Revista Brasileira de Ensino de Fısica, v. 34, n. 2, 2504 (2012)www.sbfisica.org.br

Espectroscopia no infravermelho:

uma apresentacao para o Ensino Medio(Infrared spectroscopy: a presentation for high school students)

Diego de Oliveira Leite e Rogerio Junqueira Prado1

Instituto de Fısica, Universidade Federal do Mato Grosso, Cuiaba, MT, BrasilRecebido em 19/11/2010; Aceito em 17/11/2011; Publicado em 2/6/2012

A teoria da aprendizagem significativa busca, em sua essencia, a construcao de significados coesos e coerentesna estrutura de conhecimento do indivıduo. Assim sendo, este texto foi elaborado com o intuito de transmitir,aos alunos e professores do Ensino Medio, conteudos atuais que nao sao usualmente abordados nas disciplinas defısica e quımica, bem como ligar esses conteudos a exemplos e conceitos possıveis de serem trabalhados no dia-a-dia da sala de aula. Especificamente, este texto propoe a organizacao, apresentacao e discussao da identificacao ecaracterizacao de materiais atraves da espectroscopia no infravermelho, uma tecnica de analise moderna, precisae muito usada numa grande variedade de aplicacoes que englobam desde as ciencias fısicas, quımicas e biologicas,passando ainda pela engenharia de materiais e ciencia forense. O texto tambem trabalha conceitos e definicoesatuais e interessantes, como os de espectro e espectroscopia, de uma maneira mais geral.Palavras-chave: espectroscopia, espectroscopia no infravermelho, caracterizacao de materiais.

The theory of significant learning aims, in its essence, the construction of concise and coherent significancein each personal structure of knowledge. Therefore, this text was written with the purpose of diffusing, to highschool students and teachers, an actual subject usually not mentioned in physics and chemistry classes, as well asthe linking of this subject to examples and concepts possible to be developed in the classroom. Specifically, thistext proposes the organization, presentation and discussion of the identification and characterization of materialsthrough infrared spectroscopy, a modern and precise characterization technique, largely used in a great varietyof applications in physical, chemical, medical, biological, materials and forensic sciences, technology and engine-ering. This paper also develops actual and important concepts and definitions, as spectra and spectroscopy, ina general way.Keywords: spectroscopy, infrared spectroscopy, characterization of materials.

1. Comentarios gerais

A espectroscopia no infravermelho e um tema com-plexo, e que nao deve ser trabalhado mesmo com umaturma do ultimo ano do Ensino Medio sem um bomembasamento e preparacao do professor. Considerandoa especificidade e profundidade conceitual, o professordeve estar seguro da maturidade e do interesse dos alu-nos (e de si mesmo) para abordar o tema em suas aulas.Por isso, a segunda parte deste artigo possui caraterintrodutorio e motivacional, abordando a importanciadas tecnicas espectroscopicas de uma maneira geral. Aidentificacao de materiais numa escala microscopica,um dos pontos centrais de qualquer espectroscopia, eilustrada atraves de uma comparacao com um quebra-cabeca. Nesta parte trabalhamos com espectroscopianum contexto mais geral e, como cada espectroscopia

possui caracterısticas e possibilidades de analise distin-tas, algumas das possibilidades ali citadas (dentro destecontexto mais geral) podem nao coincidir com as pos-sibilidades especıficas da tecnica de espectroscopia noinfravermelho, que serao abordadas detalhadamente naquarta parte deste texto.

A terceira parte do artigo trata dos conceitos deespectro de radiacoes eletromagneticas, ondas eletro-magneticas, espectros caracterısticos dos elementos einteracao entre radiacao e materia. O texto e rico emexemplos e foi construıdo com uma linguagem que mes-cla termos provavelmente ja conhecidos pelo aluno [1],como os termos raios X e microondas, com termos no-vos, como a propria palavra espectroscopia. O leitorpode (e deve) recorrer ao glossario no final do textopara dar significado aos termos novos e recordar o sig-nificado de termos ja trabalhados anteriormente. Os

1E-mail: rjprado@ufmt.br.

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graficos sao apresentados ainda nesta terceira parte,juntamente com o conceito de absorbancia.

A ultima parte do texto descreve as principais ca-racterısticas da espectroscopia no infravermelho. A in-teracao entre ondas eletromagneticas na regiao do in-fravermelho e arranjos atomicos e apresentada atravesde analogias com blocos, molas e ondas em cordas eoutros objetos, de modo que o aluno e/ou o professorpode(m) fazer experimentos em sala utilizando obje-tos macroscopicos para compreender o modelo teoricodo universo atomico. Descricoes detalhadas dos experi-mentos podem ser obtidas nos textos de referencia lis-tados ao final do artigo. Algumas curiosidades sobre aforma com que a espectroscopia no infravermelho e uti-lizada por especialistas estao diluıdas no texto de modoa permitir associacoes entre a teoria e a pratica.

2. Para que serve a espectroscopia?

Existem diversas maneiras de identificar um mate-rial, da mais rudimentar ate a mais tecnologicamenteavancada. A historia de como Arquimedes poderia terindicado a falsificacao de uma coroa com pesagens soba agua [2], por exemplo, ilustra como identificar ummaterial utilizando o conceito de massa especıfica, em-puxo e o princıpio de Arquimedes. Todavia, a nıvelatomico, ou mesmo microscopico, e impossıvel fazer me-didas de pesos com balancas hidrostaticas. As balancashidrostaticas funcionam para fazer medidas de objetosda ordem de centımetros. Mas, e para objetos da ordemde angstroms?

Neste caso, e muito mais viavel medir a radiacaoeletromagnetica absorvida ou emitida pelo material [3].No lugar de uma balanca hidrostatica, utiliza-se um es-pectrometro. No lugar de conceitos como o de massaespecıfica, empuxo e princıpio de Arquimedes, sao usa-dos conceitos como o de espectro, frequencia e radiacaoeletromagnetica. Atraves de medidas do espectro deabsorcao ou emissao de radiacao pela materia (espec-troscopia) e possıvel elaborar modelos e conhecer as es-truturas atomicas que formam os materiais. A partirdaı seria possıvel calcular, entre tantas outras coisas, amassa especıfica do material num nıvel microscopico.

As varias tecnicas espectroscopicas existentes po-dem ser utilizadas para uma serie de finalidades como,por exemplo, identificar substancias presentes na cenade um crime, que pode ser algo crucial para a iden-tificacao do culpado; determinar a concentracao desubstancias em alimentos e medicamentos, permitindoavancos no controle de qualidade desses produtos; me-lhor compreender as propriedades microscopicas res-ponsaveis por caracterısticas macroscopicas, algo fun-damental para o desenvolvimento, producao e utilizacaode novos materiais; procurar e descobrir elementos esubstancias que constituem a materia de estrelas e pla-netas [4-6].

Particularmente, as tecnicas espectroscopicas po-dem ser utilizadas para a caracterizacao de materiais.Isso significa que com elas e possıvel obter informacoessobre os tipos de ligacoes entre atomos, a vizinhancaatomica desses atomos e ligacoes, a presenca e a con-centracao de substancias em amostras, etc. Na escalaatomica e molecular, a caracterizacao de materiais temum significado especial, pois trata das pequenas pecasque formam todas as coisas (os atomos) e como elasestao arranjadas entre si.

Aqui e instrutivo fazer uma analogia entre os ar-ranjos atomicos e as pecas de um quebra-cabeca. Acor azulada de uma peca de quebra-cabeca nos da apista de que ela pertence ao ceu, a agua ou a qualquerobjeto azulado. Pequenos detalhes da peca, que sao ba-sicamente outras tonalidades de cores, nos darao maisdicas sobre sua posicao no quebra-cabeca. De forma se-melhante, observando as “cores” ou frequencias carac-terısticas do espectro de absorcao e/ou emissao de cadamaterial, obtemos pistas sobre as especies atomicas alipresentes, suas respectivas concentracoes e/ou de comoestao ligados entre si. Mas, sem tecnicas apropriadas ea olho nu nao somos capazes de fazer tais observacoes,e e aı que entra a espectroscopia, uma das maneiraspelas quais podemos fazer observacoes do que acontecenuma escala muito pequena, permitindo que o ser hu-mano exercite seu espırito investigativo e/ou criadorpara conhecer a realidade nanoscopica de qualquer ob-jeto, material ou arranjo atomico de maneira profunda.Temos entao que a espectroscopia e, sim, uma aplicacaodo conhecimento cientıfico que permite gerar mais co-nhecimento.

3. Espectros de radiacao e a interacaoentre radiacao e materia

O espectro de radiacao eletromagnetica (Fig. 1) e o con-junto de ondas eletromagneticas de todas as frequenciaspossıveis. Ondas eletromagneticas sao ondas caracteri-zadas pela oscilacao de campos eletricos e magneticos.Pode-se dizer que as diversas faixas do espectro eletro-magnetico sao diferenciadas, no vacuo, apenas por suasfrequencias (ou comprimentos de onda). A relacao en-tre a velocidade (c), o comprimento de onda (λ) e afrequencia (f) das ondas eletromagneticas que se pro-pagam no vacuo e dada por

c = λ · f. (1)

Um tipo de onda eletromagnetica com a qual esta-mos muito acostumados e a luz visıvel, que, como sabe-mos, nao e composta apenas por um comprimento deonda, mas por comprimentos de onda que estao numafaixa entre 400 e 730 nanometros (nm) aproximada-mente. As cores sao geradas atraves da percepcao fi-siologica diferente dada a cada comprimento de ondana regiao do visıvel [7]. Por exemplo, a luz de 400 nm

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e violeta, enquanto a luz de 730 nm e vermelha. Emmeios materiais, as ondas eletromagneticas passam a sediferenciar tambem por sua velocidade de propagacaoe, consequentemente, pelos desvios sofridos por refracaoao passar de um meio para outro como, por exemplo,do ar para o vidro, ou quando refletido internamente

e refratado por gotas de chuva, gerando o arco-ıris [7].A realizacao de experimentos de dispersao da luz comprismas ou com redes de difracao (um CD, por exem-plo) e extremamente importante para a compreensaode caracterısticas e fenomenos da luz visıvel, bem comopara a construcao da ideia de espectro.

⌋

Figura 1 - Espectro eletromagnetico. Fonte: Ref. [10].

⌈

Os outros tipos de onda eletromagnetica apresenta-dos na Fig. 1 nao podem ser vistos diretamente peloolho humano, mas podem ser detectados com disposi-tivos apropriados [3]. A radiacao no infravermelho eum exemplo de radiacao invisıvel ao olho humano, quee caracterizada por comprimentos de onda entre 730 e1.000.000 nm. Ela pode ser detectada com um experi-mento semelhante ao que Herschel realizou no ano de1800 (Fig. 2), cujo objetivo era o de identificar quais co-res do espectro visıvel da luz solar continham o calor [8].O experimento consiste na colocacao de termometrosde mercurio pintados de preto em posicoes distintas doespectro da luz solar para observacao das temperatu-ras em cada regiao do espectro. Nesse tipo de expe-rimento, observa-se que a temperatura aumenta con-forme os termometros sao movidos na direcao do ver-melho. Aumenta ainda mais quando os termometrossao movidos alem da parte vermelha do espectro. Ostermometros registram a maior temperatura na regiaoinvisıvel ao lado do vermelho, isto e, na regiao do infra-vermelho [8, 9].

Observe que a Fig. 1 apresenta objetos associadosa cada tipo de onda eletromagnetica. Por exemplo, umradio para ondas de radio, o Sol para a luz visıvel e paraa radiacao ultravioleta, um aquecedor para a radiacaono infravermelho, uma radiografia para os raios X, osımbolo da radioatividade para raios gama, etc. Essarepresentacao indica que os diferentes tipos de onda ele-tromagnetica estao relacionados a efeitos e aplicacoesdistintos. Por exemplo, raios X servem para a obtencao

de imagem dos ossos, demais tecidos e orgaos de umapessoa sem ter que disseca-la, enquanto microondas ser-vem para aquecer alimentos ou fazer pipocas. A partirda Fig. 1, ainda e possıvel inferir que raios X pos-suem frequencias mais altas do que microondas, e issonos fornece uma pista a respeito do por que dos dife-rentes efeitos causados pelos dois tipos de onda. Umaresposta mais detalhada, todavia, deve levar em contacomo cada tipo de onda e produzido e como cada tipode onda eletromagnetica interage com a materia.

Figura 2 - Experimento de Herschel. Figura adaptada. Fonte:Refs. [3, 11].

As ondas eletromagneticas sao geradas a partir domovimento de cargas eletricas aceleradas ou durantetransicoes (eletronicas, nucleares, vibracionais) entre

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dois nıveis de energia quantizados, e isso remete ao uni-verso atomico. Alguns eletrons de cada atomo estao for-temente ligados ao nucleo, enquanto outros estao pra-ticamente livres para circular pelo material. Quantomais eletrons “livres” um material possuir, maior sera acapacidade desse material em refletir a luz, justamenteporque esses eletrons estao livres para vibrar e interagircom a luz (onda eletromagnetica) incidente. Os metaispossuem grande quantidade desses eletrons e, em geral,refletem bem a luz. Lembre que os espelhos sao fei-tos nao apenas com vidro, mas tambem com uma finacamada de prata. Tambem, a vibracao controlada deeletrons em antenas transmissoras gera ondas de radioque, por sua vez, produzem novas vibracoes de eletronsidenticas a original em uma antena receptora. Essas vi-bracoes sao automaticamente transformadas em sinaiseletricos, que sao ampliados e, em seguida, em som.

Assim, da mesma maneira que cargas eletricas os-cilantes podem gerar radiacao eletromagnetica, ra-diacao eletromagnetica tambem pode fazer com quecargas eletricas oscilem. Diz-se entao que ondas ele-tromagneticas podem ser absorvidas pelo material, ce-dendo energia a ele. A carga eletrica oscilante naoprecisa ser necessariamente o eletron, distribuicoesde carga bem mais complexas podem tambem vibrarquando expostas a uma radiacao eletromagnetica, comono caso de uma molecula, ligacao quımica ou arranjoatomico qualquer que possua dipolo eletrico (Fig. 3).

Figura 3 - Representacao do dipolo eletrico da molecula de agua.Figura adaptada. Fonte: Ref. [12].

Ao observar a luz emitida por uma lampada deneonio, que atravessa primeiramente uma fenda muitopequena e em seguida atravessa um prisma ou umarede de difracao2, vemos que o espectro da luz emi-tida pelo neonio nao e igual ao espectro da luz emitidapelo Sol (Fig. 4, A) ou por uma lampada incandes-cente. O espectro da luz emitida por uma lampadade neonio tem apenas algumas poucas cores (Fig. 4,B). Isso significa que o neonio (ou qualquer outro gascom atomos de um so elemento), ao ser transpassado

por uma corrente eletrica ou aquecido ate atingir a in-candescencia, nao emite luz em todas as frequencias,mas apenas em frequencias caracterısticas, que sao di-ferentes para cada elemento (Fig. 5). Como o es-pectro de emissao/absorcao de cada elemento possuium padrao unico, podemos utilizar os espectros deemissao/absorcao de uma substancia para identificar equantificar os diferentes elementos quımicos nela pre-sentes, como se fosse uma impressao digital do elemento(Fig. 5).

Figura 4 - A) Espectro contınuo. B) Espectro de emissao. Adap-tado. Fonte: Ref. [13].

Figura 5 - Espectros de emissao de diversos elementos. Figuraadaptada. Fonte: Ref. [14].

O espectro de absorcao e obtido quando o espectrocontınuo de luz atravessa uma substancia. Neste caso,duas coisas podem acontecer em maior ou menor pro-porcao: a luz pode atravessar a substancia ou a luz podeser absorvida pela substancia. Os atomos e moleculastendem a absorver radiacoes eletromagneticas nas mes-mas frequencias em que as emitem, de modo que o es-pectro de absorcao e equivalente ao espectro de emissao.Isso acontece porque na absorcao ocorre a transicao in-versa daquela do espectro de emissao (Fig. 6).

De fato, o espectro de absorcao de um elemento eo espectro contınuo incidente subtraıdo do espectro deemissao do elemento (Fig. 7).

Os espectros acima poderiam ser representados numgrafico em preto e branco sem perda de informacao, poiso comprimento de onda nao e indicado apenas pela cor,mas tambem pela posicao da linha com relacao ao eixodas abscissas. A Fig. 8 e um grafico do espectro deabsorcao da Fig. 7C.

2Como a luz passa por uma fenda, a imagem dela num anteparo sera a imagem da fenda, que e uma linha. Esse aparato formadopor fenda e prisma (ou rede de difracao) e um espectroscopio.

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Figura 6 - Diagramas de nıveis de energia da materia ao absorver/emitir uma onda eletromagnetica.

Figura 7 - A) Espectro contınuo, produzido por uma fonte queemite luz em todos os comprimentos de onda da faixa a ser ana-lisada, no caso o visıvel; B) Espectro de emissao do elemento;C) Espectro de absorcao do elemento. Figura adaptada. Fonte:Ref. [13].

Figura 8 - Espectro de absorcao do mesmo elemento da Fig. 7C.

A espectroscopia se desenvolve a partir da simplesideia de que podemos identificar um elemento a partirdo seu espectro. Isso pode parecer pouco, mas a iden-tidade e um dos substantivos mais importantes para ahumanidade. Nao e mera coincidencia o fato de o con-ceito de identidade ser um dos mais fundamentais paraa Matematica3 ou o fato da carteira de identidade serum documento que todo cidadao deve possuir. Os es-pectros das substancias nem sempre terao a aparenciadas Figs. 4, 5 ou 7. Naquelas figuras estao represen-tados espectros de emissao/absorcao de luz visıvel, quesao coloridos porque a cor e uma sensacao fısica rela-cionada com a frequencia da onda [15]. Geralmente osespectros obtidos com ondas eletromagneticas invisıveis

sao representados por graficos em preto e branco, comoo da Fig. 9, que representa o espectro de absorcao doacido latico [5]. Observe as diferentes absorbancias naFig. 9, ha maior absorcao de radiacao eletromagnetica(picos) para as frequencias 1080 x 1011 Hz, 900 x 1011

Hz, 540 x 1011 Hz e 330 x 1011 Hz.

Figura 9 - Espectro de absorcao do acido latico no infraverme-lho. A ordenada indica a absorbancia, que esta relacionada aquantidade de radiacao incidente absorvida pela amostra. Figuraadaptada. Fonte: Ref. [5, p. 24].

4. A espectroscopia no infravermelho

Imagine que voce tenha uma pequena amostra, porexemplo, uma gota de oleo e, por algum motivo es-pecial, queira saber sua composicao e estrutura (qualou quais os elementos que a constituem e como osatomos desses elementos estao ligados). Antes de colo-car fogo na amostra para tentar produzir um espectrode emissao, que tal fazer incidir um feixe de luz infraver-melha sobre ela para determinar quais frequencias atra-vessam e quais frequencias sao absorvidas pela amos-tra? Caso ateasse fogo na gota de oleo, voce a destruiriae perderia a chance de obter mais informacoes sobre suaconstituicao com outras tecnicas espectroscopicas, uti-lizando ondas eletromagneticas das varias frequenciasindicadas na Fig. 1. Se esse experimento, por algummotivo qualquer, desse erro ou fosse inconclusivo, naoseria possıvel reproduzi-lo novamente, pois sua unicagota de oleo teria sido destruıda. Este e um exem-plo que ilustra a vantagem de se obter um espectro deabsorcao e de que e preciso cuidado quando se inves-

3Uma equacao nada mais e do que uma relacao de igualdade, isto e, uma relacao de identidade.

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tiga qualquer substancia, principalmente se a quanti-dade disponıvel desse material for limitada.

A espectroscopia no infravermelho produz espectrosde absorcao (e/ou transmissao) conforme sugerido noexemplo da gota de oleo: fazendo um feixe de luz naregiao do infravermelho incidir sobre a substancia e de-terminando as frequencias absorvidas por ela. Nunca edemais enfatizar que se mede diretamente o quanto decada comprimento de onda (ou frequencia) da radiacaoeletromagnetica incidente e absorvido (ou transmitido).Alem de lıquidos, como a gota de oleo, a espectroscopiano infravermelho pode ser utilizada para examinar gasescomo, por exemplo, a atmosfera de planetas (Fig. 10).

A forma de pensar o processo de absorcao daradiacao eletromagnetica pela materia e uma carac-terıstica essencial da espectroscopia no infravermelho.A compreensao deste processo exige imaginacao, ana-logias e a elaboracao de modelos. Por exemplo, ima-ginamos a materia como um arranjo de atomos quepode vibrar de algumas maneiras diferentes. Os atomosligam-se entre si por forcas de origem eletromagneticaque sao similares as forcas de molas que ligam dois ob-jetos macroscopicos. Uma mola pode ser deformada esolta, fazendo com que dois objetos por ela conectadosvibrem. Experiencias com blocos e molas sao acessıveise e possıvel fazer medidas diretas das massas dos blo-cos, da constante elastica da mola e da frequencia devibracao. A frequencia (f) dessa vibracao depende ba-sicamente das massas (m1 e m2) dos dois blocos e daconstante elastica da mola (k) de acordo com a relacao

f =1

2π

√k (m1 +m2)

m1 ·m2. (2)

Figura 10 - Espectros de transmitancia no infravermelho das at-mosferas de Venus, da Terra e de Marte. Picos no grafico indicama presenca de substancias, como gas carbonico, ozonio e agua naatmosfera da Terra. Os espectros de Venus e Marte indicama presenca de gas carbonico nas atmosferas daqueles planetas.Fonte: Ref. [16].

Os atomos tambem vibram com uma frequenciaque depende basicamente das massas dos atomos e dasforcas eletricas que os ligam, obedecendo com boa pre-cisao a mesma equacao acima para o caso de moleculasdiatomicas [17]. Neste caso, a constante k e um fa-tor relacionado a forca da ligacao interatomica. Comoexemplo, podemos calcular a frequencia de vibracao daligacao simples entre atomos de carbono e hidrogenio(C-H) considerando k = 500 N.m−1 = 500 kg.s−2,mcarbono = 20 x 10−27 kg e mhidrogenio = 1,6 x

10−27 kg

f =1

2π

√5, 0× 102 kg · s−2 (20× 10−27 kg + 1, 6× 10−27 kg)

20× 10−27 kg · 1, 6× 10−27 kg

f ∼= 9, 3× 1013s−1 ∼= 9, 3× 1013Hz.

⌈

Uma outra grandeza muito utilizada em espectros-copia e o numero de onda (ν), que nada mais e do queo inverso do comprimento de onda (ou a frequencia daonda dividida pela velocidade da luz no vacuo), geral-mente indicado em unidades de cm−1

ν =1

λ=

f

c(3)

Se convertermos a frequencia obtida acima paranumero de onda, vemos que ligacoes simples entre car-bono e hidrogenio (C-H) vibram com frequencia apro-ximada de 9,3 x 1013 Hz, ou com numero de onda deaproximadamente 3100 cm−1. Note, por exemplo, o

pico em aproximadamente 9,0 x 1013 Hz na Fig. 9, ouo pico intenso proximo de 2900 cm−1 na Fig. 11. Elessao devido as vibracoes C-H nos respectivos materiais.As diferencas entre a frequencia (ou numero de onda)determinada(o) pelas formulas acima e o valor experi-mental nao sao devidas, somente, as limitacoes do mo-delo aqui utilizado, mas tambem a vizinhanca atomicadas ligacoes C-H encontradas nos compostos analisados,pois os atomos vizinhos a ligacao C-H tambem interfe-rem na intensidade dessa ligacao, e consequentementeno valor da constante k. Assim, o calculo apresentadoanteriormente e aproximado, e meramente ilustra-tivo.

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Figura 11 - Espectro do oleo Nujol. Adaptado. Fonte: Ref. [19].

O mais importante e observar que a frequencia devibracao deve aumentar com o aumento da constantek (relacionada a forca da ligacao quımica) e com a di-minuicao das massas dos atomos do sistema. Assim,as vibracoes das ligacoes O-H e C-H ocorrem, respec-tivamente, em frequencias maiores do que as vibracoesdas ligacoes C-O e C-C porque a massa atomica do hi-drogenio e menor do que a massa atomica do carbono.

Deve ser lembrado que, pelo menos com relacao aoscompostos de carbono, os atomos podem estar ligadospor ligacoes simples, duplas ou triplas. Neste caso, o au-mento do numero de ligacoes implica em maiores valo-res para k e, consequentemente, maiores valores para asfrequencias de vibracao. Por exemplo, as vibracoes dasligacoes triplas entre atomos de carbono (C≡C) ocor-rem em frequencias aproximadamente tres vezes maio-res do que a obtida para as vibracoes das ligacoes sim-ples (C-C), enquanto que ligacoes duplas (C=C), porsua vez, vibram com frequencias (aproximadamente)duas vezes maiores do que as obtidas para as ligacoessimples (C-C) [18].

A grande vantagem de descrever a materia comoalgo formado por partıculas (atomos) que vibram e a as-sociacao de frequencias naturais de oscilacao a mesma,de modo que a materia passa a ter caracterısticas co-muns as ondas, facilitando a descricao da interacao en-

tre radiacao e materia. Aproveitando a ideia de queos atomos vibram, comparemos uma de suas carac-terısticas com algo macroscopico. Pense no som de umaunica corda de violao que e posta a vibrar. Sem alteraro comprimento da corda que pode vibrar, exceto por al-guns pontos dela que ficarao parados, e possıvel faze-lavibrar com frequencias distintas e obter sons distintos.Isso so ocorre se os pontos que ficam parados enquantoa corda vibra forem equidistantes, isto e, se a corda fordividida em partes iguais, por exemplo, em duas, tresou quatro partes iguais. A divisao em partes iguais im-plica na divisao da corda por numeros inteiros (1, 2,3, 4, etc). A corda tera entao seus modos vibracionaisque corresponderao a sons particulares, isto e, um es-pectro caracterıstico de sons (notas musicais) da corda.Apesar de ser bastante diferente de uma corda, diz-seque o conjunto de atomos de uma substancia tambemtem seus modos naturais de vibracao caracterısticos,que podem ser determinados observando-se o espectroda substancia no infravermelho.

Talvez o leitor esteja se perguntando o que a des-cricao feita aqui sobre a estrutura atomica tem a vercom as frequencias da radiacao eletromagnetica que saoou nao absorvidas pela materia. Tomemos entao maisum exemplo do mundo macroscopico. Se uma onda so-nora incide sobre um objeto cuja frequencia natural devibracao e igual a frequencia da onda sonora, entao esseobjeto passa a vibrar com a mesma frequencia da ondasonora. Esse fenomeno, chamado de ressonancia, podeser usado, por exemplo, para afinar instrumentos musi-cais. Nao se pode dizer que isso e o mesmo que ocorrequando a luz infravermelha incide sobre um material,mas e algo muito parecido. A semelhanca reside no fatode que a frequencia da luz incidente no material tem queter valores especıficos para produzir algum efeito, quee ser absorvida e fazer com que os arranjos atomicosvibrem com maior amplitude. Quando isso ocorre, aluz infravermelha e absorvida pelo material, e tambemdizemos que ha ressonancia, assim como representadona Fig. 12.

Figura 12 - Representacao da interacao entre ondas eletromagneticas e materia. Neste esquema, ondas eletromagneticas de tresfrequencias distintas atingem um arranjo atomico de dois atomos. Apenas a onda eletromagnetica cuja frequencia esta representadapela cor marrom e absorvida pelo arranjo atomico, que passa a vibrar com maior amplitude. Figura adaptada. Fonte: [20].

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Cada molecula possui suas proprias frequencias na-turais de vibracao, absorvendo ondas eletromagneticasde frequencias especıficas e gerando um espectro de ab-sorcao caracterıstico, justamente quando ocorre a res-sonancia entre a frequencia da radiacao infravermelhaincidente e as frequencias naturais de vibracao do mate-rial. Assim sendo, e muito facil distinguir e/ou identifi-car o espectro de moleculas diferentes como, por exem-plo, a agua (H2O), o gas carbonico (CO2) e a glicose(C6H12O6).

A Fig. 11 mostra o espectro de um oleo mineralconhecido como Nujol, nome comercial de uma longacadeia de alcano. No eixo das ordenadas, a grandezamedida e a porcentagem de luz incidente que atravessauma determinada quantidade do oleo, a transmitancia.No eixo das abscissas, a grandeza medida e o numerode onda.

Se obtivessemos o espectro de transmitancia de ou-tros hidrocarbonetos, observarıamos algumas absorcoesem regioes similares (mas nao exatamente nas mes-mas posicoes ou com a mesma intensidade), isto e,os graficos seriam parecidos, com picos entre 2800 e3300 cm−1 e picos entre 1000 e 1700 cm−1. Essas ab-sorcoes caracterısticas sao conhecidas como frequenciasde grupo e fornecem um dos metodos mais seguros parase obter informacoes estruturais a partir da analise vi-bracional. De modo simples, o metodo se baseia naideia de que pequenos grupos de atomos vibram comcerta independencia no material [21]. Assim, por exem-plo, a forte absorcao em 2925 e 2855 cm−1 (aproxi-madamente 8,8 x 1013 Hz) corresponde a vibracoes deligacoes C-H e a media absorcao em 1462 cm−1 (apro-ximadamente 4,4 x 1013 Hz) corresponde a vibracoes deligacoes C-C.

Mas, por que utilizar a luz no infravermelho se naosomos capazes de enxerga-la? Nos nao somos, masexistem materiais que sao apropriadamente sensıveis aela. E esses materiais podem ser utilizados num cir-cuito eletrico de tal modo que, quando recebem ra-diacao no infravermelho, enviam sinais eletricos paraum computador. O computador com o software ade-quado produz um grafico inteligıvel para que possamosinterpretar os sinais emitidos pelo sensor. A luz no in-fravermelho possui frequencias e energias relativamentebaixas, que nao sao suficientes para arrancar ou mudara configuracao de eletrons em moleculas. A baixa ener-gia das radiacoes no infravermelho modifica apenas asvibracoes ou rotacoes das moleculas.

Outras tecnicas espectroscopicas, que utilizamradiacoes eletromagneticas em outras faixas defrequencia, tambem podem examinar a materia. RaiosX, por exemplo, podem fornecer informacoes sobre acomposicao quımica e estrutura amorfa (desordenada)ou cristalina (ordenada) dos materiais, enquanto queas radiacoes visıvel e ultravioleta podem alterar asconfiguracoes eletronicas de substancias, permitindotambem a obtencao de espectros e, consequentemente,

informacoes. Radiacoes de frequencias mais baixas,como ondas de radio, nao sao capazes de alterar a vi-bracao de moleculas, mas podem atuar sobre o nucleoatomico, permitindo a obtencao de informacoes a seurespeito (este e o princıpio da tecnica de Imagem porRessonancia Magnetica, muito utilizada em medicina).Isso significa que olhar a materia com os diversostipos de ondas eletromagneticas nos permite literal-mente observa-la de maneira mais completa, obtendoinformacoes que jamais poderiam ser conseguidas ape-nas com nossos sentidos comuns e imaginacao.

Figura 13 - Espectrometro para obtencao de espectros no infra-vermelho instalado no Instituto de Fısica/UFMT.

A partir da espectroscopia no infravermelho, outrostemas podem interessar aos alunos e professores, comoa ciencia forense, os raios X, a estrutura da materia,etc. Finalmente, considerando a quantidade de in-formacoes e as possibilidades de desdobramento destetexto, seja com a realizacao de experimentos, leiturasextras, visitas a exposicoes e centros tecnocientıficos,pesquisa de material bibliografico e outras atividades,sugerimos a leitura e utilizacao do mapa conceitual(disponıvel em http://www.sbfisica.org.br/rbef/

indice1.php?vol=34&num=2), cuja funcao e sintetizare organizar as principais ideias aqui apresentadas, com-plementando o trabalho do professor, ou subsidiandouma melhor compreensao do aluno.

Glossario

Absorbancia: quantidade relacionada a porcentagemda luz incidente absorvida ou transmitida por umasubstancia.

Angstrom: unidade de medida de comprimentocujo sımbolo e A (1 A = 10−10 m = 0,0000000001 me-tro).

Aprendizagem significativa: e a aprendizagemque ocorre quando uma nova informacao adquire sig-nificados para o aprendiz atraves de uma especie deancoragem na sua estrutura de conhecimentos, com de-terminado grau de clareza, estabilidade e diferenciacao.

Balanca hidrostatica: balanca que permite a pe-sagem sob lıquidos e com a qual e possıvel medir amassa especıfica de um objeto atraves do princıpio deArquimedes.

Espectroscopia no infravermelho: uma apresentacao para o Ensino Medio 2504-9

Comprimento de onda: distancia entre cristas,vales ou partes identicas sucessivas de uma onda.

Dipolo eletrico: molecula, ligacao quımica ou ar-ranjo atomico que possui dois polos de cargas opostas.

Empırico: baseado na experiencia.Empuxo: e a forca vertical resultante para cima

que um fluido exerce sobre um objeto imerso nele.Espectro de absorcao: espectro contınuo, como o

gerado pela luz branca, interrompido por linhas ou ban-das escuras resultantes da absorcao dessas frequenciaspor determinada substancia.

Espectro de emissao: distribuicao de comprimen-tos de onda da luz emitida por uma fonte luminosa.

Espectro eletromagnetico: conjunto de ondaseletromagneticas de todas as frequencias possıveis.

Espectro: distribuicao de comprimentos de onda(ou frequencias ou numeros de onda) de radiacao.

Espectrometro: um instrumento optico que se-para a radiacao em suas componentes de frequencia oucomprimentos de onda. Essa separacao costuma ser emlinhas espectrais ou em graficos cuja intensidade da ra-diacao e indicada na ordenada e o numero de onda naabscissa.

Espectroscopia: conjunto de tecnicas de analisequalitativa baseado na observacao de espectros desubstancias.

Espectroscopio: instrumento optico que separa aluz em suas componentes de frequencia ou comprimen-tos de onda, na forma de linhas espectrais, permitindosua simples visualizacao.

Frequencia natural de vibracao: frequenciacom a qual um objeto elastico vibra espontaneamenteapos ser perturbado.

Frequencia: numero de vibracoes por intervalo detempo.

Massa especıfica: e a massa por unidade de vo-lume de uma substancia. Em geral, qualquer quanti-dade por unidade de volume.

Meio material: Neste contexto, pode ser defi-nido simplesmente como um meio que nao seja o vacuo:solidos, lıquidos e gases.

Moleculas diatomicas: moleculas com doisatomos (O2, H2 etc).

Nanometro: unidade de medida cujo sımbolo e nm(1 nm = 10−9 m). Equivale a dez vezes um angstrom.

Numero de onda: o inverso do comprimento deonda, que significa o numero de comprimentos de ondapor unidade de comprimento.

Onda: e a propagacao de perturbacao oscilante quetransporta energia.

Quantizados: com saltos, descontınuos, discretos.Radiacao eletromagnetica: transporte de ener-

gia atraves de ondas eletromagneticas.Radiacao: transporte de energia por meio de on-

das eletromagneticas e/ou partıculas elementares (queincluem as radiacoes ejetadas por nucleos atomicos).

Rede de difracao: serie de fendas ou sulcos para-lelos muito proximos entre si, usada para decompor ascores da luz por meio de interferencia.

Refracao: mudanca na velocidade de propagacaoda luz na interface entre dois meios transparentes, queacarreta o desvio do feixe de luz quando a incidenciadeste nao for perpendicular a interface.

Transmitancia: porcentagem da luz incidente queatravessa a substancia.

Referencias

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