relatório exp 06 pontos de carbono

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DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS NATURAIS
CURSO: Bacharelado E Licenciatura em Química
DISCIPLINA: Química Inorgânica Experimental
Nome: Lorena Resende Rodrigues MATR. 191300007
Nome: Sthephane Pereira de Oliveira MATR. 201350010
Relatório Experimento 06
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE PCS
Responda às seguintes questões:
1. O que são pontos de carbono? E quais são suas principais aplicações
científicas?
Os pontos de carbono são nanopartículas que consistem basicamente de carbono
sp2/sp3 e grupos contendo oxigênio e nitrogênio ou agregações poliméricas em sua estrutura.
A composição química dos pontos de carbono depende do precursor de carbono utilizado,
bem como das condições de preparo. Os pontos de carbono podem ser sintetizados por
diversos métodos, como: destruição de grafite de tamanho nanométrico por meio de métodos
físicos ou químicos, descarga de arco, ablação por laser, oxidação eletroquímica, oxidação
química, combustão, pirólise, microondas, ultrassom e métodos hidrotérmicos.
Algumas aplicações científicas dos PCs são:
Imagem celular: devido a sua forte fluorescência e afinidade celular, utilizam-se PCs
em imageamento celular in vivo e in vitro, além deles apresentarem propriedades superiores
aos corantes orgânicos fluorescentes convencionais e aos pontos quânticos inorgânicos
luminescentes.
Formação de filmes finos para absorção de radiação: utilizam-se das propriedades
optoeletrônicas e desenvolvem filmes de bloqueio óptico.
Diodo emissor de luz: os PCs apresentam características como maior eficiência,
maior tempo de vida, econômico e seguro para a criação de LEDs.
Células solares: são utilizados como fotossensibilizadores no desenvolvimento de
células solares, devido suas propriedades ópticas em que sua absorção de radiação vai
desde a faixa UV-Vis até o infravermelho próximo.
Eletrocatálise: o uso de PCs para esta abordagem se dá pela interação efetiva dos
pontos de carbono aos substratos e ao desencadeamento de efeitos sinérgicos.
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Lorena
Retângulo
2. Apresente o espectro de absorção na região do ultravioleta visível do ponto de
carbono bem como atribua transições às bandas observadas?
Figura 1: Espectro de absorção na região do ultravioleta visível do ponto de carbono.
De acordo com a Figura 1, duas bandas de absorções foram observadas e
identificadas no espectro UV/VIS que são correspondentes a duas transições eletrônicas. A
primeira sendo π-π* próximo de 275 nm, que correspondem a transições de anéis
aromáticos presentes em aminoácidos como a fenilalanina e o triptofano, que são
componentes da gelatina. Essas estruturas aromáticas conferem aos pontos de carbono
propriedades eletrônicas e ópticas interessantes, como fluorescência e condutividade
elétrica. A segunda sendo n-π* próximo de 325 nm, que correspondem a transições do tipo
C-O carbonilas. A presença dessa banda sugere a formação de grupos carbonila nos pontos
de carbono, possivelmente provenientes da oxidação parcial dos precursores da gelatina
durante o processo de carbonização. Esses grupos carbonila podem estar presentes em
estruturas como cetonas, ácidos carboxílicos e ésteres.
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3. Apresente os espectros de fluorescência registrados para a amostra de ponto
de carbono. Explique a posição e intensidade das bandas observadas.
Figura 2: Espectros de fluorescência dos PCs derivados da gelatina, excitados com diferentes
comprimentos de onda (330 nm, 350 nm, 370 nm e 390 nm).
Foi observado, a partir do espectro de fluorescência, que há uma dependência em
relação ao comprimento de onda de excitação e uma diminuição na intensidade da
fotoluminescência à medida que se aumenta o comprimento de onda de excitação. A maior
intensidade de luminescência foi registrada no comprimento de onda de 391 nm, quando a
excitação ocorreu a 330 nm.
Grupos de superfície, como C-O, C=O, NH2 e COOH, podem apresentar diferentes
tipos de energia, o que faz com que a emissão dos pontos de carbono dependa da energia de
excitação. A diversidade desses grupos na superfície gera vários níveis de energia entre os
orbitais HOMO e LUMO. Essa variação nos grupos superficiais dos pontos de carbono é
responsável pelo comportamento de emissão que depende do comprimento de onda de
excitação, conforme ilustrado no esquema a seguir.
Por outro lado, quando os PCs têm uma maior proporção de grupos orgânicos
semelhantes em sua superfície, a emissão pode se tornar independente do comprimento de
onda de excitação, devido à maior homogeneidade dos níveis de energia.
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Figura 3: Esquema da emissão de PCs com diversos grupos orgânicos na superfície. Fonte: Vaz, R.,
Vieira, K. O., Machado, C. E., Ferrari, J. L., & Schiavon, M. A. (2015). Preparação de pontos de
carbono e sua caracterização óptica: um experimento para introduzir nanociência na graduação.
Química Nova, 38(10), 1366-1373.
4. Fundamente o Princípio da Fluorescência de amostras orgânicas e inorgânicas.
A fluorescência é um fenômeno óptico no qual certos materiais absorvem radiação
eletromagnética (geralmente luz ultravioleta ou visível) e emitem radiação de um
comprimento de onda maior (ou seja, menor energia) após um curto intervalo de tempo. Essa
emissão de luz é conhecida como fluorescência. As etapas envolvidas são:
● Absorção: Um elétron em um estado fundamental de uma molécula absorve um fóton
de energia suficiente para excitá-lo para um estado eletrônico superior.
● Relaxamento Vibracional: O elétron excitado rapidamente relaxa para o nível
vibracional mais baixo do estado eletrônico excitado, perdendo energia na forma de
calor.
● Emissão: O elétron excitado retorna ao estado eletrônico fundamental, emitindo um
fóton. A energia do fóton emitido é menor do que a do fóton absorvido, resultando em
um comprimento de onda maior (deslocamento de Stokes).
● Retorno ao Estado Fundamental: A molécula retorna ao seu estado eletrônico e
vibracional inicial
Estas etapas estão descritas no Diagrama de Jablonski presente na Figura 4.
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Figura 4: Diagrama de Jablonski simplificado. Martins, Vinicius & Ronconi, Célia. (2017). Coordination
Networks: Design, Synthesis, Topology and Photophysical Properties. Revista Virtual de Química. 9.
1318-1341. 10.21577/1984-6835.20170077.
No que diz respeito a moléculas orgânicas e inorgânicas, alguns fatores irão
influenciar na absorção, como por exemplo:
A estrutura molecular, pois moléculas com sistemas eletrônicos conjugados
fluorescem mais, pois permitem a deslocalização dos elétrons, facilitando a absorção e
emissão de luz.
A existência de grupo cromóforo, que é a parte da molécula responsável pela
absorção e emissão de luz e em moléculas orgânicas, os cromóforos são frequentemente
grupos funcionais como carbonilas, nitrogênios aromáticos e anéis aromáticos.
A rigidez molecular, de forma que moléculas mais rígidas fluorescem mais
intensamente.
A natureza do solvente pois solventes polares podem estabilizar os estados excitados
e aumentar a intensidade da fluorescência.
Por último, o pH, que pode alterar a ionização de grupos funcionais e a fluorescência.
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https://www.researchgate.net/figure/Figura-14-Diagrama-de-Jablonski-simplificado-Figura-adaptada-de-referencia-44-com_fig8_317851768
5. Considerando o espectro infravermelho dos PCs obtidos, atribua as bandas
observadas, bem como apresente um modelo que represente a nanopartícula
preparada.
Figura 5: Espectro infravermelho do ponto de carbono.
Por meio da técnica de espectroscopia no infravermelho foi possível identificar as
principais vibrações das bandas características e posições encontradas no espectro de IV-TF
dos PCs. Foram identificadas as seguintes bandas características de absorção: ~3500-3200
cm-1 característica de estiramento O-H, indicando a presença de grupos hidroxila; em ~3250
cm-1 banda larga atribuída ao estiramento N-H assimcomo em ~1550 cm-1, elas sugerem
que hajam grupos funcionais aminas; em ~2960 cm-1 que corresponde a ligações C-H; em
~1450 cm-1 dobramento simétrico de CH3 e em 1320 cm-1 dobramento assimétrico de CH3
essas últimas três brandas estão associadas com vibração de estiramento, sugerindo que
grupos alquilas estão presentes na molécula; por fim, em 1670 cm-1 uma banda característica
de estiramento da ligação C=O o que indica a presença de grupos como ácido carboxílico
juntamente com a ligação O-H.
A partir da análise do espectro infravermelho, propusemos três possíveis modelos
moleculares da nanopartícula preparada:
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Figura 6: Modelos moleculares propostos segundo o espectro infravermelho. Fonte: próprio
autor - ChemDraw.
REFERÊNCIAS
Vaz, R., Vieira, K. O., Machado, C. E., Ferrari, J. L., & Schiavon, M. A. (2015).
Preparação de pontos de carbono e sua caracterização óptica: um experimento para
introduzir nanociência na graduação. Química Nova, 38(10), 1366-1373.
Schiavon, M. A., Machado, W. S., & de Oliveira Lima, L. C. (2023). Pontos de
Carbono: Síntese Química, Propriedades e Aplicações–Uma Revisão: Carbon Dots:
Chemical Synthesis, Properties and Applications–a review. Revista Virtual de Química, 15(6).
Machado, C. E., Vieira, K. O., Ferrari, J. L., & Schiavon, M. A. (2015). Pontos
quânticos de carbono: Síntese química, propriedades e aplicaçoes. Revista Virtual de
Química, 7(4), 1306-1346.
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