1. HISTÓRIA DA QUÍMICA
A ESPECTROSCOPIA E A QUÍMICA
DA DESCOBERTA DE NOVOS ELEMENTOS AO LIMIAR DA TEORIA QUÂNTICA
Carlos A.L. Filgueiras
Neste número a seção “História da Química” apresenta a história do trônomo inglês William Herschel, em
desenvolvimento da espectroscopia e suas extraordinárias e 1800, experimentou colocar o bulbo de
imediatas conseqüências para a ciência, em particular para um termômetro em cada uma das
entendermos a estrutura da matéria. Os leitores vão deslocar-se regiões coloridas do espectro solar. O
para uma época — o final do século XIX, mais precisamente o ano resultado observado foi que a tem-
de 1885 — quando inexistiam os conceitos de elétron, estrutura peratura do mercúrio aumentava pela
atômica, transição eletrônica. Vão conhecer também a importante incidência da luz, mas esse era mais
contribuição de um professor do ensino médio. rápido quanto mais próximo da extre-
midade vermelha. Ao testar a região
Balmer, ciência no final do século XIX, descoberta de novos elementos, não iluminada depois do vermelho,
espectroscopia, espectro solar, hélio Herschel descobriu que a temperatura
subia ainda mais rapidamente. A
radiação invisível que provocava este
efeito foi então denominada de infra-
vermelho. Estava assim demonstrado
S
22 abia-se desde a Antiguidade Em 1777 o químico sueco Carl que a luz continha componentes não
que a luz solar pode ser Wilhelm Scheele resolveu pôr amos- detectáveis por nossos olhos, em
decomposta nas cores do ar- tras de cloreto de prata em cada uma adição à porção visível.
co-íris, mas foi Newton, no século XVII, das diferentes regiões coloridas do Numa linguagem moderna, dize-
que pela primeira vez descreveu de espectro solar obtido com um prisma. mos que o ultravioleta é uma radiação
forma adequada o fenômeno da Percebeu, então, que o escureci- muito energética capaz de promover
decomposição da luz por um prisma, mento do material se processava mais reações químicas que envolvem
assim como de sua recomposição por intensamente quanto mais próximo da transições eletrônicas, como a reação
um segundo prisma. O conjunto das extremidade violeta. Isto devia signifi- citada:
Luz
cores obtidas com o prisma é conhe- car que a luz violeta era a mais ener- Ag+ + e- → Ag
cido como espectro, e varia do verme- gética do espectro, pois era a que Por outro lado, o infravermelho é
lho, numa extremidade, ao violeta, na mais acelerava a reação. uma radiação de baixa energia, e esta
outra. Em 1801, o alemão Johann coincide com a faixa de energia
Além das chamadas sete cores do Wilhelm Ritter decidiu pôr uma amos- necessária para fazer vibrar — isto é,
arco-íris, o espectro solar também tra de sal de prata na região escura movimentar uns em relação aos outros
apresenta radiações invisíveis ao olho além do violeta. Qual não foi sua — os átomos de uma substância sem
humano. Como é que podemos com- surpresa ao verificar que a reação de provocar uma reação.
provar isso? redução da prata se Wollaston também
Os químicos sabem muito bem dava com mais facili- descobriu que ao tra-
que o cloreto de prata é um sólido dade ainda. O inglês Na fotografia ocorre
balhar com um feixe
branco que escurece por ação da luz. William Hyde Wollaston uma redução de
de luz muito estreito —
Este é o princípio da fotografia em fez nessa época, inde- cátions prata,
oriundo de uma fenda
preto e branco. O filme fotográfico con- pendentemente, a mes- presentes em
de 0,01 mm, e não de
tém uma suspensão de um composto ma descoberta. A con- suspensão no filme,
aberturas maiores, co-
semelhante, o brometo de prata, que clusão desse experi- para prata metálica
mo havia feito Newton
também escurece ao ser atingido pela mento é que existe no —, o espectro solar
luz. Este fenômeno, comum aos dois espectro solar uma radiação de resultante apresentava sete linhas
sais, não se deve ao cloreto ou ao bro- energia mais alta que a luz violeta; a negras sobrepostas às cores bri-
meto, mas sim à prata, presente em essa radiação, invisível a nossos lhantes.
ambos os compostos. A reação que olhos, chamou-se ultravioleta. O jovem construtor de instrumentos
ocorre é a redução dos íons de prata, Podemos dizer que a temperatura ópticos alemão Joseph Fraunhofer,
promovida pela luz e pelo processo de de um corpo é uma medida de sua usando inicialmente prismas e depois
revelação, originando o metal finamen- agitação térmica, isto é, das vibrações grades de difração, constatou que o
te dividido, que é preto. de suas moléculas ou partículas. O as- espectro solar na realidade contém
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2. panela no fogão, a da luz da lua ou dos planetas, mas
chama do gás fica diferente das estrelas, cada uma da
amarela. O mes- quais apresentava um espectro par-
mo princípio é usa- ticular. Ora, a luz da lua ou dos plane-
do nas lâmpadas tas é apenas um reflexo da luz solar,
de vapor de sódio ao passo que as estrelas emitem luz
de iluminação pú- própria. Será então que o espectro de
blica, de luz ama- cada estrela poderia ser uma impres-
relada. são digital da estrela em termos de sua
Fraunhofer no- composição química?
tou que ao se pas- A colaboração de dois cientistas da
sar por um prisma Universidade de Heidelberg, na Ale-
a luz emitida por manha, levou a conseqüências de
aqueles materiais enorme alcance para a química e a
incandescentes, o física. O químico Robert Wilhelm Bun-
resultado era um sen, inventor do queimador de gás
espectro discreto, comum de laboratório, associou-se
e não contínuo co- em 1859 ao físico Gustav Robert Kir-
mo o espectro so- chhoff na criação do espectroscópio,
lar. Esse espectro mostrado na Fig. 2, instrumento sim-
discreto era forma- ples mas de alcance extraordinário.
do por linhas lumi- Kirchhoff percebera que duas li-
nosas brilhantes, nhas escuras no espectro solar,
cujas energias pa- chamadas de linhas D por Fraunhofer
reciam correspon- em 1814, coincidiam com as linhas
der àquelas das amarelas emitidas por chamas con- 23
linhas negras so- tendo sódio (Fig. 1). Quando se intro-
brepostas ao es- duzia um sal de sódio na chama do
pectro solar. Outro queimador de Bunsen e a luz emitida
Figura 1: Espectros solar e de vários elementos individuais. O primeiro, acima, aspecto interes- era passada por um prisma, observa-
é o espectro contínuo de emissão do Sol, ao qual estão sobrepostas várias sante percebido va-se o espectro de emissão do sódio,
linhas negras correspondentes aos espectros de absorção de elementos por ele foi que o representado pelas linhas luminosas
químicos presentes no Sol. Os 11 seguintes são espectros de emissão de conjunto de linhas amarelas. No entanto, ao passar uma
vários elementos, obtidos em laboratório. Note-se, por exemplo, que os
espectros de emissão do sódio e do hélio apresentam linhas muito próximas
negras do espec- luz branca contínua, obtida pela quei-
no amarelo, correspondendo a linhas negras no espectro solar. tro solar era idên- ma de gás ou por um arco elétrico,
tico ao do espectro através da chama de sódio, o resulta-
centenas de linhas negras sobre as
cores. Algumas dessas linhas podem
ser vistas no espectro solar mostrado
na Fig. 1. Fraunhofer designou as
linhas mais fortes pelas letras do
alfabeto, de A até I, e mapeou 574 li-
nhas entre a linha B (no vermelho) e a
linha H (no violeta). Também ocorriam
linhas nas regiões invisíveis do espec-
tro. Com o passar do tempo, verificou-
se que o número de linhas era bem
maior, chegando a vários milhares.
Desde muitos séculos se sabia que
muitos materiais também podem
emitir luz quando excitados. Este é o
princípio dos fogos de artifício: para
obter uma luz verde usam-se sais de
bário; para uma luz vermelha, sais de
Figura 2: O espectroscópio de Bunsen e Kirchhoff. Este aparelho, de concepção bastante simples e
estrôncio; amarela, de sódio, e assim conseqüências extraordinárias para o avanço da ciência, mostra uma alça de platina presa ao supor-
por diante. Aliás, todo mundo já deve te E, contendo um composto que será excitado até à incandescência pela chama do queimador de
ter reparado que ao escorrer água Bunsen. A luz emitida será colimada e atravessará o tubo B para ser decomposta pelo prisma F. A
com sal (cloreto de sódio) de uma luneta C permitirá a observação do espectro de emissão (ou ele poderá ser projetado num anteparo).
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3. negra, inexistente observar apenas a borda do disco
no espectro solar. solar, sem os problemas normais de
Em conseqüência, ofuscamento. Naquele ano de 1868,
não deve haver lítio em agosto, ocorreu o eclipse solar de
na atmosfera do maior duração do século XIX. Visível
sol. na Índia e em países vizinhos, chegou
Bunsen e a durar, em alguns lugares, mais de
Kirchhoff usaram seis minutos. O astrônomo francês
sua descoberta Pierre Janssen deslocou-se até à Índia
como instrumento para observá-lo. Acoplando uma
de análise química luneta a um espectroscópio, Janssen
e rapidamente pôde observar o espectro das protu-
descobriram (em berâncias solares, jatos de gás que se
1860) um novo ele- projetam milhares de quilômetros aci-
mento a partir de ma da atmosfera solar. O espectro
algumas gotas de observado daquele material excitado
um resíduo alcali- das protuberâncias era um espectro
no da água min- de emissão, uma vez que não havia a
eral de Durkheim. possibilidade de absorção pela atmos-
Como este mate- fera solar.
rial produzia um
espectro de emis- O hélio foi descoberto
são com linhas no Sol 27 anos antes
azuis, não corres- de ser descoberto na
pondentes a ne- Terra
24
nhum elemento
conhecido, eles o Janssen descobriu que o mesmo
denominaram cé- tipo de observação também podia ser
sio, do latim cae- feito na ausência de um eclipse,
Figura 3: Retrato do professor secundário de matemática Johann Jakob sius, azul-celeste. bastando usar uma fenda bem estrei-
Balmer (1825-1898), descobridor, em 1885, da equação que leva seu nome,
relacionando os comprimentos de onda (e, conseqüentemente as energias) No ano seguinte, ta disposta tangencialmente ao disco
das transições energéticas nos átomos com números inteiros. Balmer também usando solar, de forma a receber apenas a
conseguiu pôr ordem no emaranhado de linhas dos espectros, cujo quantidades extre- radiação das protuberâncias, elimi-
relacionamento parecia impossível, tornando-se um importante precursor mamente diminu- nando assim o ofuscamento pelo dis-
da Teoria Quântica.
tas de material, co solar. Janssen identificou dessa
eles identificaram maneira os espectros de emissão de
do, após atravessar o prisma, era um um outro elemento que produzia linhas vários elementos, sendo o hidrogênio
espectro contínuo com as cores do vermelhas intensas no espectro de o principal.
arco-íris, contendo duas linhas negras emissão. Da palavra latina rubidus, da À mesma época, em outubro de
muito próximas entre si, na mesma cor de rubi, surgiu o nome do elemento 1868, o astrônomo inglês Joseph
posição em que se produzia o espec- rubídio. Norman Lockyer chegou independen-
tro de emissão do sódio. A conclusão A espectroscopia possibilitou a temente ao mesmo método de obser-
foi que o sódio gasoso emite e absorve descoberta, em poucos anos, de var as protuberâncias solares. Entre as
luz de mesma energia. Kirchhoff inúmeros elementos químicos, em es- linhas observadas por ele havia uma
deduziu que deve haver vapor de pecial muitos dos que correspondiam linha amarela próxima ao espectro do
sódio na atmosfera solar, que absorve às lacunas presentes na tabela perió- sódio, mas não coincidente com o
as linhas D presentes no espectro con- dica que seria publicada por Dmitri espectro de nenhum elemento conhe-
tínuo proveniente da superfície do as- Mendeleiev em 1869. cido. Lockyer concluiu
tro, abaixo da atmosfera. Assim, a luz Também os lantaní- A espectroscopia é o então que o sol devia
que chega à Terra consiste no espec- deos, de separação germe para ter um novo elemento,
tro contínuo subtraído dos componen- extremamente difícil, conhecimento da desconhecido na Terra,
tes absorvidos na atmosfera do Sol. foram prontamente estrutura do átomo que denominou hélio,
Um raciocínio análogo pode ser identificados pela es- em homenagem ao
feito para outros elementos presentes pectroscopia. deus grego do sol. Esta
ou ausentes no Sol. Por exemplo, A descoberta mais retumbante proposição foi recebida com reservas,
quando a luz solar atravessa uma propiciada pela espectroscopia, até que em 1895 o novo elemento foi
chama de lítio antes de passar pelo contudo, ocorreu em 1868. O estudo descoberto na Terra pelo químico
prisma do espectroscópio, o resultado do espectro solar ficava facilitado du- escocês William Ramsay.
é o aparecimento de uma nova linha rante os eclipses, quando se podia O processo de descoberta de
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4. vários novos elementos químicos, mica geral aprende, é modernamente ção teórica, e também anterior à des-
sobretudo essa espetacular descober- formulada como: coberta do elétron ou de qualquer
ta do hélio no sol, 27 anos antes de modelo de constituição do átomo. Por
ser encontrado na Terra, mostrou a isso a equação de Balmer tem tanta
extraordinária importância da espec- importância: uma expressão matema-
troscopia no estudo da constituição ticamente simples que encerra a expli-
íntima da matéria. Havia porém um onde λ = comprimento de onda
cação de tantos fenômenos, cujo
problema sem solução. O que repre- correspondente à linha espectral (em
entendimento desafiou inúmeros
sentavam os valores das energias (ou cm); R = constante, que provou ser cientistas por anos a fio.
dos comprimentos de onda) corres- igual a 109 677 cm-1; n = 3, 4, 5, 6,...
pondentes às emissões ou absorções A equação de Balmer descreve Carlos A.L. Filgueiras é doutor em química
dos elementos? E por que esses fenô- adequadamente os espectros de inorgânica pela Universidade de Maryland (EUA) e
menos só se operavam naqueles valo- emissão ou absorção do hidrogênio professor titular do Departamento de Química da
na região visível, mas pode ser modi- Universidade Federal de Minas Gerais.
res precisos de energia?
O problema foi intensamente dis- ficada para incluir também as outras
cutido por físicos, químicos e astrôno- regiões espectrais. Para outros ele-
mos. Não obstante, o enigma só veio mentos podem ser usadas equações Para saber mais
a ser desvendado por um matemático, análogas, mas a precisão é tanto Já recomendado nesta seção no
o suíço Johann Jakob Balmer (Fig. 3). menor quanto mais pesado for o n° 2 de Química Nova na Escola, Dos
Balmer obteve um doutorado em elemento. raios X aos quarks. Físicos modernos e
matemática e passou a vida como pro- Além de descrever corretamente as suas descobertas. Brasília: Editora da
fessor dessa disciplina numa escola relações entre as linhas espectrais, a UnB, 1987. Escrito por Emílio Segré,
ganhador do Prêmio Nobel de Física em
secundária para moças em Basiléia. relação importantíssima: os compri-
1959, este livro traça um agradável pan-
Os físicos tentavam achar uma relação mentos de onda (ou as energias) orama da ciência no final do século XIX,
para as linhas espectrais baseando- correspondentes às linhas que resul- mostrando quanto, por exemplo, as
se numa analogia mecânico-acústica, tam da absorção ou emissão de ener- descobertas relacionadas ao conheci- 25
e buscavam expressões harmônicas gia estão relacionados entre si por mento sobre a estrutura da matéria
simples que explicassem essas rela- números inteiros (n é a variável determinaram alterações na física que
ções. Talvez por não ser físico e sim independente da equação, com valo- atingiram de imediato a biologia (e
matemático, isto é, por não partir de res dados por 3, 4, 5, 6...). Conseqüen- nesta, particularmente a genética), a
posições preconcebidas, Balmer temente, os ganhos ou perdas de geologia, a medicina e a química. Neste
texto será possível conhecer um pouco
chegou em 1885 à equação que hoje energia nos átomos são discretos e
mais sobre Balmer e outros homens e
traz seu nome e que expressa perfei- também guardam uma relação de mulheres que deram significativas con-
tamente tal relação, para as linhas do números inteiros. tribuições para a ciência por ocasião da
espectro do hidrogênio. A equação de Está aí o germe da mecânica última virada do século.
Balmer, que todo estudante de quí- quântica, anos antes de sua formula-
Resenhas
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