~SALESIANO ANO: 1° TURMA: .

DOM BOSCO PROFESSOR(A)' .. .

COLEGIO SALESIANO DOM BOSCO....... N° .AL UNO(A): .

ENSINO MEDIO - TRIMESTRE: II

APOSTILA DE QUIMICA

No~oes de espectroscopiade luz visivel

1..1 No~oes sabre ondasConsidere uma piscina em que a agua esteja em perfeito repouso e em cuja superficie

flutue um peda<;ode rolha de corti<;a.Com a ponta do dedo, alguem movimenta a rolha paracima e para baixo, num movimento peri6dico. Sobre a superficie da agua Ira se formar umaserie de circulos concentricos que parecem mover-se a partir do ponto em que esta a mlha.Vma visao lateral mostrauma serie de eleva<;6es(chamadas de cristas) e depress6es (chama-das de vales). Esse conjunto de cristas e vales se propagando constitui uma onda.

Sentido depropaga.;:aoda onda

Se houver outra rolha flutuando a uma certa distancia -ciaprimeira, notaremos que ela,inicialmente em repouso, passara a oscilar para cima e para baixo sem se movimentar na dire-<;aode propaga<;ao da onda.

_.Vma vez que essa segunda rolha nao se move na dire<;aode propaga<;aoda onda, concluf-

mos que a agua nao esta caminhando junto com a onda, ou seja, a onda nao transporta materia.No entanto, 0 fato de essa rolha, inicialmente em repouso, passar a oscilar revela que a ondatransferiu energia para ela. Assim, podemos dizer que:

Rolha cuja oscila.;:aoe consequencia dapropaga.;:ao da onda

Onda e uma perturba<;ao que se propaga transportando energia, mas nao materia.

: fA Onda se propagando na superffcie da agua, provocada por'onc;:abebendo agua.

-~::.:. ,.,-' '.~>. , ....-;,'.·..,.;:.:.,~:..·.,..·.;....·,:··..'..).t·;I. ;"..;~\.:,

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Gutro exemplo de onda podeni ser observado se duaspessoas segurarem as pontas de uma corda e uma delasfizer oscilar a sua extremidade de maneira periodica.

As ondas na corda e na superffcie da agua podem servistas par nos. Ha, por outro lado, outras ondas que naopodem ser vistas, como e 0 caso do som e das ondas deradio e televisao.

1~2Caracteristicas de uma ondarodas as ondas, tern tres grandezas que as caracterizam: velocidade (v), freqiiencia (f) e

comprimento de onda (A).Essas tres grandezas se relacionam por meio de uma formula que voce estudara com mais

detalhesno seu curso de Flsica:

Onda se propagando na corda com velocidade v•

Movimento rftmico de sobe-e-desce.Quanto maior 0 numero debalanc;:adasna corda por unidade detempo, maior sera a freqiiencia (f)da onda que se propaga na corda.

Comprimentode onda (A)

..••Dizer que a corda de um violino, colocada emvibrac;:aopelo musico, emite uma onda sonora defreqiiencia 440 Hz (Ie-se 440 hertz) significa dizerque essa onda sonora produzida pelo instrumentorealiza 440 oscilac;:6es a cada segundo.

I A freqiiencia de uma onda e 0 numero de oscilac;6espor unidade de tempo.

A unidade mais comum usada internacionalmente para expressar a freqiiencia de umaonda e 0 hertz, simbolizado por Hz, que equivale a uma ascila9aa par segundo.

1.3 Ondas eletromagneticasAs ondas numa corda necessitam de urn meio material para se prop agar, e esse meio e a

pr6pria corda. E 6bvio que, se nao houver corda, nao havera ondas. Uma situac;ao analogaacontececom as ondas na superffcie da agua. Urn exemplo menos 6bvio e 0 do som. Ele conse-gue propagar-se em s6lidos, Hquidos e gases. Contudo nao se propaga no vacuo, 0 que de-monstra que ele, assim como as ondas na corda e na superficie da agua, depende de urn rneiomaterial para se prop agar.

Chamamos de ondas mecanicas aquelas ondas que, como 0 sorn,necessitam de um meio material para se prop agar. Nao i'iepropagam no vacuo.

Ja a luz, por sua vez, e urn tipo de onda que pode propagar-se no ar eno vacuo. A luz e urn exemplo de onda eletromagnetica.

As ondas eletromagneticas sao aquelas que nao necessitam de urnmeio material para se propagar. Conseguem se propagar no vacuo.

Qutros exernplos de ondas eletromagneticas sac as ondas de radio ede teve, as microondas, os raios X, gama, infravermelhos e ultravioleta.Todas as ondas eletromagneticas possuem a mesrna velocidade de prop a-gaC;aono vacuo. Seu valor e 3,0 '108 m/s. No ar, essa velocidade e pratica-mente a mesma.

Como a velocidade de todas as ondas eletromageticas e a mesma,uitlizando a expressao v = 'A • f conclufmos que para elas 0 comprimentode onda ('A) e a freqiiencia .(f)SaDinversamente proporcionais:

A velocidade e amesma para todas asondaseletromagneticas

Quanto menor 0 comprimento de onda,maior a freqiiencia, e vice-versa.

o som nao se propaga novacuo porque e uma onda

medinica

A luz se propaga no vacuoporque e uma onda

eletromagnetica

As ondas eletromagneticas diferern quanta a freqiiencia, que pode variar significativa-mente de uma onda para outra. Q esquema abaixo mostra 0 espectro eletromagnetico e osnomes aTtibufdos as suas varias ondas, dependendo da freqiiencia.

o ESPECTRO ELETROMAGNETICO.

Aseguir aparece um:~~quema do espectro eletroinagnetico, mostrando os diferentes nomesdados as ondas.eletrorn:agneticas dependendo da freqiiencia.

Para cOl1lP~een~~r:'o~squema, lembre-se de que 104 significa 10.000, 106 significa 1.000.000, eassim porcHa.Ilt~.•. ,',' , '

r;:t:r~yrr- -..~n;;I (~r .•.•••J \'

Cui dado 'qm'( -;."tv =C-3-.-•• ~ c:.,.~ ....

ExplosOes nuclearese materiais radioativos

Forno demicroondas

CUIDADOlAcentuado riscode cancer de pele,,,,,,,,

,,,,,,,: Forno e fogao - - - ~ Lampadas para: : bronzeamento_____________ ~. • .J I I

: ~n:;' Comprimento de:onda (rn) :, i(= -,. I I

108 107 106 105 '10· 103 102 10' : 10-1 1O-21O-~ 10-4 1O-~1O~6 10~~ 10-08 10-9, 10~,(j1O~111O~121O-1~1O-1.1o-1510-16

Cornunicac;:aovia satelite

Aparelhos para;- radiografias

1010 10" 1012 1013 10'4 10'5 10'6 10'7 10'810'9 10201021 1an 1023 1024

Freqiiencia (Hz): ' !',,;~* ., , ', ,, ,

"I ", ,, ",, ,

Parte visivel do espectro eletromagnetico (espectro visivel)

Frequencia (Hz) , '''i'i.~

Canais deNRadio FMl' 0'> ---~

Usos maritimos Radio Radio maritimo, . , .~ , ' ~ ~ Radio maritimo, aeronautico, :, e aeronauticos AM aeronautico e movel ~ :;! movel e faixa-cidadao ::+re-""•••••.•"""•.m •••••"'''*+== "'"'. =,-->~~~~ ~:

I

106

Frequencia (Hz)

I

107

":'':i~

Voce pode estar se perguntando por que interrompemos 0 estudo do Momo para falarsabre ondas. Acontece que, para continuarmos, precisamos ter a seguinte informa<;;ao:as on-das eletromagneticas transportam energia e, quanto maior for a £reqiiencia da onda, maiorsera a energia transportada por ela*. ,

Observe atentamente 0 esquema do espectro eletromagnetico, em especial a parte quemastra a luz visivel. Perceba que ha diferen<;;asna £reqiiencia das divers as ondas de luz visivel.

~ i_" -_?_·~_·~_~_·~_:_·~_:_i...~_-_:._gn_e~_~_~~_.~_~:_~__ -------lf Velocidad:, de ''''1 t Comprimento ") ~ FreqiH~ncia ""1~~J,a?.J L!~Y~Lj .19"~~'IL,..'l·~-~·J

Constante ~.Inversamente proporcionai:'l"t'~~";';';",~J';;'.':':':;~.~;:;';'''':'.:l~~jI

1..4 Espectros atomicosSe a luz de uma lampada comum (de filamento incandescente) atravessar um prisma, ela

sera decomposta em varias cores, que sac popularmente conhecidas como arco-iris. Cientifica-mente, 0 que se obtem e chamado de espectro da luz vlsivel.

FilmefotOgrafiCO~

Lampadacomum

Contudo, se repetirmos essa experiencia utilizando a luz proveniente de umq lampada degas (tubo de raios cat6dicos), nao obteremos 0 espectro completo. Apenas algumas linhas esta-rao presentes, correspondendo somente a algumas freqiiencias das ondas de luz visivel. Essas'linhas formam 0 espectro de linhas ou espectro atomico.

Alguns exemplos de espectros atomicos sac re rd'ceber~as linhas obtidas dependem do elemento utilrz:~~nt,a. os.a segUlr. Com~ voce pode per-fato e que acontece! E os cientistas da e dR' E mtn9ante por que lSS0acontece. 0observac;6es. Coube a um cientista dinanfa~qC~A .eN.u~h~fhr°rdnao conseguiam explicar essases, le so, propor uma resposta

~d~ .

, .\ .•.

1

Frequeneia (Hz)

£. Representa<;:aode es t A'pee ros atomleos (ou espeetros de linhas) obtidos co I Im a guns e ementos.

omodelo de Rutherford, proposto em 1911,apesar de esclarecer satisfato-riamente os resultados da experiencia de dispersao de particulas aHa, possulaalgumas deficil~ncias,como, por exemplo, nao explicar os espectros at6micos.Em 1913, Niels Bohr propos urn outro modelo, mais completo, que conseguia

explicar 0 espectro de linhas.Em seu modelo, Bohr incluiu uma serie de postulados (postulado e uma

afirma<;aoaceita como verdadeira, sem demonstrac;ao):• as eh~tronsnos atomos movimentam-se ao redor do nucleo em trajet6rias

circulares, chamadas de camadas au niveis.• Cada um desses roveis tem urn valor determinado de energia.• Nao e permitido a urn eletron permanecer entre dois desses roveis.• Um eletron pode passar de urn rovel para outro de maior energia, desde

que absorva energia externa (ultravioleta,luz vislvel, infravermelho etc.).Quando isso acontece, dizemos que 0 eletron foi excitado e que ocorreuuma transi<;aoeletronica (veja a ilustra<;aoesquematica @).

f!I, Foto do dinamarquesNiels Bohr (1885-1962),Premio Nobel em 1922.

• A transl<;avae retorno do eletron ao nivel inicial se faz acompanhar daliberac;ao de energia na forma de ondas eletromagneticas (veja a ilustra-c;ao@), por exemplo, como luz visivel ou ultravioleta.

A abson;:ao deenergia excitao eletron.

No retorno aoestado fundamentalocorre libera~aode energia.

I·,;~."..

" .

Uma novidade relevante cia teoriade Bohr esta na afirmac;ao de aenergia dos eletrons ser quantizada, isto e, ter apenas algunsdeterminados valores. ""

Utilizando a modelo de Bohr podem-se explicar os espectros atomicos. Primeiramente as;eletronssao excitados na lampada de gas e, a seguir, ao retornarem aos niveis de men or ener-~a, liberam energia na forma de luz. Como a cor da luz emitida depende da diferen~a deenergiaentre as niveis envolvidos na transic;ao (veja a ilustra~ao ©) e como essa diferen~ayaria de elemento para elemento, a luz apresentara cor caracteristica para cada elemento qui-.mico.0 modelo atomico de Rutherford, modificado par Bohr, e tambem conhecido como mo-,'delo de Rutherford-Bohr.

Representa~ao dos nfveis de energiae das transic;:6es eletr6nicas

13r =1-~::~~~~:: Iis I IVV'~ ...~--." ::>~ Cores .;::;·t - - 2° nfvel / diferentes ~!w 12 /llvel ~

ANALOGIAS PARA A QUANTIZAC;AO

w~.z 0..",-",' .~~" 0'<'>'~~~- ',. :.....•""w~al::>

Retorno doeletron excil,lclo

...Pessoa paradanuma rampa

Representac;:ao de espectro de Iinhas(cada linha corresponde

a uma transic;:aol

Pessoa paradanuma escala

, ;:;Ospes de uma pessoa parada numa rampa poliem estar· ~qua1qtier.""•."••' TaJtura do solo (no minima zero e no maximo a altura da rampa). . "..lt~~:::~:~F<"';: . . _ ", ', ~;:Jaas pes de uma pessoa parada numa escada podem apresentar ape-: ;-:nas alguns valores de altura em rela<;aoao solo. . '

1.Asb~ia~~~b' ~~ndida;de'f~rmaqu~ntizada:>fbala,2balas, 3 balas,4balasetc.Valores como 2,34 balasou 4,98 baIas nao sac oferecidospelo vendedor.

Algumas aplica~oes do -:nodelode Bohr ' .

31111 Interpreta~aoda cor no testeda chama

Considere a seguinte experiencia: na ponta de urn fio de platina coloca~seumapequena amostra de cloreto de s6dio (NaCl) e leva-se a cha:na de ~ blCOdeBunsen, segurando-o com urn pregador de madeira para nao se quermar.

A observa<;aomacrosc6pica que se faz e que a chama, inicialmente azulbemclara,quase transparente, adquire urna intensa color~<;~olaranja. R~petin-do-seesseprocedimento, porem utilizando brometo ~e sodio ~aBr) oU.lOdetodesodio (NaI), tambem se observa que a chama adqwre colora<;aolaranJa.

Colo"O'o I."oj' ~_

~ .,. / '" ---11 "" ~

~

';, Fio de~;'atina com,~ uma argollnha nai ponta, contendo

",'. composto de s6dio" ':j~i'

Bica de Bunsen

Como 0 fio de platina levado it chama sem a presen<;ado sal nao produz colora<;aona chama,isso parece indicar que 0 s6dio deve ser 0 responsavel pela colora<;ao.De fato, ao repetir esse proce-dimento com sais de alguns outros elementos metalicos, percebe-se que cada urn deles produzurna cor caracterfstica ao ser submetido it chama (veja a tabela 1).

'T'A~i0tJ~:Cores emitidas pelos atomos de alguns elementos no teste da chamaElemento Cor ElementoS6dio Laranja Bario

Potassio Violeta Cobre

CaIcio Vermelho-tijolo Cesio

Estroncio Vermelho-carmim

Azul-esverdeada

Azul-clara

o procedimento que descrevemos e conhecido como teste da chama. Ele teve importanciahist6rica como um dos testes empregados na detec<;ao de certos elementos em amostras deminerais. (Atualmente ha tecnicas bem mais modernas, algumas das quais se baseiam em prin-dpios cientificos relacionados ao teste da chama.)

[I A cor no teste da chama e urna caracteristica do elemento analisado.~~

Como explicar 0 aparecirnento de cor caracteristica no teste da chama? Segundo 0 modela 'de Bohr, quando os atomos de sodio sao colocados na chama, 0 calor excita os elt~trons, ista e, .faz com que passem para niveis de maior energia. Ao voItarem aos niveis iniciais, liberamenergia na forma de luz.

Observe 0 espectro at6mico do s6dio:

Boo- Representa~ao doespectro atomico do s6dio.

Como voce pode perceber, a luz emitida pelos eletrons do s6dio ao voltarem para niveisde menor energia e laranja, exatamente a cor que vemos no teste da chama ao usar 0 s6dio.Veja, agora, 0 espectro de linhas do estr6ncio:

Quando ,Homos de estroncio SaDsubmetidos ao teste da chama, eles emitem uma mis-tura de todas as cores que aparecem nesse espectro. Tal mistura e percebida pela visao hu-mana como urn vermelho-carmim. Urn elemento quimico tern suas linhas coloridas caracterfs-ticas no espectro atomico. Da mesma maneira, ele tera sua cor caracterfstica ao ser submetidoao teste da chama.

3m3 ~uminosos e lampada$. O~ ~uminosos de neonio e as lfunpadas de vapor de sodio au mercurio sao

~ISP?SltiVOSbaseados no tuba de raios catodicos (pagina 114).Neles, ha uma subs-t~Cla no esta~o gas~so (gas_neOni?,vapor de sadio e vapor de mercurio, respec-tivamer:te), cUJoseletrons sao eXCltadospor a<;aoda corrente eJetrica. Quandoesses eletrons retornam, ha a emissao de luz.

Nos l~o~os de.gas neonio, a luz emitida e vermelha, e, nas lampadas devapor de S?dlO,e laranJa. Nas lampadas de vapor de mercUrio, tambem conheci-.d~s como l.ampadas flu~re~ce~:es,ha libera<;aode quantidade apreciavel de radia-<;aoultravI,?le:a, que ~ao e visivel. A pintura que reveste tais lampadas contem.uma ~ubstancia especIal (denominada fluorescente), que absorve tal radia<;aoereemite luz branca, visivel.

·FLUORESCENCIA E FOSFORESCENCIAAlguns 1TIat~riais,quando absory~m radia\ao ultravioleta ou outras formas de radia\ao,emitein de volta luz visiveh

EsseJenomeno echamado genericamente de luminesd~ncia. Quando a emissao. ocorreimediatamenteapos a incidencia da radia\ao ultravioleta, 0 fenomeno e chamado defluor~sc~ncia;se, par outro lado,a emissao demorar alguns segtmdosou ate mesmo al-gumashoras, chamamos de fosforesd~ncia. Os interruptores de luz eos ponteiros derelogio que brilham no escuro baseiam-se na fosforescencia.

~ as rel6gios feitos de materialfosforescente sao visiveis no eSCUfOgrac;as ao retorno gradual dos eletronsexcitados durante 0 tempo em que 0

dispositivo esteve iluminado.

A palavra laser vem do ingles light amplification by stimulated emission ofradiation, que significa "amplifica\ao da luz por emissao estimulada de radia-\ao". 0 mais simples, e mais antigo, dos aparelhos desse tipo e 0 laser de rubi.

o rubi e urn solido de formula Al203 contendo pequenas quantidades defans Cr3+, responsaveis pela sua cor vermelha caracteristica. No laser de rubi,eletrons dos ions Cr3+ sac excitados atraves de uma lampada tipo flash. Navolta,esses eletrons ficam presos num nivel energetico intermediario (chama-do de estado metaestrivel) onde podem permanecer alguns segundos.

Par meio de urn artiffcio, esses eletrons sac for\ados a retomar simulta-neamente para 0 estado fundamental, num processo denominado emissiio esti-mulada de radiar;iio. Atraves dela, pode-se obter urn feixe de luz de alta intensi-dade e de fr~qi.ienciabem definida, chamado de luz laser.

A A luz laser possui larga aplicac;aoem pequisa, na industria, na medicina,no entretenimento. Na foto, laserem laborat6rio de pesquisa.

A Leitores ("players")de CD, CD-ROM e DVDutilizam a luz laser.

hud"ll1CL]('st,lvel

J!i>. Esquema que mostra um dosprocessos de emissao de luz em umlaser.

A Tratamento ocular de retinopatia causadapela diabetes.

3..5 Bioluminescencia: a luz emitidapelos vaga-Iumes

Alguns seres vivos possuem urn interessante mecanismo em seu organismo: rea<;:6esqui-micasutilizam a energia (proveniente dos alimentos) para excitar eletrons de atomos de deter-minadas moleculas. Quando os eIetrons voltam ao estado fundamental, ha enussao de luz.Essefenomeno e chama do de bioluminescencia.

o caso mais conhecido de bioluminescencia e 0 dos vaga-Iumes (ou pirilampos). Ha eviden-ciasde que eles utilizam os sinais luminosos para se comunicar com os parceiros do sexo oposto.A emissao de luz tern, portanto, finalidade relacionada ao acasalamento dos vaga-Iumes.

Ha outras especies de seres vivos, como, por exemplo, alguns fungos, vermes e cnidarios,que tambem apresentam bioluminescencia. Porem os cientistas ainda nao esclareceram, emmuitos casos, qual 0 papel que ela desempenha na vida desses organismos.

}~ Vaga-Iumes emitem luzpor meio dabioluminescencia.

A Cogumelo bioluminescente a noite, emf1aresta tropical da Costa Rica.

~ Os qufmicos jaconseguiramreproduzir emlaboratorio asrea~6es debioluminescencia,como, par exemplo,aquelasresponsaveis pel aluz emitida pelosvaga-Iumes.