORES
Em um estudo posterior, dada à importância do tema, pode-se realizar a aplicação da
proposta em sala de aula com uma abordagem interdisciplinar. Com isso, tem-se a possibilidade
da articulação de várias disciplinas demonstrando ao aluno que os conteúdos estão relacionados
embora muitas vezes seja visto pelo discente ao longo do ensino médio de forma fragmentada.
É relevante também investigar como os professores trabalham e se abordam a química
quântica em suas aulas e propor um curso de formação continuada. Sendo possível ser aplicada
através de oficinas para os professores da educação básica.
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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALMEIDA, M. G. D.; FREITAS, D. C. D. A Escola no Século XXI: Atores responsáveis
pela educação e seus papéis. Rio de Janeiro: Brasport, v. 1, 2011.
ANDRADE, S. D. A Abordagem De Modelos Atômicos Para Alunos Do 9º Ano Do Ensino
Fundamental Pelo Uso De Modelos E Modelagem Numa Perspectiva Histórica.
Dissertação (Mestrado em Ensino de Ciências) - Programa de Pós-Graduação em Ensino de
Ciências, Universidade de Brasília. Brasília. 2015.
ARROIO, A.; HONÓRIO, K. M.; WEBER, K. C.; HOMEM-DE-MELLO, P.aula; SILVA, A.
B. F. da. O ensino de química quântica e o computador na perspectiva de projetos. Revista
Química Nova, v. 28, n.2, p. 360-363, 2005.
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63
8. APÊNDICE
APÊNDICE A
Plano de Aula
Plano de Aula:
Área de conhecimento: Modelo Atômico Quântico
Data: ___/___/___
Duração: 5 aulas de 50 minutos
I. Tema: Ensino do Modelo Atômico Quântico: construção do conhecimento através das
teorias quânticas
II. Objetivo geral: Explorar e aplicar a proposta de oficinas pedagógicas com os alunos do
1º Ano, permitindo o desenvolvimento do conhecimento científico através do ensino do
MAQ.
III. Objetivos específicos:
• Identificar conhecimentos prévios dos alunos sobre os principais temas da teoria
quântica relacionadas ao Modelo Atômico Quântico; Destacar através de uma aula
expositiva as relevâncias e aplicações do tema, transições da teoria clássica para a
quântica e contribuições dos cientistas; Propor uma pesquisa em grupo para que os
alunos tragam reportagens relacionada ao tema;
• Realizar debates e discussões a partir dos materiais encontrados pelos alunos
relacionados ao tema; Abordagem expositivas sobre os conceitos de quantização de
energia; dualidade onda/partícula; princípio da incerteza; Modelo Atômico Quântico
• Discutir e demonstrar o Modelo Atômico Quântico através do uso de simuladores;
Propor a realização de seminários, em grupos, através de subtemas como: quantização
de energia; dualidade onda/partícula; princípio da incerteza.
• Avaliar as apresentações dos seminários.
IV. Conteúdos:
1 – Quantização de energia;
2 – Dualidade onda/partícula;
3 – Princípio da incerteza;
64
4 – Modelo Atômico Quântico
V. Procedimentos didáticos: A disciplina se desenvolverá mediante cinco aulas expositivas
e dialogadas através de reportagens e debates sobre o tema. Uso de simuladores para
representação do Modelo Atômico Quântico, produção e apresentação de seminários
desenvolvidos pelos alunos.
VI. Recursos didáticos: Retroprojetor, slides e uso de simulador dos modelos atômicos.
VII. Avaliação:
Os alunos serão avaliados através da participação nas aulas, pelas discussões realizadas, pelos
materiais como as reportagens levadas para a sala e o desenvolvimento nos seminários
realizados.
VIII. Bibliografia:
ARROIO, A.; HONÓRIO, K. M.; WEBER, K. C.; HOMEM-DE-MELLO, P.; SILVA, A. B.
F. O ensino de química quântica e o computador na perspectiva de projetos. Revista Química
Nova, v. 28, n.2, p. 360-363, 2005.
BOULDER, U. O. C. Modelos do Átomo de Hidrogênio. Phet Colorado Interactive
Simulations. Disponivel em: <https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/hydrogen-
atom>. Acesso em: 11 Junho 2018.
FRIES, P. R. Oficina Pedagógica Em Uma Abordagem Transdisciplinar - Repercussões
Na Aprendizagem. Dissertação (Mestrado em Educação em Ciências e Matemática) -
Programa de Pós-Graduação em Educação em Ciências e Matemática, Pontifícia
Universidade Católica do Rio Grande do Sul. Porto Alegre. 2007.
MELO, D. S. A. Física Moderna e Contemporânea: uma proposta do uso de seminários
no ensino médio em busca de uma aprendizagem sinificativa da consttituição atômica
da matéria. Dissertação (Mestrado em ensino de ciências)- Prorama de Pós-Graduação em
ensino de ciências, Universidade de Brasília. Brasília -DF. 2011.
SETTI. Uma corrida quântica pelo computador do futuro. O Globo, 2014. Disponivel em:
<https://oglobo.globo.com/sociedade/tecnologia/uma-corrida-quantica-pelo-computador-
do-futuro-11471165>. Acesso em: 12 Junho 2018.
