sábado, 17 de fevereiro de 2018

A Espectroscopia e a Química




A espectroscopia representa um meio de investigar as perturbações causadas na matéria em função da interação com a radiação eletromagnética. O aprimoramento dos meios e técnicas aliado ao desenvolvimento do convencionalismo teórico da mecânica quântica no séc. XX, possibilitou um avanço notável nas áreas da física e da química. Atualmente, a física e a química moderna são subsidiadas pelo uso da espectroscopia na identificação da estrutura da matéria e determinação de propriedades físico-químicas de sistemas e processos de significativo interesse para a ciência.

             A presente palestra tem como tema central a história do desenvolvimento da espectroscopia e suas extraordinárias e imediatas consequências para a ciência, em particular para entendermos a estrutura da matéria. No qual é abordado temas que começaram a ser questionados a partir do século XIX, mais precisamente o 1885, quando não existiam os conceitos de elétron, estrutura atômica, transição eletrônica, e sua trajetória até os dias atuais, apresentando o desenvolvimento histórico e métodos teóricos, realçando a importância da análise teórica na interpretação de informações experimentais. 

            Desde a antiguidade sabia-se que a luz solar poderia ser composta nas cores do arco íris, mas foi Newton que no século XVII, descreveu de forma adequada o fenômeno da decomposição da luz por um prisma, assim como de sua recomposição por um segundo prisma, ou seja, Se a luz branca visível for colimada a um feixe estreito, passado por uma fenda e depois colidir com um prisma, ao passar por esse prisma ele colide em um anteparo, a partir daí se observa um espectro contínuo semelhante a um arco-íris. O conjunto das cores obtidas com o prisma é conhecido como espectro, e varia do vermelho, numa das extremidades, ao violeta, na outra extremidade. Este processo é conhecido como espectroscopia.
         Além das chamadas sete cores do arco-íris, o espectro solar também apresenta radiações invisíveis ao olho humano. Mas como é que se pode comprovar essa observação?
Em química sabe-se que o cloreto de prata é um sólido branco que escurece por ação da luz. Este é o principio da fotografia em preto e branco. O filme fotográfico contém uma suspensão de um composto semelhante, o brometo de prata, que também escurece ao ser atingido pela luz. Este fenômeno, que é comum aos dois sais, não se atribui ao brometo ou ao cloreto, mas sim a prata, existentes em ambos compostos químicos. A reação que promovida pela luz e pelo processo de revelação, dando origem ao metal finamente dividido, que é preto.
            No ano de 1777 o químico sueco Carl Wihelm Scheele resolveu colocar amostras de cloreto de prata em cada uma das diferentes regiões coloridas do espectro solar obtido com um prisma. Scheele percebeu que o escurecimento do material se processava mais intensamente quanto mais próximo da extremidade violeta. Isso devia significar que a luz violeta era mais energética do espectro, pois era a que mais acelerava a reação.
            Em 1801, o alemão Johann Wilherm Ritter pôs uma amostra de sal de prata na região escura além da violeta. No qual observou que a reação de redução da prata se dava com mais facilidade ainda. O inglês Willian Hyde Wollaston fez nessa mesma época, independentemente, a mesma descoberta. A conclusão que se pode tirar desse experimento é que existe no espectro solar uma radiação de energia mais alta que a luz violeta; a essa radiação, invisível a nossos olhos, chamou-se ultra-violeta.
            A temperatura do corpo é uma medida de sua agitação térmica, isto é, das vibrações de suas moléculas ou partículas. O astrônomo inglês William Herschel, em 1800, colocou o bulbo de um termômetro em cada uma das regiões coloridas do espectro solar. O resultado observado foi à temperatura do mercúrio que aumentava por causa da incidência da luz, porém esse era mais rápido quanto mais próximo da extremidade vermelha. Quando se testava com a região iluminada depois do vermelho, Herschel descobriu que a temperatura subia ainda mais rapidamente. A radiação invisível que provocava este fenômeno foi denominada de infra-vermelho. Portanto estava assim demonstrado que a luz continha componentes não detectados por nossos olhos, em adição à porção visível.
            Com isso podemos dizer que o ultra-violeta é uma radiação muito energética capaz de promover reações químicas que envolvem transições eletrônicas, como a reação citada abaixo:
Ag+ e-    Luz         Ag0
No entanto, o infravermelho é uma radiação de baixa energia, e esta coincide com a faixa de energia necessária para fazer vibrar, ou seja, movimentar uns em relação aos outros, os átomos de uma substância sem provocar uma reação.
            Wollaston descobriu também que quando se trabalha com um feixe de luz muito estreito oriundo de uma fenda de 0,01 mm, e não de aberturas maiores, como fez Newton, o espectro solar resultante apresentava-se sete linhas negras sobrepostas ás cores brilhantes.
            Foi aí que Joseph Fraunhofer, um jovem construtor de instrumentos ópticos alemão, quando usou inicialmente um prisma e depois grades de difração, constatou que o espectro solar na realidade contém centenas de linhas negras sobre as cores. Ele designou as linhas mais forte pelas letras do Alfabeto, começando de A até I, e mapeou 574 linhas entre a linha B (no vermelho) e a linha H (no violeta). Também ocorriam linhas nas regiões invisíveis do espectro. Com o passar do tempo, verificou-se que o número de linhas era bem maior do que se esperava, chegando a vários milhares.
            Há vários séculos já se sabia que muitos materiais também podem emitir luz quando excitados. Este é o principio dos fogos de artifício: no qual para obter luz verde usam-se sais de bário; para luz vermelha, sais de estrôncio; amarela, sais de sódio e assim por diante. Fraunhofer observou que ao se passar por um prisma a luz emitida por aqueles materiais incandescentes, o resultado era um espectro discreto, e não contínuo como o espectro solar. Esse espectro discreto era formado por linhas luminosas brilhantes, cujas energias pareciam corresponder aquelas das linhas negras sobrepostas ao espectro solar. Um outro aspecto interessante percebido por ele é que o conjunto de linhas negras do espectro solar era idêntico ao do espectro da luz da lua ou dos planetas, mas diferente das estrelas, cada uma das quais apresentava um espectro particular. Pois a luz da lua ou dos planetas é apenas um reflexo da luz solar e as estrelas possuem luz própria.
Com a colaboração de dois cientistas da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, levou às consequências enormes para a química e a física. O químico Robert Wilhelm Bunsen, inventor do queimador de gás comum de laboratório, uniu-se em 1859 ao físico Gustav Robert Kirchhoff na criação do espectroscópio, instrumento simples, mas de alcance extraordinário.
 A espectroscopia possibilitou a descoberta, em poucos anos, de inúmeros elementos químicos, em especial muitos dos que correspondiam às lacunas presentes na tabela periódica que seria publicada por Dimitri Mendeleiev em 1869. Também os lantanídeos, de separação extremamente difícil, foram prontamente identificados pela espectroscopia. A descoberta mais retumbante propiciada pela espectroscopia, contudo ocorreu em 1868. O estudo do espectro solar ficava facilitado durante eclipses, quando se podia observar apenas a borda do disco solar, sem os problemas normais de ofuscamento. Lockyer, concluiu que o sol devia ter um novo elemento desconhecido na Terra, que denominou Hélio, em homenagem ao deus grego do sol.
O processo de descobertas de novos elementos inclusive do hélio no sol, 27 anos antes de ser encontrado na Terra, mostrou a extraordinária importância da espectroscopia no estudo da constituição intima da matéria.
O matemático suíço Jakob Balmer chegou a uma equação em 1885 que hoje traz seu nome e que expressa perfeitamente tal relação, para as linhas do espectro do hidrogênio, que representa os valores de energias e ou comprimentos de onda:
1 = R (1 – 1)   Onde λ = comprimento de onda correspondente à
λ        22   n2     linha espectral (em cm); R = constante, que provou ser igual a 109677cm-1; n=3,4,5,6,... 
     Em nosso cotidiano, o exemplo mais comum de onda ou oscilação eletromagnética é a luz. Uma observação de grande importância é observar a luz ao atravessar um prisma de vidro. Um feixe de luz branca (luz solar ou de uma lâmpada incandescente comum) se decompõe em várias cores, que formam o chamado espectro luminoso, que vai variando gradativamente do vermelho ao violeta, fenômeno idêntico ocorre na formação do arco-íris, em que as gotículas de água no ar agem sobre a luz do mesmo modo que o prisma de vidro. A diferença entre uma cor e outra reside nos comprimentos de onda e nas frequências, que variam para cada cor. Em um espectro completo das ondas eletromagnéticas é muito mais amplo do que o da luz visível, isto é, das ondas que podemos perceber por meio da visão. A maior parte dos nossos conhecimentos sobre átomos, moléculas e núcleos vêm desses estudos sobre a radiação emitida ou absorvida por eles, portanto a espectroscopia foi de grande ajuda nos conhecimentos químicos e várias pessoas contribuíram para esse longo processo de descoberta até chegar no que conhecemos hoje.

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