Química Conceitua

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Henrique E. TomaToma

Estrutura Atmica,Ligaes e Estereoqumica

Estru

tura

At

mica

, Lig

a

es e Estereo

qu

mica

Estrutura Atmica, Ligaes e Estereoqumica

Energia, Estados e Transformaes Qumicas

Elementos Qumicos e seus Compostos

Qumica de Coordenao, Organometlica e Catlise

Qumica Bioinorgnica e Ambiental

Nanotecnologia Molecular - Materiais e Dispositivos

Coleo de Qumica Conceitual

A Qumica uma cincia que permeia todas as reas do conhecimento e tem nos encantado com sua arte e magia. Ela embalou o sonho dos alquimistas na

busca da pedra losofal e do elixir da longa vida, e continua impulsionando os qumi-cos modernos na obstinada procura de novas substncias capazes de gerar riquezas

ou de combater as doenas em nosso mundo. Seu contedo tem crescido exponen-cialmente, e o enorme progresso alcanado j permite lidar diretamente com os

tomos e molculas, e at mesmo com as incrveis estruturas nanomtricas da

nanotecnologia. Por meio da qumica estamos continuamente aperfeioando nossa

capacidade de transformar e criar novas formas de matria, de explorar a dimenso do invisvel e de entender a mais sublime das invenes: a vida. Entretanto, toda

essa exploso de conhecimento parece um grande desao no ensino da qumica! Mas, felizmente os conceitos fundamentais continuam vlidos e por isso sua com-

preenso proporciona um passaporte seguro para conhecer e apreciar o maravilho-

so mundo da qumica. Esse foi o grande objetivo desta coleo de textos, dedicada especialmente a voc, que est iniciando esta importante jornada!

Qumico pela USP, doutorou-se em 1974 e Professor Titular do Instituto de Qumica da USP. Foi Chefe do Departamento de Qumica e dirige atualmente o Ncleo de Apoio Pesquisa em Nanotecnologia e Nano-cincias da USP. Publicou 350 artigos cientcos internacionais, com cerca de 6.000 citaes, e tem 20 patentes depositadas. Orientou 60 teses de doutorado e recebeu 20 prmios incluindo o TWAS Chemistry Prize, Fritz-Feigl, Guggenheim e a Comenda Gr-Cruz da Ordem Nacional do Mrito Cientco da Presidncia da Repblica. membro da Academia Brasileira de Cincias, da Academia de Cincias do Estado de So Paulo, da Academia de Cincias do Mundo em Desenvolvimento (TWAS), e da Inter-national Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC).

Henrique Eisi Toma

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Coleo de Qumica Conceitual

1Introduo

2Matria e energia

3A natureza quntica da matria

4Classicao peridica dos

elementos

5Estrutura molecular e ligao

qumica

6Simetria molecular

7Estereoqumica e teorias de

repulso intereletrnica

8Conversa com o leitor

contedo1

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

K

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1Introduo

COLEO de QUMICA CONCEITUALvolume um

ESTRUTURA ATMICA,LIGAES E ESTEREOQUMICA

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2 Estrutura atmica, ligaes e estereoqumica

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3Introduo

ESTRUTURA ATMICA,LIGAES E ESTEREOQUMICA

HENRIQUE E. TOMA

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Todos os direitos reservados a Editora Edgard Blcher Ltda. ndice para catlogo sistemtico:1. Qumica

proibida a reproduo total ou parcial por quaisquer meios, sem autorizao escrita da Editora

Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4 andar04531-012 - So Paulo - SP - BrasilTel 55 11 [email protected]

Segundo Novo Acordo Ortogrfico, conforme 5. ed. do Vocabulrio Ortogrfico da Lngua Portuguesa,Academia Brasileira de Letras, maro de 2009.

Toma, Henrique Eisi Estrutura atmica, ligaes e estereoqumica / Henrique Eisi Toma. So Paulo: Blucher, 2013. Coleo de Qumica conceitual, v. 1).

ISBN 978-85-212-0729-0

1. Qumica 2. Qumica nuclear 2. Estereoqumica I. Ttulo II. Srie

12.0443 CDD 540

Coleo de Qumica Conceitual volume um

Estrutura atmica, ligaes e estereoqumica

2013 Henrique Eisi Toma

Editora Edgard Blcher Ltda.

FICHA CATALOGRFICA

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5Introduo

minha famlia,

Cris, Henry e Gustavo, e

s vrias geraes de alunos que tm mantido acesa esta chama.

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7Introduo

PREFCIO

Neste conjunto de textos que compem a coleo Qumica Conceitual, nossa maior preocupao foi apresentar um contedo moderno, representativo do mundo da Qumica, sem fronteiras. O pblico-alvo so os qumicos e no qu-micos e, por isso, o ponto de partida no pressupe qual-quer pr-requisito cognitivo. Na srie, rompemos, com as divises clssicas de Qumica Inorgnica, Orgnica e Fsi-co-qumica, e procuramos abrir espao para tpicos que no podem deixar de ser ensinados na atualidade, como a questo dos materiais, da energia, da nanotecnologia, dos aspectos ambientais e da sustentabilidade. Aspectos bsi-cos da Qumica Orgnica tradicional foram enquadrados de forma harmoniosa na Qumica dos Elementos e Compostos, para que o leitor perceba as particularidades e semelhan-as de forma global, na Tabela Peridica.

Com o avano e uso extensivo dos recursos computa-cionais na Qumica, a ferramenta terica j no pode mais ser ignorada. Apesar de a Qumica terica ser baseada na mecnica quntica, devemos aceitar o desafi o de tentar torn-la acessvel pedagogicamente, em vez de simples-mente expurg-la, em razo de sua complexidade. Certa-mente, muito ter de ser feito nessa rea, para que o ensino

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de Qumica entre em sintonia com a modernidade e possa usufruir dos seus benefcios.

Alguns dos sistemas abordados no texto podem, inicial-mente, parecer demasiadamente complexos. As estruturas de polmeros, medicamentos e materiais ultrapassam nossa capacidade de memorizao e, de fato, este no foi o nosso objetivo. A presena dessas estruturas no texto contribuir para que o leitor aprenda a analisar o fato complexo pelas suas partes simples, e perceba a identidade qumica dos materiais constituintes que esto ao redor.

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9Introduo

CONTEDO

1 INTRODUO, 11 A Questo das Unidades e da Nomenclatura, 15

2 MATRIA E ENERGIA, 19 Luz, 23 O Eltron, 39 O Prton, 42 O Nutron, 42 O tomo Nuclear, 43 A existncia do ncleo, 44 Nmero Atmico, 45 Massa Atmica e Istopos, 45 Viso Microscpica do tomo, 47

3 A NATUREZA QUNTICA DA MATRIA, 51 A Mecnica Quntica, 55 O Spin Eletrnico e o Princpio de Pauli, 63

4 CLASSIFICAO PERIDICA DOS ELEMENTOS, 71 Propriedades Peridicas, 76

5 ESTRUTURA MOLECULAR E LIGAO QUMICA, 81 Eletronegatividade, Polaridade, Distncias e Energias de Ligao, 84 Abordagem Quntica da Ligao Qumica, 88 Ligaes Qumicas em Molculas Poliatmicas, 96 Ligaes Mltiplas, 97

6 SIMETRIA MOLECULAR, 103 Grupo de Ponto, 106

7 ESTEREOQUMICA E TEORIAS DE REPULSO INTERELETRNICA, 111 Teoria dos Quartetos Duplos de Linnett, 111

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A expanso do octeto, 115 Teoria da Repulso dos Pares Eletrnicos de Valncia (TRPEV), 116 Teoria do Campo Ligante Estereoqumica de Compostos de Coordenao, 121 Estereoisomeria, 126 Isomeria Geomtrica, 126 Isomeria ptica, 128 Isomeria Conformacional, 130

8 CONVERSA COM O LEITOR, 133 Questes provocativas, 135

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11Introduo

CAPTULO 1INTRODUO

Para compreender melhor o mundo, indispensvel co-nhecer a composio dos corpos e as leis que regem as transformaes da matria. Em outras palavras, preciso falar de Qumica, que, como cincia, trata da composio, estrutura e propriedades das substncias e, principalmen-te, dos processos que modifi cam sua natureza, permitindo a criao de novas substncias.

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

1. observao;

2. experimentao;

3. proposio de modelo; e

4. verifi cao de sua capacidade de previso.

Atualmente, com o avano dos recursos computacio-nais, os modelos so cada vez mais elaborados, e as teorias, aperfeioadas, tm maior capacidade de previso. Em algu-mas reas, como na Qumica Terica, os modelos frequen-temente antecipam os fatos, porm, mesmo assim, sempre dependero de experimentos e medidas para a sua con-

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validao. Com raras excees, ainda podemos confiar no lema: na cincia, enquanto a teoria guia, a experincia decide!

Na busca pela explicao dos fatos, podemos fazer uso do raciocnio dedutivo, partindo do todo para buscar as partes, ou do raciocnio indutivo, seguindo um caminho inverso. Mas no s de raciocnio que feita a Qumica. Segundo Heinrich Rheinboldt (Figura 1.1), um importan-te cientista que renovou o cenrio da Qumica no Brasil na metade do sculo passado, a base da Qumica est na intuio; isto , na capacidade de sentir quimicamente e pensar por fenmenos. Dizia o grande Mestre: mais do que Cincia, a Qumica tem muito de ofcio e arte.

A criatividade outro ponto muito importante na Qu-mica, pois o elo que faz da Qumica, um misto de arte e cincia. Como definir criatividade sem falar em intuio ou percepo? De fato, alm de ser o ponto em comum entre a arte e a cincia, a criatividade tambm o diferencial que caracteriza os grandes cientistas. Muitas vezes, a ideia b-sica que gerou a teoria, teve origem na simples imaginao. Kekul (Figura 1.2), por exemplo, concebeu a estrutura c-clica do benzeno, em 1865, durante um cochilo, enquanto trabalhava em seu livro de Qumica. No sonho, apareciam tomos enfileirados como serpentes agitadas. Uma das ser-pentes parecia abocanhar sua prpria cauda, formando um anel, lembrando a imagem do ouroboros da alquimia (sm-

Figura 1.1Heinrich Rheinboldt nasceu em Karlsruhe (Alemanha), em 1891, sendo neto do ilustre qumico Heinrich Caro, considerado um cone no perodo da criao da indstria qumica moderna. Rheinboldt foi professor na Universidade de Bonn, mudando-se para o Brasil em 1934, para implantar o Departamento de Qumica na USP. Cientista, historiador e educador, juntamente com Heinrich Hauptmann promoveu a nucleao da pesquisa moderna em Qumica no Brasil, formando vrias geraes de cientistas de grande expresso. Morreu em 1955.

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13Introduo

bolo da eternidade). O arranjo de tomos, formando um anel, era a ideia que Kekul estava buscando para explicar a estrutura do benzeno.

Outras vezes, desvendar o segredo oculto nos fatos fortuito, ou, pelo menos, quase. A criatividade aliada sor-te pode ser o segredo de grandes descobertas, como acre-ditam muitos cientistas bem-sucedidos. Esse fato conhe-cido como serendipity. Afinal, a sorte existe mesmo para todos, ou favorece apenas queles que nela acreditam?

O cientista, utilizando os conhecimentos acumulados, capaz de produzir novos fatos, e, dessa forma, desvendar fenmenos, formular e modificar teorias. Nesse sentido, a criatividade exige observao, conhecimento e imagina-o. Para o qumico, a sntese ou descoberta de uma nova substncia representa um momento de glria. A realizao experimentada na criao de um novo produto, aps per-correr trajetrias desconhecidas ou inesperadas, no di-ferente daquela sentida pelo artista, diante de sua obra, ou do compositor, ao completar sua sinfonia. Entretanto, como cientista, o qumico, ter de comprovar a sua desco-berta, descrevendo todas as etapas utilizadas, de modo a permitir sua reproduo. Alm disso, ter de provar a com-posio ou estrutura do composto, tarefa muito facilitada atualmente, graas existncia de mtodos instrumentais cada vez mais sofisticados e possantes.

Figura 1.2 Friedrich August Kekul nasceu em Darmstadt (1829); foi professor da Universidade de Gent, e considerado um dos fundadores da Qumica Orgnica. Em 1858, postulou que o carbono tetravalente, e props uma estrutura cclica para o benzeno, inspirado na figura de ouroboros com que havia sonhado. Deixou uma frase famosa: Vamos aprender a sonhar, talvez assim encontremos a verdade... Morreu em 1896.

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medida que o mundo evolui, cresce a necessidade por novos compostos e mtodos mais adequados de sn-tese, anlise e processamento de materiais. Alm da re-duo de custos, a indstria tem perseguido o aumento da qualidade e a minimizao dos efeitos sobre o meio ambiente. Hoje, o nmero de trabalhos cientficos vem crescendo verticalmente em uma escala de centenas de milhes. Desde 1900, a produo do primeiro milho de trabalhos catalogados no Chemical Abstracts levou 31 anos. O segundo milho levou 18 anos. Na atualidade, isso j possvel em menos de um ano. Dada a nossa capaci-dade limitada, diante da expanso vertiginosa do nmero de compostos e de trabalhos cientficos, parece uma atitu-de insensata querer estudar Qumica! Felizmente, mesmo com tudo isso, nossa capacidade de trabalhar com a cin-cia no foi comprometida. De fato, as leis fundamentais continuam vlidas, pelo menos no seu devido contexto. Entretanto, novas leis podero aparecer. Por meio delas poderemos continuar raciocinando e aprendendo a criar novos modelos capazes de lidar com novas descobertas. Parafraseando Rheinboldt, para sobreviver avalanche de informaes a que sempre estaremos sujeitos, teremos de aprender a pensar quimicamente!

A Qumica tem sido um componente importante da tecnologia moderna, em todas as reas; contudo no deve-mos esquecer que, do descobrimento cientfico at as apli-caes prticas, existe um longo caminho a ser percorrido. Por exemplo, o processo fotogrfico foi concebido em 1782 e s foi colocado em prtica em 1838, aps 56 anos de incu-bao. A reproduo xerogrfica de imagens foi descoberta em 1935, porm viabilizada apenas em 1950. Os primeiros antibiticos foram descobertos em 1910, mas s se torna-ram teis em 1940.

Muitas vezes, a percepo da aplicabilidade de um invento est diretamente relacionada com a poca e as necessidades do momento. O composto conhecido como cisplatina j havia sido descrito havia mais de um sculo, contudo somente em 1964 foi verificada sua atividade an-ticancergena, permitindo sua utilizao na quimioterapia, a partir de 1972. Sendo assim, muitos dos compostos qu-micos considerados de interesse acadmico na atualidade, podero ser estratgicos no futuro, em funo do prprio

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15Introduo

Tabela 1.1 Unidades fsicas adotadas no Sistema Internacional (SI)

Grandeza Smbolo Nome Unidade

Massa kg quilograma kg

Comprimento m metro m

Tempo t segundo s

Temperatura T Kelvin K

Quantidade de substncia n mol mol

Corrente eltrica i Ampere A

desenvolvimento cientfico-tecnolgico. nesse sentido que a Qumica, como cincia, tem de ser cultivada, em be-nefcio dos interesses tecnolgicos e da humanidade.

A Questo das Unidades e da NomenclaturaNa Qumica, o uso das grandezas experimentais e da nomen-clatura regulamentado pela IUPAC (acrnimo, em ingls, de International Union of Pure and Applied Chemistry). A IUPAC uma organizao internacional que, entre ou-tras responsabilidades, vem cuidando da uniformizao da linguagem qumica, gerando diretrizes a serem adaptadas em diversos idiomas pelos diferentes pases. Na realidade, a questo da linguagem cientfica um problema muito com-plexo e dinmico, com muitas peculiaridades provenientes das razes culturais e da tradio. Por isso, algumas formas tradicionais ou populares de lidar com essa questo ainda continuam em uso, coexistindo com as recomendaes ofi-ciais, at que acabem predominando com o tempo.

Atualmente, o sistema internacionalmente aceito para expressar as unidades das medidas conhecido como SI (Sistema Internacional), e baseado no sistema mtrico, tendo como base as unidades mostradas na Tabela 1.1. Contudo, nos pases de lngua inglesa, unidades como po-legadas e libras ainda continuam sendo usadas, principal-mente fora do ambiente cientfico.

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A temperatura normalmente expressa em graus Cel-sius, C, com uma escala graduada ou centgrada, com base nos pontos de fuso e de ebulio da gua em condies normais. Entretanto, na linguagem cientfica conveniente o uso da temperatura expressa em uma escala absoluta, conhecida como Kelvin (K), desaparecendo a notao de grau. A converso pode ser feita diretamente, consideran-do que a temperatura absoluta da fuso da gua (gelo) igual a 273,15 K. Assim,

T (K) = T (C) + 273,15; ou

T/K = T/C + 273,15

A representao das unidades separadas por (/), como na expresso anterior, vem sendo cada vez mais adotada in-ternacionalmente, principalmente nas revistas cientficas.

As grandezas podem ser precedidas por multiplicativos como apresentado na Tabela 1.2.

A quantificao das grandezas fsicas deve ser feita por meio do sistema SI, como nos exemplos da Tabela 1.3.

Tabela 1.2 Prefixos usados nos multiplicativos

Multiplicativo 1015 1012 109 106 103 102 101 103 106 109 1012

Nome femto pico nano micro mili centi deci quilo mega giga tera

Abreviao f p n m m c d k M G T

Tabela 1.3 Algumas grandezas fsicas no sistema SI

Especificao Unidade Fsica Smbolo Sistema SI

Fora newton N kg m s2

Energia e Trabalho joule J kg m2 s2 ou N m

Presso pascal Pa N m2

Carga eltrica coulomb C A s

Potencial eltrico volt V kg m2 s3 A1 ou J C1

Frequncia hertz Hz s1

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A presso uma grandeza fsica que tem sido expressa em vrias unidades alm do pascal (Pa), adotado no sistema SI. A forma mais usual continua sendo a atmosfera (atm) que corresponde a 1,01325 105 Pa, ou 1,01325 bar. Uma atmosfera de presso equivale a uma coluna de 760,0 mm de Hg, ou 10,33 m de H2O. Tambm frequente encontrar a presso expressa em psi (pound per square inch), sendo 1 psi = 0,07 bar.

Outra unidade muito importante que expressa a quanti-dade de uma substncia o mol1, que equivale a 6,022 1023 unidades de partculas (tomos ou molculas), nmero este conhecido como constante de Avogadro. Por exemplo, um mol de H2O expresso em gramas igual a 18,01 g e representa sua massa molar. nela que esto contidas 6,022 1023 molculas de gua. Da mesma forma, 36,02 g de gua equivalem a 2 mol de H2O.

A energia pode ser expressa em diversas unidades. Embora a forma recomendada seja o joule, frequentemen-te expressa em unidades espectroscpicas, eltricas ou correlatas. A converso pode ser feita de acordo com a Ta-bela 1.4.

1 O uso do mol como unidade dispensa a designao de plural, tornando inadequa-das expresses como nmero de moles, da mesma forma como no se diz nmero de dzias ou nmero de quilos.

Tabela 1.4 Converso de unidades de energia

hartree eV cm1 kcal mol1 kJ mol1

hartree 1 27,2107 219.474,63 627,503 2.625,5

eV 0,0367502 1 8.065,73 23.060,9 96.486,9

cm1 4.556,33 106 1,23981 104 1 0,00285911 0,0119627

kcal mol1 0,00159362 0,0433634 349,757 1 4,18400

kJ mol1 0,00038088 0,01036410 83,593 0,239001 1

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