O objetivo desta Situação de Aprendiza-gem é discutir a emissão de luz por diferentes materiais e relacioná-la às propriedades atô-micas estudadas. Após o estudo do átomo de hidrogênio, os alunos devem ter percebido que esse átomo tem níveis de energia bem
estabe-lecidos e que, quando um elétron muda de um nível mais energético para um menos energé-tico, esse átomo emite luz de uma frequência bem determinada. Discutiremos, agora, algu-mas implicações desse fenômeno na análise química de sais.
Conteúdos e temas: produção do espectro de emissão de radiações; relação das linhas espectrais com as substâncias.
Competências e habilidades: utilizar linguagem escrita para relatar experimentos e questões relativos à produção de espectros; ler e interpretar texto científico; analisar e interpretar resultados de atividade experimental demonstrativa; utilizar modelos quânticos para interpretação dos espectros de emissão de substâncias.
Sugestão de estratégias: realização de atividades experimentais ou demonstrativas em grupo; elabora-ção de hipóteses de trabalho; análise dos resultados e discussão com a classe.
Sugestão de recursos: roteiro 4 de atividade; materiais diversos para a produção de espectros de emissão de substâncias.
Sugestão de avaliação: avaliar a compreensão do aluno sobre os processos de emissão de luz em termos do modelo quântico e sua capacidade de interpretação, por meio de leitura e respostas às questões e do relato científico proposto.
Desenvolvimento da Situação de Aprendizagem
Determinar quais são os elementos básicos da constituição da matéria sempre foi um desa-fio para filósofos e cientistas. Antes mesmo de termos um modelo quântico para a estrutura atômica, foi percebido, já no século XIX, que materiais aquecidos emitiam luz
caracterís-tica, sendo possível estudar a constituição da matéria a partir da análise do espectro da luz emitida por ele, o que se chama espectroscopia.
Assim, vários elementos químicos ainda desco-nhecidos foram descobertos. Entre os trabalhos científicos neste campo, destaca-se o de Bunsen e Kirchhoff, em meados do século XIX. Con-tudo, a explicação deste fenômeno somente foi possível com o modelo atômico de Bohr.
posto de sódio (NaCl) e, quando esse ma-terial recebe energia, como pelo fogo, o elé-tron do átomo de sódio vai para um nível mais energético e emite uma luz amarelada quando volta ao nível fundamental.
Se o sal de cozinha não fosse composto de sódio, mas de outro elemento químico, como potássio, a cor seria outra. A cor da chama depende do elemento químico, pois cada elemento possui níveis de energia com valores característicos. Vimos que o átomo de hidrogênio tem determinados níveis ener-géticos (–13,6 eV, –10,20 eV etc.), mas, de um elemento químico para outro, esses valores podem mudar. Assim, a luz emitida nas tran-sições de elétrons pode ter diferentes cores. É como dizer que cada elemento químico tem uma assinatura que pode ser desvendada pela luz emitida pelo elemento na combustão.
Robert Bunsen e Gustav Kirchhoff fo-ram dois cientistas que estudafo-ram a com-posição atômica dos materiais. Leia a carta de Bunsen e responda às questões a seguir.
“No momento estou envolvido em uma pesquisa com Kirchhoff, que nos deixou noites em claro.
Kirchhoff fez uma das mais be-las e inesperadas descobertas: ele desco-briu a causa das linhas escuras no espectro solar e conseguiu igualmente intensificá--las de forma artificial e provocar o seu aparecimento no espectro contínuo de uma chama, identificando a posição dessas li-nhas com as de Fraunhofer. Assim, abre-se a possibilidade de determinar a composi-ção material do Sol e das estrelas fixas com o mesmo grau de certeza com que
pode-mos constatar com nossos reagentes a pre-sença de óxido de enxofre e cloro. Por esse método também é possível determinar a composição da matéria terrestre, distin-guindo as partes componentes com a mes-ma facilidade com que se distingue a mes- maté-ria contida no Sol. Pude, por exemplo, detectar o lítio em vinte gramas de água do mar. Para registrar a presença de muitas substâncias, esse método deve ser preferido a qualquer um dos até agora conhecidos.
Assim, se tivermos uma mistura de lítio, potássio, sódio, bário, estrôncio e cálcio, tudo que se tem de fazer é levar um mili-grama da mistura ao nosso aparelho para determinar a presença de todas as substân-cias acima indicadas por mera observação.
Algumas dessas reações são extremamente delicadas. Detectei cinco milésimos de mi-ligrama de lítio com a maior facilidade e precisão. Descobri a presença desse metal em quase todas as amostras de potassa.”
ROSCOE, Henry. Bunsen Memorial Lecture. Journal of Chemical Society. Transactions , v. 77, p. 531, 1900.
Tradução Maurício Pietrocola.
1. Qual é a importância da descoberta apresentada pelo cientista em sua carta?
A importância se deve à possibilidade de determinar a composição material do Sol e outras estrelas. Por meio da análise das linhas escuras de um espectro (chamado de espectro de absorção), também é possível determinar a composição química de substâncias e materiais.
2. Por que ele está tão entusiasmado com ela?
Pela possibilidade de determinar quais substâncias estão presentes em uma amostra por meio da simples análise do espectro.
Encaminhando a ação
Esta atividade pode ser conduzida de mui-tas formas. Os alunos podem somente ler o
texto e depois discuti-lo com você, professor.
Contudo, uma estratégia que torna a aula mais interessante é começar a discussão referente à parte inicial do texto com uma demonstração.
Leve uma pequena vasilha de alumínio com álcool em gel para fazer uma chama de cor azul, semelhante à do fogão. Para isso, basta colocar o álcool na vasilha e acendê-lo com um fósforo. Com a chama acesa, você pode, utilizando uma pequena espátula, colocar um pouco de sal de cozinha no fogo e mostrar aos alunos que a chama se torna amarelada.
Essa demonstração deve ser precedida de uma problematização, semelhante à do texto, sobre o que ocorre quando algo cai na chama do fogão em nossas casas. Para tornar a de-monstração mais interessante, é possível utilizar outros sais, como cloreto de potássio, cloreto de níquel, cloreto de estrôncio e cloreto de cobre (que podem ser conseguidos em laboratórios de química), e mostrar a cor que resulta de cada um deles (rosa, verde, alaranjada etc., dependendo do tipo de sal). Esse é o princípio de produção dos fogos de artifício, por exemplo. Caso não seja possível fazer a demonstração, podem-se obter fotos dessas chamas em livros e sites.
Ao fim dessa dinâmica, deve-se enfatizar para os alunos que as diferenças só acontecem porque os átomos têm níveis de energia caracte-rísticos e, consequentemente, transições muito bem definidas. Cada elemento químico possui valores de energia específicos, o que torna sua análise possível por meio da luz que é emitida, pois ela demonstra qual é a diferença de energia entre dois níveis. A quantização do átomo faz que ele tenha transições limitadas, mas deve-mos lembrar que a luz emitida − que será carac-terística do material − não é uma luz monocro-mática (de uma única cor), e sim policromonocro-mática, pois cada transição emite uma onda diferente.
Com isso, o átomo emite luz com mais de um valor de comprimento de onda (ou frequência), tendo um espectro característico. Essa questão será mais bem discutida na próxima Situação de Aprendizagem.
É importante conhecer a existência de sub-níveis de energia, embora essa noção não seja explorada com os alunos. Com a evolução da
Física Quântica, percebe-se que os elétrons se-guem muitas outras “regras”, além da imposi-ção de estar em determinadas camadas eletrô-nicas. Por exemplo, dois elétrons não podem estar no mesmo “estado quântico” no mesmo sistema. Assim, em cada nível energético, eles não podem ter os mesmos valores de momento angular ou spin. Para poder ter um número de elétrons maior, cada nível energético foi dividido em subcamadas, como numa estrada que, para organizar os carros que vão para uma mesma região, subdivide-se em faixas.
Assim, é possível haver transições eletrô-nicas com emissão de luz dentro desses sub-níveis. No caso do sódio, elemento químico presente no sal, que sugerimos na demons-tração, é por causa de duas transições nesses subníveis que há emissão da luz amarela, de comprimento de onda 589 nm.
A carta de Bunsen deve ser lida e analisada pelos alunos. Eles devem perceber a importân-cia da descoberta das linhas espectrais no estudo dos materiais. Na carta, Bunsen afirma em vários momentos que, por meio da análise da luz emiti-da por um corpo, procedimento denominado es-pectroscopia, é possível identificar com precisão os elementos químicos presentes em um material.
Bunsen mostra seu entusiasmo com essa desco-berta, que possibilita o estudo e a compreensão da composição atômica de diferentes corpos, mesmo do Sol ou de estrelas distantes.
Os alunos devem identificar as possibilida-des que esse tipo de análise permite, como a de estudar a constituição química do Sol e outras estrelas sem a necessidade de uma amostra do material, algo impossível de se obter. Isso é inte-ressante por mostrar como é possível que os cien-tistas estudem uma estrela extremamente distante com base na análise da luz que ela emite.
Pode-se ainda trabalhar com os alunos as séries de Balmer, a primeira das séries espec-trais que foram observadas experimentalmen-te, e as “leis” empíricas de Kirchhoff.
Séries de Balmer
Um gás, ao ser excitado pela passagem de uma descarga elétrica, emite radiação. O espectro dessa radiação emitida não é contínuo, mas discreto, contendo apenas alguns comprimentos de onda. Esse espectro de emissão é característico do elemento no estado de vapor quando excitado, sendo único para tal elemento. Portanto, a análise do espectro de emissão fornece informações sobre a composição química de determinada substância.
Tal espectro tem origem na excitação da nuvem eletrônica ao redor do núcleo. Os elétrons exci-tados, ao passar para um estado de energia menor, emitem fótons cuja energia é igual à diferença de energia dos dois estados da transição. O espectro, em geral, constitui-se de diferentes séries de linhas para determinado elemento. A primeira observação de uma série coube a J. J. Balmer, que, em 1885, observou uma série de linhas discretas emitidas pelo hidrogênio.
Linhas do espectro de hidrogênio (série de Balmer, espectro visível) Linha Frequência (1014 Hz) Comprimento de onda (10–9 m) Cor
H_ 4,57 656 Vermelho
N` 6,17 486 Azul-esverdeado
Ha 6,91 434 Azul
Hb 7,32 410 Violeta
Tabela 1.
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 bri-lhantes (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 à 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.
Elaborado por Maurício Pietrocola especialmente para o São Paulo faz escola.
Gás quente Espectro de emissão
Gás Espectro de absorção frio
Espectro contínuo
© Lie Kobayashi
Figura 9.