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Introdução
A luz é composta por radiações eletromagnéticas, um tipo de onda formada
por um campo elétrico e um campo magnético. Todas as radiações
eletromagnéticas viajam no vácuo a uma velocidade de 3,00x108 m/s, e esta
velocidade é representada pela constante c, sendo chamada de velocidade da
luz (1).
As características ondulatórias da radiação eletromagnética se devem às
oscilações periódicas entre o campo magnético e o campo elétrico. Isto dá
origem a duas características da onda: o comprimento ( e freqüência
(. O comprimento e a frequência da onda eletromagnética estão
relacionados, pois a velocidade da onda é sempre a mesma (velocidade da
luz). Se o comprimento da onda é longo, sua frequência será baixa; se a
frequência da onda é alta, seu comprimento será curto. Desta forma, pode-se
dizer que a frequência de uma onda eletromagnética é inversamente
proporcional ao seu comprimento e diretamente proporcional à razão entre a
velocidade da luz e o comprimento de onda (2).
Esta relação entre o comprimento e a frequência da onda pode ser observada
na figura 1:
Figura 1 – Relação entre o comprimento e a frequência de uma onda. Quanto
maior o comprimento, mais baixa a frequência; quanto menor o comprimento,
mas alta a frequência.
A frequência é expressa em ciclos por segundo, e a sua unidade é o Hertz
(Hz). Esta unidade equivale ao inverso de um segundo, ou seja:
ou
É a frequência da luz que determina a sua cor. Nossos olhos detectam
diferentes cores porque eles respondem de forma diferente a cada freqüência
(¹). Apenas uma estreita faixa de frequências (e, consequentemente de
comprimentos de onda), é visível ao olho humano. É o chamado espectro da
luz visível. Esta faixa de luz visível se estende entre as frequências
maiores que o infravermelho e menores que o ultravioleta, e entre
comprimentos menores que 700 nm maiores que 420 nm (1), como pode ser
observado na figura 2 e na tabela A:
Figura 2 – Espectro de luz visível.
"Cor "Comprimento de onda ( "Frequência "
"Violeta "420 nm "7,1x10-14 Hz "
"Azul "470 nm "6,4x10-14 Hz "
"Verde "530 nm "5,7x10-14 Hz "
"Amarelo "580 nm "5,2x10-14 Hz "
"Laranja "620 nm "4,8x10-14 Hz "
"Vermelho "700 nm "3,0x10-14 Hz "
Tabela A - Comprimentos de onda e frequência característicos de cada cor
de radiação eletromagnética.
Quando um objeto é aquecido, ele emite radiação, que pode ser observada
através da sua cor. Um exemplo é o aquecimento de metais nas indústrias
metalúrgicas, quando eles emitem uma cor vermelha intensa, como pode ser
visto na figura 3:
Figura 3 – Aço fundido emitindo radiação luminosa quando aquecido.
Observa-se que a cor emitida pelo corpo aquecido depende da sua
temperatura. Assim, pode-se concluir que a frequência e o comprimento da
radiação eletromagnética está diretamente ligada à energia absorvida pelo
corpo durante o aquecimento. A figura 4 mostra a relação entre a energia e
a frequência da onda eletromagnética:
Figura 4 - Relação entre a energia e a frequência de uma onda.
Pela figura, podemos ver que um corpo que emite radiação em uma frequência
percebida pelos nossos olhos como azul tem mais energia, e, portanto, é
mais quente do que um corpo que emite radiação na faixa do vermelho. Este é
um fenômeno que os físicos do final do século XIX tentavam explicar.
Contudo, as leis da Física ainda não eram capazes de explicar estas
observações.
Foi em 1900 que o físico alemão Max Planck propôs que a energia era
liberada ou absorvida pelos átomos dos corpos aquecidos em "pacotes" de
energia de valores mínimos, aos quais Planck chamou de quantum (plural
quanta), e que a energia de um único quantum é igual à frequência da onda
eletromagnética multiplicada por uma constante. Esta constante,
representada por e conhecida como constante de Planck. Esta constante
tem valor igual a (joule segundo). De acordo com Planck, a energia é
emitida ou absorvida por um corpo em múltiplos de Portanto, a energia
de um único quantum é igual a:
Alguns anos após a apresentação da teoria de Planck, alguns cientistas
começaram a perceber que podiam aplicar esta teoria a algumas observações
experimentais antes em explicação, e se tornou fácil perceber que Planck
havia iniciado uma revolução nos conhecimentos do mundo físico. Depois de
Planck, cientistas iniciaram seus estudos partindo da teoria da energia
quantizada. Albert Einstein, por exemplo, ganhou um prêmio Nobel de Física
ao explicar o efeito fotoelétrico, fenômeno pelo qual foi observado que
existe uma frequência mínima de luz para que um elétron seja emitido de uma
superfície metálica onde há incidência de um feixe de luz. Einstein propôs
que a energia que atinge a superfície metálica é um fluxo contínuo de
pacotes de energia mínima, e a cada pacote de energia mínima, Einstein
denominou de fóton. Complementando a teoria de Planck, Einstein deduziu que
cada fóton deveria ter uma energia proporcional à frequência da luz, e,
portanto, a própria energia radiante é quantizada.
Depois de Einstein, Niels Bohr foi outro cientista a receber um prêmio
Nobel em Física por estudos realizados a partir da teoria de Planck. A
partir destes estudos, Bohr elaborou sua teoria sobre a estrutura atômica,
a teoria atômica mais completa aceita até os dias de hoje.
Partindo de suas descobertas, Bohr acabou por explicar o modelo atômico de
Rutherford, que ainda era um desafio para a sociedade científica, pois não
poderia ser explicado pela Física Clássica. De acordo com Rutherford, os
elétrons ou ficariam estacionados ao redor do núcleo, ou descreveriam
órbitas ao seu redor, como se fosse uma representação microscópica do
sistema solar, que, das duas proposições, era a mais aceita. Porém, de
acordo com a Física Clássica, se os elétrons permanecessem estacionados,
seriam imediatamente atraídos pelo núcleo, e se os elétrons descrevessem
órbitas ao seu redor, perderiam energia gradativamente e também acabariam
por cair no núcleo, o que destruiria o átomo.
O trabalho de Bohr teve início nas observações dos espectros de linhas
(figura 5), um fenômeno que intrigava os cientistas da época.
Figura 5 - Espectro de linhas do hidrogênio.
Os espectros de linhas são um fenômeno através do qual se observa que,
quando um gás é submetido à alta pressão dentro de um tubo e é aplicada uma
alta voltagem, este gás emite diferentes cores de luz. Quando esta luz
passa através de um prisma, o espectro resultante é composto apenas por
algumas linhas em poucos comprimentos de onda. Estas linhas são espaçadas
por regiões escuras, onde não se observa a incidência de luz, e, portanto,
correspondem à ausência de comprimentos de onda naquelas determinadas
faixas. É possível também observar que os átomos excitados deste gás
brilham exatamente na cor de suas linhas espectrais. Este fenômeno
intrigava a sociedade científica, pois esta ainda não compreendia como um
átomo poderia emitir exclusivamente algumas frequências de luz, e não todas
simultaneamente.
Bohr, então, propõe que um átomo só pode perder energia em certas
quantidades, discretas e definidas. A partir desta proposição, surge uma
explicação a nível eletrônico, que daria origem à teoria atômica de Bohr:
se um átomo só pode perder energia em quantidades discretas e definidas,
isto sugere que os elétrons só podem existir em uma série de níveis
discretos e definidos de energia. Quando um elétron absorve mais energia do
que a energia definida que já possui, ele passa a ocupar um nível maior de
energia, realizando o chamado de salto quântico, como pode ser observado na
figura 6:
Figura 6 - Salto quântico realizado pelo elétron, quando este absorve um
pacote de energia característico (fóton) e salta para um nível mais
energético.
Porém, o átomo não permanece estável quando realiza este salto quântico, e
tende a liberar esta energia e voltar a seu nível inicial de energia. Ao
voltar ao seu nível inicial de energia, a energia absorvida é liberada em
forma de luz, de cor característica do elemento deste átomo e diretamente
relacionada com a energia característica de absorção deste elemento. Os
pacotes de energia mínima liberada são chamados fótons. A energia de um
fóton é calculada pela diferença entre a energia superior e a energia
inferior:
Estas teorias são hoje comprovadas a partir de cálculos e experimentos.
Entre eles, está o teste de chama. Neste experimento, sais (principalmente
os que possuem ânions voláteis na chama oxidante, como o cloro, por
exemplo) são expostos à chama. Na chama, absorvem energia em forma de calor
e esta energia provoca a excitação dos elétrons, forçando-os a realizar o
salto quântico. Ao retornarem ao seu estado inicial de energia, liberam
fótons de luz de cores características a cada elemento. Na tabela abaixo
estão relacionadas as cores da radiação eletromagnética emitida por cada
elemento (os elementos mais comuns utilizados em testes de chama):
"Elemento "Cor da luz emitida "
"Lítio "Vermelho "
"Sódio "Amarelo "
"Potássio "Violeta "
"Cálcio "Laranja "
"Estrôncio "Vermelho "
"Bário "Verde "
"Ferro "Laranja "
"Cobre "Verde "
"Cobalto "Azul "
Tabela B - Cores da radiação emitida por alguns elementos.
Objetivos
Identificar a coloração emitida por alguns compostos por via seca (na
chama), pois se algum dia ao se deparar com alguns compostos que não possui
identificação, pode-se analisá-lo por via seca, para se saber que sal
possui, e confirmar com isso a teoria de Bohr e Planck para explicar o
fenômeno ocorrido no teste de chama, observando-se a cor emitida por certos
sais na chama, calculando-se também a energia radiante emitida por cada
sal.
Procedimento Experimental
a) Materiais utilizados:
- Bico de Bunsen;
- Fio de Platina;
- Béquer;
- Espátula de metal;
- 7 Vidros de relógio;
- HCl;
- LiCl;
- NaCl;
- KCl;
- CaCl2;
- SrCl2;
- BaCl2;
- CuCl2;
b) Procedimento:
Primeiramente, colocou-se uma solução de HCl dentro de um béquer limpo,
para que pudesse ser feita a limpeza do fio de platina. O fio de patina foi
mergulhado na solução de HCl e levado a chama do bico de Bunsen para ser
retiradas as impurezas nele contidas.
Feito isso, com a ajuda de uma espátula, foram coletados em sete vidros
de relógio os seguintes sais LiCl, NaCl, KCl, CaCl2, SrCl2, BaCl2, CuCl2.
Uma vez coletado os sais e com o fio de patina devidamente limpo,
mergulhou-se o fio de platina no vidro de relógio contendo o LiCl para que
o sal aderisse ao fio. Com o sal aderido ao fio, levou-se o fio a chama do
bico de Bunsen para que o sal fosse aquecido. Logo após foi efetuada a
limpeza do fio de platina, mergulhando-o na solução de HCl e levando o em
seguida a chama.
Este procedimento foi repetido com todos os sais, observando-se a
coloração da chama emitida por cada um dos sais testados.
Resultados e Discussões
Comparando as cores encontradas na literatura com as cores observadas
experimentalmente tem-se:
"Sal "Cor na literatura "Cor observada "
"LiCl "Vermelho "Vermelho "
"NaCl "Amarelo "Amarelo "
"KCl "Violeta "Amarelo "
"CaCl2 "Laranja "Laranja "
"SrCl2 "Vermelho "Vermelho "
"BaCl2 "Verde "Verde "
"CuCl2 "Verde "Azul esverdeado "
Tabela C: cores observadas na literatura e cores observadas no teste de
chama.
Pode-se observar que algumas cores observadas não condizem com a
literatura. Assim, surgem algumas diferentes hipóteses para a margem de
erro, como:
Observou-se que o CuCl2 quando levado a chama durante o experimento
apresentou-se uma coloração entre o azul e o verde. Pensou-se, num
primeiro momento, que o fio de clipe poderia estar contaminado. Então,
mergulhou-se o fio no ácido clorídrico concentrado e levou-se a chama,
mas percebeu-se que o fio estava limpo. A partir daí pode-se concluir
que o sal pode emitir dois comprimentos de onda diferentes, ou seja,
porque tem mais orbitais e mais números de elétrons, conseqüentemente,
mais níveis energéticos e por isso duas cores.
A amostra do sal também poderia estar contaminada, pois o fio
utilizado não era adequado, pois o que utilizamos era um clipe, onde o
contato com a chama também poderia fazê-la reagir e formar compostos
com as substâncias que são utilizadas na sua fabricação. O ideal é
utilizar-se fio inerte, como o de platina, que resulta numa chama
limpa e brilhante, não influencia na cor da chama.
Outro erro, pode-ser dizer, é o fato de ficarem presos no fio outros
sais, contaminando os outros e modificando a coloração. Por isso, após
todos os ensaios, o fio de clipe deve ser limpo com ácido clorídrico
como foi feito na prática. É melhor conservar o fio permanente no
ácido e também a cada aquecimento esperar a haste esfriar.
Outro fato ocorrido foi o ensaio do KCl ser deixado por último para
levar a chama. A cor observada foi totalmente diferente, pois a
literatura nos forneceu a cor violeta, porém a cor observada, conforme
a tabela 1, foi amarelo. O fato se explica pelo fato do bico de Bunsen
utilizado na prática ser diferente dos outros contidos no laboratório,
e, talvez, algum defeito neste bico de Bunsen. Testando-se mais de
duas vezes, com a ajuda do professor, pudemos finalmente ver a cor
violeta nas bordas da chama, mas com dificultosa visualização.
Mesmo havendo margem de erros, calculou-se, a partir da tabela contida na
introdução, a energia radiante de cada composto, de acordo com o
comprimento de onda que é encontrado com base nas cores observadas.
Calculou-se a energia radiante através da fórmula:
Onde é a energia radiante, em joules, é a constante de Planck
e é a frequência da onda eletromagnética, em hertz.
Os valores encontrados estão descritos na tabela abaixo:
"Sal "Energia radiante (J) "
"KCl "4,7. 10-48 "
"CuCl2 "4,24. 10-47 "
"BaCl2 "3,49. 10-47 "
"NaCl "3,44. 10-47 "
"CaCl2 "3,18. 10-47 "
"SrCl2 "1,98. 10-47 "
"LiCl "1,98. 10-47 "
Tabela D - Energia radiante E ( joule J) dos diferentes sais
Conclusões
Através deste experimento pode-se concluir que a cor observada é a dos
cátions, porque o ânion de todos os sais é igual e provavelmente não emite
luz no visível. Aprendeu-se a colocar em prática o modelo atômico de Bohr
para explicar diferentes cátions metálicos que emitem cores diferentes e
seus respectivos motivos emitirem tais cores. Entendeu-se como funcionam as
camadas e subcamadas no espectro de emitir e absorver energia. Calculou-se
também a energia através do comprimento de onda do espectro
eletromagnético.
Referências
1 ATKINS, P. JONES, L. Chemistry: Molecules, Matter and Change. 4 ed. 2000.
2 BROWN, T. L; LEMAY, H. E.; BURSTEN, B. E. Química: a ciência central.
Tradução de Robson Matos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.
ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e
o Meio Ambiente. Tradução de Ricardo Bicca de Alencastro. 3 ed. Porto
Alegre: Bookman, 2006.
Distribuição de energia e linhas espectrais. Disponível em
http://www.astro.iag.usp.br/~jane/aga215/aula05/cap5b.htm, acesso em
05/03/10.