EXP 4. Luz: Absorção, Emissão e Espectros Atômicos OBJETIVOS Verificar alguns parâmetros que determinam a coloração de uma amostra. Diferenciar espectros de emissão de espectros de absorção. Observar a emissão de luz característica de certos metais através de testes de chama. Constatar a quantização da energia em sistemas atômicos através do espectro de emissão de linhas e determinar a constante de Rydberg através do espectro de linhas do hidrogênio. Observar a emissão atômica em tubos de descarga e verificar a influência de um campo magnético sobre os raios catódicos. Utilizar um espectroscópio simples para observar as principais linhas de emissão de alguns metais alcalinos e alcalino-terrosos, assim como do cobre. Determinar a composição de uma amostra desconhecida pelo seu espectro de emissão. TAREFA PRÉ-LABORATÓRIO Leia com atenção o procedimento experimental. Leitura pré-laboratório: o Material de Apoio sobre ABSORÇÃO E EMISSÃO DE LUZ E ESPECTROS ATÔMICOS PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Os diferentes experimentos descritos a seguir estão organizados em módulos montados em diferentes pontos do laboratório, as equipes de alunos irão se revezar na execução e/ou observação dos experimentos num sistema de rodízio que será estabelecido/organizado pelos docentes e monitores durante a aula. 1) ABSORÇÃO E EMISSÃO DE LUZ 1.1. Refração da luz branca e cores Coloque a fonte de luz branca sobre um suporte de aproximadamente 1,5 2,0 cm de altura. Selecione a fenda única mais larga que acompanha o dispositivo e focalize a luz branca em um prisma. Gire o prisma de tal forma a obter o espectro de cores resultantes da difração da luz branca e o projete no anteparo branco fornecido. Observe cuidadosamente o espectro produzido e anote as regiões de cor produzidas no anteparo. A) Utilizando o sistema descrito anteriormente, coloque o filtro vermelho primário entre o prisma e o anteparo branco e observe as alterações produzidas no espectro projetado. Repita este procedimento para os seguintes filtros: verde primário, azul primário, amarelo, magenta, ciano (peacock blue) e púrpura. Utilize a Tabela 1 para anotar os resultados obtidos.
Tabela 1. Para cada filtro indique com N a cor que desaparece e com Y a cor que permanece ou se define no anteparo. Espectro vermelho laranja amarelo verde azul violeta Filtro vermelho magenta amarelo verde ciano azul púrpura Coloque simultaneamente os filtros azul e amarelo entre o prisma e o anteparo. Observe a cor transmitida. Coloque agora os filtros vermelho e azul. Observe o que ocorre. Verifique qual o conjunto de dois filtros (exceto o filtro vermelho) que devem ser utilizados para que seja observada apenas a cor vermelha? B) Utilizando o sistema de luz branca e prisma, coloque entre o prisma e o anteparo uma cubeta que contém: b.1) solução 1,2 mol L -1 de NiSO 4. Observe as cores que são absorvidas e transmitidas. Repita o teste com os filtros verde e ciano (peacock blue). Compare as diferenças entre estes três tipos de verde. b.2) solução de CuSO 4. Observe as cores que são absorvidas e transmitidas. Repita o teste com os filtros azul e ciano (peacock blue). Compare as diferenças entre estes três tipos de azul. b.3) Repita os testes indicados acima utilizando separadamente soluções de K 2 Cr 2 O 7 (solução laranja) e Na 2 CrO 4, sendo comparadas com os filtros amarelo e vermelho. Reflexão: Comparando os resultados obtidos com a solução verde de NiSO 4 e a solução azul de CuSO 4 qual é a diferença entre estas duas amostras? O que justifica que uma seja visualmente azul e a outra verde? 1.2. Emissão de luz Vários materiais foram colocados dentro de uma caixa que possui um visor e uma lâmpada ultravioleta. Observe a cor de cada amostra e anote. Acenda a lâmpada UV e observe novamente a coloração de cada amostra. Anote as modificações que ocorreram após a incidência de luz de excitação sobre as amostras. 1.3. Testes de chama (realize estes testes na capela) Introduza a extremidade de um fio de níquel-crômio (Ni/Cr), nas várias regiões (Figura 1) da chama não luminosa de um bico de Bünsen. Verifique a temperatura aproximada de cada região da chama, sabendo que o fio fica vermelho escuro a aproximadamente 500 C, vermelho a 700 C e alaranjado a 1100 C.
Figura 1. Representação esquemática das principais regiões da chama não luminosa fornecida em um bico de Bünsen. Na capela existem vários tubos de ensaio contendo soluções concentradas de cloretos metálicos. Cada tubo encontra-se tampado com uma rolha que contém um fio de Ni/Cr, de forma que o fio fica inserido na solução. Introduza na região mais quente da chama a extremidade do fio de Ni/Cr previamente inserida em uma solução concentrada de NaCl e observe a cor gerada na chama. Repita este procedimento para as soluções de: LiCl, KCl, CaCl 2, SrCl 2, BaCl 2 e CuCl 2. Tome os seguintes cuidados: a) sempre segure o fio pelo apoio de cortiça/borracha; b) nunca apoie o fio na bancada ou capela; c) após o teste, espere alguns segundos até que o fio esfrie antes de recolocá-lo no tubo que contém a solução de origem; d) evite contaminações, realizando o teste sucessivo apenas quando o tubo do teste anterior já estiver devidamente fechado com a rolha e o fio de Ni/Cr respectivo. 2) ESPECTROS ATÔMICOS 2.1. Análise espectral dos testes de chama Verifique pelo visor do instrumento se a escala em nanômetros é visível. Caso não seja visível ou suficientemente nítida, movimente o anteparo branco que se encontra do lado oposto ao visor, até obter uma imagem satisfatória. Uma escala bem ajustada é a qual além da numeração e das subdivisões estarem nítidas não existe grande quantidade de luz ambiente interferindo no fundo de escala, ou seja, não existe efeito arco-íris considerável. Caso o fundo de escala apareça colorido, modifique a luz ambiente ou gire o espectrógrafo até que este efeito seja minimizado. Acenda o bico de Bünsen obtendo a chama não luminosa. Aproxime o bico de Bünsen do espectrógrafo de forma que a chama fique a cerca de 5 cm da objetiva. Ajuste a altura do sistema, fazendo com que a parte superior da chama esteja alinhada com a fenda da objetiva do espectrógrafo. Faça testes de chama utilizando soluções dos seguintes sais, na ordem indicada: NaCl, LiCl, KCl, CaCl 2, SrCl 2, e CuCl 2.
Anote para cada cátion, os comprimentos de onda aproximados da luz emitida no teste de chama. Compare os resultados obtidos com as propriedades de emissão apresentadas abaixo. Após estes testes, faça um novo teste de chama de uma amostra desconhecida que contém dois dos sais previamente investigados. Observações: a) alguns sais apresentam um tempo de emissão na chama mais curto que outros, logo para estes sais, repita o teste até certificar-se da emissão correta; b) alguns sais apresentam várias linhas de emissão próximas, logo ao invés de linhas definidas são observadas faixas espectrais largas de emissão. Tabela 2. Comprimentos de onda das linhas de emissão.
670,8 Tl Figura 2. Linhas de emissão. 2.2. Experiência com tubos de descarga (Demonstração). Neste experimento um tubo de descarga contendo ar será conectado a um sistema de vácuo. Após a estabilização do vácuo, uma fonte de tensão será ligada. Observe a emissão de luz resultante. Aproxime com cuidado um ímã ao tubo e verifique o que ocorre. 2.3. Obtenção dos Espectros Atômicos (Demonstração) Neste experimento será utilizado um esquema da aparelhagem conforme apresentado abaixo (Figura 3):
Figura 3. Sistema óptico com lâmpada de mercúrio utilizado para a construção da curva de calibração. Uma lâmpada de mercúrio, para a qual os comprimentos de onda para várias de suas linhas já são conhecidos por outro procedimento experimental, será utilizada para se determinar os ângulos de difração associados aos comprimentos de onda correspondentes às várias linhas (raias). Os ângulos de difração determinados experimentalmente serão utilizados para construir um gráfico de calibração do comprimento de onda (λ) versus o ângulo de difração (θ). Durante este procedimento, observe as linhas que são produzidas pela difração da luz da lâmpada de mercúrio sobre o anteparo branco localizado abaixo da abertura do sensor de luz (light sensor aperture). Para visualizar melhor as linhas, pode-se colocar um pedaço de papel branco na frente do sensor. Utilizando fendas de colimação 3 (collimating slit), abertura do sensor de luz 1,0 mm e sensibilidade do sensor 0,1; a abertura do sensor será posicionada em uma das extremidades do conjunto de linhas antes do aparecimento da primeira linha da série. Após estas etapas, será dado início a aquisição de dados pelo software correspondente, sendo que o sensor de luz será girado manualmente de forma lenta para que a abertura do sensor de luz passe por todas as linhas do espectro. Verifique o resultado da intensidade de luz em função do ângulo de rotação. Na sequência, a lâmpada de mercúrio será substituída por uma lâmpada de vapor d água (lâmpada de hidrogênio) e o procedimento descrito para a lâmpada de mercúrio será repetido, utilizando agora fendas de colimação 5 (collimating slit), abertura do sensor de luz 1,5 mm e sensibilidade do sensor 0,1. Verifique o resultado da intensidade de luz em função do ângulo de rotação. Finalmente a lâmpada vapor d água será substituída por uma lâmpada de hélio e o procedimento utilizado para a lâmpada de vapor d água repetido. Verifique o resultado da intensidade de luz em função do ângulo de rotação.
Tabelas de apoio: Tabela 3. Linhas do espectro do mercúrio Cor da linha do espectro do mercúrio λ (nm) amarela 1 (forte) 579,07 amarela 2 (forte) 576,96 verde (forte) 546,07 turquesa (fraca) 491,60 azul (forte) 435,84 violeta 1 (fraca) 407,78 violeta 2 (média) 404,66 Tabela 4. Linhas do espectro do hidrogênio e suas intensidades. Cor da linha do espectro do hidrogênio vermelha turquesa azul violeta Intensidade Forte Forte Muito fraca Tabela 5. Linhas do espectro do hélio e suas intensidades Cor da linha do espectro do hélio Vermelha Amarela Verde Azul Uv Intensidade Média-Forte Forte BIBLIOGRAFIA T. B. Brill, Why objects appear as they do? J. Chem. Educ., 57: 259 (1980). J. C. Kotz e P. Treichel Jr., "Química & Reações Químicas", tradução da 3ª ed., vol. 1, LTC-Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1998. A. I. Vogel, Química Analítica Qualitativa, tradução da 5ª edição., Editora Mestre Jou, São Paulo, 1981 [cap. II e V linhas de emissão de alguns elementos e testes de chama]. I. Pedrosa, Da Cor à Cor Inexistente, 3ª edição, Editora Universidade de Brasília, Rio de Janeiro, 1982. D.A. Skoog, F.J. Holler e T.A. Nieman, Princípios de Análise Instrumental, 5ª edição, Bookman editora, 2002 [cap.6 Introdução aos Métodos Espectrométricos]. D. Cruz-Garritz, J. A. Chamizo e A. Garritz - Estructura Atômica: Um Enfoque Químico, Addison- Wesley Iberoamericana, 1991, cap. 2 e 3. P.W. Atkins e L. Jones Chemistry, W.H. Freeman and Co., 1997, 3ª ed., cap. 7