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A Espectroscopia e a Química

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A Espectroscopia e a Química - da descoberta de novos elementos ao limiar da teoria quântica

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  • 1. HISTÓRIA DA QUÍMICA A ESPECTROSCOPIA E A QUÍMICA DA DESCOBERTA DE NOVOS ELEMENTOS AO LIMIAR DA TEORIA QUÂNTICA Carlos A.L. Filgueiras Neste número a seção “História da Química” apresenta a história do trônomo inglês William Herschel, em desenvolvimento da espectroscopia e suas extraordinárias e 1800, experimentou colocar o bulbo de imediatas conseqüências para a ciência, em particular para um termômetro em cada uma das entendermos a estrutura da matéria. Os leitores vão deslocar-se regiões coloridas do espectro solar. O para uma época — o final do século XIX, mais precisamente o ano resultado observado foi que a tem- de 1885 — quando inexistiam os conceitos de elétron, estrutura peratura do mercúrio aumentava pela atômica, transição eletrônica. Vão conhecer também a importante incidência da luz, mas esse era mais contribuição de um professor do ensino médio. rápido quanto mais próximo da extre- midade vermelha. Ao testar a região Balmer, ciência no final do século XIX, descoberta de novos elementos, não iluminada depois do vermelho, espectroscopia, espectro solar, hélio Herschel descobriu que a temperatura subia ainda mais rapidamente. A radiação invisível que provocava este efeito foi então denominada de infra- vermelho. Estava assim demonstrado S22 abia-se desde a Antiguidade Em 1777 o químico sueco Carl que a luz continha componentes não que a luz solar pode ser Wilhelm Scheele resolveu pôr amos- detectáveis por nossos olhos, em decomposta nas cores do ar- tras de cloreto de prata em cada uma adição à porção visível. co-íris, mas foi Newton, no século XVII, das diferentes regiões coloridas do Numa linguagem moderna, dize- que pela primeira vez descreveu de espectro solar obtido com um prisma. mos que o ultravioleta é uma radiação forma adequada o fenômeno da Percebeu, então, que o escureci- muito energética capaz de promover decomposição da luz por um prisma, mento do material se processava mais reações químicas que envolvem assim como de sua recomposição por intensamente quanto mais próximo da transições eletrônicas, como a reação um segundo prisma. O conjunto das extremidade violeta. Isto devia signifi- citada: Luz cores obtidas com o prisma é conhe- car que a luz violeta era a mais ener- Ag+ + e- → Ag cido como espectro, e varia do verme- gética do espectro, pois era a que Por outro lado, o infravermelho é lho, numa extremidade, ao violeta, na mais acelerava a reação. uma radiação de baixa energia, e esta outra. Em 1801, o alemão Johann coincide com a faixa de energia Além das chamadas sete cores do Wilhelm Ritter decidiu pôr uma amos- necessária para fazer vibrar — isto é, arco-íris, o espectro solar também tra de sal de prata na região escura movimentar uns em relação aos outros apresenta radiações invisíveis ao olho além do violeta. Qual não foi sua — os átomos de uma substância sem humano. Como é que podemos com- surpresa ao verificar que a reação de provocar uma reação. provar isso? redução da prata se Wollaston também Os químicos sabem muito bem dava com mais facili- descobriu que ao tra- que o cloreto de prata é um sólido dade ainda. O inglês Na fotografia ocorre balhar com um feixe branco que escurece por ação da luz. William Hyde Wollaston uma redução de de luz muito estreito — Este é o princípio da fotografia em fez nessa época, inde- cátions prata, oriundo de uma fenda preto e branco. O filme fotográfico con- pendentemente, a mes- presentes em de 0,01 mm, e não de tém uma suspensão de um composto ma descoberta. A con- suspensão no filme, aberturas maiores, co- semelhante, o brometo de prata, que clusão desse experi- para prata metálica mo havia feito Newton também escurece ao ser atingido pela mento é que existe no —, o espectro solar luz. Este fenômeno, comum aos dois espectro solar uma radiação de resultante apresentava sete linhas sais, não se deve ao cloreto ou ao bro- energia mais alta que a luz violeta; a negras sobrepostas às cores bri- meto, mas sim à prata, presente em essa radiação, invisível a nossos lhantes. ambos os compostos. A reação que olhos, chamou-se ultravioleta. O jovem construtor de instrumentos ocorre é a redução dos íons de prata, Podemos dizer que a temperatura ópticos alemão Joseph Fraunhofer, promovida pela luz e pelo processo de de um corpo é uma medida de sua usando inicialmente prismas e depois revelação, originando o metal finamen- agitação térmica, isto é, das vibrações grades de difração, constatou que o te dividido, que é preto. de suas moléculas ou partículas. O as- espectro solar na realidade contém QUÍMICA NOVA NA ESCOLA Espectroscopia e Química N° 3, MAIO 1996
  • 2. panela no fogão, a da luz da lua ou dos planetas, mas chama do gás fica diferente das estrelas, cada uma da amarela. O mes- quais apresentava um espectro par- mo princípio é usa- ticular. Ora, a luz da lua ou dos plane- do nas lâmpadas tas é apenas um reflexo da luz solar, de vapor de sódio ao passo que as estrelas emitem luz de iluminação pú- própria. Será então que o espectro de blica, de luz ama- cada estrela poderia ser uma impres- relada. são digital da estrela em termos de sua Fraunhofer no- composição química? tou que ao se pas- A colaboração de dois cientistas da sar por um prisma Universidade de Heidelberg, na Ale- a luz emitida por manha, levou a conseqüências de aqueles materiais enorme alcance para a química e a incandescentes, o física. O químico Robert Wilhelm Bun- resultado era um sen, inventor do queimador de gás espectro discreto, comum de laboratório, associou-se e não contínuo co- em 1859 ao físico Gustav Robert Kir- mo o espectro so- chhoff na criação do espectroscópio, lar. Esse espectro mostrado na Fig. 2, instrumento sim- discreto era forma- ples mas de alcance extraordinário. do por linhas lumi- Kirchhoff percebera que duas li- nosas brilhantes, nhas escuras no espectro solar, cujas energias pa- chamadas de linhas D por Fraunhofer reciam correspon- em 1814, coincidiam com as linhas der àquelas das amarelas emitidas por chamas con- 23 linhas negras so- tendo sódio (Fig. 1). Quando se intro- brepostas ao es- duzia um sal de sódio na chama do pectro solar. Outro queimador de Bunsen e a luz emitidaFigura 1: Espectros solar e de vários elementos individuais. O primeiro, acima, aspecto interes- era passada por um prisma, observa-é o espectro contínuo de emissão do Sol, ao qual estão sobrepostas várias sante percebido va-se o espectro de emissão do sódio,linhas negras correspondentes aos espectros de absorção de elementos por ele foi que o representado pelas linhas luminosasquímicos presentes no Sol. Os 11 seguintes são espectros de emissão de conjunto de linhas amarelas. No entanto, ao passar umavários elementos, obtidos em laboratório. Note-se, por exemplo, que osespectros de emissão do sódio e do hélio apresentam linhas muito próximas negras do espec- luz branca contínua, obtida pela quei-no amarelo, correspondendo a linhas negras no espectro solar. tro solar era idên- ma de gás ou por um arco elétrico, tico ao do espectro através da chama de sódio, o resulta-centenas de linhas negras sobre ascores. Algumas dessas linhas podemser vistas no espectro solar mostradona Fig. 1. Fraunhofer designou aslinhas mais fortes pelas letras doalfabeto, de A até I, e mapeou 574 li-nhas entre a linha B (no vermelho) e alinha H (no violeta). Também ocorriamlinhas nas regiões invisíveis do espec-tro. Com o passar do tempo, verificou-se que o número de linhas era bemmaior, chegando a vários milhares. Desde muitos séculos se sabia quemuitos materiais também podememitir luz quando excitados. Este é oprincípio dos fogos de artifício: paraobter uma luz verde usam-se sais debário; para uma luz vermelha, sais de Figura 2: O espectroscópio de Bunsen e Kirchhoff. Este aparelho, de concepção bastante simples eestrôncio; amarela, de sódio, e assim conseqüências extraordinárias para o avanço da ciência, mostra uma alça de platina presa ao supor-por diante. Aliás, todo mundo já deve te E, contendo um composto que será excitado até à incandescência pela chama do queimador deter reparado que ao escorrer água Bunsen. A luz emitida será colimada e atravessará o tubo B para ser decomposta pelo prisma F. Acom sal (cloreto de sódio) de uma luneta C permitirá a observação do espectro de emissão (ou ele poderá ser projetado num anteparo). QUÍMICA NOVA NA ESCOLA Espectroscopia e Química N° 3, MAIO 1996
  • 3. negra, inexistente observar apenas a borda do disco no espectro solar. solar, sem os problemas normais de Em conseqüência, ofuscamento. Naquele ano de 1868, não deve haver lítio em agosto, ocorreu o eclipse solar de na atmosfera do maior duração do século XIX. Visível sol. na Índia e em países vizinhos, chegou Bunsen e a durar, em alguns lugares, mais de Kirchhoff usaram seis minutos. O astrônomo francês sua descoberta Pierre Janssen deslocou-se até à Índia como instrumento para observá-lo. Acoplando uma de análise química luneta a um espectroscópio, Janssen e rapidamente pôde observar o espectro das protu- descobriram (em berâncias solares, jatos de gás que se 1860) um novo ele- projetam milhares de quilômetros aci- mento a partir de ma da atmosfera solar. O espectro algumas gotas de observado daquele material excitado um resíduo alcali- das protuberâncias era um espectro no da água min- de emissão, uma vez que não havia a eral de Durkheim. possibilidade de absorção pela atmos- Como este mate- fera solar. rial produzia um espectro de emis- O hélio foi descoberto são com linhas no Sol 27 anos antes azuis, não corres- de ser descoberto na pondentes a ne- Terra24 nhum elemento conhecido, eles o Janssen descobriu que o mesmo denominaram cé- tipo de observação também podia ser sio, do latim cae- feito na ausência de um eclipse, Figura 3: Retrato do professor secundário de matemática Johann Jakob sius, azul-celeste. bastando usar uma fenda bem estrei- Balmer (1825-1898), descobridor, em 1885, da equação que leva seu nome, relacionando os comprimentos de onda (e, conseqüentemente as energias) No ano seguinte, ta disposta tangencialmente ao disco das transições energéticas nos átomos com números inteiros. Balmer também usando solar, de forma a receber apenas a conseguiu pôr ordem no emaranhado de linhas dos espectros, cujo quantidades extre- radiação das protuberâncias, elimi- relacionamento parecia impossível, tornando-se um importante precursor mamente diminu- nando assim o ofuscamento pelo dis- da Teoria Quântica. tas de material, co solar. Janssen identificou dessa eles identificaram maneira os espectros de emissão de do, após atravessar o prisma, era um um outro elemento que produzia linhas vários elementos, sendo o hidrogênio espectro contínuo com as cores do vermelhas intensas no espectro de o principal. arco-íris, contendo duas linhas negras emissão. Da palavra latina rubidus, da À mesma época, em outubro de muito próximas entre si, na mesma cor de rubi, surgiu o nome do elemento 1868, o astrônomo inglês Joseph posição em que se produzia o espec- rubídio. Norman Lockyer chegou independen- tro de emissão do sódio. A conclusão A espectroscopia possibilitou a temente ao mesmo método de obser- foi que o sódio gasoso emite e absorve descoberta, em poucos anos, de var as protuberâncias solares. Entre as luz de mesma energia. Kirchhoff inúmeros elementos químicos, em es- linhas observadas por ele havia uma deduziu que deve haver vapor de pecial muitos dos que correspondiam linha amarela próxima ao espectro do sódio na atmosfera solar, que absorve às lacunas presentes na tabela perió- sódio, mas não coincidente com o as linhas D presentes no espectro con- dica que seria publicada por Dmitri espectro de nenhum elemento conhe- tínuo proveniente da superfície do as- Mendeleiev em 1869. cido. Lockyer concluiu tro, abaixo da atmosfera. Assim, a luz Também os lantaní- A espectroscopia é o então que o sol devia que chega à Terra consiste no espec- deos, de separação germe para ter um novo elemento, tro contínuo subtraído dos componen- extremamente difícil, conhecimento da desconhecido na Terra, tes absorvidos na atmosfera do Sol. foram prontamente estrutura do átomo que denominou hélio, Um raciocínio análogo pode ser identificados pela es- em homenagem ao feito para outros elementos presentes pectroscopia. deus grego do sol. Esta ou ausentes no Sol. Por exemplo, A descoberta mais retumbante proposição foi recebida com reservas, quando a luz solar atravessa uma propiciada pela espectroscopia, até que em 1895 o novo elemento foi chama de lítio antes de passar pelo contudo, ocorreu em 1868. O estudo descoberto na Terra pelo químico prisma do espectroscópio, o resultado do espectro solar ficava facilitado du- escocês William Ramsay. é o aparecimento de uma nova linha rante os eclipses, quando se podia O processo de descoberta de QUÍMICA NOVA NA ESCOLA Espectroscopia e Química N° 3, MAIO 1996
  • 4. vários novos elementos químicos, mica geral aprende, é modernamente ção teórica, e também anterior à des-sobretudo essa espetacular descober- formulada como: coberta do elétron ou de qualquerta do hélio no sol, 27 anos antes de modelo de constituição do átomo. Porser encontrado na Terra, mostrou a isso a equação de Balmer tem tantaextraordinária importância da espec- importância: uma expressão matema-troscopia no estudo da constituição ticamente simples que encerra a expli-íntima da matéria. Havia porém um onde λ = comprimento de onda cação de tantos fenômenos, cujoproblema sem solução. O que repre- correspondente à linha espectral (em entendimento desafiou inúmerossentavam os valores das energias (ou cm); R = constante, que provou ser cientistas por anos a fio.dos comprimentos de onda) corres- igual a 109 677 cm-1; n = 3, 4, 5, 6,...pondentes às emissões ou absorções A equação de Balmer descreve Carlos A.L. Filgueiras é doutor em químicados elementos? E por que esses fenô- adequadamente os espectros de inorgânica pela Universidade de Maryland (EUA) emenos só se operavam naqueles valo- emissão ou absorção do hidrogênio professor titular do Departamento de Química da na região visível, mas pode ser modi- Universidade Federal de Minas Gerais.res precisos de energia? O problema foi intensamente dis- ficada para incluir também as outrascutido por físicos, químicos e astrôno- regiões espectrais. Para outros ele-mos. Não obstante, o enigma só veio mentos podem ser usadas equações Para saber maisa ser desvendado por um matemático, análogas, mas a precisão é tanto Já recomendado nesta seção noo suíço Johann Jakob Balmer (Fig. 3). menor quanto mais pesado for o n° 2 de Química Nova na Escola, DosBalmer obteve um doutorado em elemento. raios X aos quarks. Físicos modernos ematemática e passou a vida como pro- Além de descrever corretamente as suas descobertas. Brasília: Editora dafessor dessa disciplina numa escola relações entre as linhas espectrais, a UnB, 1987. Escrito por Emílio Segré, ganhador do Prêmio Nobel de Física emsecundária para moças em Basiléia. relação importantíssima: os compri- 1959, este livro traça um agradável pan-Os físicos tentavam achar uma relação mentos de onda (ou as energias) orama da ciência no final do século XIX,para as linhas espectrais baseando- correspondentes às linhas que resul- mostrando quanto, por exemplo, asse numa analogia mecânico-acústica, tam da absorção ou emissão de ener- descobertas relacionadas ao conheci- 25e buscavam expressões harmônicas gia estão relacionados entre si por mento sobre a estrutura da matériasimples que explicassem essas rela- números inteiros (n é a variável determinaram alterações na física queções. Talvez por não ser físico e sim independente da equação, com valo- atingiram de imediato a biologia (ematemático, isto é, por não partir de res dados por 3, 4, 5, 6...). Conseqüen- nesta, particularmente a genética), aposições preconcebidas, Balmer temente, os ganhos ou perdas de geologia, a medicina e a química. Neste texto será possível conhecer um poucochegou em 1885 à equação que hoje energia nos átomos são discretos e mais sobre Balmer e outros homens etraz seu nome e que expressa perfei- também guardam uma relação de mulheres que deram significativas con-tamente tal relação, para as linhas do números inteiros. tribuições para a ciência por ocasião daespectro do hidrogênio. A equação de Está aí o germe da mecânica última virada do século.Balmer, que todo estudante de quí- quântica, anos antes de sua formula- Resenhas GEPEQ - Grupo de Pesquisa em Edu- ensino em que os conteúdos estejam mente aqueles ligados à cinética e aocação Química. Interações e transformações relacionados com o contexto social e que equilíbrio químico. Vale frisar que esseI: Química para o segundo grau. Livro do sejam significativamente aprendidos, não módulo, além de incorporar a estrutura dosaluno (código 237.813/preço R$17,25)/Guia apenas memorizados”. módulos anteriores, aborda tópicos taisdo professor (código 174.270/preço O primeiro volume, destinado à primeira como aspectos históricos, detalhes experi-R$19,85). São Paulo: Editora da Universi- série do ensino médio, contém quatro mentais e sugestões de trabalhos paradade de São Paulo, 1993. 196 p. módulos seqüenciais. Cada módulo é serem realizados em classe e extra-classe. GEPEQ - Grupo de Pesquisa em Educa- organizado em uma estrutura que caracte- Como adquirir: nas livrarias da EDUSPção Química. Interações e transformações II: riza a obra (texto de abertura, experimento, (S. Paulo, Rib. Preto, S. Carlos, Pirassunun-Química para o segundo grau. Reelaboran- atividade(s) e síntese). É essa estrutura que ga, Piracicaba e Bauru), com descontos dedo conceitos sobre transformações químicas confere ao texto originalidade em relação 15% (até 39 exemplares), 25% (de 40 a 150(cinética e equilíbrio). Livro do aluno/Guia do ao que está disponível no mercado. O guia exemplares) e 30% (acima de 150), paraprofessor (ambos com código 268.488 e do professor traz orientações e sugestões professores. Ou pelo correio, sem descon-preço R$24,00). São Paulo: Editora da metodológicas para a melhor utilização do tos, incluindo despesas de envio por SedexUniversidade de São Paulo, 1995. 155 p. material. (para grandes quantidades, os descontos A inexistência de livros didáticos conten- O segundo volume é o primeiro de uma acima poderão ser concedidos caso odo abordagens diferentes para o ensino de série de outros módulos (em fase de comprador pague o frete). Pedidos podemQuímica, segundo muitos professores, é um elaboração) que serão intercambiáveis, ou ser feitos à EDUSP/Depto. de Marketing edos determinantes da qualidade do atual seja, que poderão ser utilizados em Vendas; Av. Prof. Luciano Gualberto, Trav. J,ensino de Química no nível médio. Intera- qualquer seqüência. Destinam-se aos nº 374 - 2º andar, sala 240; 05508-900 Sãoções e transformações surge, na visão de alunos da segunda e da terceira séries. O Paulo - SP; fone (011) 818-4150/4008; faxseus autores, como “uma alternativa a pro- volume II retoma e aprofunda alguns 818-4151.fessores e alunos interessados em um conceitos já vistos no primeiro, especifica- Roberto Ribeiro da Silva (UnB). QUÍMICA NOVA NA ESCOLA Espectroscopia e Química N° 3, MAIO 1996

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