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Espectroscopia: A Essencial Contribuição de Gustav R. Kirchhoff (1824-1887) e Robert W. Bunsen (1811-1899)

por Cássio C. Laranjeiras fevereiro 22, 2010 Ciência e Tecnologia, Física, História da Ciência, Química 4 Comments
Queimador_de_bunsen

Não é comum fazer ênfase no papel que os instrumentos científicos desempenham no desenvolvimento da ciência, seja no seu aspecto experimental, cuja importância é mais óbvia e direta, seja no seu aspecto teórico, que certamente reivindica um exame mais detalhado.

Foi movido por esta reflexão que elegi como tema da presente coluna, na verdade uma continuidade da anterior (18/Fev/2010), as contribuições para a Espectroscopia de dois eminentes alemães, professores da Universidade de Heidelberg no início da segunda metade do século XIX: Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) ( à esquerda na figura ao lado) e Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) (à direita). Eles uniram forças no desenvolvimento de um instrumento que se mostraria de grande importância no desenvolvimento da ciência: o Espectroscópio, cujo desenho você encontrará mais adiante, conforme consta na publicação original (Annalen der Physik und der Chemie, v. 110, p. 161-189, 1860) desses dois gigantes da ciência.

Ao leitor não especializado, porém interessado em ciência, peço um pouco de paciência e compreensão, pois o que pretendo apresentar-lhes são alguns elementos de uma história fascinante que foi essencial para o desenvolvimento do nosso conhecimento acerca da natureza íntima da matéria.

Foi somente em 1858 que G. R. Kirchhoff passou a se interessar por análise espectral, depois de haver se dedicado bastante ao estudo da elasticidade e da eletricidade. Se o estimado leitor não apagou permanentemente da lembrança a imensa quantidade de informações desconexas que provavelmente recebeu nas aulas de Física do seu Ensino Médio, lembrará da chamada “leis dos nós e das malhas” na análise de circuitos elétricos. Pois é, a “Lei de Kirchhoff”!!!! Mas esse não é o nosso objetivo aqui.

Queimador_de_bunsenA questão é que na origem do interesse de Kirchhoff na espectroscopia encontramos R. W. Bunsen, que estava investigando, na época, a possibilidade de analisar sais segundo as cores que estes emitiam ao serem queimados. Para esse objetivo ele havia aperfeiçoado, nos anos de 1850, um instrumento que ficou muito conhecido dos químicos, o chamado “Queimador de Bunsen“, ou numa versão mais popular, “Bico de Bunsen“. Neste instrumento vaporiza-se algum material que é queimado em uma chama que acaba emitindo uma cor específica e característica do material vaporizado. Na figura ao lado você tem um exemplo do resultado da queima de três substâncias distintas. Bunsen fazia uso de um colorímetro para obter uma medida objetiva das características das cores emitidas. Em 1859 Kirchhoff chamou a atenção de Bunsen para um método de análise mais preciso do que o colorímetro. A idéia de Kirchhoff era analisar o espectro de emissão das substâncias queimadas.

A colaboração desses dois pesquisadores, Bunsen com o seu queimador e a sua vasta experiência na manipulação de sais de grande pureza, e Kirchhoff com a análise de espectros através do espectroscópio [uma versão preliminar que ele já havia desenvolvido], produziu resultados surpreendentes.

Sem pretender ser demasiado detalhista, convido o interessado leitor à leitura breve de alguns trechos extraídos de uma publicação científica desse dois pesquisadores, onde se pode de imediato identificar com clareza o ponto de partida da pesquisa e o objetivo a que ela se propunha :

Sabe-se  que muitas substâncias introduzidas em uma chama tem a propriedade de produzir em seus espectros linhas brilhantes particulares: na existência dessas linhas pode-se fundar um método de análise qualitativa que amplia consideravelmente o domínio das investigações químicas e que permite resolver problemas até agora insuperáveis. Nos limitaremos nesta Memória a aplicar este método a investigação dos metais alcalinos e alcalinos terrosos, fazendo ressaltar seu valor com uma série de exemplos” [Análise Química Fundada nas Observações do Espectro, 1862].

É interessante observar ainda a preocupação dos dois em nos explicar, ao longo da referida Memória, o instrumento que haviam desenvolvido e utilizado em seu trabalho:

espectroscopio Kirchhoff-BunsenO aparato que temos empregado para a observação do espectro é composto de uma caixa [A], enegrecida em seu interior, colocada sobre três pés, e cuja base é um trapézio. As duas paredes correspondentes aos lados oblíquos do trapézio formam um ângulo de 58 graus, e contém dois tubos pequenos [B,C]: a ocular do primeiro [B] está substituída por um disco de latão que tem uma fenda vertical, a qual se coloca no foco da objetiva. Diante desta fenda se coloca a lâmpada [D], de modo que o eixo do tubo passe pela borda da chama. Um pouco mais abaixo deste ponto de encontro se acha, preso por uma alça [E], um fio de platina muito fino e encurvado na forma de espiral, no qual se põe uma amostra de cloro, previamente desidratada e que se será examinada. Entre as objetivas de ambos os tubos tem um prisma de 60 graus [F], sustentado por um disco de latão móvel sobre o eixo vertical, o qual tem em sua parte inferior um espelho [G], e em cima dele uma vara [H], que serve para girar o prisma e o espelho. Diante desse último se acha colocado um tubo que serve para ler as divisões de uma escala horizontal colocada a curta distância. Circulando o prisma pode-se fazer passar todas as partes do espectro por detrás do retículo vertical do segundo tubo, e por conseguinte, fazer coincidir todas as linhas do mesmo com o retículo. A cada posição do espectro corresponde uma divisão da escala; e se é pouco luminoso, se aclara o fio do tubo por meio de uma lente que projeta nele a luz de uma lâmpada por uma abertura lateral feita no tubo ocular do segundo tubo“ [Análise Química Fundada nas Observações do Espectro, 1862].

Devo reconhecer que a citação não foi assim tão breve, mas talvez tenha sido, de fato, necessária para que pudéssemos capturar esse espírito minucioso de investigação tão característico da prática científica.

Kirchhoff e Bunsen perceberam com clareza que uma das grandes aplicações do método espectral, talvez a maior naquela época, referia-se a possibilidade de descoberta de novos elementos químicos.

Temos a convicção de que este método, que amplia de um modo tão extraordinário os limites da análise química, poderá conduzir a descoberta de novos elementos não percebidos até agora pelos químicos, seja por acharem-se disseminados, seja por sua analogia com as substâncias conhecidas, seja devido a imperfeição dos nossos métodos de investigação, que não permitem encontrar entre eles reações características“.

Em 1860, analisando o espectro de emissão produzido por uma gota de água mineral de Dürkheim [cidade alemã localizada na região de Colônia], eles descobriram um novo elemento. Vejamos como eles o anunciaram:

Propomos dar ao novo metal o nome de césio (simbolo Cs), de caesius, que entre os antigos servia para designar o azul da parte superior do firmamento, cujo nome nos parece se justifica pela facilidade com que se pode comprovar com a formosa cor azul dos vapores incandescentes deste novo corpo simples, a presença de alguns milésimos de miligramas deste elemento misturado com óxido de sódio, óxido de lítio e com óxido de estrôncio“.

Ainda nesta mesma Memória eles descreveram o caminho que o havia conduzido ao descobrimento do Rubídio(Rb), “de rubidus, que entre os antigos servia para designar o vermelho mais intenso“.

Nos anos seguintes outros elementos seriam identificados mediante a técnica da análise espectral: o Tálio (TI), em 1861 por William Crookes (1832-1919); o Indio (In), em 1863 por Reich e Ritcher; o Hélio em 1869, por Norman Lockyer (1836-1920); o Gálio (Ga) em 1875, por Paul E. Lecoq de Boisbaudran (1838-1912); o Escândio (Sc) em 1879, por Lars F. Nilson (1840-1899) e o Germânio (Ge) em 1886, por Clemens A. Winkler (1838-1904).

Se o leitor ainda me acompanha ao final desta coluna, que já vai longa, poderá concluir comigo o quanto, de fato, a contribuição de Gustav Robert Kirchhoff e Robert Wilhem Bunsen foi essencial.

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