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Luz e cor (2) - Como se faz a interação da luz com a matéria?

Júlio C. de Carvalho

Agora que lembramos o que é luz e como funciona a visão, vamos à interação da luz com a matéria. Já vimos que fótons podem ser emitidos e absorvidos, mas pelo quê exatamente? Por várias partículas subatômicas, como íons, prótons ou elétrons em movimento. Portanto, há várias interações possíveis entre a luz e a matéria.

A tabela a seguir mostra alguns tipos de transformações em moléculas, dependendo do comprimento de onda da luz:

 

Tabela INMETRO – Limites para Metais Pesados

Fenômenos Fenômenos
Região do espectro
Comprimento de onda
Nucleares
Raios gama
0.1 nm
Elétrons internos
Raios X
0.1-1 nm
Ionização
Ultravioleta
10-200 nm
Elétrons de valência
Ultravioleta próximo e visível
200-800 nm
Vibrações moleculares
Infravermelho
800-2500 nm
Spin eletrônico
Microondas
4000 nm-300000000 nm
Spin nuclear
Ondas de rádio
1000000000 nm e acima

Apesar de toda essa rica interação entre luz e matéria, a absorção e emissão de luz visível está relacionada principalmente a transições entre níveis de energia dos elétrons de valência, em orbitais atômicos e moleculares - os orbitais que participam de uma ligação. A energia (e conseqüentemente a freqüência, e portanto a cor) da luz está associada à diferença de energia envolvida entre os estados dos elétrons nessas transições.

A cor percebida depende da cor absorvida, de acordo com a complementaridade das cores: cores primárias subtrativas absorvem comprimentos de onda determinados. Na figura a seguir, cada círculo representa um filtro absorvendo cor, por isso a combinação das cores é a ausência de cor, o negro.

As cores primárias subtrativas são o amarelo, o ciano e a magenta. Assim, se da luz branca for absorvido o componente amarelo, percebe-se a cor azul; de forma análoga, quando a cor de um composto é amarela, esse composto deve absorver luz no comprimento de onda correspondente ao azul, e assim por diante.

Vamos ver mais detalhadamente esse fenômeno de absorção (e emissão). Há muito tempo já se sabia que substâncias são capazes de absorver e emitir luz de cores características, quando aquecidas. Mas só quando essa luz foi decomposta por prismas é que se viu que havia linhas bem definidas, correspondentes a luz de energias também definidas; aquecer o material mais fortemente não muda as linhas, apenas a intensidade da luz.

Um exemplo bem conhecido é o do sódio, que quando aquecido emite uma luz brilhante e amarela, correspondente a duas linhas na vizinhança dos 589 nm. No entanto, a decomposição da luz do sódio por um prisma mostra várias outras linhas:

Explicar esse fenômeno foi um dos objetivos de cientistas como Niels Bohr, ao imaginar a eletrosfera do átomo com um número limitado de "camadas" com elétrons, cada uma com energia definida. Um elétron pode absorver um fóton (um quantum de luz) e passar a uma camada mais externa; ao retornar à sua camada fundamental, é preciso emitir a energia excedente, também na forma de um fóton.

A absorção de fótons de luz com energias específicas é um fenômeno bem conhecido e explorado em técnicas de análise como a espectrofotometria. Na prática, quando se trata de substâncias corantes, há bandas de absorção - faixas de comprimentos de onda, ao invés de linhas espectrais como em íons inorgânicos simples.

Isso ocorre porque as interações de um átomo com outros alteram a energia dos seus orbitais, principalmente os de ligação; essa distorção dá margem a mais comprimentos de onda, a ponto de o espectro parecer contínuo.

Muitos compostos não apresentam cor porque não interagem com a luz visível, embora seus elétrons interajam fótons de outros comprimentos de onda. Uma forma de visualizar esse efeito é pensar na distância entre orbitais para a transição eletrônica, e ainda que, quanto maior a distância, maior o comprimento de onda com o qual o íon pode interagir, e vice-versa.

Logo, se os orbitais de ligação tiverem um tamanho próximo ao comprimento de onda da luz, interagirão com essa luz. Agora é um bom momento para saber qual é o tamanho de alguns íons mais comuns:

Elemento
Raio atômico (nm)
Cor da solução com íons
Hidrogênio
0,025
Incolor
Sódio
0,180
Incolor
Ferro
0,140Ultravioleta
Verde a amarelo
Cobre
0,135
Verde a azul
Manganês
0,140
Violeta
Césio
0,260
Incolor

Se essa tabela for estendida a outros cátions, você notará que os elementos de transição (que usam subníveis tipo d para formar íons complexos com a água) apresentam, em geral cor. Isso é função do seu tamanho e tipo de orbital.

Júlio C. de Carvalho é engenheiro químico e professor do curso de engenharia de bioprocessos e biotecnologia da Universidade Federal do Paraná (UFPR).

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