Entretanto, as fontes emissoras de energia radiante emitem radiações cujas frequências se podem estender largamente fora dos limites dos valores apontados e para as quais o nosso organismo não possui órgão de detecção.

As radiações cujas frequências são inferiores a 4,0 x 10¹⁴ Hz designam-se por infravermelhas e aquelas cujas frequências são superiores a 7,0 x 10¹⁴ Hz designam-se por ultravioletas.

As radiações infravermelhas são radiações térmicas, porque as suas frequências são da ordem de grandeza das frequências das vibrações das partículas dos corpos (10¹⁴ Hz). De toda a energia radiante que o Sol nos envia, cerca de um terço corresponde a radiações infravermelhas.

Uma fonte de luz muito rica em radiação ultravioleta é a lâmpada de vapor de mercúrio, constituída por um tubo de vidro, ou de quartzo, onde se produz uma descarga eléctrica que provoca a vaporização de uma gota de mercúrio cujo vapor, a baixa diferença de potencial, se torna luminoso.

Podemos então:

• Observar espectros de absorção de diferentes soluções coradas.
• Relacionar o espectro de cada solução com a sua cor apresentada .
• Observar a cor da chama emitida de cada elemento químico.
• Observar espectros de emissão de diferentes elementos químicos através de ensaios de chama.
• Relacionar o espectro de cada elemento químico com a cor da chama apresentada .

O Sol é a estrela mais próxima de nós, encontrando-se na periferia da via láctea, a nossa galáxia. É de importância vital, pois a energia que irradia é a que mantém a vida na Terra. ( todos os animais e plantas dependem da luz para sobreviver ).

Precisamos de luz para ver. O sentido da visão é muito importante para o Homem, encontrando-se nele altamente desenvolvido.

Praticamente a partir do momento que nascemos, começamos a aprender e a recordar o aspecto das coisas. O sentido da visão que possuímos, é um dos elos de ligação mais importantes com o mundo, pois permite-nos ver milhares de cores e formas que nos ajudam a reconhecer as pessoas, os lugares e os objectos que nos rodeiam.

Sendo a visão talvez o mais importante dos nossos sentidos, não admira que, ao longo dos séculos, se estudasse a luz, que é o fenómeno da Natureza que nos permite ver os objectos e o que nos rodeia..

Após muitos anos de estudo e milhares de experiências, ainda não se conseguiu uma resposta simples para a definição de luz.

No séc. XVII foram propostas duas teorias acerca da natureza da luz: a Teoria Corpuscular da Luz e a Teoria Ondulatória da Luz.

Segundo a Teoria Corpuscular da Luz de Isaac Newton, a luz era constituída por corpúsculos ( pequenos corpos ) que se deslocava em linha recta com grande velocidade. Esta teoria explicava a propagação rectilínea, a reflexão e a refracção.

Mais tarde, por volta de 1680, surgiu a Teoria Ondulatória da Luz de Christian Huyghens, que considerava a luz como uma onda. Esta teoria também explicava a reflexão e a refracção embora houvesse uma contradição entre ambas as teorias acerca do fenómeno de refracção: Newton deduziu que a velocidade de propagação da luz aumenta quando passa para um meio de refrigência superior e Huyghens afirmava o contrário.

Reflexão da luz - É a mudança de direcção, ou sentido na mesma direcção ( quando a luz coincide com a normal) que os raios luminosos sofrem ao encontrarem uma superfície polida continuando a sua progressão no mesmo meio. Define-se normal como sendo a perpendicular à superfície polida no ponto de incidência. As leis da reflexão da luz são:

• o raio incidente, o raio reflectido e a normal estão no mesmo plano;
• o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Refracção da luz - É a mudança de direcção que a luz sofre ao ultrapassar o limite que separa dois meios transparentes de densidades diferentes, em que os raios sofrem um desvio. A refracção dá-se porque a luz desloca-se a diferentes velocidades consoante os materiais.

Em 1801, Thomas Young veio a contrariar a Teoria Corpuscular com a sua experiência sobre a interferência da luz.

Em 1817 Auguste Jean Fresnel elaborou um estudo sobre a difracção da luz e os resultados da sua experiência apoiam a Teoria Ondulatória.

Interferência da luz - O fenómeno da interferência da luz é revelador de um comportamento ondulatório. Para observar a interferência, é necessário que a diferença de fase entre dois feixes que chegam a um determinado ponto seja constante, para que, nesse ponto, vejamos sempre uma zona clara, uma escura ou uma zona de luminosidade intermédia.

Difracção da luz - Um raio de luz espalha-se quando passa através de uma fenda estreita ou ao passarem pelas arestas de um objecto. Quanto mais estreita for a fenda, mais largo é o leque de luz.

Em 1849, Jean Bernard Foucault e Armand Hippolyte Louis Fizeau colaboraram e mediram a velocidade da luz, 300 000 Km/s, e demonstraram em experiências independentes que a velocidade da luz na água era menor que no ar, o que também contrariou a Teoria Corpuscular proposta por Newton.

Em 1864, Maxwell conclui que a luz é uma onda electromagnética e Heinrich Hertz, em 1879 mostra que as ondas electromagnéticas têm as mesmas propriedades que a luz, confirmando assim a ideia de Maxwell.

No fim do séc. XIX, Max Planck defendeu que a luz não é simplesmente uma onda nem um feixe de partículas, mas sim uma combinação das propriedades de ambos.

Para entender a reflexão, a refracção e a difracção, tem de se considerar a luz como semelhante às ondas de som, com comprimento de onda e frequência. Mas para compreender como é que os átomos absorvem e emitem luz, tem de se pensar na luz como um feixe de partículas chamadas "fotões", cada um transportando um certa quantidade de energia - " Quanta ". Esta teoria tem o nome de " Teoria dos Quanta ".

Albert Einstein, em 1905, explicava o efeito fotoeléctrico utilizando esta teoria e reforçando a ideia de que a luz também poderia ser considerada pelo seu comportamento corpuscular.

Efeito Fotoeléctrico :

• Se a luz incide num metal pode fazer saltar os electrões dos átomos do metal ;
• Se aumentarmos a intensidade da luz não ampliamos a velocidade de libertação dos electrões, aumentamos sim o número de electrões libertados ;
• Quando um fotão choca com um átomo transmite a sua energia a um electrão que se solta do átomo. Quantos mais fotões atingirem os átomos, mais electrões se libertam.

Ambas as teorias reconduziram à hipótese de explicação da luz através de um modelo corpuscular, verifica-se assim, que não se pode afirmar que a luz é uma onda, bem como não se pode que é um feixe de partículas, mas que revela comportamentos que podem ser explicados por um ou por outro destes modelos.

Na sequência da descoberta da dualidade corpúsculo - onda da luz, Louis de Broglie, em 1925, especula sobre a natureza da matéria do seguinte modo: se a luz possui estes dois tipos de comportamento, não há razão aparente por que a matéria não possa assumir um comportamento ondulatório. Esta hipótese foi confirmada por Clinton Davisson e George Thompson , em experiências de difracção de electrões.

A matéria, tal como a radiação, apresenta então uma dualidade corpúsculo - onda. Este é o comportamento da mecânica que constitui a base do nosso conhecimento actual da matéria e da radiação.

A energia apresenta-se sob diversas formas, por exemplo sonora, química ou eléctrica. Existe uma gama completa de formas inter-relacionadas denominada energia radiante ou radiação electromagnética. Juntas compõem o espectro electromagnético, cujas diferentes radiações se caracterizam por gamas próprias de comprimentos de onda e frequência. No extremo de comprimentos longos e baixa frequência do espectro electromagnético encontram-se as ondas de radio, seguidas pelas microondas e os raios infravermelhos. Vem em seguida a luz visível e a radiação ultravioleta, terminando com os comprimentos de onda mínimos e as frequências máximas dos raios X e dos raios gama.

Espectro da radiação electromagnética.

Embora haja todos estes tipos de radiação, a luz, é o único tipo que o ser humano consegue ver, daí a designação de " luz visível " .

Comprimento de onda - É a distância, na direcção de propagação de uma onda periódica, entre dois pontos sucessivos que, no mesmo instante, se encontram na mesma fase. Comprimento de onda (c.d.o) representa-se por l e vem expresso em m (metro).

Frequência - É o número de ondas que passam por um determinado ponto por unidade de tempo. Representa-se por n e vem expresso em Hz (hertz).

A luz emitida pelo Sol (luz solar) é também denominada de " luz branca", mas na realidade, a luz branca é uma mistura de diferentes cores - as do espectro visível - cada uma delas com comprimentos de onda e frequência diferentes. Para vermos as diferentes cores que compõem a luz branca, faz-se incidir um feixe de luz num prisma de vidro. O prisma refracta os diversos comprimentos de onda, em diferentes quantidades e, dispersa-as no espectro visível.

A cor com maior comprimento de onda é o vermelho (780 - 622 nm) , seguido do laranja (622 - 597 nm), amarelo (597 - 577 nm), verde (577 - 492 nm), azul (492 - 465 nm), anil (465 - 455 nm) e violeta (455 – 390 nm), sendo esta última, a cor com menor comprimento de onda.

Para compreendermos como vemos as cores, temos que nos lembrar que a luz branca é realmente uma mistura de cores. As cores que vemos dependem do tipo de luz que está a ser reflectida.

Quando a luz incide num objecto, parte do espectro visível é absorvido por este sendo outra parte reflectida. As partes que são reflectidas combinam-se, formando as cores que os nossos olhos captam.

Se um objecto absorve todas as cores do espectro não se reflecte qualquer luz e, nesse caso, vemos preto. Se se reflectem todas as cores não há qualquer alteração na luz branca e nessa altura vemos os objectos brancos.

A luz branca contém todas as cores do espectro, mas na realidade podemos obtê-la se misturarmos apenas três delas, bastante diferentes dentro da gama cromática. O vermelho, o azul e o verde são as cores primárias. Misturando-as em proporções diferentes podemos obter qualquer uma das cores do espectro. Quando duas cores primárias são sobrepostas, produzem uma cor secundária ( o vermelho com o azul originam o magenta, o vermelho e o verde originam o amarelo e verde com azul, o ciano ). Então, se misturarmos a luz vermelha com a verde, obtemos uma amarela. Só precisamos de adicionar a quantidade certa de azul ao amarelo para que daí resulte a luz branca. Dizemos então que o amarelo e o azul são cores complementares, porque obtém-se a luz branca ao misturá-las. A cor complementar do verde é o magenta e a do vermelho é o ciano. Se misturarmos cada um destes pares de cores complementares, um de cada vez, obtemos luz branca. Isto acontece pelo facto de todas as cores primárias serem reflectidas por cada par de cores complementares. A percepção da cor nos objectos produz-se por meio da luz que incide sobre eles. Deste modo, não é correcto falar da cor de um determinado objecto, dado que essa cor não depende não depende apenas da matéria que constitui o objecto, mas também da luz usada.

Através da dispersão da luz branca, que é a base da espectroscopia, aprofundou-se muito o estudo da estrutura dos átomos e das moléculas.

Dependendo do método utilizado, distinguem-se 5 tipos de espectros:

• Espectros Contínuos de Emissão - Obtém-se quando a luz proveniente da fonte luminosa incide directamente sobre o dispersor do espectroscópio e são formados por uma sucessão de cores ;
• Espectros de Emissão de Riscas - O método utilizado é análogo ao anterior e é formado por uma série de linhas aparentemente irregulares. São típicos dos átomos ;
• Espectros Contínuos de Absorção - A radiação atravessa uma substância absorvente antes de atingir o dispersor do espectroscópio. Obtém-se uma sucessão contínua de comprimentos de onda ;
• Espectros de Absorção de Riscas - A radiação atravessa um absorvente e no registo aparecem linhas monocromáticas irregularmente repartidas ;
• Espectros de Bandas - Podem ser tanto de emissão como de absorção e apresentam uma sucessão de intensidade decrescente de zonas luminosas alternadas com espaços escuros. São típicos das moléculas excitadas por radiações que não chegaram a dissociar-se.

Para ser possível a observação de espectros, utiliza-se um aparelho especializado para o efeito denominado espectroscópio.

Numa das actividades experimentais realizadas, utilizou-se o teste da chama, que consiste em levar è chama de um bico de Bunsen, utilizando um fio de platina ou de aço inoxidável, uma pequena quantidade de substância que contenha o elemento que se pretende analisar e/ou identificar.

Quando um composto metálico é aquecido numa chama, arde, dando a esta uma cor particular e específica para cada substância. Isto acontece porque o calor da chama excita os electrões dos átomos originando transições electrónicas em que há libertação de energia sob a forma de radiação (por outros palavras, há emissão de radiação ), quando os electrões dos átomos regressam ao estado fundamental. Metais diferentes originam cores de radiações diferentes na chama e estas cores identificam o metal.

A radiação emitida por um átomo durante o teste da chama é apenas parte do processo. O átomo emite uma vasta gama de radiações diferentes, quando é aquecido, mas só algumas são visíveis. As outras frequências de radiação são detectadas por um espectroscópio (ao ser colocado diante das chamas coloridas ) que regista o espectro de emissão atómica. É a impressão digital de um átomo. Cada elemento tem uma estrutura electrónica única, por vezes semelhante, mas nunca igual, que confere ao elemento toda a unicidade, podendo assim ser reconhecido pelas cor da sua chama e pelas cores do seu espectro. Por isso cada elemento ou substância tem um espectro diferente.

Levámos a cabo um trabalho de natureza experimental envolvendo soluções aquosas de:

• sulfato de cobre
• dicromato de potássio
• clorofila

Ao observarmos o espectro da luz solar, verificámos que este apresentava as seguintes cores: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta.

Uma solução de sulfato de cobre apresenta uma cor azul claro. Ao observarmos esta solução ao espectroscópio verificamos que aparecem todas as cores do espectro solar, embora as bandas vermelho, laranja e verde fossem de menores dimensões comparativamente ao espectro inicial da luz solar.

Quanto à solução de dicromato de potássio, que apresenta uma coloração cor de laranja, vemos que o espectro desta apresenta as cores vermelho, laranja, amarelo e verde. As bandas amarelo e verde são também menos espessas em comparação ao espectro solar.

Relativamente à solução de clorofila, verificamos que o espectro desta apresenta as cores vermelho, amarelo verde e laranja, sendo esta última banda menos espessa em relação às do espectro solar. Era visível ainda a presença de uma risca preta ao meio da banda vermelha. A cor predominante era o verde e o amarelo.

Podemos então sintetizar os resultados obtidos no quadro seguinte:

Quadro 1- Cores do espectro absorvido pelas soluções de CuSO₄ , K₂Cr₂O₇ e de clorofila em comparação ao espectro da luz solar .

Avançámos para outro trabalho de natureza experimental em que procedemos à observação de espectros de emissão de uma lâmpada incandescente, da combustão do propano e de testes de chama, testes de via seca, dos elementos sódio, chumbo, cobre e ferro.

Ao observarmos o espectro de uma lâmpada incandescente, verificamos que este apresenta um espectro contínuo com as seguintes cores: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta.

Ao observarmos o espectro do bico de Bunsen, verificamos que este apresenta as seguintes cores: algumas riscas de vermelho, laranja, verde, azul, anil e violeta. A cor da chama do gás propano, proveniente do bico, é azul.

Quando submetemos o cloreto de sódio à chama do bico de Bunsen, esta apresenta uma cor amarela intensa.

Cor da chama do cloreto de sódio.

Ao observarmos esta chama ao espectroscópio verificamos que aparecem apenas duas riscas amarelas separadas por uma risca preta num fundo totalmente preto onde não encontramos mais nenhuma cor.

Quanto ao nitrato de chumbo, quando submetido à chama, apresenta uma cor azul esbranquiçada.

Cor da chama do nitrato de chumbo.

Ao analisarmos esta chama ao espectroscópio, verificamos que existem muitas riscas sucessivas no verde, azul, anil e violeta.

Relativamente ao sulfato de cobre este apresenta uma chama de cor verde e no seu espectro apresenta as seguintes riscas: vermelho, verde amarelado, verde, verde azulado, azul, anil e violeta.

Cor da chama do sulfato de cobre.

Finalmente, o ferro em pó cuja chama é descrita em termos de "faíscas" alaranjadas apresenta o seguinte espectro: muitas riscas, algumas delas não distinguíveis de vermelho, laranja, (principalmente estas duas cores) verde, azul, anil e violeta.

Cor da chama do ferro em pó.

Podemos então sintetizar os resultados obtidos no seguinte quadro:

Quadro 2- Cores do espectro emitido pelas substâncias: cloreto de sódio, nitrato de chumbo, ferro em pó, sulfato de cobre, gás propano e uma lâmpada incandescente em comparação ao espectro da luz solar .

Se as soluções apresentam uma determinada cor é porque, quando atravessadas por um feixe de luz branca, têm a capacidade de absorver certas cores do espectro visível. A sua cor depende da sobreposição de cores que a atravessam sem serem absorvidas. Nestas soluções são os iões nelas presentes que são responsáveis por essa absorção diferenciada da cor.

A solução de sulfato de cobre é azul, pois quando a luz solar a atravessa, ela reflecte a cor azul, absorvendo as outras duas restantes cores primárias, o vermelho e o verde cuja sobreposição é o amarelo. Se as cores absorvidas são o vermelho, o verde e o amarelo, no espectro de absorção desta solução estas cores deveriam desaparecer, o que se verificou quase na totalidade. O espectro desta substância que nós observámos, em comparação com o espectro solar, tinha estas três bandas em reduzidas dimensões. Verificámos também que houve redução na banda "vizinha" ao vermelho (o cor de laranja), o que nos parece normal, visto que estas duas bandas possuem comprimentos de onda relativamente próximos.

Concluímos então que o espectro emitido por esta solução é um espectro de absorção de bandas, pois verifica-se uma redução das dimensões de certas bandas formando uma sucessão de cores.

A solução de dicromato de potássio é cor de laranja, pois quando a luz solar a atravessa, ela reflecte a cor laranja.

O laranja é a sobreposição do vermelho (cor primária) com o amarelo (cor secundária) por isso é uma cor terceária. Verificámos que a banda azul e violeta desaparecem na sua totalidade, pois o azul, que é absorvido, é a cor complementar do amarelo, ou seja, da sobreposição do verde e do vermelho que também são reflectidos em parte. O violeta, a outra banda absorvida, é também uma cor terceária que resulta da sobreposição do magenta (cor secundária) com o azul (cor primária) é complementar ao amarelo e ao vermelho (de onde resulta o laranja). Verificou-se também que as bandas do vermelho e do amarelo não sofrem alteração, pois são estas que sobrepostas originam o laranja que é reflectido.

Confirma-se que o espectro desta solução é um espectro de absorção de bandas, pois as bandas de azul e de violeta desaparecem na sua totalidade e as outras formam uma sucessão contínua de cores.

A solução de clorofila é verde, pois quando a luz solar a atravessa, ela reflecte a cor verde, absorvendo as outras duas restantes cores primárias, o vermelho e o azul. Se as cores absorvidas são o vermelho e o azul, no espectro de absorção desta solução estas cores apresentam-se sob a forma de bandas negras, o que se verificou. No espectro desta substância, não constava a banda do azul e, no vermelho existia uma interrupção de uma banda negra ao meio desta cor. A ausência do violeta e parte do laranja, demonstram que estas bandas foram absorvidas e predominantemente observa-se neste espectro o verde e o verde - amarelo, cores que são reflectidas e é a sobreposição destas que confere a cor esverdeada à clorofila.

Confirma-se que o espectro desta solução é um espectro de absorção de bandas, pois as bandas de azul e de violeta desaparecem na sua totalidade e a o vermelho é interrompido por uma banda negra, formando assim uma sucessão descontínua de cores.

A sobreposição das cores não absorvidas, conferem a cor das soluções.

Nesta actividade foi possível que ocorressem erros na visão das bandas pois o espectroscópio não era muito preciso e poderia ter ocorrido um mau posicionamento do aparelho em relação ao recipiente onde estava contida a solução.

Podemos então sintetizar as nossas conclusões no seguinte quadro:

Quadro 3 - Relação das soluções com o seu respectivo tipo de espectro.

O espectro de emissão da lâmpada incandescente é a luz branca, (ou seja todas as cores do espectro visível que sobrepostas originam o branco) pois a função desta é iluminar.

O que confere a cor azul à chama do gás é a sobreposição de todas as cores emitidas pelo seu espectro de riscas, nomeadamente, na nossa actividade experimental, a sobreposição das riscas vermelhas com as ricas verdes originam o amarelo que é a cor complementar do azul.

A chama de cor verde - azul do sulfato de cobre, foi o resultado da sobreposição das riscas dos verdes com as dos azuis e violetas emitidos no seu espectro, tal como demonstram os resultados da nossa actividade.

A chama de cor azul - esbranquiçada do nitrato de chumbo, foi o resultado da sobreposição das riscas do verde, dos azuis, anil e violeta. emitidos no seu espectro.

As duas riscas amarelas, muito próximas uma da outra, do cloreto de sódio, correspondem a transições electrónicas muito próximas. A cor da chama do sódio é amarela, a única cor que é emitida pelo seu espectro.

Por fim o ferro, o espectro mais complexo que observámos devido à presença de inúmeras riscas. Como a sua chama apresentava "faíscas" alaranjadas, era provável que o seu espectro emitisse predominantemente o vermelho e o laranja e só depois as riscas azuis e violetas , tal como se verificou. É a sobreposição de todas estas cores emitidas que conferem a sua cor da chama. O facto do espectro do gás emitir riscas da mesma cor que o ferro não significa que são duas substâncias iguais, até porque o espectro do ferro apresentava um maior número de riscas e basta isso para que se possam diferenciar.

As substâncias quando sujeitas a altas temperaturas (à chama, por exemplo) emitem chamas características com um espectro de emissão característico que permite reconhecer a presença dos diferentes elementos que compõem a amostra. Veja-se o espectro das substâncias que analisámos e verifica-se que nenhum deles é igual a outro.

Cada risca da luz emitida nos testes de chama pelas diferentes substâncias, corresponde à emissão de uma radiação de frequência e comprimento de onda característico e bem definido. Tal acontece, pois, quando a radiação electromagnética interage com a matéria troca com esta quantidades de energia bem quantificadas. Cada elemento tem a sua estrutura electrónica e esta resulta do equilíbrio de cada electrão, das forças de natureza eléctrica a que está sujeito: a atractiva do núcleo atómico e as repulsivas dos outros electrões presentes, o que leva a que os electrões se distribuam por níveis de energia, ocupando só determinadas zonas em torno do núcleo, conferindo assim uma estrutura electrónica única.

A transição entre os vários estados de energia acontece quando a luz, radiação electromagnética, interage com o electrão do átomo. As riscas observadas nos espectros de emissão correspondem, então, às radiações emitidas quando o electrão transita de um estado para outro de menor energia.

Então, se as riscas do espectro dependem dos electrões, quanto maior o número de electrões de valência mais riscas irá ter o espectro, ou seja, mais complexo é o espectro. Este facto verificou-se na nossa actividade. O caso do ferro, que é o elemento com mais electrões de valência e é o que, também, tem um espectro com mais riscas, mais complexo.

É natural que tivéssemos observado cores que não deveriam estar presentes em certos espectros. Isso deve-se ao facto de, a chama do bico de Bunsen emitir radiação que também é captada pelo espectroscópio e se "mistura" com as outras radiações e também porque a actividade deveria ter sido feita num lugar escuro, (estávamos num local onde existia radiação solar que também deve ter influenciado) onde apenas se observassem as riscas emitidas por cada substância. Não foi possível ver os comprimentos de onda emitidos pelas substâncias devido ao espectroscópio que não mostrava a escala.

Podemos sintetizar as nossas conclusões no seguinte quadro:

Quadro 4 - Relação das cores das chamas das diferentes substâncias com o seu respectivo espectro de emissão e o tipo de espectro.

Podemos estabelecer as seguintes conclusões:

• Nos espectros de absorção, é a sobreposição das cores não absorvidas que confere a cor das soluções;
• Nos espectros de emissão, é a sobreposição das cores emitidas que confere a cor das chamas;
• Cada espectro é característico de uma substância e permite identificá-la.