Coleção de Química Conceitual 1 Estrutura Atômica, Ligações e Estereoquímica Henrique E. Toma Lançamento 2013 ISBN: 9788521207290 Páginas: 144
Formato: 17x24 cm
Introdução
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COLEÇÃO de QUÍMICA CONCEITUAL volume um
ESTRUTURA ATÔMICA, LIGAÇÕES E ESTEREOQUÍMICA
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Introdução
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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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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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Introdução
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INTRODUÇÃO
Para compreender melhor o mundo, é indispensável conhecer 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, principalmente, dos processos que modificam 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. verificação de sua capacidade de previsão. Atualmente, com o avanço dos recursos computacionais, os modelos são cada vez mais elaborados, e as teorias, aperfeiçoadas, têm maior capacidade de previsão. Em algumas áreas, como na Química Teórica, os modelos frequentemente antecipam os fatos, porém, mesmo assim, sempre dependerão de experimentos e medidas para a sua con-
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Matéria e energia
CAPÍTULO
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MATÉRIA E ENERGIA
Quando ainda não existia o tempo, ocorreu um evento, quebrando a singularidade reinante. De repente, de alguma 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 universo. Do domínio da energia, em um infinitésimo 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 necessários para o surgimento da vida, pelo menos em nosso planeta. Essa é a visão simplificada da origem do universo, segundo a ciência moderna.
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Big bang, o início de tudo – uma visão pictórica da origem do universo no espaço e no tempo.
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A natureza quântica da matéria
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A NATUREZA QUÂNTICA DA MATÉRIA
A ideia de um átomo constituído por um núcleo ao redor do qual giram os elétrons representou um avanço significativo 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 elétron acabaria caindo no núcleo. Os átomos, contudo, são estáveis, e o colapso elétron–núcleo não se verifica. Para explicar o modelo de átomo nuclear proposto por Rutherford, 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 utilizar 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 elétrons só se verifica quando a frequência da radiação, ou sua energia, atinge um valor limite, conhecido como energia de ionização. Isso significa que a distribuição da energia no interior do átomo não se dá de forma contínua, mas segundo níveis discretos de energia. Quando a energia fornecida
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Classificação periódica dos elementos
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CLASSIFICAÇÃO 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 importante 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 gálio 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 funcional. Provavelmente, nesta era da mecânica quântica, uma
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Classificação periódica dos elementos
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ESTRUTURA MOLECULAR E LIGAÇÃO QUÍMICA
O meio material ao nosso redor reflete 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 essencial 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 interagem, dando origem a novos compostos, ou levam à dissolução de resíduos por meio da formação de novas ligações (solventes e detergentes). Dessa forma, um número ilimitado de compostos participa do nosso dia a dia, das mais variadas formas. As teorias atuais sobre ligação química foram, em grande 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 elétrons, colocados entre os símbolos dos elementos.
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Classificação periódica dos elementos
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SIMETRIA MOLECULAR
A disposição espacial dos átomos em uma molécula constitui 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 hibridização dos orbitais é uma forma de adaptá-los à geometria molecular, porém o fator determinante é a disposição das ligações e dos elétrons na camada de valência. Em moléculas maiores e mais volumosas, as interações entre os átomos ligados também desempenham papel importante na determinação da geometria molecular. Uma maneira eficiente de se apreciar, de forma racional, a geometria molecular, consiste em identificar os elementos 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 reflexão, de forma a conduzir a uma nova situação de equivalência. Cada operação de simetria é executada sobre o correspondente elemento de simetria. Existem quatro tipos de elementos de simetria, conhecidos como eixos de rotação (Cn), centro de inversão (i),
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Classificação periódica dos elementos
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ESTEREOQUÍMICA E TEORIAS DE REPULSÃO INTERELETRÔNICA
Teoria dos Quartetos Duplos de Linnett Um fato que não pode ser esquecido, é que os elétrons sempre se repelem, e o reflexo disso pode ser observado até na disposição dos átomos nos compostos. Como já foi discutido, 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 figura 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 natureza 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 ficará composto por dois quartetos de elétrons de mesma natureza. Mantendo a visão cúbica, os elétrons de mesmo spin ficariam dispostos segundo os vértices de um tetraedro, para manter uma maior distância possível uns dos outros, de modo a minimizar a repulsão. O cubo, na realidade, equivale a dois tetraedros interpenetrados, como pode ser visto na Figura 7.1.
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Conversa com o leitor
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CONVERSA COM O LEITOR
Neste volume você foi apresentado ao mundo da química, e pôde perceber a linguagem expressa em termos de símbolos, fórmulas e unidades. Não se preocupe se tiver dificuldade 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 dificuldades 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 hamiltonianos. As dificuldades iniciais não devem servir de desestímulo, e a persistência é fundamental. Hoje, a linguagem científica 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