Espectroscopia para o Ensino Médio – uma aplicação da Física Moderna

Prof. Renato GermanoCoordenador da área da Física do PIBID/UFPI

Bolsistas Pibid: Dicleyson Pereira da Rocha Gleyce Kelly Mesquita dos Santos

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A oficina “Espectroscopia para o Ensino Médio – uma aplicação da Física Moderna” teve como objetivo principal levar de maneira simples e acessível um experimento que introduza conteúdos de Física Moderna. Visto que esse importante conteúdo da Física praticamente não é abordado no Ensino Médio, e principalmente nas escolas públicas, tentamos levar aos professores uma abordagem, ou opção, prática de desenvolver esses conteúdos e aplicá-los de forma significativa no processo de ensino e aprendizagem.

Esta oficina consistiu em um primeiro momento na apresentação métodos de caracterização de materiais, mais especificamente a espectroscopia, foram apresentados: conteúdo teórico, instrumentos e aplicações. Um segundo memento, foi reservado a construção do kit educacional chamado de: Espectroscópio e Espectrofotômetro caseiros, a serem utilizados nas atividades práticas. Foi preparado também, as amostras para a análise do espectro de absorsão: extratos de clorofila e extrato de caroteno, as quais foram comparadas com os resultados da literatura.

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Apresentação do conteúdo pelo professor Renato Germano sobre espectroscopia e o kit final que será montado pelos professores:

Extração da clorofila e preparação do cd para ser utilizado como uma grade de difração:

Construção dos componentes do kit do espectrofotômetro caseiro:

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Preparação dos experimentos

Realização das medidas

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Participantes da oficina

Questionário diagnóstico

Foi aplicado um questionário aos professores a fim de verificar o aproveitamento e a opinião dos mesmo sobre a oficina. O questionário foi o seguinte:

1 - O que você achou da oficina?

2 – Você acha que é possível reproduzi-la no ensino médio?

3 – Qual a sua opinião sobre a inclusão de tópicos de Física Moderna no ensino médio?

4 – Na sua opinião, quais seriam as dificuldades da aplicação dessa oficina no ensino médio?

5 – Você tem alguma sugestão de oficina a ser ministrada para os professores?

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Anexo 1: Roteiro experimental da oficina.

Espectroscopia para o Ensino Médio – uma aplicação da Física Moderna

Prof. Renato GermanoCoordenador da área da física do PIBID/UFPI

Bolsistas Pibid: Dicleyson Pereira da Rocha Gleyce Kelly Mesquita dos Santos

Realização:

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Espectroscopia para o Ensino Médio – uma aplicação da Física Moderna

Resumo: Um espectrômetro e um aparelho científico que utiliza uma rede de difração ou um prisma para dispersar um feixe luminoso. Se esse feixe composto por mais de um comprimento de onda, forma-se um espectro luminoso. O Aparelho permite fazer uma mediação dos ângulos nos quais se dá a refração para cada cor, obtendo assim um tipo de “assinatura da substância analisada, como um gás por exemplo. Desta forma, um espectrômetro é um instrumento bastante útil na investigação da composição molecular ou atômica de diversas substâncias. Nessa oficina pretendemos discutir o funcionamento do funcionamento do espectrômetro e construir um modelo de baixo custo e posteriormente realizaremos a observação do espectro de substâncias variadas.

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Sumário

1. Construindo espectroscópio e espectrofotômetro caseiros.................4

1.1 - Construção de um espectroscópio........................................................ 4

1.2 – Espectrofotômetros............................................................................... 5

2. Construção de espectrofotômetros com rede de difração usando CD

2.1 - Modelo Refrator.................................................................................... 6

3. Usando o espectro para identificar moléculas …............................. 7

3.1 - A carteira de identidade da clorofila................................................... 7

3.2 - A carteira de identidade do caroteno.................................................. 9

4. Referência.......................................................................................... 10

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Construindo espectroscópio e espectrofotômetro caseiro

Construção de um espectroscópio

Para construir um espectroscópio, primeiramente precisamos achar um meio de “decompor” a luz branca. Esta nada mais é do que um dispositivo com uma quantidade muito grande de ranhuras, linhas ou sucos paralelos muito próximos. Ao atingir esse tipo de dispositivo, a luz sofre a dispensando-se em componentes coloridos.

Para confeccionar uma boa grade de difração para o espectroscópio, podemos usar um CD, uma vez que os sulcos do CD são muito próximos entre si (em 1 mm cabem 625 sulcos, ou seja, distam cerca de 1,6 µm) e isso promove a decomposição da luz branca em um espectro contínuo de cores.

Materiais necessários

• Esquema de uma caixa retangular de papel;

• CD (Compact Disc) gravável (quanto mais “claro” melhor);

• Tesoura;

• Cola.

Montagem

a) Montar a maquete da caixa recortando e colando-a.b) Em uma das extremidades da caixa, fazer uma abertura de 3x1,5cm (essa

“janela” deve ficar posicionada no centro).c) Na outra extremidade da caixa, também na região central, abrir uma fenda de

aproximadamente 1 mm de espessura. Recomenda-se que esse recorte fino fique em paralelo com o menor comprimento da “janela” que foi criada na outra extremidade da caixa.

d) Cobrir a superfície do CD que tem o decalque ou impressão do fabricante com fita adesiva grossa, fazendo-a aderir muito bem. Recortar, na região mais próxima da borda do CD, um retângulo que tenha dimensões um pouco maiores do que a “janela” da caixa (que tem 3x1,5 cm).

e) Remover cuidadosamente a fita adesiva (uma película metálica será descolada do CD), evitando tocar na superfície que ficou protegida. Usando fita isolante, prender este pedaço de CD na parte interna da janela da caixa.Nessa fase da montagem, é importante ter cuidado para que:

• Os sulcos do CD fiquem alinhados em paralelo com o comprimento

menor da janela.

• A face do CD que esteve protegida pela fita adesiva fique voltada para o

interior da caixa.

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• Ao fechar a caixa, todas as fretas sejam vedadas com fita isolante.

Figura 1: Montagem do espectroscópioUtilização

Para utilizar o espectroscópio (figura 1), direcione a fenda para uma fonte de luz, incline a caixa ligeiramente para trás e observe, através da janela com o fragmento de CD, o espectro formado no interior da caixa.

Exemplos de algumas fontes que serão observadas:

• Filamento de tungstênio;

• Lâmpada de vapor de mercúrio.

Precaução importante: Nunca utilizar o espectroscópio apontado diretamente para o sol. Há risco de danos permanentes na retina que podem até provocar a cegueira parcial ou total. A observação da luz solar deve sempre ser feita de modo indireto e o mais rapidamente possível, através da reflexão em superfícies opacas brancas (folha de papel, parede, placas de madeira, por exemplo). Deste modo haverá o espalhamento da luz solar incidente. Convém ser breve também para as demais fontes luminosas e, sempre que possível, manter uma distância razoável; quanto mais intensa a radiação da fonte maior deverá ser a distância.

Espectrofotômetros

Espectrofotômetros ou espectrômetro são equipamentos que têm como princípio básico para o seu funcionamento medir a absorção de radiação de diferentes comprimentos de onda. Estes equipamentos são de extrema importância em caracterização de materiais.

Construção de espectrofotômetros com rede de difração usando CD

A ideia consiste em fazer uso do CD como elemento óptico monocromador, pois funciona como uma grade de difração. Ele dispersa a luz branca da fonte de iluminação, formando um espectro eletromagnético que é projetado (por reflexão ou por refração) sobre a amostra. Para isto, ele é montado sobre uma base giratória que permite controlar qual faixa de cor está incidindo na amostra. A intensidade da radiação luminosa que atravessa a amostra é detectada por um sensor (LDR) e registrada no multímetro.

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Materiais comuns ao modelo de espectrofotômetro refrator e refletor

• Base retangular de madeira

• Transferidor 360°;

• Folha de EVA (borracha de Etil Vinil Acetato) com 2mm de espessura e

superfície com dimensões 15x16;

• Clipe de metal;

• CD gravável;

• Fita isolante de cor preta.

• Caixinha de papelão com tampa e dimensões suficientes para conter a cubeta;

• Fonte de iluminação potente (retroprojetor; projetor de slider; lanterna; lâmpada

halógena de 100W; etc.);

• Sistema de barreira ajustável.

Modelo Refrator - Montagem

Confeccionar uma grade de difração de CD como descrito no item “ Construção de um espectroscópio” desta mesma atividade. Para proteger, cobrir o pedaço de CD com fita isolante, deixando descoberta apenas uma estreita faixa (cerca de 0,5 cm) próxima à borda, para difratar a luz, 1,0 cm de distância do centro da faixa até a borda.

Recortar na folha de EVA um círculo do tamanho exato do transferidor e colar a parte sem círculo sobre a base de madeira. Aderir a grade de difração ao transferidor. Encaixar este conjunto na base de madeira de tal forma que o EVA circunscreva o transferidor, envolvendo-o firmemente e permitindo sua rotação sem folga. Posicionar o clipe bem próximo da borda do transferidor (para servir de indicador de ângulos) e fixá-lo com fita adesiva ou cola.

Opcionalmente, pode-se aderir fita isolante diretamente na superfície da cubeta, para estreitar ainda mais a faixa de luz que irá atingir o sensor. Neste caso, a distância entre as fitas é cerca de 1 e 2 mm. Também se pode pintar de preto a parte interna do sensor a fim de minimizar reflexões difusas de luz.

Figura 2: Montagem do espectrofotômetro11

Funcionamento

O facho de luz produzido é estreitado pelo sistema de barreiras e atinge a grade de difração. Controlando o giro do transferidor sobre o qual é fixada a grade de difração de CD, projeta-se o espectro contínuo sobre uma estreita abertura ( ±5 mm) do porta-cubeta, mostrado na Figura 2.

Coloca-se a amostra na cubeta e esta no porta-cubeta. Ajusta-se o multímetro em uma escala adequada de resistência elétrica para proceder às leituras.

Usando o espectro para identificar moléculas

Como foi mencionado a molécula pode ter um padrão característico de absorção das radiações, nos diferentes comprimentos de onda. Esta propriedade é muito usada para a identificação e quantificação de moléculas. Daremos abaixo exemplos de como se podem identificar moléculas por espectroscopia na faixa do visível. Entretanto, existem outras técnicas como o dicroísmo circular, espectrofotometria infravermelha, espectroscopia Raman, espectroscopia de absorção atômica, espectrofluorometria, espectroscopia por fluorescência de raios x, ressonância magnética nuclear, que também usam radiações para identificar moléculas.

A carteira de identidade da clorofila

Curiosidade:

A clorofila absorve mais luz de comprimentos de onda correspondente ao violeta, azul e vermelho. Como podemos demonstrar este fenômeno experimentalmente?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________.

Materiais

• Folhas verdes;

• Almofariz e pistilo (ou colher e pires ou pratinho de sobremesa e frasco de descolorante

com tampa arredondada ou “kite de caipirinha”);

• Álcool comercial;

• Papel filtro (pode ser papel filtro para café);

• Cubeta acrílica transparente com medidas aproximadamente de 2x3x4 cm (usamos um

depósito de aprontador de ou pode ser uma caixinha de tictac);

• Espectroscópio/espectrofotômetro;

• Sistema de barreiras para a lâmpada;

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• Lâmpada de 40W.

Procedimentos

Obter um extrato alcoólico das folhas verdes (duas ou três), picotando-as e macerando-as em um pouco de álcool (não muito para facilitar a maceração). Quando estiver bem macerado acrescer um pouco mais de álcool e filtra.

Após a obtenção do extrato de clorofila, ajustamos um sistema de iluminação para obter um feixe luminoso, posicionando o frasco com clorofila no caminho do feixe. Uma amostra de álcool pode servir de referência (ou “branco” como é conhecido na linguagem de laboratório). Atrás da amostra posicionamos o espectroscópio com sua fenda voltada para o frasco e observa-se o espectro projetado no interior da caixa. A disposição geral é a mesma da figura 3, com a clorofina dentro do porta cubeta. Provavelmente será necessária, para uma melhor visualização, uma leve inclinação do espectroscópio, direcionado a visão para a base da caixa. Podemos encontra o gráfico da figura 4, mostrando que a clorofila absorve mais a luz de comprimentos de ondas do violeta, azul e vermelho.

Figura 3: Montagem do espectrofotômetro com grade de difração por refração.

Figura 4: Comparação entre o padrão de absorção das clorofilas a e da clorofila b, obtidas por espectroscópio digital e obtidos por espectrofotômetro refrator caseiro construído para atividades.

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A carteira de identidade do caroteno

Usamos pedaços de cenoura para obter um extrato alcoólico em que o pigmento predominante é o caroteno figura 5. Ralar de 3 a 4 cm do comprimento de uma cenoura e macerar em um pouco de álcool (cerca de 5 a 10 ml). Em seguida, acrescer um pouco mais de álcool (10 a 20 ml) e filtrar em um papel filtro.

Figura 5: Recipientes contendo extratos de alcoólico de cenoura e de folha de plátano.

Procedimento

Para observação espectroscópica, seguir as instruções constantes na espectroscopia da clorofila e conforme a configuração da Figura 3. O resultado visto através da janela do espectroscópio refrator é mostrado na Figura 6.

Figura 6: Comparação entre os espectro de absorção do caroteno obtido por espectrofotômetro de laboratório e pelo espectrofotômetro refrator caseiro.

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Figura 7: Fórmula estrutural da molécula de beta-caroteno.

Referência

[1] – Loreto, Éligion Lúcio Silva. et al. “Radiações, Moléculas e Genes: Atividades didático-experimentais”. Ed.1a , Ribeirão Pedro,SP, editora SBG (Sociedade Brasileira de Genética), 2008.

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Anexo 2: Material da aula ministrada pelo professor Renato Germano.

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Espectroscopia para o Ensino Médio – uma aplicação da Física Moderna

Prof. Renato GermanoCoordenador da área de Física do PIBID/UFPI

-Imagine que você queira saber qual a composição (quais os elementos que a constituem) e estrutura de uma pequena amostra.

-Atmosfera de planetas?

-Os contituintes do Sol?

-Identificação e quantificação (molecular ou atômica) de um material.

-Dicroímo circular, espectrofotometria infravermelha, espectroscopia Raman, espectrofotometria de absorção atômica, espectrofluorometria, espectroscopia por fluorescência de raios X, ressonância magnética nuclear e espectroscopia na faixa do visível.

Espectro eletromagnéticoEspectro eletromagnético: conjunto de ondas eletromagnéticas de todas as frequências possíveis.

Ondas eletromagnéticas: são ondas caracterizadas pela oscilação de campos elétricos e magnéticos.

Ionizantes “Excitantes” Não ionizantes

Prisma

Prisma

Grade ou rede de difração

Grade ou rede de difração

Grade ou rede de difração

● Grades de difração comerciais: 500 a 600 fendas/mm.

● Uma aplicação de uma grade de difração é um holograma.

Grade ou rede de difração

Prisma e grade de difração

● Ranhuras do cd são da ordem de 1 micrômetro.

● O cd possui cerca de 600 trilhas/mm.

Espectro de emissão

Alguns elementos não emitem luz em todas as frequências, mas apenas em frequências características, que são diferentes para cada elemento.

Espectro de emissão

Espectro de absorçãoO espectro de absorçao é obtido quando o espectro contínuo de luz atravessa uma substância.

Espectro de emissão/absorçãoFilósofo romano Sêneca (4 a.C. - 65 d.C.) foi o primeiro a fazer uma observação espectroscópica ao ver a luz solar sofrer uma decomposição, nas cores do arco-íris.

O estudo sistemático das linhas espectrais foi iniciado pelo físico Fraunhofer (1787-1826), em 1814.

Como o espectro de emissão/absorção de cada elemento possui um padrão único, podemos utilizar os espectros de emissão/absorção de uma substância para identificar e quantificar os diferentes elementos químicos nela presentes, como se fosse uma impressão digital do elemento.

A espectroscopia se desenvolve a partir da simples ideia de que podemos identificar um elemento a partir do seu espectro.

Espectro de absorção

Espectro de absorção do ácido lático

Modelo atômico

Séries espectrais

EspectroscopiaÉ um conjunto de técnicas de análise qualitativa baseado na observação de espectros de substâncias.

Espectroscopia

Espectroscópio

É um instrumento óptico que separa a luz em suas componentes de frequência ou comprimentos de onda, na forma de linhas espectrais, permitindo sua simples visualização.

Manual e digital

Espectroscópio manual

Espectroscópio digital

Basicamente

Basicamente

Espectro solar

Espectrômetro e espectrofotômetro caseiros

ResultadosTungstênio

Vapor de Mercúrio

Anexo \3: Cartaz da oficina.

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO – MECUNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ – UFPI

PRÓ-REITORIA DE ENSINO DE GRADUAÇÃO – PREGPROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSA DE INICIAÇÃO À DOCÊNCIA – PIB

Convidamos todos os professores de física das escolas conveniadas ao PIBID, a participarem da oficina:

Espectroscopia para o Ensino Médio – uma aplicação da Física ModernaProf. Renato Germano

Coordenador da área de Física do PIBID/UFPI

Um espectrômetro é um aparelho científico que utiliza uma rede de difração ou um prisma para dispersar um feixe luminoso. Se esse feixe é composto por mais de um comprimento de onda, forma-se um espectro luminoso. O aparelho permite fazer uma medição dos ângulos nos quais se dá a refração para cada cor, obtendo assim um tipo de “assinatura” da substância analisada, como um gás por exemplo. Dessa forma, um espectrômetro é um instrumento bastante útil na investigação da composição molecular ou atômica de diversas substâncias. Nessa oficina pretendemos discutir o funcionamento do espectrômetro e construir um modelo de baixo custo e posteriormente realizaremos a observação do espectro de algumas substâncias.

DATA: 23/11/2013HORÁRIO: das 8:00 h até 12:00 hLOCAL: LIFE (SALA 228) – Bloco 03TOTAL DE VAGAS: 20

Realização: Coordenação do LIFE/CCN e PIBID/FÍSICA.