Espectro de absorção: absorção atômica, visível e em moléculas

Um espectro de absorção é o produto da interação da luz com um material ou substância em qualquer um de seus estados físicos. Mas a definição vai além de uma simples luz visível, uma vez que a interação compreende uma ampla faixa do comprimento de onda e da faixa de energia da radiação eletromagnética.

Portanto, alguns sólidos, líquidos ou gases podem absorver fótons de diferentes energias ou comprimentos de onda; da radiação ultravioleta, seguida pela luz visível, à radiação ou luz infravermelha, com variações de comprimento de onda de microondas.

Espectro de absorção: absorção atômica, visível e em moléculas 1

Fonte: Circe Denyer via PublicDomainPictures

O olho humano percebe apenas as interações da matéria com a luz visível. Também é capaz de contemplar a difração da luz branca através de um prisma ou meio em seus componentes coloridos (imagem acima).

Se o raio de luz fosse “capturado” depois de percorrer um material e analisado, seria encontrada a ausência de certas faixas de cores; isto é, listras pretas seriam vistas contrastando com o fundo. Esse é o espectro de absorção e sua análise é fundamental na química analítica instrumental e na astronomia.

Absorção atômica

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Fonte: Almuazi [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], do Wikimedia Commons

Na imagem acima, é mostrado um espectro de absorção típico dos elementos ou átomos. Observe que as faixas pretas representam os comprimentos de onda absorvidos, enquanto as outras são as emitidas. Isso significa que, pelo contrário, um espectro de emissão atômica pareceria uma faixa preta com faixas de cores emitidas.

Mas o que são essas listras? Como saber em poucas palavras se os átomos absorvem ou emitem (sem introduzir fluorescência ou fosforescência)? As respostas recaem sobre os estados eletrônicos permitidos dos átomos.

Transições e energias eletrônicas

Os elétrons são capazes de se afastar do núcleo, deixando-o carregado positivamente enquanto transitam de um orbital de menos energia para um de maior energia. Para fazer isso, explicado pela física quântica, eles absorvem fótons de uma energia específica para realizar a referida transição eletrônica.

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Portanto, a energia é quantizada e não absorve meio ou três quartos de um fóton, mas os valores da frequência do concreto (ν) ou do comprimento de onda (λ).

Uma vez que o elétron é excitado, ele não permanece por um tempo ilimitado no estado eletrônico de maior energia; libera energia na forma de um fóton e o átomo retorna ao seu estado basal ou original.

Dependendo se os fótons absorvidos são registrados, um espectro de absorção será obtido; e se os fótons emitidos forem registrados, o resultado será um espectro de emissão.

Esse fenômeno pode ser observado experimentalmente se amostras gasosas ou atomizadas de um elemento forem aquecidas. Na astronomia, a comparação desses espectros pode conhecer a composição de uma estrela e até sua localização em relação à Terra.

Espectro visível

Como pode ser visto nas duas primeiras imagens, o espectro visível inclui cores de violeta a vermelho e todas as suas tonalidades em relação à quantidade que o material absorve (tonalidades escuras).

Os comprimentos de onda da luz vermelha correspondem a valores de 650 nm em diante (até desaparecer na radiação infravermelha). E na extrema esquerda, os tons violeta e roxo cobrem os valores de comprimento de onda de até 450 nm. O espectro visível varia então de aproximadamente 400 a 700 nm.

À medida que λ aumenta, a frequência do fóton diminui e, portanto, sua energia. Assim, a luz violeta tem mais energia (comprimentos de onda mais curtos) do que a luz vermelha (comprimentos de onda mais longos). Portanto, um material que absorve a luz púrpura implica transições eletrônicas de energias mais altas.

E se o material absorver a cor violeta, que cor ele refletirá? Ele ficará amarelo esverdeado, o que significa que seus elétrons fazem transições muito energéticas; enquanto que se o material absorver a cor vermelha, de menor energia, ele refletirá uma cor verde azulada.

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Quando um átomo é muito estável, geralmente possui estados eletrônicos muito distantes em energia; e, portanto, você precisará absorver fótons de maior energia para permitir transições eletrônicas:

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Fonte: Gabriel Bolívar

Espectro de absorção de moléculas

Moléculas têm átomos, e eles também absorvem radiação eletromagnética; no entanto, seus elétrons fazem parte da ligação química , portanto suas transições são diferentes. Um dos grandes triunfos da teoria orbital molecular é poder relacionar os espectros de absorção com a estrutura química.

Assim, ligações simples, duplas, triplas, conjugadas e estruturas aromáticas têm seus próprios estados eletrônicos; e, portanto, eles absorvem fótons muito específicos.

Tendo vários átomos, além das interações intermoleculares e das vibrações de suas ligações (que também absorvem energia), os espectros de absorção das moléculas são modelados como “montanhas”, que indicam as bandas que compreendem os comprimentos de onda onde ocorrem transições eletrônicas.

Graças a esses espectros, um composto pode ser caracterizado, identificado e até, por análise multivariada, quantificado.

Azul de metileno

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Fonte: Wnt [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) ou GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], do Wikimedia Commons

O espectro do indicador azul de metileno é mostrado na imagem acima. Como o nome evidentemente indica, é azul; Mas pode ser verificado com seu espectro de absorção?

Observe que existem bandas entre os comprimentos de onda de 200 e 300 nm. Entre 400 e 500 nm, quase não há absorção, ou seja, não absorve as cores violeta, azul ou verde.

No entanto, possui uma banda de absorção intensa após 600 nm e, portanto, possui transições eletrônicas de baixa energia que absorvem fótons de luz vermelha.

Consequentemente, e dados os altos valores das absorvências molares, o azul de metileno exibe uma cor azul intensa.

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Clorofilas aeb

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Fonte: Serge Helfrich [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], do Wikimedia Commons

Como pode ser visto na imagem, a linha verde corresponde ao espectro de absorção da clorofila a, enquanto a linha azul corresponde à da clorofila b.

Primeiro, as bandas onde as absorvências molares são maiores devem ser comparadas; neste caso, os da esquerda, entre 400 e 500 nm. A clorofila a absorve fortemente as cores roxas, enquanto a clorofila b (linha azul) o faz com a cor azul.

Ao absorver a clorofila b em torno de 460 nm, o azul reflete a cor amarela. Por outro lado, ele também absorve intensamente cerca de 650 nm, a luz laranja, o que significa que exibe a cor azul. Se as cores amarela e azul se misturam, qual é o resultado? Cor verde.

E, finalmente, a clorofila absorve a cor violeta azulada e também uma luz vermelha perto de 660 nm. Portanto, exibe uma cor verde “suavizada” pelo amarelo.

Referências

  1. Observatório de Paris. (sf). Os diferentes tipos de espectros. Recuperado de: media4.obspm.fr
  2. Campus Universitário de Rabanales. (sf). Espectrofometria: espectros de absorção e quantificação colorimétrica de biomoléculas. [PDF]. Recuperado de: uco.es
  3. Day, R. & Underwood, A. (1986). Quantitative Analytical Chemistry (quinta ed.). PEARSON, Prentice Hall, p. 461-464.
  4. Reush W. (sf). Espectroscopia visível e ultravioleta. Recuperado de: 2.chemistry.msu.edu
  5. David Darling (2016). Espectro de Absorção Recuperado de: daviddarling.info
  6. Khan Academy (2018). Linhas de absorção / emissão. Recuperado de: khanacademy.org

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