A luz e sua interação com a matéria

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Ensino de Química
Aula 2 - A luz e sua interação com a matéria
Objetivo: Aprender sobre o comportamento da luz e sua interação com a matéria.
Um dos pontos fundamentais para a compreensão dos processos
fotoquímicos é entender a natureza da luz. Em determinadas situações, o
comportamento da luz pode ser interpretado como uma partícula, em outras ele
pode ser interpretado como uma onda eletromagnética, esta é a dualidade
partícula-onda.
Compreender esta dualidade é importante pois está diretamente
relacionado a como a luz transfere energia para a matéria. A transferência de
energia considerando a luz como uma partícula é relativamente fácil de ser
compreendida ao se fazer uma analogia à colisão de corpos, sendo a luz (fótons) o
corpo que fornece energia e a espécie química o corpo que a recebe.
Por outro lado, a luz é uma onda eletromagnética, ou seja, ela é constituída
por um vetor elétrico e um magnético, sendo propagados no espaço com
orientações perpendiculares entre si, Figura 1. Para que a transferência de energia
ocorra, é necessário que a espécie química e o dipolo elétrico da luz tenham uma
interação construtiva, como o fenômeno de ressonância. Desta maneira, a energia
pode ser transferida sem a necessidade de uma colisão, ou seja, a energia é
transferida através de uma interação construtiva entre ondas.
A energia luminosa, quando absorvida pela espécie química, é capaz de
fazer com que um elétron receba energia suficiente para ser promovido do seu
estado fundamental para o estado excitado. Esse processo é denominado
transição eletrônica e a energia necessária para que ela ocorra está situada na
região do ultravioleta, visível e infravermelho próximo do espectro eletromagnético
A transição eletrônica promove um elétron do orbital molecular ocupado de
maior energia (HOMO, sigla do inglês Highest Occupied Molecular Orbital) para o
orbital molecular desocupado de menor energia (LUMO, sigla do inglês Lowest
Unoccupied Molecular Orbital).
O estado excitado pode ser considerado uma nova espécie química com
características diferentes daquelas do estado fundamental devido à grande energia
acumulada pela absorção de luz. Essa grande quantidade de energia permite que
reações que não ocorrem espontaneamente nas condições normais possam ser
observadas quando a espécie é exposta à irradiação.
As regiões que uma determinada substância absorve luz são determinadas
experimentalmente utilizando a espectrofotometria na região do ultravioleta e
visível. Esta técnica mostra as regiões na qual as moléculas são capazes de
absorver luz e fazer com que um elétron seja excitado do HOMO para o LUMO. Já
a intensidade de absorção de cada uma das regiões é regida pelas duas regras de
seleção da mecânica quântica, a regra de seleção por simetria e a por spin.
A regra de seleção por simetria (também conhecida como regra de seleção
de Laporte), diz que a transição eletrônica é permitida entre orbitais diferentes, ou
seja ℓ = ± 1. Já a regra de seleção por spin estabelece que transições eletrônicas
são permitidas caso a multiplicidade de spins eletrônicos seja conservada, ou seja,
S = 0. Portanto, caso a absorção seja permitida por ambas as regras, o composto
apresentará uma intensa absorção de luz e quanto menos atender a estas duas
regras, menor será a sua intensidade de absorção.
Em resumo; a investigação de um processo de interação da luz com a
matéria inicia-se pela avaliação do espectro eletrônico do reagente, uma vez que
ele proverá informações importantes como a região na qual o composto absorve luz
e quais as transições eletrônicas envolvidas no processo de absorção.
A intensidade com que a luz é absorvida pela espécie é regida por regras
de seleção, que foram anteriormente apresentadas, porém o processo é
extremamente rápido e ocorre na escala de femtosegundos (10-15 s) levando a
espécie a um estado energeticamente excitado. Esse é o primeiro passo para a
ocorrência de um processo fotoinduzido.
Referências
● Brian Wardle, Principles and Applications of Photochemistry, John Wiley & Sons Ltd.,
● Nicholas J. Turro, “Modern Molecular Photochemistry”; University Science Books, 1991.
● Joseph R. Lackowicz “Principles of Fluorescence Spectroscopy” 3rd edition ; Springer, 2006.