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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 19, MAIO 2004

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Recebido em 4/8/03, aceito em 13/4/04

Fluorescência e estrutura atômica

O tópico “Estrutura Atômica” éde difícil abordagem em salade aula, por exigir um alto

nível de abstração dos alunos, sendo,muitas vezes, apresentado precoce-mente nos cursos de Química do En-sino Médio. Por outro lado, é um temade extrema importância, por ser básiconas explicações de todos os fenô-menos químicos. Uma dificuldade ex-tra na compreensão desses conceitosé a raridade de experimentos nessetema, o que torna o assunto ainda maisinacessível e, não raro, sem significadopara os alunos. Um bom panoramadesse tema pode ser obtido com aleitura dos artigos de Santos (2001),Almeida e Santos (2001), Duarte(2001), Oliveira (2001) e Rocha (2001),todos publicados no Caderno Temáticosobre estrutura da matéria.

No modelo de Bohr, a idéia centralé a quantização que estabelece queos elétrons nos átomos podem apre-sentar somente certos valores defi-nidos de energia. Isto implica que, noestado fundamental os elétrons dosátomos de um determinado elementopossuem valores de energia caracte-rísticos, relacionados às órbitas àsquais pertencem. Para que ocorra umatransição eletrônica, isto é, para que oselétrons passem de um estado funda-

mental para um estado excitado, demaior energia, eles precisam absorveruma quantidade de energia certa,correspondente à diferença entre osníveis de energia inicial e final. Por outrolado, ao retornar às órbitas de menorenergia os elétrons podem emitir aenergia correspondente na forma deradiação eletromagnética - luz de deter-minada freqüência, isto é, monocro-mática (Tolentino e Rocha-Filho, 1996).No caso de certas substâncias, aexcitação dos elétrons de suas molé-culas pode produzir emissão de luz porfluorescência ou por fosforescência,conforme discutiremos na seqüência.

Neste artigo, propomos a utilizaçãode substâncias fluorescentes paraabordagem do tema estrutura atômica.Luminescência é o nome do fenômenomais genérico que engloba a fluores-cência e a fosforescência. A lumines-cência é definida como a emissão deluz na faixa do visível (400-700 nm) doespectro eletromagnético como resul-tado de uma transição eletrônica. O pri-meiro passo de um processo fotoquí-mico ou fotofísico envolve a absorçãode um quanta de luz (fóton) por umamolécula e, conseqüentemente, a pro-dução de um estado eletronicamenteexcitado (vide esquema ao lado). Istosignifica dizer que a molécula absor-

veu uma quantidade discreta de ener-gia, suficiente para promover um elé-tron de um nível inferior para um nívelsuperior de energia. A energia do fótondeve coincidir com aquela correspon-dente à transição eletrônica. Diz-seque a molécula foi do estado funda-mental para o excitado. A moléculanão pode permanecer indefinidamen-te no estado excitado, por este ser

termodinamicamente ins-tável em comparação aoestado fundamental, epode dissipar a energia

Ana Luiza Petillo Nery e Carmen Fernandez

O fenômeno da luminescência é visualmente atraente e desperta a curiosidade das pessoas de todas as idades. Trata-se daemissão de luz resultante de um processo de excitação eletrônica, que pode ocorrer na forma de fluorescência (onde a emissãode luz cessa quando a fonte de energia é desligada) ou como fosforescência (que pode durar horas mesmo depois de desligadaa fonte de luz). Neste artigo propomos a utilização do fenômeno de fluorescência como estratégia de ensino para desenvolvimentodo tema estrutura atômica; mais especificamente, do modelo atômico de Bohr. O fenômeno da fluorescência pode ser facilmentedemonstrado através da utilização de materiais acessíveis como água tônica, espinafre ou hortelã, vitamina B2, sabões em pó ecasca de ovo marrom.

fluorescência, estrutura atômica, modelo de Bohr

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absorvida através dos processosdescritos a seguir.

Fluorescência - emissão de umfóton de luz e retorno ao estado fun-damental.

Fosforescência - o elétron exci-tado decai para um nível intermediáriode energia a partir do qual ocorreemissão de radiação ao retornar aoestado fundamental. Neste caso tam-bém pode ocorrer uma desativaçãotérmica.

Transição vibracional ou não ra-diativa - a molécula retorna ao estadofundamental emitindo energia térmicaatravés de uma série de transiçõesvibracionais.

Reação fotoquímica - a moléculasofre algum tipo de reação no estadoeletronicamente excitado.

Tanto no fenômeno da fluorescên-cia como no de fosforescência, aenergia da radiação emitida é normal-mente menor (comprimento de ondamaior) do que aquela utilizada paragerar o estado eletronicamente exci-tado. Isto porque a emissão sempreocorre a partir do estado excitado demenor energia. Assim, se a moléculaabsorver um fóton de luz suficientepara promover um elétron a um níveleletrônico, cuja energia seja superiorà do primeiro estado excitado, a mo-lécula dissipará parte da energiaabsorvida vibracionalmente, retornan-do ao primeiro estado excitado e, apartir dele, ocorrerá a emissão deenergia. Para que possamos enten-der, em termos energéticos, comoselecionamos a fonte de luz adequa-da, precisamos recorrer a alguns con-ceitos físicos.

A energia da radiação eletromag-nética pode ser calculada através daequação de Planck: E = hc/λ (h =constante de Planck, c = velocidadeda luz no vácuo, λ = comprimentode onda), também expressa em ter-mos de freqüência (ν): E = hν. A ener-gia da radiação eletromagnéticadepende apenas de sua freqüência:quanto maior, menor o comprimentode onda e maior a energia. A luz visívelcompreende uma faixa de compri-mento de onda que abrange de400 nm a 700 nm; já a radiação infra-vermelha (IV), invisível, cai em compri-mentos de onda mais longos (700 nm

a 200.000 nm); a ultravioleta (UV), dolado oposto do espectro, cai entre 10nm e 400 nm. De acordo com suaspropriedades físicas e efeitos bioló-gicos, parte da radiação UV é divididaem três sub-regiões: UV-A (320-400 nm), UV-B (290-320 nm) e UV-C(200-290 nm). Dentre elas, a radiaçãoUV-A, também chamada de ultravio-leta próximo, é a menos nociva, sen-do que fontes suas podem ser adqui-ridas comercialmente com o nome deluz negra. A radiação UV-B é aresponsável pelo câncer de pele e aUV-C não chega a atingir a superfícieterrestre (Costa e Silva, 1995). Assim,para que uma dada emissão de luzseja observada a olho nu, a excitaçãoeletrônica deve ocorrer em uma faixade comprimento de onda próximo ousuperior ao da região do UV. A colo-ração da luz emitida depende davariação de energia envolvida natransição eletrônica; assim, umaemissão avermelhada deverá ocorrerem uma faixa de energia associada acomprimentos de onda próximos de700 nm.

Na fluorescência, os elétrons exci-tados retornam instantaneamente aoestado fundamental emitindo luz.Neste caso, tanto o estado excitadoquanto o fundamental possuem amesma multiplicidade de spin. Osvegetais verdes, a água tônica, a vita-mina B2, a casca dos ovos marronse até mesmo os sabões em pó têmem comum o fato de possuírem com-postos fluorescentes em sua compo-sição. Já os mostradores de relógiose enfeites de quartos exibem o fenô-meno da fosforescência. Na fosfores-cência, a multiplicidade de spin doestado excitado é diferente da doestado fundamental. Para retornar aoestado fundamental deve ocorrer umprocesso de inversão de spin; porisso o processo de fosforescênciaocorre em intervalos de tempo supe-riores. De uma forma bastante sim-plificada, pode-se distinguir osfenômenos com relação ao tempo deemissão de radiação: enquanto nafluorescência a emissão é instantâneae cessa quando a fonte de energia édesligada, na fosforescência esta po-de durar horas, depois de desligadaa fonte de excitação.

Materiais necessários

• Acetato de etila (ou removedorde esmaltes, mistura de acetonae acetato de etila, entre outroscomponentes. Em geral as dife-rentes composições disponíveisno mercado apresentam resul-tados satisfatórios)

• Ácido clorídrico 10% (ácido mu-riático, adquirido em lojas demateriais de construção).Cuidado:Cuidado:Cuidado:Cuidado:Cuidado: corrosivo, deve sermanuseado com cuidado. Emcontato com a pele, lavar comágua corrente

• Água tônica• Ovo de galinha de casca mar-

rom• Folhas de vegetais verdes (hor-

telã ou espinafre)• Comprimido de vitaminas do

complexo B• Almofariz e pistilo (ou amassa-

dor para caipirinha e copo)• Filtro de papel (pode ser o utili-

zado para café)• Béqueres de 250 mL (ou copos

de vidro)• Fonte de excitação UVA: lâmpa-

da de luz negra de 28 W, adqui-rida em lojas de iluminação, ouatravés da Internet. Custam emtorno de R$ 40,00 (dado coleta-do em janeiro de 2004). Mate-rial necessário para montagemdo dispositivo inclui a lâmpada,soquete, fios de cobre e um in-terruptor. O dispositivo pode sermontado dentro de uma caixade madeira com abertura fron-tal, que permite observação daemissão de luz. Evite olhar dire-tamente para a lâmpada, pois aradiação pode causar danos àretina.

Emissão de fluorescência da clorofila

A clorofila é um pigmento natu-ral encontrado em folhas de vege-tais verdes. É esse pigmento queabsorve energia luminosa do solpara a fotossíntese, energia esta uti-lizada pela planta para a síntese deglicose a partir de dióxido de carbo-no e água:

6CO2(g) + 6H2O(l) →C6H12O6(s) + 6O2(g)

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Procedimento

Triture as folhas verdes usando oalmofariz e o pistilo. Adicione a seguiro acetato de etila. Então, filtre a solu-ção num copo. Em uma sala escurailumine o filtrado com a luz negra eobserve emissão vermelha (Figura 1).

Atenção: a fluorescência é melhorobservada em soluções diluídas.

Emissão de fluorescência da casca de

ovo marrom

A cor marrom da casca do ovo de-ve-se à presença da protoporfirina IX,um intermediário da síntese do grupoheme do sangue, responsável pelotransporte de oxigênio. Quando adi-cionamos ácido clorídrico sobre acasca do ovo, que é constituída de

carbonato de cálcio (CaCO3), ocorrea seguinte reação química:

CaCO3(s) + 2HCl(aq) →CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l)

À medida que a casca do ovo édissolvida, a protoporfirina IX é libera-da para a solução e, sob luz UV-A, aemissão de fluorescência aumentagradativamente, disseminando pelasolução uma tonalidade púrpuraintensa (Figura 2).

Procedimento

Em uma sala escura ilumine dire-tamente a casca de um ovo marromcom a luz UV-A. Após, quebre o ovo,lave as cascas e transfira-as para umbéquer contendo aproximadamente50 mL de acetato de etila. Iluminenovamente com a luz UV-A. Adicioneaproximadamente 15 mL de soluçãode ácido clorídrico 10%. Observe.Após a dissolução da casca do ovo,ilumine o béquer novamente e ob-serve.

Emissão de fluorescência da água

tônica

O ingrediente ativo da água tônica,que lhe confere o sabor amargo, é aquinina, um alcalóide fluorescenteacrescentado à bebida sob a formade sulfato de quinino.

Procedimento

Numa sala escura, ilumine com alâmpada UV-A uma amostra de águatônica e observe a emissão azul(Figura 3).

Emissão de fluorescência da vitamina

B2

A riboflavina (vitamina B2) é en-contrada em vários alimentos, entreeles leite e ovos, e emite fluorescênciaesverdeada.

Procedimento

Triture um comprimido de comple-xo B, dissolva-o em água e ilumine amistura com a lâmpada UV-A (Figu-ra 4).

Comentários

A introdução ao tema “EstruturaAtômica” é sempre uma transição difí-cil para o estudante, acostumado aobservar fenômenos experimentais

Figura 1: Extrato de folhas verdes em acetato de etila, na ausência (a) e na presença (b)de radiação UV, quando apresenta fluorescência.

Figura 2: Solução aquosa de protoporfirina IX, obtida a partir de casca de ovo marrom,na ausência (a) e na presença (b) de radiação UV, quando apresenta fluorescência.

Figura 3: Água tônica, que contém o íon quinino, na ausência (a) e na presença (b) deradiação UV, quando apresenta fluorescência.

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Abstract: Fluorescence and Atomic Structure: Simple Experiments to Treat the Theme – The phenomenon of luminescence is visually attractive and arouses of people of all ages. That is theemission of light resulting from an electronic excitation process, which can occur in the form of fluorescence (where light emission ceases when the energy supply is turned off) or as phosphores-cence (which can last for hours even after the energy supply was turned off). In this paper, the use of the fluorescence phenomenon as a strategy for teaching the theme atomic structure is proposed,more specifically, Bohr’ atomic model. The fluorescence phenomenon can be easily demonstrated through the use easily accessible materials such as tonic water, spinach or mint, vitamin B2,powder soap and brown eggshell.Keywords: fluorescence, atomic structure, Bohrs’model

Fluorescência e estrutura atômica

Referências bibliográficas

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da Química até então. Considerando-se um programa tradicional de ensi-no, esse tópico costuma ser aborda-do na 1a série do Ensino Médio, atin-gindo um aluno, via de regra, muitoimaturo e com sérias dificuldades deraciocínio abstrato. Por outro lado, osmateriais de apoio tradicionais nãoapresentam ao professor estratégiasde ensino que venham auxiliá-lo nodesenvolvimento do tema de formaeficaz dentro do espaço da sala deaula, incentivando a participação emotivação dos alunos.

Considerando a fluorescência umfenômeno atraente e rotineiramente

presente na vida dos estudantes, es-pera-se que os experimentos propos-tos provoquem discussões em salade aula, que venham a facilitar a me-diação do professor, tornando a estru-tura da matéria um tópico mais com-preensível e significativo. Os experi-mentos fornecem ao professor tam-bém uma possibilidade de trabalharde forma interdisciplinar com a disci-plina de Física, uma vez que os con-ceitos abordados permitem extensasdiscussões em ambas as áreas.

Questões para discussão

1. Por que, sob a luz negra das

Amaral, L.O.F. e Almeida, W.B. de (Eds.).Cadernos Temáticos de Química Nova na

Escola (Estrutura da Matéria: Uma Visão

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Para saber mais

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STRATHERN, P. Bohr e a teoria quân-tica em 90 minutos. Trad. M.H. Geor-dane. Rio de Janeiro: Jorge Zahar Ed.,1999.

discotecas (luz UV-A), as roupas bran-cas parecem brilhar com uma tonali-dade azulada?

2. Compare os experimentos rea-lizados com a emissão de luz obser-vada em interruptores elétricos e en-feites de parede.

3. Por que a Ciência necessitade modelos para explicar os fenô-menos?

4. Os modelos atômicos de Dal-ton e Thomson podem explicar o fe-nômeno da luminescência? Expli-que.

5. Quais evidências experimentaisnão podiam ser explicadas com osmodelos atômicos anteriores ao deBohr?

6. Em que medida o modelo deBohr explica a luminescência?

Agradecimentos

Agradecemos a Lélio Tonso pelarealização das fotos deste artigo.

Ana Luiza Petillo Nery (ananery@estadao.com.br),licenciada e bacharel em Química, doutora em Ciên-cias (Química Orgânica) pela USP, é professora daEscola Vera Cruz, na cidade de São Paulo. Carmen

Fernandez (carmen@iq.usp.br), licenciada e bacha-rel em Química, mestre e doutora em Ciências (Quí-mica Orgânica) pela USP, é professora do Institutode Química da USP.

Figura 4: Solução aquosa de vitaminas do complexo B, na ausência (a) e na presença(b) de radiação UV, quando apresenta fluorescência.