Espectroscopia para o Ensino Mdio uma aplicao da Fsica ModernaProf. Renato Germano

Coordenador da rea da Fsica do PIBID/UFPI

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

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A oficina Espectroscopia para o Ensino Mdio uma aplicao da Fsica Moderna teve como objetivo principal levar de maneira simples e acessvel um experimento que introduza contedos de Fsica Moderna. Visto que esse importante contedo da Fsica praticamente no abordado no Ensino Mdio, e principalmente nas escolas pblicas, tentamos levar aos professores uma abordagem, ou opo, prtica de desenvolver esses contedos e aplic-los de forma significativa no processo de ensino e aprendizagem.

Esta oficina consistiu em um primeiro momento na apresentao mtodos de caracterizao de materiais, mais especificamente a espectroscopia, foram apresentados: contedo terico, instrumentos e aplicaes. Um segundo memento, foi reservado a construo do kit educacional chamado de: Espectroscpio e Espectrofotmetro caseiros, a serem utilizados nas atividades prticas. Foi preparado tambm, as amostras para a anlise do espectro de absorso: extratos de clorofila e extrato de caroteno, as quais foram comparadas com os resultados da literatura.

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Apresentao do contedo pelo professor Renato Germano sobre espectroscopia e o kit final que ser montado pelos professores:

Extrao da clorofila e preparao do cd para ser utilizado como uma grade de difrao:

Construo dos componentes do kit do espectrofotmetro caseiro:

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Preparao dos experimentos

Realizao das medidas

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Participantes da oficina

Questionrio diagnstico

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

1 - O que voc achou da oficina?

2 Voc acha que possvel reproduzi-la no ensino mdio?

3 Qual a sua opinio sobre a incluso de tpicos de Fsica Moderna no ensino mdio?

4 Na sua opinio, quais seriam as dificuldades da aplicao dessa oficina no ensino mdio?

5 Voc tem alguma sugesto de oficina a ser ministrada para os professores?

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Anexo 1: Roteiro experimental da oficina.

Espectroscopia para o Ensino Mdio uma aplicao da Fsica ModernaProf. Renato Germano

Coordenador da rea da fsica do PIBID/UFPI

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

Realizao:

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Espectroscopia para o Ensino Mdio uma aplicao da Fsica Moderna

Resumo: Um espectrmetro e um aparelho cientfico que utiliza uma rede de difrao 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 mediao dos ngulos nos quais se d a refrao para cada cor, obtendo assim um tipo de assinatura da substncia analisada, como um gs por exemplo. Desta forma, um espectrmetro um instrumento bastante til na investigao da composio molecular ou atmica de diversas substncias. Nessa oficina pretendemos discutir o funcionamento do funcionamento do espectrmetro e construir um modelo de baixo custo e posteriormente realizaremos a observao do espectro de substncias variadas.

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Sumrio

1. Construindo espectroscpio e espectrofotmetro caseiros.................4

1.1 - Construo de um espectroscpio........................................................ 4

1.2 Espectrofotmetros............................................................................... 5

2. Construo de espectrofotmetros com rede de difrao usando CD

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

3. Usando o espectro para identificar molculas ............................. 7

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

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

4. Referncia.......................................................................................... 10

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Construindo espectroscpio e espectrofotmetro caseiro

Construo de um espectroscpio

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

Para confeccionar uma boa grade de difrao para o espectroscpio, podemos usar um CD, uma vez que os sulcos do CD so muito prximos entre si (em 1 mm cabem 625 sulcos, ou seja, distam cerca de 1,6 m) e isso promove a decomposio da luz branca em um espectro contnuo de cores.

Materiais necessrios

Esquema de uma caixa retangular de papel; CD (Compact Disc) gravvel (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, tambm na regio 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 superfcie do CD que tem o decalque ou impresso do fabricante com fita adesiva grossa, fazendo-a aderir muito bem. Recortar, na regio mais prxima da borda do CD, um retngulo que tenha dimenses um pouco maiores do que a janela da caixa (que tem 3x1,5 cm).

e) Remover cuidadosamente a fita adesiva (uma pelcula metlica ser descolada do CD), evitando tocar na superfcie que ficou protegida. Usando fita isolante, prender este pedao de CD na parte interna da janela da caixa.Nessa fase da montagem, 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 espectroscpioUtilizao

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

Exemplos de algumas fontes que sero observadas:

Filamento de tungstnio;

Lmpada de vapor de mercrio.

Precauo importante: Nunca utilizar o espectroscpio apontado diretamente para o sol. H risco de danos permanentes na retina que podem at provocar a cegueira parcial ou total. A observao da luz solar deve sempre ser feita de modo indireto e o mais rapidamente possvel, atravs da reflexo em superfcies opacas brancas (folha de papel, parede, placas de madeira, por exemplo). Deste modo haver o espalhamento da luz solar incidente. Convm ser breve tambm para as demais fontes luminosas e, sempre que possvel, manter uma distncia razovel; quanto mais intensa a radiao da fonte maior dever ser a distncia.

Espectrofotmetros

Espectrofotmetros ou espectrmetro so equipamentos que tm como princpio bsico para o seu funcionamento medir a absoro de radiao de diferentes comprimentos de onda. Estes equipamentos so de extrema importncia em caracterizao de materiais.

Construo de espectrofotmetros com rede de difrao usando CD

A ideia consiste em fazer uso do CD como elemento ptico monocromador, pois funciona como uma grade de difrao. Ele dispersa a luz branca da fonte de iluminao, formando um espectro eletromagntico que projetado (por reflexo ou por refrao) sobre a amostra. Para isto, ele montado sobre uma base giratria que permite controlar qual faixa de cor est incidindo na amostra. A intensidade da radiao luminosa que atravessa a amostra detectada por um sensor (LDR) e registrada no multmetro.

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Materiais comuns ao modelo de espectrofotmetro refrator e refletor

Base retangular de madeira Transferidor 360; Folha de EVA (borracha de Etil Vinil Acetato) com 2mm de espessura e

superfcie com dimenses 15x16; Clipe de metal; CD gravvel; Fita isolante de cor preta. Caixinha de papelo com tampa e dimenses suficientes para conter a cubeta; Fonte de iluminao potente (retroprojetor; projetor de slider; lanterna; lmpada

halgena de 100W; etc.); Sistema de barreira ajustvel.

Modelo Refrator - Montagem

Confeccionar uma grade de difrao de CD como descrito no item Construo de um espectroscpio desta mesma atividade. Para proteger, cobrir o pedao de CD com fita isolante, deixando descoberta apenas uma estreita faixa (cerca de 0,5 cm) prxima borda, para difratar a luz, 1,0 cm de distncia do centro da faixa at a borda.

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

Opcionalmente, pode-se aderir fita isolante diretamente na superfcie da cubeta, para estreitar ainda mais a faixa de luz que ir atingir o sensor. Neste caso, a distncia entre as fitas cerca de 1 e 2 mm. Tambm se pode pintar de preto a parte interna do sensor a fim de minimizar reflexes difusas de luz.

Figura 2: Montagem do espectrofotmetro11

Funcionamento

O facho de luz produzido estreitado pelo sistema de barreiras e atinge a grade de difrao. Controlando o giro do transferidor sobre o qual fixada a grade de difrao de CD, projeta-se o espectro contnuo 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 multmetro em uma escala adequada de resistncia eltrica para proceder s leituras.

Usando o espectro para identificar molculas

Como foi mencionado a molcula pode ter um padro caracterstico de absoro das radiaes, nos diferentes comprimentos de onda. Esta propriedade muito usada para a identificao e quantificao de molculas. Daremos abaixo exemplos de como se podem identificar molculas por espectroscopia na faixa do visvel. Entretanto, existem outras tcnicas como o dicrosmo circular, espectrofotometria infravermelha, espectroscopia Raman, espectroscopia de absoro atmica, espectrofluorometria, espectroscopia por fluorescncia de raios x, ressonncia magntica nuclear, que tambm usam radiaes para identificar molculas.

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 fenmeno 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);

lcool comercial;

Papel filtro (pode ser papel filtro para caf);

Cubeta acrlica transparente com medidas aproximadamente de 2x3x4 cm (usamos um depsito de aprontador de ou pode ser uma caixinha de tictac);

Espectroscpio/espectrofotmetro;

Sistema de barreiras para a lmpada;

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Lmpada de 40W.

Procedimentos

Obter um extrato alcolico das folhas verdes (duas ou trs), picotando-as e macerando-as em um pouco de lcool (no muito para facilitar a macerao). Quando estiver bem macerado acrescer um pouco mais de lcool e filtra.

Aps a obteno do extrato de clorofila, ajustamos um sistema de iluminao para obter um feixe luminoso, posicionando o frasco com clorofila no caminho do feixe. Uma amostra de lcool pode servir de referncia (ou branco como conhecido na linguagem de laboratrio). Atrs da amostra posicionamos o espectroscpio com sua fenda voltada para o frasco e observa-se o espectro projetado no interior da caixa. A disposio geral a mesma da figura 3, com a clorofina dentro do porta cubeta. Provavelmente ser necessria, para uma melhor visualizao, uma leve inclinao do espectroscpio, direcionado a viso para a base da caixa. Podemos encontra o grfico da figura 4, mostrando que a clorofila absorve mais a luz de comprimentos de ondas do violeta, azul e vermelho.

Figura 3: Montagem do espectrofotmetro com grade de difrao por refrao.

Figura 4: Comparao entre o padro de absoro das clorofilas a e da clorofila b, obtidas por espectroscpio digital e obtidos por espectrofotmetro refrator caseiro construdo para atividades.

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A carteira de identidade do caroteno

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

Figura 5: Recipientes contendo extratos de alcolico de cenoura e de folha de pltano.

Procedimento

Para observao espectroscpica, seguir as instrues constantes na espectroscopia da clorofila e conforme a configurao da Figura 3. O resultado visto atravs da janela do espectroscpio refrator mostrado na Figura 6.

Figura 6: Comparao entre os espectro de absoro do caroteno obtido por espectrofotmetro de laboratrio e pelo espectrofotmetro refrator caseiro.

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Figura 7: Frmula estrutural da molcula de beta-caroteno.

Referncia

[1] Loreto, ligion Lcio Silva. et al. Radiaes, Molculas e Genes: Atividades didtico-experimentais. Ed.1a , Ribeiro Pedro,SP, editora SBG (Sociedade Brasileira de Gentica), 2008.

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

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Espectroscopia para o Ensino Mdio uma aplicao da Fsica Moderna

Prof. Renato GermanoCoordenador da rea de Fsica do PIBID/UFPI

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

-Atmosfera de planetas?

-Os contituintes do Sol?

-Identificao e quantificao (molecular ou atmica) de um material.

-Dicromo circular, espectrofotometria infravermelha, espectroscopia Raman, espectrofotometria de absoro atmica, espectrofluorometria, espectroscopia por fluorescncia de raios X, ressonncia magntica nuclear e espectroscopia na faixa do visvel.

Espectro eletromagnticoEspectro eletromagntico: conjunto de ondas eletromagnticas de todas as frequncias possveis.

Ondas eletromagnticas: so ondas caracterizadas pela oscilao de campos eltricos e magnticos.

Ionizantes Excitantes No ionizantes

Prisma

Prisma

Grade ou rede de difrao

Grade ou rede de difrao

Grade ou rede de difrao

Grades de difrao comerciais: 500 a 600 fendas/mm. Uma aplicao de uma grade de difrao um holograma.

Grade ou rede de difrao

Prisma e grade de difrao

Ranhuras do cd so da ordem de 1 micrmetro. O cd possui cerca de 600 trilhas/mm.

Espectro de emisso

Alguns elementos no emitem luz em todas as frequncias, mas apenas em frequncias caractersticas, que so diferentes para cada elemento.

Espectro de emisso

Espectro de absoroO espectro de absorao obtido quando o espectro contnuo de luz atravessa uma substncia.

Espectro de emisso/absoroFilsofo romano Sneca (4 a.C. - 65 d.C.) foi o primeiro a fazer uma observao espectroscpica ao ver a luz solar sofrer uma decomposio, nas cores do arco-ris.

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

Como o espectro de emisso/absoro de cada elemento possui um padro nico, podemos utilizar os espectros de emisso/absoro de uma substncia para identificar e quantificar os diferentes elementos qumicos nela presentes, como se fosse uma impresso 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 absoro

Espectro de absoro do cido ltico

Modelo atmico

Sries espectrais

Espectroscopia um conjunto de tcnicas de anlise qualitativa baseado na observao de espectros de substncias.

Espectroscopia

Espectroscpio um instrumento ptico que separa a luz em suas componentes de frequncia ou comprimentos de onda, na forma de linhas espectrais, permitindo sua simples visualizao.

Manual e digital

Espectroscpio manual

Espectroscpio digital

Basicamente

Basicamente

Espectro solar

Espectrmetro e espectrofotmetro caseiros

ResultadosTungstnio

Vapor de Mercrio

Anexo \3: Cartaz da oficina.

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MINISTRIO DA EDUCAO MECUNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAU UFPI

PR-REITORIA DE ENSINO DE GRADUAO PREGPROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSA DE INICIAO DOCNCIA PIB

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

Espectroscopia para o Ensino Mdio uma aplicao da Fsica ModernaProf. Renato Germano

Coordenador da rea de Fsica do PIBID/UFPI

Um espectrmetro um aparelho cientfico que utiliza uma rede de difrao 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 medio dos ngulos nos quais se d a refrao para cada cor, obtendo assim um tipo de assinatura da substncia analisada, como um gs por exemplo. Dessa forma, um espectrmetro um instrumento bastante til na investigao da composio molecular ou atmica de diversas substncias. Nessa oficina pretendemos discutir o funcionamento do espectrmetro e construir um modelo de baixo custo e posteriormente realizaremos a observao do espectro de algumas substncias.

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

Realizao: Coordenao do LIFE/CCN e PIBID/FSICA.