Quando submetemos elementos diferentes à ação de uma chama, notamos que cada um emite uma coloração diferente. Por exemplo, se queimarmos um sal de estrôncio, um de sódio e um de cobre, veremos, respectivamente, as cores vermelho, amarelo intenso e verde, conforme a figura a seguir:
Se a luz dessas chamas incidir sobre um prisma, será obtido um espectro descontínuo, ou seja, serão observadas apenas algumas linhas luminosas coloridas intercaladas por regiões sem luz. Para cada elemento, teremos um espectro diferente.
Esses tipos de espectros são chamados de espectro de emissão, pois foram emitidos por determinado elemento e servem para identificá-lo.
É possível conseguir espectros assim por meio de um feixe de luz produzido em um tubo de descarga elétrica a elevadas temperaturas e baixas pressões, que contenha gases de determinados elementos como o hidrogênio, ou como os gases nobres abaixo:
Ao passar essa radiação eletromagnética (luz) produzida, por um prisma, obtêm-se os espectros de emissão de cada um desses elementos.
Antigamente, achava-se que o espectro solar conseguido era totalmente contínuo, porém o cientista inglês William Hyde Wollaston descobriu que ao trabalhar com um feixe de luz muito estreito, com uma fenda de cerca de 0,01 mm, podia-se observar que o espectro solar continha sete linhas negras sobre ele. Mais tarde, o jovem Joseph Fraunhofer (1787-1826), usando prismas e grades de difração, constatou que o espectro solar na realidade contém milhares de linhas negras sobrepostas.
Algum tempo depois o físico Gustav Robert Kirchhoff percebeu que as manchas amarelas, conseguidas pelo espectro do sódio, ficavam exatamente no mesmo lugar que duas linhas negras do espectro do Sol. Ele e o químico Robert Wilhelm Bunsen realizaram vários experimentos e notaram que se passassem uma luz branca do bico de Bunsen, como a luz solar, pela luz amarela emitida pelo sódio e o prisma fosse atravessado para gerar o espectro; o resultado seria o espectro solar contínuo, com as cores do arco-íris, porém, com as linhas negras (chamadas de linhas D por Fraunhofer) na mesma posição das linhas amarelas do espectro do sódio.
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O Sol emite luzes de todas as cores, do vermelho ao violeta, porém, ao passar pela atmosfera terrestre, os gases presentes absorvem a luz do Sol exatamente nas cores que emitem.
Esses tipos de espectros são denominados espectros de absorção.
Baseado nessas observações, Kirchhoff criou três Leis para a Espectroscopia, que são:
1) Um corpo opaco quente, em qualquer dos três estados físicos, emite um espectro contínuo.
2) Um gás transparente – como os dos gases nobres que vimos acima – produz um espectro de emissão, com o aparecimento de linhas brilhantes. O número e a posição dessas linhas serão determinados pelos elementos químicos presentes no gás.
3) Se um espectro contínuo passar por um gás à temperatura mais baixa, o gás frio causa a presença de linhas escuras, ou seja, será formado um espectro de absorção. É o que ocorreu com o espectro da luz do Sol ao passar pelo gás do sódio. Nesse caso, o número e a posição das linhas no espectro de absorção também dependem dos elementos químicos presentes no gás.
Por Jennifer Fogaça
Graduada em Química
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ou vistas em postes de iluminação urbana e são interessantes por emitirem um espectro discreto, bem característico desses elementos químicos. 2) Leia o texto abaixo e responda: 62 Espectro atômicos Produzido especialmente para o São Paulo Faz Escola No início do século XIX, o cientista alemão Joseph Von Fraunhofer descobriu linhas escuras em posições específicas do espectro solar. Posteriormente, descobriu que um gás incandescente emite o mesmo tipo de linhas no espectro. Se estiver aquecido, ele emite luz e as linhas são brilhantes. Mas, se for atravessado por luz branca de baixa temperatura, ele absorve a luz, produzindo linhas escuras de absorção. Para um mesmo elemento químico, a posição das linhas de emissão ou absorção no espectro é a mesma. O mais importante é que cada elemento químico possui um conjunto de linhas no espectro que o caracterizam. É como se fosse a impressão digital desse elemento químico. Isso permite analisar a composição química dos gases de uma chama ou da atmosfera de uma estrela a milhões de anos-luz de distância. O espectro, em geral, constitui-se de diferentes séries de linhas para determinado elemento. A primeira observação foi feita em 1885 pelo professor suíço J. J. Balmer, que observou uma série de linhas discretas emitidas pelo hidrogênio. Leis de Kirchhoff Em seus trabalhos, Kirchhoff extraiu algumas “leis” empíricas muito úteis no tratamento de espectros. São elas: 1. Um corpo opaco muito quente (sólido, líquido ou gasoso) emite um espectro contínuo. 2. Um gás transparente muito quente produz um espectro de linhas brilhantes (de emissão). O número e a posição dessas linhas dependem dos elementos químicos presentes no gás. 3. Se um espectro contínuo emitido por um corpo quente passar por um gás a temperatura mais baixa, a presença do gás frio faz surgir linhas escuras (absorção). O número e a posição dessas linhas dependem dos elementos químicos presentes no gás. No modelo atômico de Bohr, os elétrons, ao serem excitados por uma fonte externa de energia, saltam para um nível de energia maior e, ao retornarem aos níveis de energia menor, liberam energia na forma de luz (fótons). Como a cor da luz emitida depende da energia entre os níveis envolvidos na transição e como essa diferença varia de elemento para elemento, a luz apresentará uma cor característica para cada elemento químico. © Produzido especialmente para o São Paulo Faz Escola a) Explique o que é um espectro. Chama-se espectro a faixa de comprimentos de onda, isto é, o conjunto de ondas emitidas por determinado objeto. A luz visível, por exemplo, possui um espectro que vai do vermelho (656. 10−9 m) ao violeta (410. 10−9 m). b) Qual é a grande aplicabilidade dos espectros para identificação dos materiais? Com o uso dos espectros, é possível saber precisamente a composição de um corpo por meio da análise de sua luz, sem precisar analisá-lo diretamente. Com isso, é possível estudar a composição de objetos distantes e “inacessíveis”, como o Sol. 63 c) Qual é a relação entre um espectro de absorção e um espectro de emissão? No caso do espectro de emissão, um gás no qual seus elétrons foram excitados libera energia em forma de radiação eletromagnética. Como os valores são quantizados, vemos a formação de linhas (coloridas, no caso da luz visível) que representam as radiações emitidas. Já o espectro de absorção envolve um processo no qual, primeiro, uma luz com espectro contínuo (policromática) incide sobre o gás. Nesse caso, somente os fótons de frequências determinadas serão absorvidos. Assim, o resultado é um espectro semelhante ao contínuo, mas com algumas finas regiões escuras, que correspondem às frequências absorvidas. d) Sabendo que a energia absorvida ou liberada é dada pela expressão ∆𝐸 = ℎ. 𝑓, qual é a frequência de um fóton emitido por um elétron que salta do nível 4 (𝐸4 = −0,85 𝑒𝑉) para o nível 1 (𝐸1 = −13,6 𝑒𝑉) num átomo de hidrogênio? Considere a constante de Planck ℎ = 4,1. 10−15 𝑒𝑉. A frequência do fóton emitido será de: |∆𝐸| = ℎ. 𝑓 ⇒ 𝑓 = |∆𝐸| ℎ = 𝐸4 − 𝐸1 ℎ = −13,6 𝑒𝑉 − (−0,85 𝑒𝑉) 4,1. 10−15 ⇒ 𝑓 = 3,11. 1015 𝐻𝑧 SUGESTÃO DE ATIVIDADE: Sugestão de atividade para observar, investigar e compreender os espectros contínuo e discreto de diferentes fontes de luz, assim como compreender a relação entre o espectro e os elementos de uma fonte espectral. Disponível em: //objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/10516/Modulo%20- %20Espectroscopia.zip?sequence=1. Acesso em: 17 jul. 2020. Professor: Para iniciar o trabalho com o software, você pode retomar as atividades anteriores e os conceitos principais, relacionados à emissão de luz com comprimentos de onda característicos (decorrente da existência de órbitas específicas em cada átomo e da possibilidade da análise da luz por espectroscopia). Comparando os espectros com os espectros de algumas estrelas, é possível verificar quais linhas coincidem e determinar quais dos elementos apresentados estão presentes na estrela. Os alunos devem comparar os espectros e concluir se há ou não a presença de determinado elemento químico. É importante ressaltar que cada linha colorida que aparece no espectro dos elementos refere-se a uma transição eletrônica. Para finalizar a atividade, é interessante retomar que os átomos têm níveis de energia característicos (quantizados) e que, por isso, emitem e absorvem luz com frequências determinadas, possibilitando o estudo dos materiais por meio da análise da luz emitida ou absorvida por eles (chamadas respectivamente de espectro de emissão e de absorção). Deve-se destacar que o mesmo procedimento pode ser utilizado tanto para os sais, presentes em nosso cotidiano, quanto para as estrelas e outros objetos celestes que estão a milhares, milhões ou até bilhões de anos-luz de nós. Professor: para saber mais informações sobre o espectro das estrelas, como também algumas sugestões atividades práticas para desenvolver em sala de aula, acesse “Espectro, a ‘digital’ das estrelas”. Disponível em: //planeta.rio/espectro-a-digital-das-estrelas/ . Acesso em: 3 abr. 2020. ATIVIDADE 3 – EFEITO FOTOELÉTRICO Habilidade: Compreender o conceito do efeito fotoelétrico 64 //planeta.rio/espectro-a-digital-das-estrelas/ Em nosso cotidiano existem muitos equipamentos que “funcionam sozinhos”, como portas de lojas, lâmpadas que acendem automaticamente quando anoitece etc. Você já parou para pensar em como pode ocorrer esse funcionamento? 1) Observe a imagem indicando como deve ser o uso de uma torneira. Discuta com os seus colegas e escreva como pode ocorrer esse funcionamento. Imagem especialmente produzida para o São Paulo Faz Escola Resposta pessoal do aluno. Professor: pode-se discutir com os alunos que as torneiras com sensores utilizam um feixe de luz infravermelho que detecta o movimento. Quando as mãos estão na direção do trajeto do feixe, a luz é refletida para o sensor e este por sua vez irá fazer mover uma válvula solenóide, permitindo a saída da água. Quando as mãos se afastam da torneira, os sinais da luz refletida são perdidos, o que resulta na interrupção do fluxo de água. 2) Você acha que é possível obter uma corrente elétrica iluminando um pedaço de metal? Explique. Resposta pessoal do aluno. Professor: estas duas questões permitem o levantamento de conhecimentos prévios dos alunos sobre situações cotidianas para discussão do tema Efeito Fotoelétrico. Quando iluminamos uma superfície metálica com luz de determinado comprimento de onda, isso faz com que elétrons sejam emitidos pelo metal – esse fenômeno recebe o nome de Efeito Fotoelétrico e é essencial para o funcionamento de alguns equipamentos, como, por exemplo, câmeras com sensores. 3) Após realizar a leitura das páginas 49