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QUÍMICA ORGÂNICA UNINASSAU PARTE1 Introdução à química orgânica O ser humano tem utilizado a química orgânica, desde a época das grandes civilizações egípcia e romana, para pigmentar tecidos, produzir medicamentos fitoterápicos e venenos, assim como processos mais complexos, como a fermentação da uva para produzir vinhos. No entanto, não se sabia qual era a composição química das substâncias utilizadas. Historicamente, a química orgânica recebeu essa denominação por estudar compostos extraídos de organismos dos reinos animal e vegetal. Acreditava-se que as substâncias extraídas eram compostas por uma força vital e que, portanto, não poderiam ser sintetizadas em laboratório. Porém, em 1828, o cientista Friedrich Woler descobriu que era possível produzir ureia ao aquecer o cianato de amônio (Figura 1). Figura 1. Produção de ureia a partir do cianato de amônio. Esta descoberta encorajou outros cientistas a buscar metodologias para sintetizar compostos orgânicos, levando-os a observar que o carbono era o elemento químico comum entre as diversas substâncias que eles obtiveram (COMASSETO; SANTOS, 2008). Devido a isso, a química orgânica é conhecida principalmente por estudar o carbono. Com o advento de tais pesquisas, identificou-se que o carbono, ao se ligar a outros elementos químicos, adquiria diferentes propriedades e funções, permitindo que diversas reações orgânicas fossem desenvolvidas. Consequentemente, os métodos analíticos para a caracterização dos compostos orgânicos tiveram que ser definidos. Inúmeras técnicas foram desenvolvidas, dentre elas a cromatografia (Figura 2), que é capaz de separar uma mistura líquida de compostos orgânicos pela diferença de solubilidade, por exemplo, passando a mistura por uma fase estacionária, geralmente uma resina (SADEK, 2004). Figura 2. Separação de uma mistura de compostos orgânicos (proteínas) utilizando coluna cromatográfica. Fonte: ACIKARA, 2014. Atualmente, a química orgânica está presente tanto na aspirina, para cuidar de uma dor de cabeça, quanto no combustível de automóveis. No entanto, é a partir da junção de conhecimentos presentes na química orgânica e na engenharia, que novos materiais compósitos, medicamentos, defensivos agrícolas, produtos de beleza, polímeros biodegradáveis, biocombustíveis e os mais diversos materiais podem ser produzidos (WILLIAM, 2014). As áreas de pesquisa e desenvolvimento em química orgânica, e consequentemente a indústria química, têm passado por uma revolução ao longo dos últimos anos. Isso porque cada vez mais instituições e a sociedade entendem a necessidade de buscar processos amigáveis ao meio- ambiente, a fim de mitigar os impactos gerados pela ação do homem. Por exemplo, em uma aplicação da química orgânica, a dopagem de um material inerte permitiu a adsorção de poluentes presentes no meio aquoso (CASTANHEIRA et al., 2017). Na prática, com a ampliação da fronteira do conhecimento e com o desenvolvimento de novas tecnologias envolvendo a química orgânica, a compreensão sobre o comportamento do carbono, bem como suas propriedades, funções orgânicas e principais formas de interação se tornaram indispensáveis, uma vez que permitem uma abordagem inovadora para a solução de diferentes problemas. Com base no contexto apresentado, diversos aspectos fundamentais da química serão abordados neste capítulo, facilitando a compreensão sobre reações que são utilizadas em processos químicos. VAMOS REFORÇAR O QUE APRENDEMOS ATÉ AGORA? A química orgânica é amplamente utilizada em nosso cotidiano, sendo o carbono um dos átomos que mais se destaca. Neste contexto, relacione as colunas: • • • • Sintetização • Separação • Fermentação • Ureia • Cromatografia • Reação química ENVIAR Correta 👍 Muito bem, a resposta está correta! O primeiro composto orgânico sintetizado em laboratório foi a ureia, que é produzida pelo aquecimento do cianato de amônia; a cromatografia é um método utilizado para a separação de uma mistura de compostos orgânicos; a fermentação é uma reação química. TENTE NOVAMENTE Ligação e estrutura molecular Para compreender como os átomos se ligam, a fim de formar moléculas mais complexas, é preciso conhecer a sua composição, isto é, suas partículas subatômicas. Um átomo é composto por três partículas fundamentais: os prótons (p) que são partículas carregadas positivamente, sendo sua quantidade no núcleo denominada número atômico (Z); os nêutrons (n), por sua vez, não possuem carga e têm como principal função diminuir a energia de repulsão coulombiana entre os prótons, que tendem a se repelir. Essas duas partículas, prótons e nêutrons, somadas, formam o núcleo do átomo e concentram a maior parte da massa atômica, que é representada por A (A = N + Z). A terceira partícula é o elétron, que possui massa infinitamente menor em comparação às duas anteriores. Os elétrons estão presentes no átomo na mesma proporção que os prótons, e estão distribuídas ao redor do núcleo em camadas. Cada camada contém um número determinado de elétrons, sendo que os elétrons da última camada, conhecida como camada de valência, são os responsáveis por realizar as ligações com outros átomos. Além disso, os elétrons são carregados negativamente, fazendo com que as cargas presentes no átomo se igualem e resultando em um átomo neutro. As moléculas orgânicas são majoritariamente compostas por átomos de carbono (C) e hidrogênio (H), mas é comum encontrar heteroátomos, como oxigênio (O), nitrogênio (N), enxofre (S) e fósforo (P), além de halogênios, como o flúor (F), cloro (Cl), bromo (Br) e iodo (I). Desse modo, veremos como estes átomos se ligam, produzindo uma molécula, e as formas de representação das estruturas atômicas. TEORIA ESTRUTURAL A teoria estrutural é importante, pois explica como os átomos interagem para formar ligações. De acordo com essa teoria, cada átomo pode formar um número máximo de ligações, utilizando os elétrons dispostos na camada de valência. O carbono possui quatro elétrons nessa camada, logo, pode realizar quatro ligações, sendo então classificado como tetravalente. Hidrogênio e halogênios são monovalentes, ou seja, realizam apenas uma ligação. Já o oxigênio e o enxofre são bivalentes e o nitrogênio é trivalente. CURIOSIDADE É comum encontrar, na química orgânica, moléculas que possuem a mesma fórmula molecular, mas diferentes fórmulas estruturais, ou seja, a forma em que os átomos da molécula estão ligados é diferente. A teoria estrutural permitiu resolver essa questão, uma vez que isômeros geralmente possuem propriedades físicas e químicas diferentes, e essa diferença era uma incógnita para os cientistas. Outra premissa apontada pela teoria estrutural relaciona-se aos tipos de ligações que o carbono é capaz de formar, utilizando os elétrons da camada de valência. Assim, o carbono pode fazer ligações simples, representadas por um traço (C - C), ligações duplas, demonstradas por dois traços (C = C) e ligações triplas, ilustradas por três traços (C ≡ C). ESTRUTURAS DE LEWIS A união entre átomos produz as moléculas, por meio de ligações químicas. Os primeiros estudos acerca dessas ligações foram realizados em 1916, pelos cientistas Lewis e Kössel. Como resultado da pesquisa de ambos, foi proposto que os átomos podem se ligar por meio de ligações iônicas ou ligações covalentes. As ligações iônicas ocorrem quando um átomo ganha ou perde elétrons, logo, quando há transferência de elétrons acontecendo entre um metal e um ametal, o metal perde e o ametal ganha elétrons. Uma forma de avaliar a tendência dos átomos fazerem ligação iônica é pela diferença de eletronegatividade, que pode ser verificada na tabela periódica. Basicamente, essa característica aumenta da esquerda para direita e de baixo para cima, na tabela periódica. Uma das características mais marcantes de compostos que realizam ligaçãoiônica é o seu alto ponto de fusão, que geralmente ultrapassa os 1000 ºC. Além disso, esses compostos são comumente sólidos. Um exemplo de composto iônico presente no nosso dia a dia é o cloreto de sódio (NaCl), também conhecido como sal de cozinha. Neste exemplo, o sódio (Na) é um metal com um elétron na camada de valência e grande tendência de perder elétrons, enquanto o cloro corresponde a um ametal com sete elétrons na camada de valência, por isso ganha mais facilmente elétrons. As ligações covalentes ocorrem entre ametais que possuem cerca de quatro a sete elétrons na camada mais externa. Nesse caso, para que a ligação ocorra, há o compartilhamento de elétrons, que, portanto, pertencem a dois átomos simultaneamente. Embora as moléculas orgânicas são constituídas por ligação covalente, nem todos os elétrons são compartilhados. O carbono, por exemplo, possui quatro elétrons na camada de valência e pode compartilhar todos eles, para realizar ligações com outros átomos, como pode ser observado no metano (CH4). O cloro, por outro lado, possui sete elétrons em sua camada de valência, no entanto, compartilha apenas um elétron, como ocorre no tetracloreto de carbono (CCl4). De uma maneira simplificada, diz-se que estes átomos seguem a regra do octeto, para atingir a estabilidade (SOLOMONS; FRYHLE, 2012). EXPLICANDO Os átomos se ligam tanto por meio de ligações iônicas, quanto por ligações covalentes, para atingir a estabilidade. De acordo com a regra do octeto, a estabilidade é atingida quando um átomo apresenta oito elétrons na camada de valência, semelhante à configuração eletrônica de gases nobres. Outra possibilidade ocorre quando o átomo, por meio de ligações, alcança dois elétrons na camada de valência, semelhante ao hélio, um gás nobre. Existem também exceções à regra do octeto, alguns compostos, como PCl4 e SF6, podem conter átomos com mais de oito elétrons na camada de valência. Tanto as ligações iônicas, quanto as ligações covalentes entre átomos podem ser representadas por meio de pontos e ou estrelas, que simbolizam a quantidade de elétrons disponíveis na camada de valência. Esse tipo de representação é conhecido como estrutura de Lewis (Figura 3). Contudo, existem também diversas formas mais simplificadas de representar as ligações dos compostos orgânicos além da estrutura proposta por Lewis. Figura 3. Representação da estrutura de Lewis. Fonte: SOLOMONS; FRYHLE, 2012. (Adaptado). FÓRMULAS ESTRUTURAIS As fórmulas estruturais de traço, condensadas e de linhas são mais fáceis para ilustrar os compostos orgânicos, principalmente quando a estrutura é grande e ou complexa. A fórmula estrutural de traço representa, de maneira integral, como os átomos de hidrogênio se ligam ao carbono. Os traços podem ser dispostos em zigue-zague e, neste caso, demonstram com maior similaridade a disposição real dos átomos em uma molécula orgânica, pois as ligações usualmente possuem um ângulo. Contudo, é muito comum ilustrar a fórmula estrutural de traços utilizando ângulos de ligação de 90º, a fim de simplificar sua escrita (Figura 4). Figura 4. Fórmulas estruturais do pentano do tipo traço, condensada e linhas. As fórmulas condensadas (Figura 4) são a simplificação do modo de anotação das fórmulas estruturais de traços. Na representação de uma molécula orgânica, os átomos ligados ao carbono são escritos em uma sequência, ocupando a mesma linha. Os índices que aparecem em subscrito na fórmula indicam a quantidade do elemento, ligado ao carbono. Também é muito comum a utilização de colchetes para indicar a repetição de parte do constituinte da molécula, sendo que, do lado de fora dos colchetes, é adicionado um índice para representar a quantidade de repetições. Em uma notação ainda mais simples, pode-se apenas escrever quais são os átomos, seguidos de seus índices, representando, portanto, a quantidade de moléculas de carbono, hidrogênio e heteroátomos. Outra forma de representar a estrutura de moléculas orgânicas é pela estrutura de linhas ou bastão (Figura 4), na qual se assume que as conexões entre as linhas são feitas pelo carbono, raramente sendo representada por uma molécula de hidrogênio. Os heteroátomos, quando presentes, são escritos por suas fórmulas químicas. Essa fórmula estrutural é amplamente difundida na química orgânica, por isso é comum encontrar, tanto em livros quanto em artigos acadêmicos, moléculas orgânicas reproduzidas desta forma. CARGA FORMAL Até aqui, vimos que existem diferentes formas de representar uma estrutura molecular. No entanto, quando tratamos da estrutura de Lewis, devemos lembrar que nem todos os átomos se comportam de acordo com a regra do octeto ao realizar ligações químicas, fato que pode ocasionar inúmeras dúvidas. Com o intuito de resolver tal questão, é possível calcular a carga formal dos átomos e verificar qual é a estrutura mais próxima da realidade. Para tal, inicialmente, deve-se verificar qual a quantidade de elétrons na camada de valência do átomo de interesse. Essa tarefa pode ser facilmente realizada consultando a tabela periódica. Ao localizar o elemento químico na tabela, basta verificar a qual família ele pertence. O número da família corresponde à quantidade de elétrons na camada de valência, os grupos variando de 1A até 7A e de 1B até 8B. Como exemplo, considere uma molécula de oxido nitroso (N2O). Saberemos que o átomo de oxigênio possui seis elétrons na camada de valência e o nitrogênio possui cinco. Assim, a próxima etapa consiste em escrever as prováveis estruturas de Lewis e, em seguida, calcular a carga formal destas estruturas, que é dada por: Carga formal = V - (L + 1/2S) Nessa equação, V é o número de elétrons na camada de valência do átomo livre; L é o número de pares de elétrons livres após a ligação; e S é o número de elétrons compartilhados entre os átomos. A Figura 5 apresenta as possibilidades de ligações entre o nitrogênio e o oxigênio, e o cálculo da carga formal para as prováveis estruturas de Lewis do átomo de N2O. Figura 5. Possíveis estruturas de Lewis e cálculo da carga formal do átomo de N2O. Fonte: OPENSTAX, 2016. (Adaptado). Uma das formas de analisar qual a estrutura correta é observando os dados obtidos a partir do valor da carga formal. Quanto mais próximo de zero for este valor, maior a possibilidade de a molécula existir naquela conformação. Portanto, observando o exemplo do N2O (Figura 5), a estrutura de Lewis representada na possibilidade 1 é a mais provável, pois suas cargas formais, considerando os dois nitrogênios e o oxigênio, é mais próxima de zero. VAMOS REFORÇAR O QUE APRENDEMOS ATÉ AGORA? De acordo com o que foi estudado nas estruturas de Lewis, assinale as alternativas corretas: • As ligações iônicas ocorrem devido à transferência de elétrons. • Os átomos atingem a estabilidade com menos de quatro elétrons na camada de valência. • Na ligação covalente, ocorre o compartilhamento de elétrons. ENVIAR Correta 👍 Muito bem, a resposta está correta! Nas ligações iônicas, ocorre a transferência de elétrons entre átomos com diferentes eletronegatividades. Nas ligações covalentes, os elétrons são compartilhados entre os átomos. Os átomos geralmente atingem a estabilidade quando sua camada de valência atinge a quantidade de oito elétrons. Orbitais atômicos e moleculares Vimos que os elétrons estão ao redor do núcleo do átomo. Contudo, sua distribuição não é randômica, podendo ser descrito pela mecânica quântica. De acordo com o princípio da incerteza, estabelecido pelo físico Werner Heisenberg, não é possível saber com precisão a exata localização e energia de uma partícula, princípio este que se estende aos elétrons. A mecânica quântica também considera que partículas podem ter o comportamento dual, denominado dualidade onda-partícula, que compreende o comportamento de uma partícula, como se elapossuísse massa em um dado momento, e como se ela fosse onda em outro instante. A função de onda, descrita por Erwin Schrödinger e representada por ψ (psi), descreve o comportamento de onda de um elétron em um nível de energia quântica. Já o quadrado da função de onda ψ2 considera um local especifico do eixo cartesiano (x, y, z) em que há maior probabilidade, ou densidade de probabilidade eletrônica, de se encontrar um elétron. Quando o valor de ψ2 é elevado, significa que a probabilidade de se ter um elétron naquela localização também e grande e, se ψ2 for pequeno, então a probabilidade é menor. A região do átomo em que há probabilidade de se encontrar um elétron é denominada de orbital atômico. Basicamente, existem quatro tipos de orbitais (Figura 6), retratados em três dimensões: Figura 6. Representação estrutural dos orbitais atômicos s, p, d e f. Fonte: MARRA, 2015. Clique nos botões para saber mais Orbital s – É representado por uma esfera e é o de menor energia; Orbital p – É representado por duas esferas muito próximas e pode estar no eixo x, y e z (estas esferas também podem receber o nome de lóbulos); Orbitais d – Podem assumir configurações e orientações diferentes, de acordo com seu nível de energia. Sua configuração resulta em uma estrutura, na forma de um trevo, cujas folhas se encaixam em diferentes planos, ou ainda pode ter a forma de dois lóbulos no eixo z, somado a um orbital em forma de rosca, ocupando os eixos x e y; Orbitais f – Possuem configurações muito mais complexas, com mais lóbulos e roscas nos diferentes eixos cartesianos, sendo mais relevantes para os metais de transição interna, actinídeos e lantanídeos. Os elétrons podem também ser representados pela utilização de números quânticos, n = 1, l = 0, ml = 0 e ms= +1/2. Os primeiros três relacionam-se à região com maior probabilidade de encontrar um elétron, enquanto o último relaciona-se ao spin. A forma com a qual os elétrons nos orbitais se organizam é determinada pela energia de seus subníveis, de modo que cada subnível é capaz de acomodar uma determinada quantidade de elétrons. Assim: Clique nos botões para saber mais Subnível “s” – Tem apenas um orbital, que acomoda no máximo dois elétrons; Subnível “p” – Possui três orbitais e pode conter até seis elétrons; Subnível “d” – Contém cinco orbitais, que podem receber até 10 elétrons; Subnível “f” – Conta com sete orbitais, podendo manter no máximo 14 elétrons. A distribuição eletrônica destes subníveis pode ser realizada utilizando a distribuição de Linus Pauling (Figura 7). Adicionalmente, os subníveis são inseridos em sete camadas, que se iniciam no K e terminam no Q. Cada camada também admite apenas uma determinada quantidade de elétrons. Portanto, a camada K tem no máximo dois elétrons; as camadas L e Q, oito; a M e a P, 18; a N e a O, 32. Figura 7. Camadas eletrônicas e distribuição de Linus Pauling. Note que a distribuição deve seguir as setas. Por exemplo, um átomo de carbono possui seis elétrons, logo, sua distribuição eletrônica, de acordo com Linus Pauling, será de 1s2, 2s2, 2p2. Adicionalmente, seguindo algumas regras, torna-se possível determinar a configuração eletrônica dos primeiros dois períodos da tabela periódica, sendo constituída por: Clique nas abas para saber mais PR INCÍPI O D E AU FB AU PR INCÍPIO D E E XCLU SÃ O D E PAU LI R E G R A D E HU ND Indica que subníveis, dos orbitais de menor energia, são inicialmente preenchidos e qual é o mais próximo do núcleo. A compreensão dos orbitais atômicos permite entender como as ligações covalentes são formadas. Para exemplificar, considere o gráfico da Figura 8, que apresenta a síntese de uma molécula de hidrogênio H2. Para tal, são necessários dois átomos de H, que possui apenas um elétron em seu orbital 1s, portanto: Figura 8. Gráfico da formação da ligação covalente entre átomos de hidrogênio e diagrama de energia da molécula de hidrogênio. Fonte: SOLOMONS; FRYHLE, 2012. (Adaptado). • Inicialmente, os átomos estão distantes um do outro; • Ao se aproximarem, os núcleos começam a se atrair; • As funções de onda dos orbitais envolvidos podem se somar ou subtrair. Quando as funções de onda são somadas, ocorre o reforço da densidade eletrônica entre os núcleos dos átomos e, consequentemente, ocorre a diminuição da energia de repulsão coulombiana, produzindo uma ligação; • Se a energia aumentar novamente, os átomos tendem a se repelir. A junção dos dois orbitais atômicos, um de cada hidrogênio, produzirá dois orbitais moleculares: um de alta energia, denominado de orbital molecular antiligante; e outro com baixa energia, que corresponde ao orbital molecular ligante. As energias dos orbitais moleculares são diferentes da energia dos orbitais atômicos iniciais. Esta junção resulta em uma ligação covalente. Cabe ressaltar que existe uma certa distância entre os núcleos dos átomos, quando estão ligados covalentemente. Essa distância internuclear permite que os elétrons emparelhados pertençam, ao mesmo tempo, aos dois átomos, além de evitar a repulsão, que pode ocorrer devido à proximidade de dois núcleos, o comprimento desta distância estando associada à energia de ligação. Agora que compreendemos as etapas que resultam na ligação, pode-se definir o termo orbital molecular (OM), que é a região da molécula em que há o aumento da probabilidade de densidade eletrônica, logo, é o local mais provável de se encontrar os elétrons. Além disso, cada orbital pode conter no máximo dois elétrons emparelhados, seguindo, portanto, o princípio de exclusão de Pauli. Por fim, a quantidade de orbitais moleculares resultantes da ligação entre átomos é sempre igual à quantidade de orbitais atômicos presentes nos mesmos. A Figura 8 também apresenta um diagrama de energia, resultante da formação da molécula de hidrogênio com seus respectivos orbitais atômicos e moleculares. Com a soma dos orbitais atômicos produz-se apenas um orbital molecular preenchido por elétrons, o orbital ligante, que é comumente denominado de σ (sigma) e também representa a formação de uma ligação simples. O orbital antiligante, por outro lado, é denominado de σ* https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948663_1/scormcontent/index.html https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948663_1/scormcontent/index.html https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948663_1/scormcontent/index.html (sigma estrela). Em moléculas diatômicas, como o óxido de nitrogênio, que possui uma dupla ligação, além dos orbitais σ e σ*, também estão presentes as ligações π (pi), portanto, o orbital molecular ligante é representado por π e o antiligante por π*. O preenchimento dos orbitais moleculares com elétrons segue o mesmo padrão aplicado no preenchimento dos orbitais atômicos. Desta forma, são preenchidos os orbitais de menor energia, presentes na região inferior do diagrama, seguido dos de maior energia, localizados na região superior. Com relação às energias dos orbitais moleculares, que podem ser determinadas experimentalmente, existem basicamente três regras: • A energia dos orbitais moleculares relaciona-se diretamente à energia dos orbitais atômicos; • Quando os orbitas atômicos estão muito próximos de seus núcleos, a junção de dois átomos não produzirá orbitais ligantes ou antiligantes; • O orbital ligante tem menor energia que o orbital atômico e o antiligante que possui maior energia. A quantidade de ligações químicas covalentes presentes na junção de dois átomos e sua estabilidade pode ser determinada pela ordem de ligação, calculada por: Os valores da ordem de ligação variam de 0 a 3, sendo que 0 significa que a ligação não tem possibilidade de ocorrer; 1 é referente a uma ligação simples; 2, ligações duplas; e 3, ligações triplas. Considere como exemplos uma molécula de hélio (He2) e as ligações entre o oxigênioe o nitrogênio de uma molécula de oxido nitroso (N=O). O átomo de He possui apenas dois elétrons no orbital 1s, de modo que a união entre dois átomos resultaria em um diagrama do orbital molecular com um orbital ligante e um antiligante, ambos completamente preenchidos, logo, a ordem de ligação seria igual a zero, fazendo com que a molécula de hélio não seja possível. No caso do oxido nitroso, apenas os elétrons da camada de valência são utilizados para construir o diagrama do orbital molecular. O oxigênio possui seis elétrons na camada de valência, enquanto o nitrogênio possui apenas cinco. Na distribuição dos elétrons no OM, os orbitais ligante e antiligante 2s são preenchidos na integra. Quanto aos orbitais referentes a 2p, três orbitais ligantes são preenchidos e um antiligante é preenchido com apenas um elétron. É importante ressaltar que a ordem de ligação não necessariamente precisa ser um número inteiro. Assim, a ordem de ligação neste caso é de 2,5. HIBRIDIZAÇÃO Além da teoria do orbital molecular, as ligações covalentes podem ser explicadas pela hibridização. Desse modo, as ligações são resultantes da sobreposição dos orbitais atômicos que são rearranjados no espaço. Matematicamente, os orbitais híbridos ocorrem devido à combinação das funções de onda. Uma forma de visualizar esta combinação é imaginando que a nuvem de elétrons se comporta de modo semelhante a uma onda em um lago, causada por uma perturbação qualquer. Quando duas ondas se juntam, tem-se a formação de uma única onda, que possui características diferentes das ondas iniciais. Logo, diferentes funções de onda resultam em diferentes combinações de orbitais, sendo que a quantidade de orbitais híbridos é proporcional à quantidade de funções de onda. Por exemplo, a combinação entre um orbital 2s e um 2px resulta em dois orbitais híbridos, ou seja, duas funções de onda. A combinação entre os orbitais 2s e 2px pode ser simplesmente denominada de sp. Então, seguindo a mesma lógica, a combinação entre um orbital 2s e dois orbitais 2p, que são referentes aos orbitais 2px e 2py, lembrando que os orbitais do tipo p podem possuir diferentes orientações no espaço, nos eixos x, y e z, formando o orbital hibridizado sp2. A combinação dos orbitais determina também a forma com a qual a molécula irá se orientar espacialmente. Portanto, com a formação de ligações covalentes, têm se a diminuição da repulsão eletrônica em torno do átomo central. Considere como exemplo o carbono e sua distribuição eletrônica de 1s2, 2s2, 2p2. De acordo com essa distribuição, o carbono possui apenas dois elétrons desemparelhados nos orbitais 2px e 2py, logo, poderia realizar apenas duas ligações, e não quatro, como estudamos anteriormente. No entanto, esta configuração se refere ao carbono em seu estado fundamental. Ao fornecer uma pequena quantidade de energia, o carbono passa para o estado excitado, em que um dos elétrons do orbital 2s2 é transferido para o orbital 2pz. Como resultado desta transferência, o carbono passa a possuir quatro orbitais semipreenchidos que se unem, formando um novo orbital hibridizado. Portanto, o carbono se torna capaz de realizar quatro ligações simples, também chamadas de ligação σ, e seu orbital híbrido é denominado de sp3, que espacialmente é um tetraedro. A ligação entre o carbono e um hidrogênio, que possui apenas um elétron no orbital 1s, resulta sobreposição dos orbitais sp3 e s, formando efetivamente uma ligação σ. Orbitais do tipo sp3 são comuns na química orgânica. Contudo, estudamos que o carbono também pode realizar ligações duplas C=C, ou seja, o compartilhamento de dois pares de elétrons entre carbonos, o que produz o orbital hibridizado sp2. Nesse caso, assim como anteriormente, o carbono vai do estado fundamental para o excitado, e o orbital s transfere um elétron para o orbital p. Entretanto, a hibridização ocorre entre os orbitais 2s, 2px e 2py, sendo que o orbital 2pz não realiza a hibridização. Os orbitais sp2 se organizam espacialmente na forma de um triangulo, e o orbital p não hibridizado se arranja perpendicularmente ao triangulo. Assim, a sobreposição entre dois carbonos com orbitais hibridizados sp2 gera uma ligação σ, e os orbitais p realizam uma ligação π que ocorre lateralmente. A interação entre carbono com orbital hibridizado sp gera uma ligação tripla. Nesse caso, o orbital 2s hibridiza com um 2px, produzindo dois orbitais lineares do tipo sp. Os outros orbitais, 2py e 2pz, não sofrem hibridização e se mantém em seus respectivos eixos. A interação entre dois carbonos hibridizados sp ocorre pela sobreposição frontal, que forma uma ligação σ. Os outros orbitais p não hibridizados realizam, cada um, uma ligação do tipo π. A Figura 9 apresenta a transferência de elétrons do orbital 2s2 do carbono em seu estado fundamental para o orbital 2pz, resultando no carbono em seu estado excitado, além dos orbitais do carbono hibridizados sp3, sp2 e sp. Figura 9. Transferência do orbital 2s para orbital 2pz do carbono. Fonte: BARBOSA, 2011. (Adaptado). O carbono também pode interagir com outros átomos, como o oxigênio e o nitrogênio, que realizam dupla ligação, logo, possuem orbitais hibridizados do tipo sp2. O nitrogênio também é capaz de realizar ligação tripla, assumindo a configuração do orbital hibridizado do tipo sp. PROJEÇÕES DE NEWMAN Até aqui, analisamos as ligações entre átomos para formar moléculas. Estudamos que a ligação mais comum entre átomos de carbonos é a ligação simples, também denominada de ligação sigma (σ). Basicamente, essa ligação ocorre devido ao compartilhamento de elétrons entre dois átomos, resultando na ligação covalente. Ainda de acordo com a teoria dos orbitais moleculares, essa ligação ocorre devido à sobreposição de orbitais. Uma das características da ligação sigma está relacionada à sua densidade eletrônica, localizada especificamente no eixo em que ocorre a ligação entre os átomos, situação essa diferente da observada em ligações duplas do tipo pi (π), na qual a densidade eletrônica se localiza acima ou abaixo, em relação ao eixo da ligação entre dois átomos. Logo, em uma ligação σ, a sobreposição de orbitais ao longo do eixo permite que a ligação possa girar ao redor do próprio eixo. No caso das ligações π, em que a sobreposição dos orbitais ocorre lateralmente, o movimento de rotação não é possível, pois isto quebraria a ligação. Portanto, as ligações π não podem girar livremente. Para que estas rotações ocorram, faz-se necessário a utilização de energia que é denominada de barreira de rotação. Por exemplo, em uma molécula de etano (H3C-CH3), há uma barreira de rotação de 2,9 kcal/mol. Nesse caso, a energia necessária é pequena e, por isso, dizemos que a rotação ocorre livremente. A molécula de etano é constituída, espacialmente, por dois carbonos, ligados por meio de uma ligação simples, e três hidrogênios, ligados em cada carbono em direções distintas. A rotação dessa molécula (Figura 10a), em um ângulo de 60º, pode resultar na conformação em oposição e em coincidência. Na conformação em oposição, os átomos de hidrogênio, localizados nas extremidades, assumem ângulos opostos entre si, em outras palavras, assumem as bissetrizes dos ângulos. Na conformação em coincidência, a posição dos hidrogênios coincide, sendo que, se a molécula for observada sob outra perspectiva, é possível visualizar apenas três dos seis hidrogênios presentes na molécula. Figura 10. (a) Rotação do etano em A e C para conformação de oposição, e em B para conformação de coincidência; (b) Representação de uma molécula do etano sendo convertida a uma projeção de Newman;(c) Diagrama de energia potencial das estruturas de Newman. Fonte: VALLHARDT; SCHORE, 2013. (Adaptado). Em uma molécula em que os átomos de hidrogênio são substituídos por outros átomos, as conformações podem resultar em diferentes arranjos. A representação destesarranjos pode ser realizada pelas projeções de Newman (Figura 10b), a fim de simplificar a visualização. A projeção deve ser representada como se o espectador observasse a molécula com a ligação C-C perpendicular ao eixo da folha. Basicamente, a representação consiste em uma um átomo central, que é simbolizado pelo encontro de três, duas das linhas estão dispostas na vertical e uma está apontada para cima. Um círculo é adicionado para representar o carbono de trás, e mais três linhas referentes aos átomos ligados a este carbono são adicionadas. As conformações assumidas pela molécula de etano, por exemplo, possuem diferentes energias potenciais. A conformação em oposição tem menor energia e, portanto, é mais estável, pois as ligações C-H da frente estão mais distantes entre os carbonos e, consequentemente, há a diminuição da repulsão. A conformação em coincidência, em contrapartida, é menos estável, devido à redução da distância entre as ligações C-H dos dois carbonos, logo, tem-se o aumento da repulsão. A rotação ao redor do eixo, que resulta na conformação em coincidência, tem energia de rotação de 2,9 kcal/mol. Em adição, essa configuração reduz a energia de ligação entre os átomos de carbono, apesar de ocorrer ao longo do eixo, pois a sobreposição dos orbitais sofre pequenas alterações, e a repulsão também aumenta. A variação da energia, devido à rotação da ligação de uma molécula, pode ser observada em um diagrama de energia potencial (Figura 10c), em que a energia mínima corresponde a 0º da conformação em oposição e aumenta conforme a rotação da ligação (VALLHARDT; SCHORE, 2013). Contudo, existem exceções quanto à rotação da ligação sigma. Por exemplo, em uma molécula cujas ligações são conjugadas, na qual ligações duplas e simples ocorrem intercaladas, como o 1,3-butadieno (H2C=CH—CH=CH2), as ligações entre os carbonos teoricamente poderiam rotacionar livremente. Entretanto, experimentalmente, a rotação da ligação simples entres os carbonos centrais não é observada, pois, neste caso, a ligação σ é mais curta, possuindo cerca de 148 nm, em comparação com uma ligação σ comum, que possui 154 nm. Além disso, existe uma barreira energética para que a rotação ocorra. A presença de um grupo substituinte, como a metila (-CH3), pode elevar a barreira de rotação devido ao impedimento estérico, que ocorre quando o espaço ocupado pelo átomo substituinte é relativamente maior do que o dos outros átomos, sendo necessária mais energia para que a ligação σ ocorra. TEORIA DA RESSONÂNCIA Uma estrutura química, molécula ou íon, pode ser representada por mais de uma forma, de acordo com a teoria da ressonância. Como base, utiliza-se as estruturas de Lewis, sendo que as moléculas apenas se diferem com relação à posição dos elétrons que se deslocam pela molécula e, eventualmente, a posição da ligação também é alterada. As estruturas de ressonância são demonstradas dentro de colchetes, sua equivalência podendo ser demonstrada pela utilização de uma seta com duplo sentido. Para retratar as estruturas de ressonância (Figura 11a), inicialmente escreve-se a estrutura de Lewis, respeitando a regra do octeto. A troca do par de elétrons é, então, indicado por setas curvas, e os átomos constituintes da molécula permanecem na mesma posição. A utilização das setas curvas, para indicar a movimentação dos elétrons, é imprescindível para que erros sejam evitados. Além disso, elas podem ser aplicadas para escrever mecanismos de reações químicas. Figura 11. (A) Íon carbonato com estrutura do híbrido de ressonância e suas respectivas estruturas de ressonância; (B) Estrutura do formaldeído cujas ressonâncias podem ou não seguir a regra do octeto; (C) Estrutura do ácido fórmico, demonstrando a distância entre as cargas positivas e negativas. Também é possível representar a estrutura de ressonância pela utilização de apenas uma estrutura, na qual a deslocalização do par de elétrons é desenhada com traços acima das ligações simples, que são linhas continuas, produzindo assim uma média das moléculas, que é denominada de híbrido de ressonância. Deve-se ressaltar que as estruturas de ressonância não são reais, ou seja, elas não simbolizam a mesma estrutura. Na realidade, a representação da molécula hibrida de ressonância é mais adequada. Desse modo, considere três estruturas de ressonância. Elas são diferentes entre si, mas são equivalentes, o que significa que cada uma das estruturas contribui, na mesma proporção, para formar a molécula hibrida de ressonância (Figura 11a). Se avaliarmos a estrutura de ressonância de uma molécula que, em sua constituição, possui uma ligação entre o carbono e o oxigênio, a estrutura é representada, em um determinado momento, como uma dupla ligação (C=O), e em outro, como uma ligação simples, pois o par de elétrons é deslocado para outra região da molécula. Então, na estrutura híbrido de ressonância, a ligação entre o carbono e o oxigênio será constituída como uma ligação parcialmente dupla, uma vez que ora a ligação é simples, ora ela é dupla (VALLHARDT, P. 2013). Portanto, para escrever as estruturas de ressonância e a estrutura do híbrido de ressonância, deve se lembrar que: • As estruturas de ressonância não condizem com a forma da molécula na realidade; • Apenas os elétrons devem ser movimentados, os átomos permanecem em suas posições iniciais; • Todas as estruturas devem obedecer à regra de Lewis; • As estruturas de ressonância possuem maior energia em comparação com o híbrido de ressonância; • A estabilidade de uma estrutura é proporcional à quantidade de ligações covalentes, logo, essa estrutura colabora mais para a formação do híbrido; • A separação entre cargas positivas e negativas reduz a estabilidade da molécula; • Se a camada de valência de um átomo estiver completa, então a estabilidade da estrutura será maior. Contudo, nem sempre as estruturas de ressonância são equivalentes, pois a deslocalização do par de elétrons pode gerar uma molécula diferente. Enfatiza-se que uma das estruturas de ressonância certamente irá contribuir mais para a formação do híbrido de ressonância. Assim, a fim de ampliar a discussão, vamos incluir moléculas cujas estruturas de ressonância não seguem a regra do octeto. Considerando as afirmações anteriores, regras foram estabelecidas para verificar qual estrutura colabora mais na formação do híbrido de ressonância, sendo elas: • Uma estrutura que possui mais octetos em relação a outra é mais relevante no panorama geral (Figura 11b); • Cargas positivas ou negativas devem ser representadas nos átomos cuja eletronegatividade é pertinente; • A estrutura com a menor distância entre as cargas positiva e negativa contribuem mais para o híbrido de ressonância (Figura 11c). GEOMETRIA MOLECULAR O modelo de repulsão do par de elétrons é aplicado aos elétrons presentes na camada de valência, ou seja, aqueles que são utilizados para realizar as ligações químicas. Este modelo ajuda a explicar como os átomos nas moléculas podem se arranjar espacialmente. Contudo, para a aplicação deste modelo, algumas premissas devem ser consideradas: O átomo central de uma molécula se liga a outros átomos por meio de ligações covalentes; Todos os pares de elétrons presentes na camada de valência do átomo central, tanto os que realizam a ligação covalente com outros átomos, denominados de pares ligantes; quanto os que não realizam ligação, classificados como pares não compartilhados ou isolados, devem ser considerados; Sabendo que cargas iguais se repelem, aplica-se o mesmo conceito aos elétrons, que também se repelem, sendo que pares de elétrons disponíveis na camada de valência mantém a maior distância possível, mesmo durante a ligação covalente. Os pares de elétrons não compartilhados, por outro lado, têm maior repulsão, em comparação com os pares de elétrons compartilhados, e a repulsão entre pares de elétronsligados e não ligados é intermediária; A geometria molecular deve considerar tanto os pares de elétrons ligados, quanto os pares de elétrons não ligados. No entanto, sua posição junto ao átomo é irrelevante, sendo, portanto, considerada a posição final do átomo na molécula. DICA Outra forma de saber a geometria dos compostos químicos é pelo cálculo do número de coordenação (NC), que pode variar de 2 a 12, e é dado pela soma do número de pares de elétrons ligantes (PL) e pares de elétrons não ligantes (PNL) ao redor do átomo central. Com todos os dados disponíveis, é possível então prever a geometria, consultando uma tabela. Por exemplo, o tetracloreto de carbono (CCl5) tem o NC= 4, o PL= 4 e o PNL=0, correspondendo à geometria tetraédrica. Para compreender melhor a teoria da repulsão do par de elétrons, e sua relação com a estrutura molecular, vamos observar alguns exemplos e a geometria molecular dos compostos neles descritos (Quadro 1): Tabela 1. Geometria molecular de acordo o modelo de repulsão do par de elétrons. Clique nos botões para saber mais Exemplo 1 – O metano é constituído por um carbono, com quatro elétrons na camada de valência, e quatro hidrogênios, cada um com um elétron na camada de valência. O arranjo espacial que proporciona a máxima distância entre os pares de elétrons, de modo que os hidrogênios estejam equidistantes, é a estrutura tetraédrica. Os ângulos que correspondem à distância entre os hidrogênios são de precisamente 109,5º, sendo que qualquer outra forma espacial poderia resultar em distâncias menores entre os hidrogênios, aumentado assim sua repulsão; Exemplo 2 – A molécula de amônia é formada por um nitrogênio, que contém cinco elétrons na camada mais externa e é ligada a três hidrogênios. A distância angular que proporciona a maior distância entre os pares de elétrons é de 107º, o que resulta em uma molécula com a forma de pirâmide trigonal. Note que existe apenas uma pequena diferença entre os ângulos da amônia e do metano, que possui um arranjo de tetraedro. No entanto, se os pares não ligados da amônia forem colocados em um dos vértices do tetraedro, é possível observar que eles ocupam mais espaço do que os elétrons que participam da ligação, o que justifica o menor ângulo; Exemplo 3 – A água é formada por um átomo de oxigênio, que contém em sua última camada seis elétrons, e realiza apenas duas ligações com átomos de hidrogênio. Poderíamos imaginar que a estrutura que proporciona a maior distância é a linear, no entanto, deve-se lembrar que dois pares de elétrons não realizam ligação, e ocupam uma área maior. Isto faz com que as ligações tenham um ângulo de 104,5º, sendo opostas aos pares de elétrons não ligados, resultando em uma geometria angular; Exemplo 4 – O trifluoreto de boro é constituído por um átomo de boro, que possui três elétrons na última camada, e se liga a três átomos de flúor, com sete elétrons na camada de valência. A maior distância entre os átomos de flúor ocorre com ângulos de 120º, que corresponde a um triangulo equilátero e gera uma estrutura trigonal plana; Exemplo 5 – A molécula de hidreto de berílio é resultado da ligação entre um berílio, que possui dois elétrons na camada mais externa, e dois hidrogênios. A ausência de elétrons não ligados permite que, neste átomo, ocorra um maior ângulo de distância, de 180º, resultando em uma geometria linear; Exemplo 6 – O dióxido de carbono é formado por um átomo de carbono ligado a dois átomos de oxigênio, por meio de ligações π, ou seja, duplas. A maior distância possível, nesse caso, também resulta em uma estrutura linear, ou seja, com ângulo máximo de 180º. De maneira geral, para a geometria molecular, considera-se que os elétrons das ligações duplas são semelhantes aos de uma ligação simples; Exemplo 7 – O íon tetracloreto de iodo é um átomo que não segue a regra do octeto, o iodo possuindo sete elétrons na camada mais externa. Por ser um íon, mais um elétron é acrescentado à camada, resultando, portanto, em oito elétrons, sendo que dois destes pares não se ligam. O cloro possui também sete elétrons na última camada. A estrutura resultante da ligação entre esses dois átomos é um quadrado planar, sendo o ângulo de maior distância entre os elétrons de 90º; Exemplo 8 – O pentacloreto de fósforo apresenta uma geometria molecular bipirâmide trigonal, sendo que os ângulos destas moléculas são de 90º e 120º. Note que esta molécula também não segue a regra do octeto; Exemplo 9 – O hexafloreto de enxofre apresenta os seis átomos de flúor, ligados ao enxofre e separados em ângulos de 90º, produzindo a estrutura octaédrica. MOLÉCULAS POLARES E APOLARES A polaridade das moléculas orgânicas deve ser analisada por meio de seus constituintes, que possuem diferentes eletronegatividades. De maneira simplificada, um átomo mais eletronegativo é naturalmente um aceptor de elétrons, enquanto um átomo eletropositivo é um doador de elétrons. Então, em uma molécula, o átomo mais eletronegativo tende a deslocar a densidade eletrônica para si. Por exemplo, se um átomo de carbono se ligar a outros átomos, como o oxigênio e o nitrogênio, os elétrons são descolados para essas moléculas que são mais eletronegativas e, como resultado, tem-se uma molécula polar. Em contrapartida, uma molécula constituída apenas de carbono e hidrogênio, cuja eletronegatividade é insignificante, produz uma molécula apolar (VALLHARDT, P, 2013). Outra forma de avaliar a polaridade (Figura 12) é pela geometria dos compostos, já que átomos eletronegativos tendem a deslocar a densidade eletrônica para si, tornando uma parte da molécula parcialmente positiva e outra parcialmente negativa. Ao avaliar a geometria molecular, se houver um átomo que está deslocando a densidade eletrônica, então o composto é polar. Se não houver deslocamento de cargas, por outro lado, ou se as forças com as quais os elétrons são deslocados forem opostas e iguais, então o deslocamento é anulado e a molécula é considerada como sendo apolar. Figura 12. Diferença de polaridade entre moléculas. Observe que, na Figura 12, as setas indicam quais átomos estão deslocando a densidade eletrônica. Coincidentemente, tanto no dióxido de carbono como na água, o oxigênio é responsável pelo deslocamento. Esse deslocamento, simbolizado por setas, é referente ao vetor do momento dipolo. Considerando os vetores, setas opostas resultam em momento dipolo igual a zero, logo, em moléculas apolares. Caso contrário, vetores que se somam resultam em um momento dipolo maior que zero, portanto, em moléculas polares. VAMOS REFORÇAR O QUE APRENDEMOS ATÉ AGORA? Os compostos orgânicos podem se ligar de diferentes formas. Sendo assim, com relação a ligação simples, assinale a afirmativa correta: • As ligações são estáticas. • As ligações simples ocorrem por transferência de elétrons. • As ligações simples podem rotacionar em torno do próprio eixo. ENVIAR Correta 👍 Muito bem, a resposta está correta! Estudamos que as ligações sigma podem girar em torno do próprio eixo. No entanto, dependendo da distância entre os pares de elétrons, a repulsão pode ser maior, enfraquecendo a ligação. Além disso, o impedimento estérico também pode aumentar a energia necessária para que a rotação ocorra. Agora é a hora de sintetizar tudo o que aprendemos nessa unidade. Vamos lá?! SINTETIZANDO Neste capítulo, aprendemos que os átomos são constituídos de partículas fundamentais, como os prótons, os nêutrons e os elétrons, sendo estes últimos importantes para que os átomos se liguem. Vimos, na teoria estrutural, que cada átomo é capaz de realizar um número restrito de ligações, limitadas pela quantidade de elétrons presentes na camada de valência, que é a camada mais externa de elétrons. Os átomos podem se ligar uns aos outros por ligações iônicas, que consistem na transferência de elétrons de um átomo mais eletropositivopara outro mais eletronegativo, ou por meio de ligações covalentes, nas quais os elétrons são compartilhados pelos átomos. Descobrimos que uma das formas de representar as ligações iônicas e covalentes é utilizando a estrutura de Lewis, que consiste em representar o átomo com seus elétrons de valência. Observamos também, com detalhes, como uma molécula se forma e qual a variação de energia envolvida neste processo, para, em seguida demonstrar como um diagrama do orbital molecular é formado, a partir de orbitais atômicos. Adicionalmente, definiu-se que a quantidade de orbitais moleculares e sua energia está intimamente relacionada aos orbitais atômicos. Retratou-se como os orbitais devem ser preenchidos e como calcular a quantidade de ligações covalentes em uma molécula, aplicando a fórmula da ordem de ligação. A partir da hibridização, tornou-se possível compreender que ligações simples podem rotacionar, pois a sobreposição dos orbitais ocorrem em um eixo, enquanto as ligações duplas e triplas ocorrem lateralmente, inviabilizando a rotação. Utilizando as projeções de Newman, concebeu-se que uma molécula é capaz de realizar o movimento de rotação no eixo, podendo assumir as conformações de oposição e coincidência. Além disso, por meio da utilização das estruturas de Newman, comprovou-se que os elétrons de uma molécula não permanecem em uma mesma posição. Neste capítulo, diversos exemplos de moléculas foram explanados, isso porque a compreensão de moléculas com diferentes geometrias é imprescindível quando se trata de reações orgânicas. Com isso, tivemos uma visão geral dos conceitos fundamentais da química e como os átomos e suas partículas se organizam para formar ligações e moléculas, que possuem diversas estruturas e geometrias.
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