Coleção de Química Conceitual 1 - Estrutura Atômica, Ligações

e Estereoquímica

Lançamento 2013

Henrique E. Toma

ISBN: 9788521207290Páginas: 144

Formato: 17x24 cm

1Introdução

COLEÇÃO de QUÍMICA CONCEITUALvolume um

ESTRUTURA ATÔMICA,LIGAÇÕES E ESTEREOQUÍMICA

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9Introdução

CONTEÚDO

1 INTRODUÇÃO, 11 A Questão das Unidades e da Nomenclatura, 15

2 MATÉRIA E ENERGIA, 19 Luz, 23 O Elétron, 39 O Próton, 42 O Nêutron, 42 O Átomo Nuclear, 43 A existência do núcleo, 44 Número Atômico, 45 Massa Atômica e Isótopos, 45 Visão Microscópica do Átomo, 47

3 A NATUREZA QUÂNTICA DA MATÉRIA, 51 A Mecânica Quântica, 55 O Spin Eletrônico e o Princípio de Pauli, 63

4 CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA DOS ELEMENTOS, 71 Propriedades Periódicas, 76

5 ESTRUTURA MOLECULAR E LIGAÇÃO QUÍMICA, 81 Eletronegatividade, Polaridade, Distâncias e Energias de Ligação, 84 Abordagem Quântica da Ligação Química, 88 Ligações Químicas em Moléculas Poliatômicas, 96 Ligações Múltiplas, 97

6 SIMETRIA MOLECULAR, 103 Grupo de Ponto, 106

7 ESTEREOQUÍMICA E TEORIAS DE REPULSÃO INTERELETRÔNICA, 111 Teoria dos Quartetos Duplos de Linnett, 111

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10 Estrutura atômica, ligações e estereoquímica

A expansão do octeto, 115 Teoria da Repulsão dos Pares Eletrônicos de Valência (TRPEV), 116 Teoria do Campo Ligante – Estereoquímica de Compostos de Coordenação, 121 Estereoisomeria, 126 Isomeria Geométrica, 126 Isomeria Óptica, 128 Isomeria Conformacional, 130

8 CONVERSA COM O LEITOR, 133 Questões provocativas, 135

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11Introdução

CAPÍTULO 1INTRODUÇÃO

Para compreender melhor o mundo, é indispensável co-nhecer a composição dos corpos e as leis que regem as transformações da matéria. Em outras palavras, é preciso falar de Química, que, como ciência, trata da composição, estrutura e propriedades das substâncias e, principalmen-te, dos processos que modifi cam sua natureza, permitindo a criação de novas substâncias.

Na Química, as teorias existentes passaram, de uma forma ou outra, pelo caminho da

1. observação;

2. experimentação;

3. proposição de modelo; e

4. verifi cação de sua capacidade de previsão.

Atualmente, com o avanço dos recursos computacio-nais, os modelos são cada vez mais elaborados, e as teorias, aperfeiçoadas, têm maior capacidade de previsão. Em algu-mas áreas, como na Química Teórica, os modelos frequen-temente antecipam os fatos, porém, mesmo assim, sempre dependerão de experimentos e medidas para a sua con-

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19Matéria e energia

CAPÍTULO 2MATÉRIA E ENERGIA

Big bang, o início de tudo – uma visão pictórica da origem do universo no espaço e no tempo.

Quando ainda não existia o tempo, ocorreu um evento, quebrando a singularidade reinante. De repente, de algu-ma forma, toda a matéria, energia, espaço e tempo se fez presente, como em uma grande explosão. Aconteceu o “big bang”. Os ecos desse momento ainda ressoam pelo univer-so. Do domínio da energia, em um infi nitésimo de tempo, surgiram as partículas elementares que se condensaram em matéria, formando posteriormente as galáxias. Milhões de anos se passaram até então. Outros bilhões foram ne-cessários para o surgimento da vida, pelo menos em nosso planeta. Essa é a visão simplifi cada da origem do universo, segundo a ciência moderna.

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51A natureza quântica da matéria

A ideia de um átomo constituído por um núcleo ao redor do qual giram os elétrons representou um avanço signifi ca-tivo no desenvolvimento da teoria atômica. Entretanto, de acordo com a física clássica, o deslocamento do elétron ao longo de sua órbita deveria ser acompanhado pela emissão de energia eletromagnética. Com a perda de energia, o elé-tron acabaria caindo no núcleo. Os átomos, contudo, são estáveis, e o colapso elétron–núcleo não se verifi ca. Para explicar o modelo de átomo nuclear proposto por Ruther-ford, seria necessário romper com a Física clássica. Esse passo foi dado por Niels Bohr (Figura 3.1), em 1913, ao lançar uma proposta muito arrojada que, posteriormente, levaria ao surgimento da mecânica quântica.

Albert Einstein (Figura 3.2) foi um dos primeiros a uti-lizar a teoria de Planck, já em 1905, para explicar o efeito fotoelétrico apresentado por alguns materiais capazes de emitir elétrons, quando expostos a luz. A emissão de elé-trons só se verifi ca quando a frequência da radiação, ou sua energia, atinge um valor limite, conhecido como energia de ionização. Isso signifi ca que a distribuição da energia no interior do átomo não se dá de forma contínua, mas segun-do níveis discretos de energia. Quando a energia fornecida

CAPÍTULO 3A NATUREZA QUÂNTICA DA MATÉRIA

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71Classifi cação periódica dos elementos

Em quase todo laboratório ou sala de aula de Química é possível encontrar uma Tabela Periódica dos Elementos (Tabela 4.1). Nessa tabela, os elementos com propriedades semelhantes estão alinhados em colunas, constituindo o que chamamos de famílias, sendo que as linhas horizontais representam os períodos.

O conceito de periodicidade já data de mais de dois séculos, existindo várias propostas, das quais a mais impor-tante foi a de Dmitri Mendeleev (Figura 4.1), publicada em 1871, tendo como base a disposição dos elementos em 18 colunas, em linhas repetitivas, na sequência de seus pesos atômicos. A Tabela de Mendeleev destacou-se, na época, pela capacidade de previsão, deixando lacunas, reservadas para elementos ainda desconhecidos na época, como o gá-lio e o germânio, que só foram descobertos em 1875 e 1886, respectivamente.

A tabela periódica moderna (Tabela 4.1) é baseada nos números atômicos dos elementos, e se assemelha à de Mendeleev, em virtude do paralelismo existente entre os números atômicos e os pesos atômicos. A forma atual não é necessariamente a mais lógica, porém é compacta e funcio-nal. Provavelmente, nesta era da mecânica quântica, uma

CAPÍTULO 4CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA DOS ELEMENTOS

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81Classifi cação periódica dos elementos

O meio material ao nosso redor refl ete os diversos modos pelos quais os átomos se ligam para formar compostos. Por isso, as ligações químicas representam um assunto de fundamental importância, e seu conhecimento é essen-cial para um melhor entendimento da constituição e das transformações que ocorrem em nosso mundo. Algumas substâncias (alimentos e combustíveis) fornecem energia mediante a quebra de ligações químicas; outras intera-gem, dando origem a novos compostos, ou levam à disso-lução de resíduos por meio da formação de novas ligações (solventes e detergentes). Dessa forma, um número ilimi-tado de compostos participa do nosso dia a dia, das mais variadas formas.

As teorias atuais sobre ligação química foram, em gran-de parte, inspiradas na ideia da união por meio de pares de elétrons, proposta por G. N. Lewis (Figura 5.1) em 1916, logo após o lançamento da teoria de Bohr.

Na concepção de Lewis, os dois elétrons da ligação são atraídos eletrostaticamente por cada núcleo atômico e, dessa forma, são compartilhados por eles. A ligação é representada por meio de dois pontos, que seriam os elé-trons, colocados entre os símbolos dos elementos.

CAPÍTULO 5ESTRUTURA MOLECULAR E LIGAÇÃO QUÍMICA

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103Classifi cação periódica dos elementos

A disposição espacial dos átomos em uma molécula cons-titui a expressão de sua estereoquímica. A geometria ou forma de uma molécula está diretamente relacionada com as ligações químicas, que mantêm os átomos coesos e com os efeitos de repulsão entre os elétrons, no nível da camada de valência, principalmente do átomo central. A hibridiza-ção dos orbitais é uma forma de adaptá-los à geometria mo-lecular, porém o fator determinante é a disposição das liga-ções e dos elétrons na camada de valência. Em moléculas maiores e mais volumosas, as interações entre os átomos ligados também desempenham papel importante na deter-minação da geometria molecular.

Uma maneira efi ciente de se apreciar, de forma racio-nal, a geometria molecular, consiste em identifi car os ele-mentos de simetria presentes na molécula. Os elementos de simetria representam eixos, centro ou planos abstratos, sobre os quais podemos executar operações como rotação, inversão ou refl exão, de forma a conduzir a uma nova situa-ção de equivalência. Cada operação de simetria é executa-da sobre o correspondente elemento de simetria.

Existem quatro tipos de elementos de simetria, conhe-cidos como eixos de rotação (Cn), centro de inversão (i),

CAPÍTULO 6SIMETRIA MOLECULAR

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111Classifi cação periódica dos elementos

Teoria dos Quartetos Duplos de LinnettUm fato que não pode ser esquecido, é que os elétrons sem-pre se repelem, e o refl exo disso pode ser observado até na disposição dos átomos nos compostos. Como já foi discu-tido, mesmo em se tratando de um único átomo com oito elétrons na camada de valência, a imagem congelada, se pudesse ser feita, corresponderia à de uma fi gura de cubo. De fato, a disposição do octeto eletrônico segundo um cubo conduz a uma minimização da repulsão intereletrônica na camada de valência.

Com o estabelecimento do Princípio de Pauli, a nature-za do spin eletrônico passou a ser incorporada na descrição quântica do átomo. Dessa forma, se associarmos a cada par eletrônico de Lewis, os seus respectivos spins, o octeto fi -cará composto por dois quartetos de elétrons de mesma natureza. Mantendo a visão cúbica, os elétrons de mesmo spin fi cariam dispostos segundo os vértices de um tetrae-dro, para manter uma maior distância possível uns dos ou-tros, de modo a minimizar a repulsão. O cubo, na realidade, equivale a dois tetraedros interpenetrados, como pode ser visto na Figura 7.1.

CAPÍTULO 7ESTEREOQUÍMICA E TEORIAS DE REPULSÃO INTERELETRÔNICA

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133Conversa com o leitor

CAPÍTULO 8CONVERSA COMO LEITOR

Neste volume você foi apresentado ao mundo da química, e pôde perceber a linguagem expressa em termos de símbo-los, fórmulas e unidades. Não se preocupe se tiver difi cul-dade de lidar com os números e suas unidades, pois esse é um problema universal ainda fortemente ligado às raízes culturais de cada país. É comum, nos países latinos, ter di-fi culdades em lidar com graus Farenheit, libras, polegadas, etc. Foi esse o motivo que levou a ciência moderna a adotar um sistema de unidades internacional, SI, para ser válido para todos.

A introdução sobre matéria e energia procurou reunir equações e conceitos básicos de física, necessários para lidar com a construção dos modelos e do conhecimento químico. Nessa linha, foi desenvolvido o modelo atômico e apresentada a questão dos isótopos e da radioatividade.

A natureza quântica da matéria mereceu um capítulo próprio, apresentado com uma linguagem simples, apesar de parecer estranha, por lidar com funções de onda e ha-miltonianos. As difi culdades iniciais não devem servir de desestímulo, e a persistência é fundamental. Hoje, a lin-guagem científi ca se apoia no conhecimento quântico, pois é ele que rege o nosso mundo nanométrico onde se situa a

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INOVAÇÃO E

EXCELÊNCIA EM

QUÍMICA