Proposta de experimentos: estrutura atômica

TESTE DE CHAMA

Neste post, trago algumas propostas de experimento para ilustrar um dos postulados de Bohr, como o teste de chama e a fluorescência atômica. Confiram primeiramente o vídeo do teste de chama.

Um modelo atômico é uma representação que procura explicar, sob o ponto de vista da Ciência, fenômeno relacionado à estrutura da matéria e às formas como ela se expressa. Ele visa dar uma explanação sobre a estrutura microscópica da matéria e deve ser capaz de prever outros fenômenos associados a ela.

A partir do Modelo Atômico de Bohr, ficou estabelecido que os átomos possuem regiões específicas disponíveis para acomodar seus elétrons – as chamadas camadas eletrônicas.

Usando os conceitos quânticos desenvolvidos para a luz, Bohr propõe os seguintes postulados para o átomo:

- O elétron move-se em órbitas circulares em torno do núcleo do átomo;

Modelo de Bohr do átomo de hidrogênio

- A energia total de um elétron (potencial + cinética) não pode apresentar qualquer valor, mas sim, valores múltiplos de um quantum;

- Apenas algumas órbitas eletrônicas são permitidas para o elétron e ele não emite energia ao percorrê-las;

- Quando o elétron passa de uma órbita para outra, emite ou absorve um quantum de energia.

No estado fundamental, de menor energia, os elétrons ocupam os níveis mais baixos de energia possíveis. Quando um átomo absorve energia de uma fonte externa, um ou mais elétrons absorvem essa energia e “pulam” para níveis mais energéticos ou externos. Neste caso, diz-se que o átomo encontra-se em um estado excitado. Isso pode ser observado na ilustração ao lado para o átomo de hidrogênio.

O elétron absorve uma quantidade de energia E = E₂ – E₁ e salta para um nível mais externo de energia E₂. Se a quantidade de energia for menor do que a diferença entre os níveis (E), o elétron permanece em seu nível de energia. O átomo no estado excitado encontra-se numa situação em que existe espaço livre em níveis de energia mais baixos. Desse modo, o elétron excitado ou algum outro que esteja em níveis acima do espaço livre pode cair deste nível mais externo para ocupar o espaço livre. O átomo, então, volta ao estado normal de energia. Segundo Bohr, um elétron jamais poderia permanecer entre duas órbitas tidas como permitidas. Neste caso ocorre emissão de energia na forma de radiação eletromagnética. Como os átomos podem ter diferentes níveis, podem ocorrer diferentes transições eletrônicas (absorção ou emissão), e cada uma dessas possíveis transições envolve um valor bem definido de energia. Quando essas emissões ocorrem na região do visível (série de Balmer), podemos observar suas cores. O conjunto de todas as radiações, desde os raios gama até as ondas de rádio, forma o espectro eletromagnético, que nada mais é do que a ordenação destas radiações em função do comprimento de onda e da freqüência. 

O teste da chama está fundamentado nos princípios do modelo de Bohr, de que quando certa quantidade de energia é fornecida a um determinado elemento químico, alguns elétrons da camada de valência absorvem essa energia passando para um nível de energia mais elevado, produzindo o que chamamos de estado excitado. Quando um ou mais elétrons excitados retornam ao estado fundamental, eles emitem uma quantidade de energia radiante igual àquela absorvida, cujo comprimento de onda é característico do elemento e da mudança de nível eletrônico de energia. Assim, a luz de um comprimento de onda particular pode ser utilizada para identificar um referido elemento. 

Procedimento: Para este experimento, foram preparadas soluções 1% (m/v) de cloreto de lítio (LiCl), cloreto de potássio (KCl), cloreto de sódio (NaCl), cloreto de estrôncio (SrCl2), cloreto de cálcio (CaCl2) e cloreto de cobre II (CuCl2) em solução etanólica (1:1), ou seja, dissolvido os sais em uma solução 50% em volume de água e 50% em volume de etanol anidro. (Pode-se usar o etanol 92,8 INPM)

As soluções foram borrifadas na chama do Bico de Bunsen e observou-se a coloração destas. 

FLUORESCÊNCIA ATÔMICA

O experimento de fluorescência foi feito baseado no artigo "Fluorescência e Estrutura Atômica: Experimentos Simples para Abordar o Tema" de Ana Luiza Petillo Nery e Carmen Fernandez. 

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

A idéia é expor estas substâncias mencionadas acima diante de uma luz Ultra-Violeta (luz negra). Como a luz ultra-violeta pode ser prejudicial para os olhos, fez-se o uso de um sistema fechado, na qual as substâncias eram expostas dentro desta "caixa-preta". 

Os resultados foram sensacionais: 

Amostras de clorofila, vitamina B2 e água tônica irradiada
com luz UV

Nesta sequência de imagens, vemos o extrato de clorofila, que foi extraído de hortelã com acetato de etila, o comprimido de vitaminas do complexo B dissolvido em água destilada e uma amostra de água tônica. As amostras sem estarem irradiadas com a luz UV (em baixo) e as amostra irradiadas com a luz UV (acima). 

A coloração amarelo fluorescente do comprimido de vitamina do complexo B dá-se pela riboflavina (vitamina B2).

Já a coloração azulada da água tônica é devido a presença de quinino, que a confere o sabor amargo. 

Nesta sequência de imagens, vemos todas as amostras lado a lado quando não expostas a radiação UV e expostas. Nesta imagem, a sequência das substâncias em cima não é a mesma das amostras abaixo.

E por último, vê-se um ovo, de casca vermelha, com a luz UV. Observa-se uma coloração avermelhada, resultante da protoporfirina IX. Na sequência, a casca do ovo foi colocada em um béquer e adicionado solução de HCl 6 mol/L. Como a casca do ovo é composta de CaCO3 (carbonato de cálcio), o ácido clorídrico reage com este composto, produzindo ainda CO2 e a protoporfirina é liberada para a solução a qual ser observa também uma coloração avermelhada no béquer. 

Referências:
- Amsei Junior, N.L, et al. Apostila de Química Geral e Experimental. UNIFEB, 2012
- Nery, A. L. P.; Fernandez, C. Fluorescência e estrutura atômica: experimentos simples para abordar o tema. Química Nova na Escola, n. 9, 2004.