Espectro de absorção: absorção atômica, visível e molecular - Ciência - 2023

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UMA 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 da simples luz visível, uma vez que a interação abrange um amplo segmento da faixa de comprimentos de onda e 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 infravermelha ou luz, entrando em comprimentos de onda de microondas.

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

Se o raio de luz fosse "captado" após ter percorrido um material, e analisado, a ausência de certas faixas de cores seria encontrada; isto é, listras pretas seriam observadas contrastando com seu fundo. Este é o espectro de absorção, e sua análise é fundamental em química analítica instrumental e astronomia.

Absorção atômica

A imagem superior mostra um espectro de absorção típico para elementos ou átomos. Observe que as barras pretas representam os comprimentos de onda absorvidos, enquanto as demais são as emitidas. Isso significa que, em contraste, um espectro de emissão atômica seria semelhante a uma faixa preta com listras de cores emitidas.

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

Transições e energias eletrônicas

Os elétrons são capazes de se mover para longe do núcleo, deixando-o com carga positiva, enquanto transitam de um orbital de menor energia para um de maior energia. Para isso, explicado pela física quântica, eles absorvem fótons de uma energia específica para realizar a referida transição eletrônica.

Portanto, a energia é quantizada, e eles não irão absorver metade ou três quartos de um fóton, mas sim valores de frequência específicos (ν) ou comprimentos de onda (λ).

Uma vez que o elétron é excitado, ele não permanece por tempo ilimitado no estado eletrônico de alta energia; ele libera a energia na forma de um fóton, e o átomo retorna à sua base ou estado 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.

Este fenômeno pode ser observado experimentalmente se amostras gasosas ou atomizadas de um elemento forem aquecidas. Na astronomia, ao comparar esses espectros, pode-se saber 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 do visível compreende as cores do violeta ao vermelho e todas as suas tonalidades em relação à absorção do material (tonalidades escuras).

Os comprimentos de onda da luz vermelha correspondem a valores de 650 nm em diante (até que desapareçam 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 400 a 700 nm aproximadamente.

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

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

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

Espectro de absorção de moléculas

As moléculas têm átomos, e estes também absorvem radiação eletromagnética; no entanto, seus elétrons são parte da ligação química, portanto, suas transições são diferentes. Um dos grandes triunfos da teoria dos orbitais moleculares é sua capacidade de relacionar o espectro de absorção à estrutura química.

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

Por possuírem diversos átomos, além das interações intermoleculares, e das vibrações de suas ligações (que também absorvem energia), os espectros de absorção das moléculas têm a forma de "montanhas", que indicam as bandas que compõem os comprimentos de onda onde ocorrem transições eletrônicas.

Graças a esses espectros, um composto pode ser caracterizado, identificado e, até mesmo, por meio de análises multivariadas, quantificado.

Azul de metileno

A imagem superior mostra o espectro do indicador de azul de metileno. Como seu nome evidentemente indica, é de cor 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, ele tem uma banda de absorção forte após 600 nm e, portanto, tem transições eletrônicas de baixa energia que absorvem fótons de luz vermelha.

Conseqüentemente, e dados os altos valores de absortividade molar, o azul de metileno exibe uma cor azul intensa.

Clorofilas a e b

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

Primeiro, as bandas onde as absortividades 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) absorve as cores azuis.

Ao absorver a clorofila b em torno de 460 nm, o azul, a cor amarela é refletida. Por outro lado, também absorve fortemente perto de 650 nm, luz laranja, o que significa que exibe a cor azul. Se o amarelo e o azul se misturam, qual é o resultado? A cor verde.

E, finalmente, a clorofila a absorve a cor violeta-azulada, e também, uma luz vermelha próxima a 660 nm. Portanto, apresenta uma cor verde "suavizada" pelo amarelo.

Referências

Observatoire de Paris. (s.f.). As diferentes classes de espectros. Recuperado de: media4.obspm.fr
Campus da Universidade Rabanales. (s.f.). Espectrofotometria: Espectros de absorção e quantificação colorimétrica de biomoléculas. [PDF]. Recuperado de: uco.es
Day, R., & Underwood, A. (1986). Química Analítica Quantitativa (quinta edição). PEARSON, Prentice Hall, páginas 461-464.
Reush W. (s.f.). Espectroscopia Visível e Ultravioleta. Recuperado de: 2.chemistry.msu.edu
David Darling. (2016). Espectro de absorção. Recuperado de: daviddarling.info
Khan Academy. (2018). Linhas de absorção / emissão. Recuperado de: khanacademy.org