Molécula

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Imagem de microscopia de força atômica (AFM) de uma molécula de PTCDA , na qual os cinco anéis de seis carbonos são visíveis. [1]
A microscopia de varrimento de encapsulamento imagem de pentaceno moléculas, que são constituídos por cadeias lineares de cinco anéis de carbono. [2]
Imagem AFM de 1,5,9-trioxo-13-azatrianguleno e sua estrutura química. [3]

Uma molécula é um grupo eletricamente neutro de dois ou mais átomos mantidos juntos por ligações químicas . [4] [5] [6] [7] [8] As moléculas se distinguem dos íons por sua falta de carga elétrica .

Na física quântica , química orgânica e bioquímica , a distinção dos íons é eliminada e a molécula é freqüentemente usada quando se refere a íons poliatômicos .

Na teoria cinética dos gases , o termo molécula é freqüentemente usado para qualquer partícula gasosa , independentemente de sua composição. Isso viola a definição de que uma molécula contém dois ou mais átomos, uma vez que os gases nobres são átomos individuais. [9]

Uma molécula pode ser homonuclear , ou seja, consiste em átomos de um elemento químico , como ocorre com dois átomos na molécula de oxigênio (O 2 ); ou pode ser heteronuclear , um composto químico composto por mais do que um elemento, como com água (dois átomos de hidrogénio e um átomo de oxigénio, H 2 O).

Átomos e complexos conectados por interações não covalentes , como ligações de hidrogênio ou ligações iônicas , normalmente não são considerados moléculas únicas. [10]

As moléculas como componentes da matéria são comuns. Eles também constituem 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 feitas, os ácidos nucléicos (DNA e RNA), açúcares, carboidratos, gorduras e vitaminas. Os minerais nutrientes normalmente não são moléculas, por exemplo, sulfato de ferro.

No entanto, a maioria das substâncias sólidas familiares na Terra não são feitas de moléculas. Isso inclui todos os minerais que constituem a substância da Terra, solo, sujeira, areia, argila, seixos, rochas, rochas, rocha , o interior derretido e o núcleo da Terra . Todos eles 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 é válido para a maioria dos metais que são fases condensadas com ligações metálicas . Assim, os metais sólidos não são feitos de moléculas.

Em 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 estrutura celular unitária que caracteriza sais, cristais covalentes e metais.

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 resultam na formação e quebra de ligações químicas , enquanto a física molecular lida com as leis que regem sua estrutura e propriedades. Na prática, entretanto, essa distinção é vaga. Nas ciências moleculares, uma molécula consiste em um sistema estável ( estado ligado ) composto de dois ou mais átomos . Os íons poliatômicos podem, às vezes, ser considerados como moléculas eletricamente carregadas. O termo molécula instável é usado para muitoespécies reativas , ou seja, montagens de curta duração ( 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 no condensado de Bose-Einstein .

História e etimologia

De acordo com Merriam-Webster e o Online Etymology Dictionary , a palavra "molécula" deriva do latim " moles " ou pequena unidade de massa.

  • Molécula (1794) - "partícula extremamente minúscula", do francês molécula (1678), do New Latin molecula , diminutivo do latim moles "massa, barreira". Um significado vago a princípio; a moda da palavra (usada até o final do século 18 apenas na forma latina) pode ser rastreada até a filosofia de Descartes . [11] [12]

A definição da molécula evoluiu à medida que o conhecimento da estrutura das moléculas aumentou. As definições anteriores eram menos precisas, definindo as moléculas como as menores partículas de substâncias químicas puras que ainda retêm sua composição e propriedades químicas. [13] Esta definição freqüentemente falha, uma vez que muitas substâncias na experiência comum, como rochas , sais e metais , são compostas de grandes redes cristalinas de átomos ou íons quimicamente ligados , mas não são feitas de moléculas discretas.

União

As moléculas são mantidas juntas por ligação covalente ou ligação iônica . Vários tipos de elementos não metálicos existem apenas como moléculas no ambiente. Por exemplo, o hidrogênio existe apenas como molécula de hidrogênio. Uma molécula de um composto é feita de dois ou mais elementos. [14] Uma molécula homonuclear é feita de dois ou mais átomos de um único elemento.

Enquanto algumas pessoas dizem que um cristal metálico pode ser considerado uma única molécula gigante unida por ligações metálicas , [15] outros apontam que os metais agem de maneira muito diferente das moléculas. [16]

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 das forças de atração e repulsão entre os átomos, quando eles compartilham elétrons, é denominado ligação covalente . [17]

Iônico

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

A ligação iônica é um tipo de ligação química que envolve a atração eletrostática entre íons de carga oposta e é a principal interação 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 ). [18] Essa transferência de elétrons é denominada eletrovalência em contraste com covalência . No caso mais simples, o cátion é um átomo de metal e o ânion é um não metalátomo, 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 pequenas moléculas separadas onde os elétrons ainda são transferidos totalmente o suficiente para que as ligações sejam consideradas iônicas em vez de covalentes .

Tamanho molecular

A maioria das moléculas são muito pequenas para serem vistas a olho nu, embora as moléculas de muitos polímeros possam atingir tamanhos macroscópicos , incluindo biopolímeros como o DNA . As moléculas comumente usadas como blocos de construção para a síntese orgânica têm uma dimensão de alguns angstroms (Å) a várias dúzias de Å, ou cerca de um bilionésimo de um metro. Moléculas individuais geralmente não podem ser observadas pela luz (como observado acima), mas moléculas pequenas 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. [19]

O raio molecular efetivo é o tamanho que uma molécula exibe em solução. [20] [21] 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, travessões, colchetes e sinais de mais (+) e menos (-). Eles são limitados a uma linha tipográfica de símbolos, que pode incluir subscritos e sobrescritos.

A fórmula empírica de um composto é um tipo muito simples de fórmula química. [22] É a razão inteira mais simples dos elementos químicos que a constituem. [23] Por exemplo, a água é sempre composta de uma proporção de 2: 1 de átomos de hidrogênio para 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 o tipo de molécula com exclusividade - o éter dimetílico tem as mesmas proporções do etanol, por exemplo. Moléculas com os mesmos átomosem diferentes arranjos são chamados de isômeros . Além disso, 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 as diferentes moléculas. No entanto, diferentes isômeros podem ter a mesma composição atômica, embora sejam moléculas diferentes.

A fórmula empírica é freqüentemente igual à fórmula molecular, mas nem sempre. Por exemplo, a molécula de acetileno tem a fmula molecular C 2 H 2 , mas a relação de número inteiro mais simples dos elementos é CH.

A massa molecular pode ser calculada a partir da fórmula química e é expressa em unidades de massa atômica convencionais iguais a 1/12 da massa de um átomo de carbono neutro 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 terpenóide 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 denominado 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 "cianostar" . [24]

As moléculas têm geometrias de equilíbrio fixas - comprimentos e ângulos de ligação - sobre as quais oscilam continuamente por meio de movimentos vibracionais 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, principalmente sua reatividade . Os isômeros compartilham uma fórmula química, mas normalmente têm propriedades muito diferentes por causa de suas estruturas diferentes. 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 das moléculas H 2 TPP individuais aplicando-se a tensão excessiva à ponta de um microscópio de tunelamento de varredura (STM, a); esta remoção altera as curvas de corrente-voltagem (IV) das moléculas de TPP, medidas usando a mesma ponta STM, de tipo diodo (curva vermelha em b) para tipo resistor (curva verde). Imagem (c) mostra uma linha de TPP, H 2 moléculas de TPP e TPP. Durante a varredura da imagem (d), o excesso de voltagem foi aplicado ao H 2 TPP no ponto preto, que removeu instantaneamente o hidrogênio, como mostrado na parte inferior de (d) e na imagem de nova varredura (e). Essas manipulações podem ser usadas na eletrônica de uma única molécula . [25]

A espectroscopia molecular trata da resposta ( espectro ) de moléculas interagindo com sinais de sondagem de energia conhecida (ou frequência , de acordo com a fórmula de Planck ). As moléculas têm níveis de energia quantizados que podem ser analisados ​​detectando a troca de energia da molécula por meio de absorbância ou emissão . [26] A espectroscopia geralmente não se refere a estudos de difração onde 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 comumente mede as mudanças na rotação das moléculas e pode ser usada para identificar moléculas no espaço sideral. A espectroscopia de infravermelho mede a vibração das moléculas, incluindo movimentos de alongamento, flexão 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 cor. 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 , H 2 + , e a mais simples de todas as ligações químicas é a ligação de um elétron . H 2 + é composto por dois prótons carregados positivamente e um elétron carregado negativamente , o que significa que a equação de Schrödingerpois o sistema pode ser resolvido 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, IUPAC sugere que "deve corresponder a uma depressão na superfície de energia potencial que é profunda o suficiente para confinar pelo menos um estado vibracional". [4] Esta definição não depende da natureza da interação entre os átomos, mas apenas da força da interação. Na verdade, inclui espécies fracamente ligadas que não seriam tradicionalmente consideradas moléculas, como o dímero de hélio , He 2 , que tem um estado de ligação vibracional [27] e é tão vagamente limitado que só pode ser 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 a força das interações em escala atômica no mundo que observamos.

Veja também

  • Átomo
  • Polaridade química
  • Ligação covalente
  • Molécula diatômica
  • Lista de compostos
  • Lista de moléculas interestelares e circunstelares
  • Biologia molecular
  • Software de design molecular
  • Engenharia molecular
  • Geometria molecular
  • Hamiltoniano molecular
  • Íon molecular
  • Modelagem molecular
  • Promiscuidade molecular
  • Orbital molecular
  • Ligação não covalente
  • Sistemas periódicos de pequenas moléculas
  • Molécula pequena
  • Comparação de software para modelagem de mecânica molecular
  • Molécula de Van der Waals
  • Matriz Molecular Mundial

Referências

  1. ^ Iwata, Kota; Yamazaki, Shiro; Mutombo, Pingo; Hapala, Prokop; Ondráček, Martin; Jelínek, Pavel; Sugimoto, Yoshiaki (2015). "Imagem da estrutura química de uma única molécula por microscopia de força atômica em temperatura ambiente" . Nature Communications . 6 : 7766. Bibcode : 2015NatCo ... 6.7766I . doi : 10.1038 / ncomms8766 . PMC  4518281 . PMID  26178193 .
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links externos

  • Molécula do Mês - Escola de Química da Universidade de Bristol