Upload
giulia-alvares
View
215
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Parte III: Espectroscopia
Joaquim Delphino Da Motta NetoJoaquim Delphino Da Motta Neto
Departamento de Química, Cx. Postal 19081Departamento de Química, Cx. Postal 19081Centro Politécnico, Universidade Federal do Paraná (UFPR)Centro Politécnico, Universidade Federal do Paraná (UFPR)
Curitiba, PR 81531-990, BrasilCuritiba, PR 81531-990, Brasil
Química da Cor, Parte III 2
Na última aula vimos diversas ocorrências de cor em diferentes
experimentos da Química...
Hoje examinaremos aspectos gerais da mais colorida
parte da Química.
Química da Cor, Parte III 3
Resumo Espectro do Sol – Wollaston & FraunhoferEspectro do Sol – Wollaston & Fraunhofer Ångstrom e a composição do SolÅngstrom e a composição do Sol Espectroscopia – Bunsen & KirchhoffEspectroscopia – Bunsen & Kirchhoff Descoberta de novos elementosDescoberta de novos elementos Espectro do hidrogênio – Balmer & RydbergEspectro do hidrogênio – Balmer & Rydberg Astrofísica – classificação de galáxiasAstrofísica – classificação de galáxias ConclusãoConclusão
Química da Cor, Parte III 4
Para vermos as cores, precisamos de luz...
Qual é a principal fonte de luz deste planeta?
Química da Cor, Parte III 5
O espectro do Sol
Este é um problema bem antigo. O espectro foi primeiramente registrado por Wollaston (1808) e Fraunhofer (1815). As mais de 500 linhas são devidas a transições de elementos diferentes.
Química da Cor, Parte III 6
No diagrama abaixo mostramos apenas as linhas mais proeminentes registradas por Fraunhofer.
Na época não havia nenhuma explicação para as posições destas linhas...
Química da Cor, Parte III 7
O problema é que no começo do Século XIX não havia
técnicas apropriadas para o estudo dos espectros...
Quem “inventou” a espectroscopia?
Química da Cor, Parte III 8
Robert W.E. Bunsen (1811-1899)
Em 1839 ficou famoso por seus experimentos com os derivados de cacodila.
Em 1841 introduziu o eletrodo de carbono na pilha de Bunsen.
Em 1845 viajou para a Islândia e visitou o Monte Hekla.
Química da Cor, Parte III 9
Em meados da década de 50, Bunsen estava muito preocupado com a ilumina- ção de seu laboratório em Heidelberg...
A fumaça então gerada também era bastante desagradável.
Para resolver o problema, ele bolou uma maneira de controlar a combustão...
Química da Cor, Parte III 10
Bico de Bunsen (1855)
A idéia é muito simples: misturar o ar com o gás antes do ponto projetado de combustão.
Peter Desaga (mecânico da Univ. de Heidelberg) construiu o queimador de acordo com as especificações de Bunsen.
Química da Cor, Parte III 11
A chama resultante não provoca fumaça!
Seu brilho pode ser contro- lado facilmente através do aumento ou diminuição do ar na mistura (a válvula na base do queimador).
Várias universidades logo encomendaram o aparelho.
Química da Cor, Parte III 12
A chama limpa e brilhante do bico de Bunsen foi um
avanço tecnológico espetacular, que levou
diretamente a um avanço ainda mais espetacular...
Química da Cor, Parte III 13
Gustaf Kirchhoff (1824-1887)
Em 1845 propôs as leis que descrevem a corrente e a voltagem em circuitos elétricos. Em 1851, conheceu Bunsen, que arranjou recursos para Kirchhoff passar algum tempo em Heidelberg...
Química da Cor, Parte III 14
Espectroscópio (1859-1862)
Kirchhoff concebeu e montou um conjunto com um prisma, três telescópios velhos e uma fonte de luz (o bico de Bunsen!)
O conjunto decompõe a luz nos comprimentos de onda muito mais eficientemente que os filtros de vidro usados até então.
Química da Cor, Parte III 15
Do ângulo de desvio da luz (medido num vernier e registrado) determina-se o comprimento de onda da raia com grande precisão.
Química da Cor, Parte III 16
A invenção do espectroscópio constituiu uma ferramenta de análise impressionante: nas
décadas seguintes, vários elementos foram descobertos...
Química da Cor, Parte III 17
Novos Elementos
Elemento Z Descobridor(es) Ano Fonte , Å Cor Cs 55 Bunsen & Kirchhoff 1860 água mineral 4555 azul Rb 37 Bunsen & Kirchhoff 1861 Lepidolita 7800 vermelho In 49 Reich & Richter 1863 Minerais de Zn 4511 índigo Tl 81 William Crookes 1871 Lepidolita 5350 verde Ga 31 Paul de Boisbaudran 1875 Pierrefita 4170 violeta Ho 67 Delafontaine & Soret 1878 Érbia vários branco Sm 62 Paul de Boisbaudran 1879 Samarskita vários verde Eu 63 Paul de Boisbaudran 1890 conc. Sm / Ga 4200 violeta Po 84 Pierre & Marie Curie 1898 Pechblenda 4170 * azul
Química da Cor, Parte III 18
A principal conseqüência deste “inchaço” da lista de elementos
foi a procura dos químicos por uma racionalização da estrutura atômica...
Química da Cor, Parte III 19
... e a invenção da Tabela Periódica por Mendeleev em 1870.
Química da Cor, Parte III 20
Como vimos anteriormente, neste ponto havia uma
curiosidade a respeito da composição do Sol.
Química da Cor, Parte III 21
Anders J. Ångstrom (1814-1874)
Trabalhou com Astronomia e Termoquímica na Univ. Uppsala.
Descobriu vários princípios fundamentais da nova ciência da Espectroscopia.
Química da Cor, Parte III 22
Obs.: a composição do Sol é aproximadamente 73% de hidrogênio, 25% de hélio mais 0,77% de oxigênio, 0,29% de carbono, 0,16% de ferro etc.
Ångstrom reconheceu que três das sete linhas de Fraunhofer estavam nas posições exatas das linhas do hidrogênio... E viu que não era coincidência.
Química da Cor, Parte III 23
Claro que na década de 1880 os cientistas ainda não contavam com recursos mais sofisticados
como Mecânica Quântica...
Por isso, alguns problemas ainda davam dores de cabeça
aos espectroscopistas.
Química da Cor, Parte III 24
Espectro do hidrogênio
Em 1884 quatro linhas do espectro eram conhecidas. Muitas medidas da posição destas linhas foram publicadas e estavam disponíveis na literatura...
Química da Cor, Parte III 25
Hidrogênio: espectro de emissão
Como Ångstrom havia notado, para todos os elementos o espectro de emissão é igual ao de absorção!
Química da Cor, Parte III 26
Por que as linhas estão exatamente nestas posições?
Qual é a conexão dos espectros com a estrutura da matéria?
Química da Cor, Parte III 27
Johann J. Balmer (1825-1898)Um obscuro matemático de Basel, fascinado por coisas de numerologia. Apesar de interessado por Geometria, não fez nenhuma contribuição significante para o assunto.
Começou a estudar as quatro linhas do espectro do hidrogênio em 1884 por sugestão de um amigo...
Química da Cor, Parte III 28
Vários pesquisadores estavam estudando o espectro do hidrogênio... Os números mais recentes na época eram os de Ångstrom. Balmer escreveu as quatro linhas conhecidas na forma
hhhh89 ,
2125 ,
34 ,
59
e notou que eram equivalentes a
hhhh3236 ,
2125 ,
1216 ,
59
Química da Cor, Parte III 29
Balmer reconheceu os numeradores como
32, 42, 52, 62
e os denominadores como
32-22, 42-22, 52-22 e 62–22
e assim encontrou a equação empírica
42
2
n
nh onde h = 3646 Å
Química da Cor, Parte III 30
Em 1885 Balmer anunciou a famosa fórmula que descreve o espectro de absorção do hidrogênio:
42
2
n
nh onde h = 3646 Å
n=3n=4n=5
Química da Cor, Parte III 31
Janne R. Rydberg (1854-1919)
Tentou racionalizar a perio- dicidade das propriedades dos elementos.
Concentrou-se na enorme quantidade então disponível de dados espectroscópicos.
Química da Cor, Parte III 32
Para diminuir as contas necessárias, Rydberg introduziu o “número de onda” n hoje definido por
Sabemos que
Esta mudança permitiu que Rydberg reconhecesse padrões até então desconhecidos... A curva do gráfico n vs. número de ordem m dava hipérboles idênticas para diferentes séries e elementos !
cc
1
c
Química da Cor, Parte III 33
Em 1888, Rydberg estava examinando a fórmula
quando viu a fórmula de Balmer para o hidrogênio, e a reescreveu como
Hoje conhecemos esta relação como
20
0 'mmN
nn
20
04mn
nn
2
221
111nn
RH
Química da Cor, Parte III 34
Esta fórmula pode ser generalizada para quaisquer elementos do grupo I (Li, Na, K, Rb) como
A constante de Rydberg do hidrogênio é RH = 109677,576 0,012 cm-1
2
221
2 111nn
RZ H
Química da Cor, Parte III 35
A fórmula de Rydberg e o princípio de Rayleigh & Ritz diziam que se podia usar fórmulas semelhantes
não apenas para os metais alcalinos, mas para qualquer elemento...
Isso se tornou valioso para resolver o problema do Sol... Voltemos a ele.
Química da Cor, Parte III 36
No diagrama abaixo mostramos apenas as linhas mais proeminentes. A composição do Sol é aproximadamente 73% de hidrogênio, 25% de hélio e 0,77% de oxigênio, 0,29% de carbono, 0,16% de ferro etc.
Química da Cor, Parte III 37
A análise de qualquer corpo celeste pode ser feita por inspeção, simplesmente comparando-se o espectro obtido com os espectros individuais dos elementos...
Química da Cor, Parte III 38
Evidentemente estas técnicas podem ser usadas para analisar não apenas o Sol, mas qualquer corpo celeste...
...inclusive longínquas galáxias.
Daí o interesse de um outro ramo da Ciência.
Química da Cor, Parte III 39
Astrofísica
Química da Cor, Parte III 40
Suponha que haja interesse numa certa estrela de uma certa galáxia.
As primeiras perguntas a se responder geralmente são,
Qual é a cor ( m ) da estrela?Qual é a temperatura da estrela?Qual é a composição da estrela?
Química da Cor, Parte III 41
Classificação de galáxias
Existe todo um sistema de classificação baseado na informação obtida de espectros de microondas.
Metais de transição 3d têm núcleos muito estáveis. 56Fe tem a menor razão massa/núcleo, por isso ele é o produto final das reações termonucleares que “alimentam” as estrelas.
Os núcleos vizinhos do Fe são quase tão estáveis.
Química da Cor, Parte III 42
No espaço intergalático há muitas moléculas diatômicas, daí o interesse neste tipo de sistema...
Química da Cor, Parte III 43
Exemplos: TiO e VO
São muito abundantes nos espectros de estrelas vermelhas frias do tipo M.
Os sistemas de TiO são tão intensos que são usados para classificação espectral de estrelas do sistema MK.
Os sistemas de VO são usados para classificação das estrelas mais frias M7-M9, pois aí as bandas de TiO estão saturadas.
Química da Cor, Parte III 44
Exemplo: CrO
É abundante no “protótipo” de gigante vermelha Pegasi.
Apenas cinco quintetos são conhecidos. O estado fundamental deveria ser... (9)1(1)2(4)1 5, com estados de transferência de carga 7 e 7 na faixa de 1 a 1,5 eV acima. Nada se sabe sobre os singletes e tripletes.
Química da Cor, Parte III 45
A estrela é vermelha por causa do forte sistema B5 X5 em 605 nm, que sofre inúmeras pequenas perturbações rotacionais. Esta
densidade é tão alta que sugere um grande número de estados de baixa energia.
Química da Cor, Parte III 46
Os astrofísicos têm em mãos um monte de espectros que não
podem analisar por que não têm referência, nem experimental
nem de cálculo, para comparar.
Química da Cor, Parte III 47
Anthony J. Merer
Trabalhou com Herzberg & Douglas (Ottawa, 1963-5) e Mulliken (Chicago, 1966).
É o líder do laboratório de espectroscopia de alta resolução na Universidade de British Columbia.
Desde 1995 é Editor do J. Mol. Spectroscopy.
Química da Cor, Parte III 48
Análise dos muitos espectros de infravermelho e microondas
tirados de estrelas é um campo aberto para os químicos. Quem gostar disso, comece a calcular.
Química da Cor, Parte III 49
Conclusões
Ainda existem muitos problemas interessantes (e coloridos) na Natureza, o que nos garante anos e anos de divertimento
tentando entendê-los.
Química da Cor, Parte III 50
Agradecimentos
Prof. Claudio TonegutiProf. Claudio Toneguti Prof. Harley Paiva Martins FilhoProf. Harley Paiva Martins Filho Prof. Lauro Camargo Dias JuniorProf. Lauro Camargo Dias Junior Prof. Alfredo R. Marques de OliveiraProf. Alfredo R. Marques de Oliveira Profa. Orliney Maciel GuimarãesProfa. Orliney Maciel Guimarães Prof. Patricio Peralta ZamoraProf. Patricio Peralta Zamora Paula ZangaroPaula Zangaro
Química da Cor, Parte III 51
Para terminar, gostaríamos apenas de nos lembrar por que estamos aqui...
Química da Cor, Parte III 52
É bonito, não?...