Idioma:
  Português  
Logotipo
Navegação
ilustração rodapé
Busca Rápida
Use palavras-chave para achar o que procura.
ilustração rodapé
Estatísticas
UO
0 usuários on-line
VO
31 visitantes on-line
VI
182.002 visitas
(Ano 2015)
ilustração rodapé
Redes Sociais
redeSocial2
redeSocial1
ilustração rodapé
RSS
RSS
ilustração rodapé
Estrutura Molecular
ImprimirImprimir ImprimirEnviar para um amigo
Compartilhe: Delicious Facebook Twitter Digg Google Technorati Live Yahoo

Estrutura Molecular: o conceito fundamental da Química

Originalmente publicado em Química Nova na Escola, n.7, 1998
Apoio: Sociedade Brasileira de Química
Edição: Leila Cardoso Teruya
Coordenação: Guilherme Andrade Marson
1880: Estrutura molecular

A ciência química, ao menos nos cem últimos anos, desenvolveu-se em torno de um grande e fundamental conceito unificador: a estrutura molecular. O químico vem, nesse mesmo período, identificando química com estrutura molecular. O químico é como que um profissional das moléculas, e quando ‘pensa’ nelas ele tem como objeto um arranjo tridimensional muito bem definido dos átomos que constituem cada molécula em particular no espaço. Exemplo: o arranjo planar e angular de dois hidrogênios e um oxigênio na água e o arranjo tetraédrico dos quatro hidrogênios em torno do carbono no metano etc.

Não é difícil entendermos o porquê desse caráter fundamental do conceito de estrutura molecular para o químico. Tomemos inicialmente os átomos. Eles são em um número um pouco superior a cem (ver a tabela periódica). Apenas pouco mais de cem. E o número de moléculas conhecidas hoje? Cerca de dez milhões. Não seria possível uma mesma ciência, um mesmo tratamento científico desses dez milhões de unidades sem um conceito ou modelo unificador de suas estruturas e propriedades físicas. Esse conceito reside justamente em descrever cada molécula como um arranjo tridimensional específico a partir de cerca de apenas cem tipos de ‘blocos básicos’: os átomos. Evidentemente os químicos precisavam, antes de tudo, entender bem a estrutura e as propri

edades de cada um desses cerca de cem tipos de tijolos atômicos. Depois, precisaram responder a uma questão fundamental — e é dela que trata o presente texto — sobre cada arquitetura molecular: por que uma dada molécula (como a da água) tem exatamente uma geometria específica e não qualquer outro arranjo espacial de seus átomos constituintes? A partir dessa resposta, os químicos concluíram que nesse arranjo ou geometria privilegiada de cada molécula, os átomos constituintes permanecem praticamente sem deformações em relação a sua estrutura original quando ainda não ligados. Apesar de todos os avanços da química teórica, é exatamente isso que permite ao químico, essencialmente, manter o modelo tradicional da estrutura molecular como arranjo tridimensional dos átomos constituintes. É importante acrescentar que essa mesma geometria privilegiada permanece praticamente inalterável mesmo quando, em fase condensada (fases líquida ou sólida), as moléculas se aproximam e interagem entre si de modo mais apreciável. Ou seja, o mesmo modelo de estrutura molecular é válido nos três estados da matéria. Essa notável ‘resistência’ da estrutura molecular quando em fase condensada não será abordada no presente texto.

Mecânicas

As respostas às questões acima envolvem o que podemos denominar ‘teoria padrão’ dos 300 últimos anos da história das ciências naturais: a descrição dos fenômenos em termos de modelos mecânicos, a começar pela mecânica clássica ou newtoniana.

Como acontece com todas as mecânicas, a mecânica clássica começa com uma equação fundamental e geral: a ‘equação do movimento’, cuja forma mais adequada é E = T + V (energia total do sistema, que vamos admitir constante, é igual à soma das energias cinética e potencial das partículas do sistema). Para um dado sistema de n partículas que interagem entre si sob um dado potencial (por exemplo: potencial gravitacional, potencial eletrostático de Coulomb etc.), podemos prever no tempo todas as outras configurações subseqüentes, se fornecermos uma configuração ou arranjo espacial dessas partículas com as velocidades iniciais de cada uma delas. Essa é a solução da equação do movimento: a descrição espaçotemporal das partículas do sistema.

Infelizmente, essa mecânica mostrouse incapaz de responder sequer à questão central acima formulada por volta de 1880: por que uma molécula tem uma dada geometria privilegiada e não qualquer outra? Do ponto de vista de uma descrição mecânica em termos de energia, isso equivale a perguntar sobre a estabilidade molecular: por que há uma geometria molecular particularmente estável, ou seja, com uma energia total notavelmente baixa em relação a todos os outros arranjos espaciais possíveis? Foi preciso uma nova mecânica — somente disponível em 1926 — para responder a essas e a outras questões acerca das propriedades físicas do mundo atômico-molecular. É a mecânica quântica.

Essa nova mecânica também parte de uma equação fundamental do ‘movimento’ que tem semelhança ao menos formal com a equação-mãe da mecânica newtoniana: EY = TY + VY. É a equação de Schrödinger. A solução que objetivamos ao resolver essa equação agora consiste em obter a ‘função de onda’ Y do sistema (por exemplo, um átomo ou uma molécula). Essa função não mais fornece a evolução espaço-temporal das partículas do sistema, e aliás nem tem relação direta, ela mesma, com nenhum dado experimental. No entanto, é o principal instrumento para calcularmos (e daí testarmos em laboratório) valores de qualquer variável fisicamente significativa desse mesmo sistema. Por isso, Y é também denominada ‘descrição completa do sistema’.

1930: Estrutura molecular e mecânica quântica

Por volta de 1927, essa nova mecânica começou a ser aplicada com sucesso para descrever as estruturas de átomos e moléculas. No caso de átomos, tem-se a estrutura de camadas eletrônicas, com cada elétron aproximadamente descrito por uma função de onda própria, ou seja, um ‘orbital atômico’. A função completa Y para o sistema de n elétrons é então obtida (em termos bastante simplificados) pelo produto dos n orbitais atômicos. Temos então as famosas ‘configurações eletrônicas’ de cada átomo na tabela periódica (átomo de hidrogênio, 1s; átomo de hélio, 1s2; átomo de lítio, 1s2 2s etc., onde 1s, 2s etc. são funções que descrevem espacialmente os orbitais, que diferem entre si em tamanho e forma).

Já no caso de moléculas, a solução da equação de Schrödinger correspondente era tão complexa e demorada que foi necessária uma aproximação na própria equação para que resultados exeqüíveis pudessem ser alcançados. Essa aproximação, conhecida como aproximação de Born-Oppenheimer, de 1927, baseou-se na enorme disparidade mássica entre elétrons e núcleos: estes últimos possuem massas no mínimo duas mil vezes maiores que a de cada elétron (essa disparidade vale para o hidrogênio; já para o lítio, por exemplo, a relação entre a massa dos elétrons e do núcleo é ainda maior: 1:14 000). Com isso, pode-se desdobrar o problema em duas partes, um correspondendo ao movimento eletrônico, outro ao movimento nuclear:

1. Primeiro, descreve-se o movimento quântico das ‘velozes’ partículas eletrônicas em torno dos núcleos relativamente bem mais ‘pesados’ e quase ‘imóveis’, tratados nesse caso como partículas clássicas (isto é, podendo ser bem localizados e imobilizados ao mesmo tempo). Para cada arranjo nuclear R fixado (R é a distância internuclear em uma molécula diatômica, tomada aqui como referência), temos um padrão de probabilidade eletrônica. Esse padrão é convenientemente reinterpretado pelo químico no seu cotidiano como uma nuvem eletrostática de carga (‘nuvem eletrônica’).

2. Depois, descreve-se o movimento quântico dos núcleos no próprio campo (médio) de energia potencial fornecido pela ‘nuvem eletrônica’. Tomando- se uma molécula diatômica, essa função de energia potencial nuclear U depende da distância internuclear R, isto é, U = U(R). Esse campo de potencial eletrônico tem uma forma matemática tal que ele apresenta um mínimo agudo de energia (ou ‘fundo de poço’) em torno de uma dada geometria nuclear: a geometria ou configuração de equilíbrio, que é justamente a geometria privilegiada exibida pela molécula na natureza. Numa molécula diatômica, essa geometria de equilíbrio é dada pela distância internuclear Requil entre os dois núcleos da molécula, que é mensurável experimentalmente. Pois bem, o campo U(R) permite a separação (aproximada) adicional do movimento dos núcleos em dois submovimentos: a) movimento rígido de rotação de todos os núcleos na geometria de equilíbrio Requil – e b) movimento sincronizado (‘coletivo’) de pequenas vibrações (ou de pequenas amplitudes) de todos os núcleos em torno de suas respectivas posições na geometria de equilíbrio Requil. Finalmente, concluímos que a forma da ‘nuvem eletrônica’ privilegiada será aquela associada à distância de equilíbrio Requil.

A partir das considerações energéticas que acabamos de tecer, temos que a energia total da molécula separa-se aproximadamente em três fragmentos, cada um correspondendo a um dos movimentos internos da molécula conforme descritos anteriormente: a) o pedaço com quase 100 por cento da energia, a energia eletrônica Eel, calculada na geometria rígida Requil do fundo do poço de potencial b) a energia (quantizada) de vibração nuclear Evib (cerca de 100 vezes menor que Eel) e c) a energia (quantizada) do movimento rotacional nuclear Erot (cerca de 100 vezes menor que Evib). Isto é, a energia total da molécula é Etotal ≈ Eel + Evib + Erot. Essa é a fórmula fundamental de toda a abordagem quantomecânica da chamada ‘espectroscopia molecular’, que estuda a estrutura e propriedades moleculares por meio da interação entre radiação eletromagnética e moléculas.

Figura 1: Densidade eletrônica típica de molécula diatômica homonuclear.

Figura 1: Densidade eletrônica típica de molécula diatômica homonuclear.

Como foi apresentado, os núcleos ‘enxergam’ o movimento eletrônico médio como nós enxergamos as pás de um ventilador em movimento. Assim, podemos introduzir e utilizar aqui o conceito de ‘nuvem’ ou densidade eletrônica de um modo mais fisicamente significativo. Essa densidade é obtida resolvendo-se a equação de Schrödinger para o movimento eletrônico no campo dos ‘núcleos fixos’ (item a acima). Para cada valor fornecido de R obtemos uma densidade diferente. No entanto, como o movimento vibracional nuclear praticamente se restringe a pequeníssimos desvios em torno de suas respectivas posições de equilíbrio em Requil, a densidade eletrônica fisicamente significativa é aquela obtida para essa mesma distância. Como a ordem de grandeza de Requil em moléculas diatômicas é de um angstrom (10-8 cm), o desenho final da estrutura molecular (com dois núcleos idênticos), em termos de sua descrição quântica, é o de uma nuvem eletrônica na forma de um elipsóide de revolução de dimensões da ordem do angstrom, envolvendo os dois núcleos fixos localizados nos dois focos do elipsóide e separados pela distância ou geometria de equilíbrio Requil (Fig. 1).

É esse portanto o modelo fundamental de estrutura molecular tal como descrito pela mecânica quântica. Ele prevê corretamente a geometria de equilíbrio experimental, bem como a forma e a estrutura experimental da nuvem eletrônica.

1980: Moléculas têm estrutura?

Assim, recuperamos através da mecânica quântica o conceito fundamental da química. Mas teremos recuperado o modelo de estrutura molecular de modo puramente quântico, sem nenhum artifício estranho a tal mecânica? Essa interrogação foi levantada pelo físico-químico inglês Woolley no final da década de 70. Woolley argumenta que, ao contrário do que se pensa atualmente, a resposta é ‘não’. Dentro do tratamento matemático acima mencionado de separação de movimentos eletrônico e nuclear (aproximação de Born- Oppenheimer — BO), o próprio conceito físico de estrutura molecular é introduzido sutilmente (mas conscientemente, por Born e Oppenheimer). Assim, o conceito fundamental da química não surgiria ao final de um tratamento quântico pretensamente restrito apenas a golpes de uma técnica matemática aproximativa. O conceito básico de toda a química, tal como a conhecemos, só foi recuperado ao final do tratamento quântico de Born- Oppenheimer porque ele simplesmente foi introduzido ad hoc — como um conceito geométrico de núcleos fixos da mecânica clássica — no início daquele próprio tratamento matemático. Isso evidencia a enorme ‘resistência’ do conceito químico — ainda clássico, não quântico — de estrutura molecular dentro da nova mecânica. Em outras palavras, continua Woolley, se resolvermos a equação molecular completa de Schrödinger — sem separação alguma em seus movimentos internos —, a previsão é de que a tradicional estrutura molecular da Fig.1 estaria totalmente ausente da função de onda molecular exata. Mas se a estrutura molecular é uma propriedade que vem sendo medida em laboratório (difração de raios X etc.), como explicar de modo também puramente quântico tal resultado experimental?

Para responder a essa pergunta, Woolley dá, ao mesmo tempo, uma explicação para o sucesso da aproximação semiclássica de BO quanto as suas previsões estruturais, experimentalmente confirmadas. Para Woolley, a criatividade desses dois pioneiros da mecânica quântica foi terem construído um modelo não rigorosamente quântico de molécula isolada capaz de simular certas propriedades que em termos rigorosamente quânticos resultariam de interações entre um número imenso de moléculas, vale dizer, propriedades de meio ou de muitos corpos (many body). Assim, por exemplo, o metano (CH4) não ‘teria’ uma estrutura tetraédrica como normalmente nos é ensinado; tal estrutura tetraédrica somente emergiria mediante uma concentração ou aglomeração suficientemente grande de moléculas de metano, aglomeração essa que já seria alcançável em fase gasosa, desde que a pressão não seja excessivamente baixa. Com isso, responde-se também à pergunta final do último parágrafo: em termos rigorosamente quânticos, o conceito de estrutura molecular não emergiria, ainda segundo Woolley, como uma propriedade intrínseca das moléculas individuais — – ao contrário do que pensa a quase totalidade da comunidade química — mas sim como resultante de interações intermoleculares ou de interações entre moléculas e campos externos, o que seria extremamente difícil de se calcular ab initio ainda hoje.

Woolley aponta enfim para o futuro: com o avanço de técnicas de medidas moleculares estaríamos chegando a trabalhar no limite da molécula isolada, isto é, a trabalhar com estados quânticos moleculares estáveis no tempo (estados estacionários) e em fase gasosa em condições de extrema rarefação que praticamente eliminem interações intermoleculares. Nesse limite, se acompanhássemos Woolley, teríamos atingido uma espécie de limite molecular de uma mecânica sem química, ou melhor, sem estrutura molecular.

Uma série de trabalhos no início dos anos 80 mostrou que tal posição tão radical de Woolley na verdade não se sustentava. Pelo menos em moléculas diatômicas — no limite da ‘molécula isolada’ —, podemos recuperar de modo rigorosamente quântico o conceito fundamental tradicional de estrutura como aparece na Fig. 1. Em sistemas poliatômicos, porém, ao menos parte das reservas de Woolley devem ser levadas em conta, uma discussão que vai além dos objetivos do presente trabalho.

  • Referências
    1. Para introdução elementar ao conceito de estrutura molecular veja: RUSSELL, J.B. Química Geral, 2. Ed. São Paulo: Makron Books, 1994. Principalmente capítulos 8 e 19.
    2. Para considerações gerais relativamente simplificadas sobre o conceito de estrutura molecular e, em particular, sobre a questão levantada por Woolley, leia: WEININGER, S. The molecular structure conundrun: can classical chemistry be reduced to quantum chemistry, J. Chemical Education, v. 61, p. 939, 1984.
    3. Para uma análise quanto-mecânica profunda do conceito de estrutura molecular (tendo em vista a análise crítica das posições de Woolley), leia: CLAVERIE, P., DINER, S. The concept of molecular structure in quantum theory: Interpretation problems, Israel J. Chem., v. 19, p. 54, 1980.
    4. Para a recuperação rigorosamente quântica do conceito de estrutura molecular em moléculas diatômicas, leia: TOSTES, J.G.R. Molecular shape effects and quantum theory. Theor. Chim. Acta (Ber.), v. 59, p. 229, 1981.
    5. A descrição de qual modelo ensinar é feita pelo professor Chassot no artigo: CHASSOT, A.I. Sobre prováveis modelos de átomos, Química Nova na Escola, n. 3 maio, 1996, p. 3.
ImprimirImprimir ImprimirEnviar para um amigo
Compartilhe: Delicious Facebook Twitter Digg Google Technorati Live Yahoo
Login
ilustração rodapé
Tema
97881 visitas
Tema
55992 visitas
Tema
50630 visitas
Tema
44414 visitas
Tema
32160 visitas
Tema
31603 visitas
Tema
30946 visitas
Tema
29174 visitas
Tema
23418 visitas
Tema
21224 visitas
Tema
21131 visitas
Tema
20556 visitas
Tema
19949 visitas
Tema
19847 visitas
Tema
19613 visitas
Tema
18874 visitas
Tema
16529 visitas
Tema
16135 visitas
Tema
13771 visitas
Tema
12856 visitas
Tema
10806 visitas
Tema
10451 visitas
Tema
8762 visitas
Tema
8620 visitas
Tema
8475 visitas
Tema
7891 visitas
Tema
4154 visitas
Tema
3714 visitas
Tema
3485 visitas
Tema
3121 visitas
Tema
2529 visitas
Tema
2003 visitas
Tema
1767 visitas
ilustração rodapé
Conceito
78515 visitas
Conceito
70000 visitas
Conceito
52026 visitas
Conceito
50601 visitas
Conceito
47386 visitas
Conceito
37762 visitas
Conceito
36229 visitas
Conceito
34282 visitas
Conceito
29869 visitas
Conceito
27343 visitas
Conceito
25352 visitas
Conceito
24029 visitas
Conceito
17160 visitas
Conceito
17049 visitas
Conceito
16344 visitas
Conceito
16139 visitas
Conceito
16118 visitas
Conceito
15298 visitas
Conceito
14943 visitas
Conceito
14033 visitas
Conceito
13643 visitas
Conceito
13036 visitas
Conceito
12625 visitas
Conceito
10688 visitas
Conceito
10230 visitas
Conceito
8619 visitas
Conceito
7673 visitas
Conceito
6362 visitas
Conceito
5234 visitas
Conceito
4203 visitas
Conceito
3945 visitas
Conceito
3160 visitas
ilustração rodapé
Molécula
8777 visitas
Molécula
7864 visitas
Molécula
6551 visitas
Molécula
6352 visitas
Molécula
5866 visitas
Molécula
5437 visitas
Molécula
5417 visitas
Molécula
4744 visitas
Molécula
4676 visitas
Molécula
4610 visitas
Molécula
4281 visitas
Molécula
4255 visitas
Molécula
4172 visitas
Molécula
4123 visitas
Molécula
4067 visitas
Molécula
3949 visitas
Molécula
3928 visitas
Molécula
3906 visitas
Molécula
3831 visitas
Molécula
3771 visitas
Molécula
3759 visitas
Molécula
3711 visitas
Molécula
3635 visitas
Molécula
3467 visitas
Molécula
3464 visitas
Molécula
3394 visitas
Molécula
3392 visitas
Molécula
3290 visitas
Molécula
3285 visitas
Molécula
3234 visitas
Molécula
3221 visitas
Molécula
3211 visitas
Molécula
3171 visitas
Molécula
3089 visitas
Molécula
3081 visitas
Molécula
3056 visitas
Molécula
3023 visitas
Molécula
3012 visitas
Molécula
2917 visitas
Molécula
2907 visitas
Molécula
2886 visitas
Molécula
2878 visitas
Molécula
2850 visitas
Molécula
2775 visitas
Molécula
2722 visitas
Molécula
2714 visitas
Molécula
2706 visitas
Molécula
2679 visitas
Molécula
2647 visitas
Molécula
2601 visitas
Molécula
2580 visitas
Molécula
2573 visitas
Molécula
2565 visitas
Molécula
2548 visitas
Molécula
2545 visitas
Molécula
2509 visitas
Molécula
2434 visitas
Molécula
2424 visitas
Molécula
2420 visitas
Molécula
2417 visitas
Molécula
2337 visitas
Molécula
2318 visitas
Molécula
2299 visitas
Molécula
2260 visitas
Molécula
2236 visitas
Molécula
2217 visitas
Molécula
2192 visitas
Molécula
2182 visitas
Molécula
2182 visitas
Molécula
2158 visitas
Molécula
2157 visitas
Molécula
2152 visitas
Molécula
2145 visitas
Molécula
2122 visitas
Molécula
2091 visitas
Molécula
2078 visitas
Molécula
2075 visitas
Molécula
2075 visitas
Molécula
2029 visitas
Molécula
2009 visitas
Molécula
2007 visitas
Molécula
1996 visitas
Molécula
1979 visitas
Molécula
1963 visitas
Molécula
1948 visitas
Molécula
1941 visitas
Molécula
1936 visitas
Molécula
1934 visitas
Molécula
1912 visitas
Molécula
1900 visitas
Molécula
1892 visitas
Molécula
1867 visitas
Molécula
1861 visitas
Molécula
1818 visitas
Molécula
1777 visitas
Molécula
1737 visitas
Molécula
1720 visitas
Molécula
1719 visitas
Molécula
1708 visitas
Molécula
1686 visitas
Molécula
1683 visitas
Molécula
1683 visitas
Molécula
1654 visitas
Molécula
1571 visitas
Molécula
1567 visitas
Molécula
1562 visitas
Molécula
1561 visitas
Molécula
1547 visitas
Molécula
1528 visitas
Molécula
1512 visitas
Molécula
1483 visitas
Molécula
1456 visitas
Molécula
1373 visitas
Molécula
1356 visitas
Molécula
1350 visitas
Molécula
1300 visitas
Molécula
1241 visitas
Molécula
770 visitas
Molécula
643 visitas
ilustração rodapé
Sala de Aula
10970 visitas
Sala de Aula
10444 visitas
Sala de Aula
9227 visitas
Sala de Aula
7654 visitas
Sala de Aula
7461 visitas
Sala de Aula
7161 visitas
Sala de Aula
6182 visitas
Sala de Aula
5919 visitas
Sala de Aula
5359 visitas
Sala de Aula
4851 visitas
Sala de Aula
4629 visitas
Sala de Aula
4458 visitas
Sala de Aula
4410 visitas
Sala de Aula
4212 visitas
Sala de Aula
4184 visitas
Sala de Aula
4023 visitas
Sala de Aula
3596 visitas
Sala de Aula
3578 visitas
Sala de Aula
3563 visitas
Sala de Aula
3458 visitas
Sala de Aula
3457 visitas
Sala de Aula
3352 visitas
Sala de Aula
3327 visitas
Sala de Aula
3250 visitas
Sala de Aula
3181 visitas
Sala de Aula
3119 visitas
Sala de Aula
2848 visitas
Sala de Aula
2677 visitas
Sala de Aula
2610 visitas
Sala de Aula
2363 visitas
Sala de Aula
2189 visitas
Sala de Aula
2043 visitas
Sala de Aula
1021 visitas
ilustração rodapé
ilustração rodapé
Materiais Associados
ilustração rodapé
Laboratório de Tecnologia Educacional
Departamento de Bioquímica
Instituto de Biologia - Caixa Postal n° 6109
Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP
CEP 13083-970, Campinas, SP, Brasil

Política de Privacidade