Molécula -Molecule

Imagem de microscopia de força atômica (AFM) de uma molécula de PTCDA , na qual os cinco anéis de seis carbonos são visíveis.
Uma imagem de microscopia de tunelamento de varredura de moléculas de pentaceno , que consistem em cadeias lineares de cinco anéis de carbono.
Imagem AFM de 1,5,9-trioxo-13-azatriangulene e sua estrutura química.

Uma molécula é um grupo de dois ou mais átomos mantidos juntos por forças atrativas conhecidas como ligações químicas ; dependendo do contexto, o termo pode ou não incluir íons que satisfaçam este critério. Em física quântica , química orgânica e bioquímica , a distinção de íons é descartada e molécula é frequentemente usada quando se refere a íons poliatômicos .

Uma molécula pode ser homonuclear , ou seja, constituída por átomos de um elemento químico , por exemplo, dois átomos na molécula de oxigênio (O 2 ); ou pode ser heteronuclear , um composto químico composto por mais de um elemento, por exemplo, água (dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio; H 2 O). Na teoria cinética dos gases , o termo molécula é freqüentemente usado para qualquer partícula gasosa , independentemente de sua composição. Isso diminui a exigência de que uma molécula contenha dois ou mais átomos, uma vez que os gases nobres são átomos individuais. Átomos e complexos conectados por interações não covalentes , como ligações de hidrogênio ou ligações iônicas , normalmente não são considerados moléculas únicas.

Conceitos semelhantes a moléculas têm sido discutidos desde os tempos antigos, mas a investigação moderna sobre a natureza das moléculas e suas ligações começou no século XVII. Refinado ao longo do tempo por cientistas como Robert Boyle , Amedeo Avogadro , Jean Perrin e Linus Pauling , o estudo das moléculas é hoje conhecido como física molecular ou química molecular.

Etimologia

De acordo com o Merriam-Webster e o Online Etymology Dictionary , a palavra "molécula" deriva do latim " moles " ou pequena unidade de massa. A palavra é derivada do francês molécule (1678), do novo latim molecula , diminutivo do latim moles "massa, barreira". A palavra, que até o final do século 18 era usada apenas na forma latina, tornou-se popular depois de ser usada nas obras de filosofia de Descartes .

História

A definição de molécula evoluiu à medida que o conhecimento da estrutura das moléculas aumentou. As definições anteriores eram menos precisas, definindo moléculas como as menores partículas de substâncias químicas puras que ainda mantêm sua composição e propriedades químicas. Essa definição geralmente falha, pois muitas substâncias na experiência comum, como rochas , sais e metais , são compostas de grandes redes cristalinas de átomos ou íons ligados quimicamente , mas não são feitas de moléculas discretas.

O conceito moderno de moléculas pode ser rastreado até os filósofos pré-científicos e gregos, como Leucipo e Demócrito , que argumentaram que todo o universo é composto de átomos e vazios . Por volta de 450 aC Empédocles imaginou elementos fundamentais ( fogo ( Símbolo do fogo (alquímico).svg), terra ( Símbolo da Terra (alquímico).svg), ar ( Símbolo do ar (alquímico).svg) e água ( Símbolo da água (alquímico).svg)) e "forças" de atração e repulsão permitindo que os elementos interagissem.

Um quinto elemento, o éter de quintessência incorruptível , foi considerado o bloco de construção fundamental dos corpos celestes. O ponto de vista de Leucipo e Empédocles, junto com o éter, foi aceito por Aristóteles e passado para a Europa medieval e renascentista.

De maneira mais concreta, porém, o conceito de agregados ou unidades de átomos ligados, ou seja, "moléculas", tem sua origem na hipótese de Robert Boyle de 1661, em seu famoso tratado The Skeptical Chymist , de que a matéria é composta de aglomerados de partículas e essa mudança química resulta do rearranjo dos aglomerados. Boyle argumentou que os elementos básicos da matéria consistiam em vários tipos e tamanhos de partículas, chamadas de "corpúsculos", que eram capazes de se organizar em grupos. Em 1789, William Higgins publicou opiniões sobre o que chamou de combinações de partículas "últimas", que prenunciavam o conceito de ligações de valência . Se, por exemplo, de acordo com Higgins, a força entre a última partícula de oxigênio e a última partícula de nitrogênio fosse 6, então a intensidade da força seria dividida de acordo e de forma semelhante para as outras combinações de partículas últimas.

Amedeo Avogadro criou a palavra "molécula". Em seu artigo de 1811 "Ensaio sobre a determinação das massas relativas das moléculas elementares de corpos", ele afirma essencialmente, ou seja, de acordo com Partington 's A Short History of Chemistry , que:

As menores partículas dos gases não são necessariamente átomos simples, mas são formadas por um certo número desses átomos unidos por atração para formar uma única molécula .

Em coordenação com esses conceitos, em 1833, o químico francês Marc Antoine Auguste Gaudin apresentou um relato claro da hipótese de Avogadro, em relação aos pesos atômicos, fazendo uso de "diagramas de volumes", que mostram claramente ambas as geometrias moleculares semi-corretas, como uma geometria linear molécula de água e fórmulas moleculares corretas, como H 2 O:

Diagramas de volume de Marc Antoine Auguste Gaudin de moléculas na fase gasosa (1833)

Em 1917, um desconhecido engenheiro químico estadunidense chamado Linus Pauling estava aprendendo o método de colagem de colchete de Dalton , que era a descrição dominante de ligações entre átomos na época. Pauling, no entanto, não ficou satisfeito com esse método e buscou um novo método no campo emergente da física quântica. Em 1926, o físico francês Jean Perrin recebeu o Prêmio Nobel de Física por provar, conclusivamente, a existência de moléculas. Ele fez isso calculando a constante de Avogadro usando três métodos diferentes, todos envolvendo sistemas de fase líquida. Primeiro, ele usou uma emulsão tipo sabão gamboge , em segundo lugar, fazendo um trabalho experimental sobre o movimento browniano e, em terceiro lugar, confirmando a teoria de Einstein sobre a rotação de partículas na fase líquida.

Em 1927, os físicos Fritz London e Walter Heitler aplicaram a nova mecânica quântica para lidar com as forças saturáveis ​​e não dinâmicas de atração e repulsão, isto é, forças de troca, da molécula de hidrogênio. O tratamento da ligação de valência desse problema, em seu artigo conjunto, foi um marco na medida em que trouxe a química para a mecânica quântica. O trabalho deles influenciou Pauling, que acabara de receber seu doutorado e visitou Heitler e Londres em Zurique com uma bolsa do Guggenheim .

Posteriormente, em 1931, com base no trabalho de Heitler e London e nas teorias encontradas no famoso artigo de Lewis, Pauling publicou seu artigo inovador "The Nature of the Chemical Bond", no qual ele usou a mecânica quântica para calcular propriedades e estruturas de moléculas, como ângulos entre ligações e rotação sobre ligações. Com base nesses conceitos, Pauling desenvolveu a teoria da hibridização para explicar as ligações em moléculas como CH 4 , nas quais quatro orbitais sp³ hibridizados são sobrepostos pelo orbital 1s do hidrogênio , resultando em quatro ligações sigma (σ) . As quatro ligações são do mesmo comprimento e força, o que produz uma estrutura molecular conforme mostrado abaixo:

Uma apresentação esquemática de orbitais híbridos sobrepostos aos orbitais do hidrogênio

ciência molecular

A ciência das moléculas é chamada de química molecular ou física molecular , dependendo se o foco está na química ou na física. A química molecular lida com as leis que regem a interação entre moléculas que resulta na formação e quebra de ligações químicas, enquanto a física molecular lida com as leis que regem sua estrutura e propriedades. Na prática, porém, essa distinção é vaga. Nas ciências moleculares, uma molécula consiste em um sistema estável ( estado ligado ) composto por dois ou mais átomos. Às vezes , os íons poliatômicos podem ser vistos como moléculas eletricamente carregadas. O termo molécula instável é usado para espécies muito reativas , ou seja, conjuntos de vida curta ( ressonâncias ) de elétrons e núcleos , como radicais , íons moleculares , moléculas de Rydberg , estados de transição , complexos de van der Waals ou sistemas de átomos em colisão como em Condensado de Bose-Einstein .

Prevalência

Moléculas como componentes da matéria são comuns. Eles também compõem a maior parte dos oceanos e da atmosfera. A maioria das substâncias orgânicas são moléculas. As substâncias da vida são moléculas, por exemplo, proteínas, os aminoácidos de que são compostas, os ácidos nucléicos (DNA e RNA), açúcares, carboidratos, gorduras e vitaminas. Os minerais nutrientes são geralmente compostos iônicos, portanto não são moléculas, por exemplo, sulfato de ferro.

No entanto, a maioria das substâncias sólidas familiares na Terra são feitas parcial ou totalmente de cristais ou compostos iônicos, que não são feitos de moléculas. Estes incluem todos os minerais que compõem a substância da Terra, areia, argila, seixos, rochas, pedregulhos, leito rochoso , o interior derretido e o núcleo da Terra . Todos estes contêm muitas ligações químicas, mas não são feitos de moléculas identificáveis.

Nenhuma molécula típica pode ser definida para sais nem para cristais covalentes , embora estes sejam freqüentemente compostos de células unitárias repetidas que se estendem em um plano , por exemplo, grafeno ; ou tridimensionalmente, por exemplo , diamante , quartzo , cloreto de sódio . O tema da estrutura celular unitária repetida também se aplica à maioria dos metais que são fases condensadas com ligação metálica . Assim, os metais sólidos não são feitos de moléculas. Nos vidros , que são sólidos que existem em um estado vítreo desordenado, os átomos são mantidos juntos por ligações químicas sem a presença de qualquer molécula definível, nem qualquer regularidade de repetição da unidade-estrutura-celular que caracteriza sais, cristais covalentes e metais.

Colagem

As moléculas são geralmente mantidas juntas por ligações covalentes . Vários elementos não metálicos existem apenas como moléculas no ambiente, seja em compostos ou como moléculas homonucleares, não como átomos livres: por exemplo, o hidrogênio.

Enquanto algumas pessoas dizem que um cristal metálico pode ser considerado uma única molécula gigante mantida unida por ligações metálicas , outras apontam que os metais se comportam de maneira muito diferente das moléculas.

Covalente

Uma ligação covalente formando H 2 (direita) onde dois átomos de hidrogênio compartilham os dois elétrons

Uma ligação covalente é uma ligação química que envolve o compartilhamento de pares de elétrons entre os átomos. Esses pares de elétrons são denominados pares compartilhados ou pares de ligação , e o equilíbrio estável de forças atrativas e repulsivas entre os átomos, quando eles compartilham elétrons, é denominado ligação covalente .

iônico

Sódio e flúor sofrem uma reação redox para formar fluoreto de sódio . O sódio perde seu elétron externo para dar-lhe uma configuração eletrônica estável , e este elétron entra no átomo de flúor exotermicamente .

A ligação iônica é um tipo de ligação química que envolve a atração eletrostática entre íons de cargas opostas e é a interação primária que ocorre em compostos iônicos . Os íons são átomos que perderam um ou mais elétrons (denominados cátions ) e átomos que ganharam um ou mais elétrons (denominados ânions ). Esta transferência de elétrons é denominada eletrovalência em contraste com a covalência . No caso mais simples, o cátion é um átomo de metal e o ânion é um átomo não metálico , mas esses íons podem ser de natureza mais complicada, por exemplo, íons moleculares como NH 4 + ou SO 4 2− . Em temperaturas e pressões normais, a ligação iônica cria principalmente sólidos (ou ocasionalmente líquidos) sem moléculas identificáveis ​​separadas, mas a vaporização/sublimação de tais materiais produz moléculas separadas onde os elétrons ainda são transferidos o suficiente para que as ligações sejam consideradas iônicas em vez de covalentes .

tamanho molecular

A maioria das moléculas é muito pequena para ser vista a olho nu, embora moléculas de muitos polímeros possam atingir tamanhos macroscópicos , incluindo biopolímeros como o DNA . Moléculas comumente usadas como blocos de construção para síntese orgânica têm uma dimensão de alguns angstroms (Å) a várias dezenas de Å, ou cerca de um bilionésimo de metro. Moléculas individuais geralmente não podem ser observadas pela luz (como observado acima), mas pequenas moléculas e até mesmo os contornos de átomos individuais podem ser rastreados em algumas circunstâncias pelo uso de um microscópio de força atômica . Algumas das maiores moléculas são macromoléculas ou supermoléculas .

A menor molécula é o hidrogênio diatômico (H 2 ), com um comprimento de ligação de 0,74 Å.

O raio molecular efetivo é o tamanho que uma molécula exibe em solução. A tabela de permseletividade para diferentes substâncias contém exemplos.

fórmulas moleculares

Tipos de fórmula química

A fórmula química de uma molécula usa uma linha de símbolos de elementos químicos, números e, às vezes, também outros símbolos, como parênteses, hífens, colchetes e sinais de mais (+) e menos (-). Estes são limitados a uma linha tipográfica de símbolos, que podem incluir subscritos e sobrescritos.

A fórmula empírica de um composto é um tipo muito simples de fórmula química. É a razão inteira mais simples dos elementos químicos que a constituem. Por exemplo, a água é sempre composta de uma proporção de 2:1 de hidrogênio para átomos de oxigênio, e o etanol (álcool etílico) é sempre composto de carbono, hidrogênio e oxigênio em uma proporção de 2:6:1. No entanto, isso não determina exclusivamente o tipo de molécula – o éter dimetílico tem as mesmas proporções que o etanol, por exemplo. Moléculas com os mesmos átomos em arranjos diferentes são chamadas de isômeros . Também os carboidratos, por exemplo, têm a mesma proporção (carbono:hidrogênio:oxigênio= 1:2:1) (e, portanto, a mesma fórmula empírica), mas diferentes números totais de átomos na molécula.

A fórmula molecular reflete o número exato de átomos que compõem a molécula e assim caracteriza diferentes moléculas. No entanto, diferentes isômeros podem ter a mesma composição atômica enquanto são moléculas diferentes.

A fórmula empírica é muitas vezes a mesma que a fórmula molecular, mas nem sempre. Por exemplo, a molécula de acetileno tem fórmula molecular C 2 H 2 , mas a proporção inteira mais simples de elementos é CH.

A massa molecular pode ser calculada a partir da fórmula química e é expressa em unidades convencionais de massa atômica igual a 1/12 da massa de um átomo neutro de carbono-12 ( isótopo 12 C ). Para sólidos de rede , o termo unidade de fórmula é usado em cálculos estequiométricos .

Fórmula estrutural

Representações 3D (esquerda e centro) e 2D (direita) da molécula terpenoide atisano

Para moléculas com uma estrutura tridimensional complicada, especialmente envolvendo átomos ligados a quatro substituintes diferentes, uma fórmula molecular simples ou mesmo uma fórmula química semi-estrutural pode não ser suficiente para especificar completamente a molécula. Nesse caso, pode ser necessário um tipo gráfico de fórmula chamado fórmula estrutural . As fórmulas estruturais podem, por sua vez, ser representadas com um nome químico unidimensional, mas essa nomenclatura química requer muitas palavras e termos que não fazem parte das fórmulas químicas.

geometria molecular

Estrutura e imagem STM de uma molécula de dendrímero "cyanostar" .

As moléculas têm geometrias de equilíbrio fixas - comprimentos e ângulos de ligação - sobre as quais oscilam continuamente por meio de movimentos vibratórios e rotacionais. Uma substância pura é composta de moléculas com a mesma estrutura geométrica média. A fórmula química e a estrutura de uma molécula são os dois fatores importantes que determinam suas propriedades, particularmente sua reatividade . Os isômeros compartilham uma fórmula química, mas normalmente têm propriedades muito diferentes por causa de suas diferentes estruturas. Os estereoisômeros , um tipo particular de isômero, podem ter propriedades físico-químicas muito semelhantes e, ao mesmo tempo, diferentes atividades bioquímicas .

Espectroscopia molecular

O hidrogênio pode ser removido de moléculas individuais de H 2 TPP aplicando excesso de voltagem na ponta de um microscópio de tunelamento (STM, a); esta remoção altera as curvas corrente-tensão (IV) das moléculas TPP, medidas usando a mesma ponta STM, de tipo diodo (curva vermelha em b) para tipo resistor (curva verde). A imagem (c) mostra uma fileira de moléculas TPP, H 2 TPP e TPP. Durante a varredura da imagem (d), um excesso de voltagem foi aplicado ao H 2 TPP no ponto preto, que instantaneamente removeu o hidrogênio, conforme mostrado na parte inferior de (d) e na imagem redigitalizada (e). Tais manipulações podem ser usadas em eletrônica de molécula única .

A espectroscopia molecular lida com a resposta ( espectro ) de moléculas interagindo com sinais de sondagem de energia conhecida (ou frequência , de acordo com a relação de Planck ). As moléculas têm níveis de energia quantizados que podem ser analisados ​​pela detecção da troca de energia da molécula por absorção ou emissão . A espectroscopia geralmente não se refere a estudos de difração em que partículas como nêutrons , elétrons ou raios X de alta energia interagem com um arranjo regular de moléculas (como em um cristal).

A espectroscopia de micro-ondas geralmente mede mudanças na rotação de moléculas e pode ser usada para identificar moléculas no espaço sideral. A espectroscopia infravermelha mede a vibração das moléculas, incluindo movimentos de alongamento, dobra ou torção. É comumente usado para identificar os tipos de ligações ou grupos funcionais em moléculas. Mudanças nos arranjos dos elétrons produzem linhas de absorção ou emissão na luz ultravioleta, visível ou infravermelha próxima e resultam em cores. A espectroscopia de ressonância nuclear mede o ambiente de núcleos específicos na molécula e pode ser usada para caracterizar o número de átomos em diferentes posições em uma molécula.

Aspectos teóricos

O estudo das moléculas pela física molecular e química teórica é amplamente baseado na mecânica quântica e é essencial para o entendimento da ligação química. A mais simples das moléculas é o íon-molécula de hidrogênio , H2 + , e a mais simples de todas as ligações químicas é a ligação de um elétron . H 2 + é composto de dois prótons carregados positivamente e um elétron carregado negativamente , o que significa que a equação de Schrödinger para o sistema pode ser resolvida mais facilmente devido à falta de repulsão elétron-elétron. Com o desenvolvimento de computadores digitais rápidos, soluções aproximadas para moléculas mais complicadas tornaram-se possíveis e são um dos principais aspectos da química computacional .

Ao tentar definir rigorosamente se um arranjo de átomos é suficientemente estável para ser considerado uma molécula, a IUPAC sugere que "deve corresponder a uma depressão na superfície de energia potencial profunda o suficiente para confinar pelo menos um estado vibracional". Esta definição não depende da natureza da interação entre os átomos, mas apenas da força da interação. Na verdade, inclui espécies fracamente ligadas que tradicionalmente não seriam consideradas moléculas, como o dímero de hélio , He 2 , que tem um estado ligado vibracional e é tão frouxamente ligado que só é provável que seja observado em temperaturas muito baixas.

Se um arranjo de átomos é ou não suficientemente estável para ser considerado uma molécula é inerentemente uma definição operacional. Filosoficamente, portanto, uma molécula não é uma entidade fundamental (em contraste, por exemplo, com uma partícula elementar ); em vez disso, o conceito de molécula é a maneira do químico fazer uma declaração útil sobre as forças das interações em escala atômica no mundo que observamos.

Veja também

Referências

links externos