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Introdução à espectroscopia de fotoelétrons

Na técnica analítica de espectroscopia de fotoelétrons (PES), uma amostra é ionizada por meio de radiação de alta energia, e as energias cinéticas dos elétrons ejetados (chamados de fotoelétrons) são medidas. A partir disso, podemos determinar a energia de ionização ou ligação de cada elétron no átomo ou na molécula. Os resultados são apresentados na forma de um espectro de PES, que mostra a contagem de fotoelétrons no eixo "y" e a energia de ligação no eixo "x". Versão original criada por Sal Khan.

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Transcrição de vídeo

RKA21MC - Olá, meu amigo, tudo bem com você? Seja muito bem-vindo a mais um vídeo da Khan Academy Brasil. Neste vídeo eu vou apresentar a ideia da espectroscopia de fotoelétrons, que é uma forma de analisar a configuração eletrônica de uma amostra de um certo tipo de átomo. Sendo assim, o que você verá frequentemente, e inclusive você pode ver algo assim em um exame, em um teste, em uma prova, é um espectro de fotoelétrons que se parece com isso aqui. Bem, a primeira pergunta se fazer aqui é: "O que está acontecendo? Como isso é gerado?" Bem, eu não vou entrar em muitos detalhes, mas de uma forma geral eu posso dizer que a análise é feita pegando o fluxo desse átomo, o fluxo atômico, e indo em uma direção, e aí em outra direção vão ser enviados fótons de alta energia que vão bombardear esses átomos. Esses fótons têm energia autossuficiente. Na verdade, eles são normalmente fotos de raio x, de modo que quando eles colidem, os fótons têm energia alta o suficiente para superar a energia de ligação até mesmo dos elétrons centrais. E conforme esses elétrons são retirados, eles entram em um campo magnético que vai desviar esses elétrons, a fim de fazer eles atingirem um detector. Assim, você pode imaginar que os elétrons estão mais perto do núcleo são aqueles que possuem maior energia de ligação, e mais energia do fóton vai ser usada para arrancá-los dos orbitais. Com isso, menos dessa energia sobrará como forma de energia cinética. Sendo assim, esses elétrons mais internos não vão chegar tão longe. Agora os elétrons mais externos são os que possuem menor energia de ligação, assim esses serão mais fáceis de serem arrancados dos orbitais. Com isso, teremos mais energia do fóton que vai ser transformada em energia cinética. Assim, eles vão se movimentar por uma distância maior e atingir o detector em outro ponto. Sendo assim, uma forma de ver o espectro de fotoelétrons é que ele dá uma sensação de aproximadamente quantos elétrons tem em cada nível de energia de ligação. E você pode ver que há um aumento da energia de ligação à medida que vamos para a esquerda. Agora, a razão pela qual isso faz sentido é que a energia de ligação é inversamente proporcional a quanta energia cinética esses elétrons possuem quando eles são realmente arrancados dos orbitais. Assim, esse pico em nosso espectro na extremidade esquerda são os elétrons mais internos. Agora aqui temos elétrons mais distantes do núcleo, com uma energia de ligação menor que o pico anterior. Depois disso, temos a energia de ligação sendo reduzida a cada pico. Agora, vamos analisar isso para realmente desenvolver a configuração eletrônica desse elemento misterioso aqui. Sabendo disso, eu aconselho você a pausar esse vídeo tentar fazer isso. Bem, como eu mencionei, esse pico aqui na esquerda costuma detectar os elementos mais internos, e não se esqueça que os elétrons mais internos são os elétrons de 1s. Sabemos que eles não são os únicos elétrons desse elemento, porque temos elétrons com energia de ligação mais baixa. Assim, depois de ter preenchido a camada mais interna em que, como sabemos, temos dois elétrons em 1s, podemos pensar no próximo pico. Aqui, repare que temos mais elétrons que no pico anterior. Temos um pico menor e um maior, então isso significa que preenchemos o subnível 2s com dois elétrons, mas ainda tem elétrons aqui nesse pico maior. Nesse caso, isso aqui parece ser 2p, que vai ter seis elétrons. A razão de isso realmente fazer muito sentido é que o detector realmente está detectando mais elétrons ali depois de o subnível 2s ter sido completamente preenchido. Além disso, repare que esse pico maior parece ter três vezes o tamanho do pico menor, ou seja, faz sentido o pico maior ter seis elétrons, já que é três vezes maior que dois elétrons, então isso faz sentido. Na verdade, a forma como isso é construído nem sempre será tão perfeita assim, mas aqui a gente consegue ver isso tudo nitidamente. Então temos os dois subníveis da segunda camada completos: 2s² e 2p⁶ Agora, teremos o próximo pico que vai corresponder a mais uma camada de energia, que nesse caso vai ter uma energia de ligação mais baixa, ou seja, é mais fácil retirar esses elétrons dos orbitais. Esse parece ser 3s², já o próximo pico aqui parece ser 3p⁶, então ele fica completamente preenchido. Agora temos mais um pico depois desses. Esse pico parece ter o mesmo número de elétrons que todos os outros no subnível s, e sabemos, pelo princípio de aufbau, que o próximo nível a ser preenchido é o 4s, e pelo gráfico parece que temos dois elétrons nesse subnível, porque esse pico é muito parecido com as outras camadas 2s que foram preenchidas. Assim, somos capazes de usar um espectro de fotoelétrons para chegar à configuração eletrônica desse elemento misterioso. Sua configuração eletrônica é: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s². E que elemento tem essa configuração eletrônica? Bem, já trabalhamos nisso em outros vídeos, mas a gente pode pegar aqui uma tabela periódica para conferir. 1s² nos leva ao hélio. Temos 2s² 2p⁶, o que nos leva ao neon. Aí, vem 3s² 2p⁶, o que nos leva ao argônio. E por último temos 4s², o que nos leva ao cálcio. Portanto, nosso elemento misterioso é o cálcio. Aí, se alguém perguntasse sobre os elétrons de valência, esse pico aqui é o mais externo, o pico de elétrons com energia de ligação mais baixa. Eles são mais fáceis de serem arrancados E pelo fato de esses elétrons serem mais fáceis de serem arrancados da eletrosfera, a maior parte da energia do fóton é residual depois de superar a energia de ligação. Com isso, essa energia é convertida em energia cinética. Dessa forma, esses elétrons não terão alcance maior. Enfim, isso que vimos aqui é o espectro de fotoelétrons do cálcio . Agora eu quero lhe fazer uma pergunta: como seria o espectro de fotoelétrons do potássio? O potássio tem o número atômico igual a 19, então ele tem 19 prótons no núcleo, enquanto o cálcio tem 20 prótons no núcleo. Vamos assumir aqui que estamos falando do potássio neutro, logo ele vai ter 19 elétrons também. Enfim, pause este vídeo e pense sobre como o espectro de fotoelétrons do potássio seria diferente desse aqui do cálcio. E aí, já pensou? Um detalhe interessante sobre o potássio é que ele vai ter um espectro de fotoelétrons muito semelhante ao do cálcio, mas pelo fato de ter um próton a menos, ele terá um núcleo com uma carga menos positiva. Isso faz com que o núcleo atraia as camadas com menor intensidade. Devido a isso, ainda teremos no potássio um subnível 1s², mas vai ter uma energia de ligação levemente inferior, porque os elétrons serão mantidos pelo núcleo com uma força levemente menor. Algo assim, mas vai ser um pouquinho mais para a direita. Da mesma, forma 2s² vai estar aqui um pouquinho mais à direita, então esse 2p⁶ também vai estar levemente à direita. Mais uma vez, eu não estou desenhando isso aqui perfeitamente porque eu não tenho os dados exatos. Bem, o 3s² também vai estar um pouquinho mais à direita. Novamente falando, temos 19 prótons contra 20 o prótons para o cálcio. Então, o núcleo está puxando essas camadas com uma força um pouquinho menor que no caso do cálcio. Devido a isso, teremos uma energia de ligação mais baixa para qualquer camada ou subcamada. Agora temos o 3p⁶, que também vai estar um pouquinho aqui para a direita. Então, como é que vai ficar o 4s² aqui? Bem, não temos dois elétrons na camada 4s, temos apenas um, porque o potássio tem 19 elétrons, e não 20. Então, teremos aqui esse pico um pouquinho mais para direita, afinal a energia de ligação é mais baixa e, além disso, só vai ter a metade da altura porque temos um elétron e não dois. Portanto, será algo assim. Esse é o espectro de fotoelétrons do potássio, claro, grosso modo. Ah, eu já falei com você que a camada mais externa mostra onde os elétrons de valência estão, então se estamos pensando no potássio, seria bem aqui. Uma coisa também que isso nos diz é que quando estamos pensando sobre a energia de ligação aqui, essa energia de ligação nos diz de quanta energia precisamos para retirar um elétron. Assim, quando você está retirando o primeiro elétron, essa é a primeira energia de ionização. Depois de remover o primeiro elétron por causa de todas as interações entre os elétrons, o seu espectro de fotoelétrons mudaria. Então você não poderia mais pensar sobre a segunda ou a terceira energia de ionização aqui, mas em relação à primeira energia de ionização, você tem que pensar sobre a energia de ligação de seus elétrons mais externos. Enfim eu espero que você tenha compreendido tudo direitinho o que conversamos até aqui, e mais uma vez eu quero deixar para você um grande abraço e até a próxima!