Testes de chama e níveis de energia quantizados para Química HSC

Duas soluções límpidas de sais podem parecer quase idênticas. Coloque numa chama azul de Bunsen uma ansa de arame limpa com uma delas e poderá observar um clarão amarelo intenso. Teste a outra e poderá ver lilás.

Antes de avançar, faça esta previsão: se os eletrões no interior das espécies metálicas pudessem ter qualquer valor de energia, esperaria observar algumas cores características ou uma distribuição contínua de cores?

Esperaria uma distribuição contínua. Em vez disso, determinados iões metálicos produzem cores de chama características. Esta observação aponta para uma das ideias mais importantes da estrutura atómica: as energias dos eletrões são quantizadas.

01Porque é que uma chama pode revelar níveis de energia

Comece por considerar o que a chama realmente faz.

Quando uma pequena quantidade de um sal metálico é colocada numa chama quente, o solvente evapora e o sal é fortemente aquecido. A energia da chama é transferida para as partículas formadas a partir do sal.

Alguns eletrões absorvem essa energia.

Um eletrão pode então passar de um estado de menor energia para um estado de maior energia. A isto chamamos excitação.

A configuração de maior energia normalmente não dura muito tempo. O eletrão regressa a um estado de menor energia, libertando energia sob a forma de radiação eletromagnética.

Se essa radiação tiver um comprimento de onda na região visível, vemos uma cor.

A sequência básica é:

1. A chama fornece energia.
2. Um eletrão absorve energia.
3. O eletrão passa para um nível de energia permitido mais elevado.
4. O eletrão regressa a um nível mais baixo.
5. A diferença de energia é libertada sob a forma de um fotão.

A palavra importante é permitido.

Os eletrões não podem possuir qualquer valor de energia possível.

02Energia quantizada significa “degraus”, não uma rampa

Imagine uma escada.

Pode estar no degrau 2 ou no degrau 3. Não pode estar no degrau 2,63, suspenso de alguma forma entre os dois.

Este é um primeiro modelo útil para os níveis de energia dos eletrões. Os degraus representam energias permitidas. Subir a escada exige absorção de energia. Descer a escada liberta energia.

A analogia tem uma limitação importante. Os níveis de energia dos eletrões não são prateleiras literais nem anéis físicos nos quais um eletrão se encontra. A mecânica quântica descreve os eletrões através de orbitais e distribuições de probabilidade. A escada é apenas um modelo para representar o facto de as suas energias serem discretas.

Se precisar de rever como os eletrões se distribuem antes de continuar, consulte Configuração Eletrónica para Química HSC: Átomos e Iões.

Suponha que um eletrão se desloca entre dois níveis com energias \(E_{\text{high}}\) e \(E_{\text{low}}\). A energia libertada é

\[
\Delta E = E_{\text{high}} – E_{\text{low}}
\]

em que \(\Delta E\) é a diferença de energia em joules, J.

Essa energia é emitida sob a forma de um fotão.

A energia do fotão é

\[
E = hf = \frac{hc}{\lambda}
\]

em que:

• \(E\) é a energia do fotão em joules, J
• \(h\) é a constante de Planck, \(6.626 \times 10^{-34}\ \text{J s}\)
• \(f\) é a frequência em hertz, Hz
• \(c\) é a velocidade da luz, \(3.00 \times 10^8\ \text{m s}^{-1}\)
• \(\lambda\) é o comprimento de onda em metros, m

Assim, a diferença de energia no interior da espécie emissora determina o comprimento de onda do fotão.

Uma maior diferença de energia produz um fotão de maior energia. Os fotões visíveis de maior energia têm frequências mais elevadas e comprimentos de onda mais curtos, na direção da extremidade azul e violeta do espectro visível.

Uma diferença menor produz um fotão de menor energia, com um comprimento de onda maior, na direção da extremidade vermelha.

Esta é a relação:

níveis de energia -> diferença de energia -> energia do fotão -> comprimento de onda -> cor observada

03Porque é que diferentes iões metálicos produzem cores diferentes

Eis a previsão essencial.

Suponha que dois iões metálicos diferentes tinham exatamente o mesmo conjunto de níveis de energia eletrónica. O que esperaria da sua emissão?

Poderiam produzir o mesmo conjunto de energias de fotões e, portanto, os mesmos comprimentos de onda.

Mas elementos diferentes têm cargas nucleares diferentes e diferentes configurações eletrónicas. Por isso, as energias eletrónicas permitidas também são diferentes. As diferenças entre os seus níveis de energia também diferem.

Isto origina diferentes comprimentos de onda de emissão característicos.

Num teste de chama escolar, as cores geralmente observadas incluem:

Considere esta tabela como um guia experimental, e não como um conjunto de cores perfeitamente fixas. O que realmente observa depende da concentração, da contaminação, das condições da chama e da sua própria perceção das cores.

Há outro pormenor útil. Dois sais que contêm o mesmo ião metálico produzem frequentemente cores de chama semelhantes. O cloreto de sódio e o nitrato de sódio, por exemplo, contêm ambos \(\mathrm{Na}^{+}\).

O anião mudou, mas a emissão característica do sódio mantém-se.

É por isso que os testes de chama são utilizados principalmente como evidência sobre o componente metálico do sal.

04Uma cor de chama não significa um único comprimento de onda

É tentador imaginar que uma chama de sódio produz um único comprimento de onda amarelo e nada mais.

Isso é demasiado simplista.

Um átomo ou ião pode ter muitos níveis de energia permitidos. Os eletrões podem sofrer várias transições diferentes, pelo que podem ser emitidas várias energias de fotões.

Um espetroscópio separa a luz emitida por comprimento de onda. Em vez de observar uma única cor de chama resultante da mistura das emissões, vê uma série de linhas de emissão brilhantes.

Cada linha corresponde a uma determinada energia de fotão e, portanto, a uma determinada diferença de energia.

Isto constitui uma evidência mais forte de níveis de energia quantizados do que apenas a cor da chama observada a olho nu.

Se as energias dos eletrões formassem uma gama contínua, esperar-se-ia uma distribuição contínua de energias emitidas. Linhas discretas mostram que apenas ocorrem determinadas diferenças de energia.

05O que está realmente a emitir a luz?

Para Química HSC, é útil descrever um teste de chama em termos de eletrões das espécies metálicas que absorvem energia e, mais tarde, libertam fotões ao passarem para níveis de energia mais baixos.

Numa chama real, há um pouco mais de química a acontecer.

Primeiro, a solução evapora. O sal dissolvido é convertido em espécies gasosas e a elevada temperatura pode produzir uma mistura que contém átomos, iões e outras espécies pequenas. A espécie emissora exata depende do elemento e das condições da chama.

Assim, afirmações como “o ião \(\mathrm{Na}^{+}\) torna a chama amarela” são uma forma abreviada e útil de identificar o ião metálico originalmente presente na amostra. Não devem ser interpretadas como significando que nada além de iões \(\mathrm{Na}^{+}\) isolados existe no interior da chama.

A conclusão central permanece inalterada: a emissão característica ocorre porque os eletrões só podem passar entre determinados estados de energia permitidos.

06O equívoco mais tentador: a cor da chama vem do calor

Um estudante pode raciocinar assim:

Uma chama quente brilha, por isso talvez o sódio torne a chama mais quente e o potássio a torne mais fria.

Isto parece plausível, mas prevê o mecanismo errado.

Se a cor fosse determinada principalmente pela alteração da temperatura da chama causada pela amostra, então substâncias a temperaturas semelhantes deveriam apresentar cores semelhantes.

Em vez disso, diferentes sais metálicos colocados na mesma chama podem produzir diferentes cores características.

A chama de Bunsen fornece a energia. A estrutura eletrónica da espécie metálica determina os comprimentos de onda característicos emitidos.

Também existe uma distinção útil entre dois tipos de produção de luz:

• Um objeto quente pode produzir um espetro térmico amplo e contínuo.
• Átomos e iões excitados podem produzir linhas de emissão discretas.

Um teste de chama utiliza o segundo efeito para identificar iões metálicos.

07Como realizar uma investigação útil com testes de chama

Um teste de chama prático parece simples, e é precisamente por isso que uma técnica descuidada pode arruiná-lo.

Uma investigação adequada utiliza primeiro soluções conhecidas de sais metálicos e, depois, compara uma amostra desconhecida com essas observações.

Um método típico é:

1. Acenda um bico de Bunsen e ajuste-o para produzir uma chama azul e não luminosa.
2. Limpe uma ansa de arame de nicromo ou platina utilizando ácido clorídrico, conforme indicado pelo procedimento do seu laboratório.
3. Coloque a ansa limpa na chama.
4. Verifique se não produz nenhuma cor de chama percetível.
5. Mergulhe a ansa numa solução de um sal metálico.
6. Coloque a amostra na região quente da chama.
7. Observe e registe a cor da chama.
8. Limpe cuidadosamente a ansa antes de testar a solução seguinte.
9. Repita as medições para que uma observação invulgar não seja aceite com base num único ensaio.

A ordem é importante.

Se testar sódio e, em seguida, colocar a mesma ansa suja diretamente numa solução de potássio, pode permanecer uma pequena quantidade de sódio. A emissão amarela do sódio é intensa e pode ocultar a cor lilás muito mais fraca que estava a tentar observar.

Isto não é um pequeno detalhe técnico. Pode alterar a sua conclusão.

08Avaliar corretamente a investigação

Uma avaliação não deve limitar-se a dizer “pode ocorrer erro humano”. Essa frase quase nada informa.

Identifique a limitação real, explique que efeito pode ter no resultado e proponha uma melhoria que a resolva diretamente.

Contaminação entre amostras

Problema: Iões metálicos deixados no arame por um ensaio anterior podem entrar na amostra seguinte ou na chama.

Efeito: A cor observada pode conter emissões de mais de um metal. A contaminação por sódio é especialmente problemática porque a sua emissão amarela pode ser muito intensa.

Melhoria: Limpe cuidadosamente a ansa entre amostras e aqueça-a na chama até deixar de ser visível qualquer cor característica. Também podem ser utilizadas ansas separadas para soluções diferentes.

Uma chama de Bunsen amarela e luminosa

Problema: Fechar a entrada de ar provoca combustão incompleta e partículas de carbono incandescentes.

Efeito: A chama já apresenta uma cor amarela intensa, dificultando a distinção de um teste de sódio e tornando outras cores mais difíceis de observar.

Melhoria: Utilize uma chama azul e não luminosa.

Quantidades diferentes de amostra

Problema: Uma ansa transporta muito mais solução do que outra.

Efeito: Uma cor de chama pode parecer muito mais intensa simplesmente porque está presente uma maior quantidade de material emissor.

Melhoria: Utilize a mesma ansa e um método de imersão consistente. Mantenha as concentrações das soluções controladas sempre que possível.

A avaliação da cor é subjetiva

Problema: Palavras como “vermelho”, “carmesim” e “vermelho-alaranjado” dependem do observador e das condições de iluminação.

Efeito: Cores semelhantes podem ser confundidas, especialmente em amostras desconhecidas.

Melhoria: Compare diretamente as amostras desconhecidas com padrões conhecidos nas mesmas condições. Melhor ainda, utilize um espetroscópio para comparar as posições dos comprimentos de onda em vez dos nomes das cores.

O sódio pode mascarar outros iões

Problema: Uma mistura pode conter uma pequena quantidade de sódio juntamente com outro ião.

Efeito: A intensa emissão amarela pode dominar aquilo que o olho observa.

Melhoria: Utilize análise espetroscópica para separar comprimentos de onda distintos. Em alguns contextos práticos, um filtro de azul de cobalto pode reduzir a intensidade aparente do amarelo do sódio e tornar a emissão lilás do potássio mais fácil de observar, mas não transforma o teste de chama numa medição perfeitamente seletiva.

09Fiabilidade, validade e exatidão são diferentes

Estas palavras são frequentemente usadas em relatórios práticos como se significassem a mesma coisa.

Não significam.

Repetir um teste de chama fortemente contaminado pode torná-lo mais fiável, enquanto continua inválido.

Por exemplo, imagine que uma ansa contaminada com sódio produz uma chama amarela três vezes ao testar potássio. Esses resultados são consistentes. Também são enganadores.

“Repetir três vezes” não é, portanto, uma avaliação completa por si só.

10O que pode realmente provar um teste de chama?

Um teste de chama pode fornecer evidência de que um determinado ião metálico está presente.

Normalmente, não pode provar que esse ião está definitivamente presente com base apenas na cor.

Porquê?

Primeiro, algumas cores são semelhantes. Tanto o lítio como o estrôncio produzem cores vermelhas que podem ser difíceis de distinguir a olho nu.

Segundo, as misturas são difíceis. Uma emissão intensa pode mascarar outra.

Terceiro, a contaminação pode produzir uma cor falsa.

Quarto, o olho humano combina vários comprimentos de onda numa única cor percecionada.

Assim, uma conclusão sólida seria:

A chama amarela observada é consistente com a presença de iões de sódio.

Uma conclusão científica mais fraca seria:

A chama amarela prova que a amostra é cloreto de sódio.

O teste de chama não identificou o anião, e a observação por si só pode não identificar de forma única o catião.

11Testes de chama como evidência para modelos atómicos

O resultado importante de um teste de chama não é a tabela de cores.

É o padrão subjacente às cores.

Diferentes elementos produzem comprimentos de onda de emissão específicos. Um espetroscópio separa-os em linhas discretas, em vez de num arco-íris contínuo.

Qualquer modelo atómico útil tem, portanto, de explicar duas observações:

• os eletrões não podem possuir qualquer valor de energia
• diferentes elementos têm diferentes conjuntos de energias permitidas

O modelo de Bohr introduziu a ideia de níveis de energia discretos. Foi especialmente bem-sucedido para o hidrogénio.

Modelos quânticos mais avançados substituem órbitas eletrónicas circulares simples por orbitais. Em Química HSC, a notação spdf e os eletrões de valência fornecem o nível seguinte desta descrição.

O modelo simples da escada continua útil, mas a imagem detalhada dessa escada torna-se muito mais rica.

12Perguntas e soluções

Pergunta 1

Um estudante testa uma amostra limpa e observa uma chama amarela intensa. Os possíveis iões metálicos são \(\mathrm{Na}^{+}\), \(\mathrm{K}^{+}\) e \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

Qual dos iões é mais consistente com a observação? Explique a observação utilizando níveis de energia eletrónica.

Solução 1

O ião mais consistente com a observação é \(\mathrm{Na}^{+}\).

Os compostos de sódio produzem caracteristicamente uma chama amarela intensa em condições típicas de teste de chama.

A energia da chama excita os eletrões das espécies de sódio para estados de energia permitidos mais elevados. Quando os eletrões regressam a estados de menor energia, são emitidos fotões.

As energias dos fotões satisfazem

\[
\Delta E = hf = \frac{hc}{\lambda}
\]

Apenas determinadas diferenças de energia são permitidas, pelo que são emitidos determinados comprimentos de onda. Emissões visíveis intensas do sódio situam-se na região amarela, produzindo a cor observada.

A cor da chama é uma evidência consistente com a presença de sódio, e não uma prova absoluta baseada apenas na cor.

Pergunta 2

Um estudante testa cloreto de sódio, \(\ce{NaCl}\), e nitrato de sódio, \(\ce{NaNO3}\). Ambos produzem chamas amarelas muito semelhantes.

Outro estudante afirma que o teste de chama deve, portanto, estar a identificar os iões cloreto e nitrato.

Explique por que motivo esta conclusão está incorreta.

Solução 2

A conclusão está incorreta porque a espécie comum nas duas amostras é o ião sódio, \(\mathrm{Na}^{+}\), e não o anião.

Os dois compostos contêm aniões diferentes:

\[
\mathrm{Cl}^{-}
\]

e

\[
\ce{NO3-}
\]

mas ambos contêm \(\mathrm{Na}^{+}\).

As suas cores de chama características semelhantes fornecem, portanto, evidência de que a emissão importante está associada às espécies metálicas derivadas do sódio.

O erro tentador é assumir que todas as partes de um composto contribuem igualmente para a cor visível da chama. Em testes de chama qualitativos comuns, a cor característica é utilizada principalmente para identificar o catião metálico.

O resultado também não permite distinguir cloreto de sódio de nitrato de sódio. Seria necessário outro teste para identificar o anião.

Pergunta 3

Uma linha de emissão de uma amostra metálica aquecida tem um comprimento de onda de \(520\ \text{nm}\).

Calcule a energia de um fotão. Uma segunda linha aparece a \(680\ \text{nm}\). Sem calcular a sua energia exata, indique qual das linhas corresponde à maior variação de energia eletrónica e explique porquê.

Solução 3

O fotão de \(520\ \text{nm}\) tem uma energia de aproximadamente \(3.82 \times 10^{-19}\ \text{J}\) e representa a maior variação de energia.

Primeiro, converta o comprimento de onda:

\[
520\ \text{nm}
= 5.20 \times 10^{-7}\ \text{m}
\]

Utilize

\[
E = \frac{hc}{\lambda}
\]

e substitua:

\[
E
= \frac{(6.626 \times 10^{-34}\ \text{J s})(3.00 \times 10^8\ \text{m s}^{-1})}
{5.20 \times 10^{-7}\ \text{m}}
= 3.82 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

Portanto,

\[
E = 3.82 \times 10^{-19}\ \text{J por fotão}
\]

A linha de \(520\ \text{nm}\) corresponde a uma maior variação de energia do que a linha de \(680\ \text{nm}\).

Como

\[
E = \frac{hc}{\lambda}
\]

a energia do fotão é inversamente proporcional ao comprimento de onda. O comprimento de onda menor, de \(520\ \text{nm}\), deve, portanto, ter uma maior energia do fotão e corresponder à maior diferença entre níveis de energia eletrónica.

Pergunta 4

Um estudante realiza testes de chama pela seguinte ordem:

1. solução de sódio
2. solução de potássio
3. solução de cálcio

A ansa de arame é mergulhada em ácido clorídrico entre as amostras, mas o estudante não aquece a ansa para verificar se está limpa. As três amostras parecem amarelas.

O estudante repete todo o procedimento três vezes e obtém o mesmo resultado em todas elas.

Avalie a investigação. A sua resposta deve distinguir fiabilidade de validade e propor uma melhoria útil.

Solução 4

A investigação pode ser repetível, mas a evidência não é suficientemente válida para sustentar a conclusão de que as três amostras contêm sódio.

Obter o mesmo resultado amarelo três vezes fornece alguma evidência de fiabilidade, porque a observação é consistente.

No entanto, o procedimento apresenta um problema grave de contaminação. Mergulhar simplesmente a ansa em ácido clorídrico não demonstra que todos os resíduos de sódio tenham sido removidos. Como o sódio produz uma emissão amarela muito intensa, mesmo uma pequena quantidade transportada para ensaios posteriores pode mascarar a esperada chama lilás do potássio ou a chama vermelho-alaranjada do cálcio.

Isto compromete a validade porque a investigação já não está a alterar apenas a amostra metálica pretendida. Os resíduos da amostra anterior tornaram-se uma variável não controlada.

Uma melhoria útil é limpar a ansa e depois aquecê-la na chama antes de cada amostra. A ansa não deve produzir nenhuma cor de chama característica antes de a solução seguinte ser testada.

Utilizar ansas limpas separadas para diferentes amostras reduziria ainda mais a contaminação cruzada.

A armadilha importante é assumir que resultados repetidos têm necessariamente de estar corretos. Um erro sistemático pode ocorrer de forma consistente, pelo que repetir o mesmo método defeituoso pode produzir dados muito consistentes, mas enganadores.

Pergunta 5

Uma solução desconhecida produz uma chama amarela intensa quando observada a olho nu. Um estudante conclui:

A solução contém iões de sódio e nenhum outro ião metálico.

Em seguida, utiliza-se um espetroscópio. Estão presentes linhas amarelas intensas de sódio, mas várias linhas mais fracas também coincidem com um espetro de referência do potássio.

Avalie a conclusão original do estudante e explique por que motivo as duas observações não são contraditórias.

Solução 5

A conclusão do estudante de que o sódio é o único ião metálico presente não é justificada.

A chama amarela intensa é uma boa evidência de que o sódio está presente. No entanto, um teste de chama a olho nu não revela de forma fiável todas as espécies emissoras presentes numa mistura.

A emissão do sódio é extremamente intensa e pode dominar a cor percecionada da chama. Por isso, o potássio pode estar presente mesmo que a sua contribuição lilás seja difícil de observar.

O espetroscópio fornece evidência mais detalhada porque separa a radiação emitida de acordo com o comprimento de onda. Em vez de combinar todos os comprimentos de onda numa única cor percecionada, revela linhas de emissão individuais.

As observações são, portanto, compatíveis:

• o olho deteta principalmente o amarelo intenso do sódio
• o espetroscópio deteta tanto o sódio como emissões mais fracas do potássio

A suposição escondida no raciocínio do estudante era que “só consigo ver uma cor” significa “só está presente um metal”. Essa suposição falha no caso de misturas.

Pergunta 6

Um modelo simplificado de uma espécie emissora contém os seguintes níveis de energia permitidos:

\[
E_0 = 0
\]

\[
E_1 = 2.10 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

\[
E_2 = 4.90 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

Suponha que os eletrões podem fazer transições descendentes entre qualquer par destes níveis.

Determine as três energias de fotões possíveis. Depois, calcule o comprimento de onda produzido pela transição de \(E_2\) para \(E_1\).

Todas as transições possíveis produziriam necessariamente uma cor de chama visível?

Solução 6

As energias de fotões possíveis são \(2.10 \times 10^{-19}\ \text{J}\), \(2.80 \times 10^{-19}\ \text{J}\) e \(4.90 \times 10^{-19}\ \text{J}\). A transição de \(E_2\) para \(E_1\) produz luz com um comprimento de onda de cerca de \(710\ \text{nm}\), e nem todas as transições possíveis têm necessariamente de ser visíveis.

Para a transição \(E_1 \to E_0\):

\[
\Delta E
= 2.10 \times 10^{-19} – 0
= 2.10 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

Para \(E_2 \to E_1\):

\[
\Delta E
= 4.90 \times 10^{-19} – 2.10 \times 10^{-19}
= 2.80 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

Para \(E_2 \to E_0\):

\[
\Delta E
= 4.90 \times 10^{-19} – 0
= 4.90 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

Para a transição \(E_2 \to E_1\),

\[
\lambda = \frac{hc}{E}
\]

portanto,

\[
\lambda
= \frac{(6.626 \times 10^{-34}\ \text{J s})(3.00 \times 10^8\ \text{m s}^{-1})}
{2.80 \times 10^{-19}\ \text{J}}
= 7.10 \times 10^{-7}\ \text{m}
\]

Logo,

\[
\lambda = 710\ \text{nm}
\]

que se situa perto da extremidade vermelha do espetro visível.

Nem todas as transições possíveis produzem necessariamente luz visível. Um fotão pode ter um comprimento de onda na região do infravermelho ou do ultravioleta, ou uma emissão pode ser demasiado fraca para contribuir de forma percetível para a cor da chama observada.

É por isso que “não há uma cor visível intensa” não significa que “não ocorreram transições eletrónicas”. Um detetor que meça comprimentos de onda para além daqueles que o olho humano consegue ver pode revelar informação que uma observação da cor da chama não deteta.

13Onde esta ideia nos leva a seguir

Um teste de chama transforma uma afirmação abstrata sobre energia quantizada numa previsão observável: determinadas substâncias emitem determinados comprimentos de onda porque os seus eletrões apresentam determinadas diferenças de energia permitidas.

A questão seguinte é mais detalhada. Porque é que diferentes átomos têm, em primeiro lugar, esses níveis de energia específicos?

Isso leva-o da imagem simples, ao estilo do modelo de Bohr, de níveis discretos para configurações eletrónicas, subníveis e orbitais. Quando consegue relacionar um espetro de emissão com a distribuição dos eletrões, os testes de chama deixam de ser um exercício de memorização de cores e passam a constituir evidência sobre a estrutura atómica.