A Prova Química

Prova 2 – QUIA42

Questão 1

Embora as duas teorias em questão ( TOM e TLV) sejam baseadas na mecânica quântica, as duas teorias diferem-se , principalmente , porque a TOM surge para tratar dos problemas que a TLV não conseguia  explicar . De inicio,  a TLV  é uma teoria baseada na mecânica quântica para explicar como ocorre uma ligação covalente , que é a resultante das forças , de natureza eletrostática , que mantem os constituintes da matéria unidos. No  caso das ligações covalentes, as ligações químicas  , entre os átomos em uma molécula , ocorrem de maneira direcional. Isso quer dizer que os elétrons que estão sendo compartilhados entre os átomos em  molécula estão entre os eixos dos núcleos do átomos. A TLV surge então para explicar como ocorre a formação da ligação química entre os eixos dos núcleos atômicos usando o modelo quântico, que considera os elétrons como funções de onda e  a região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron como orbital ; as ligações químicas covalentes não são senão superposição entre os orbitais de dois  ou mais átomos . Ou seja , a formação da ligação covalente ocorre pela interpenetração  entre os orbitais de valência dos átomos que compõem a molécula , desde que apresentem energias semelhantes e simetrias iguais para a superposição. Essa superposição de orbitais aumenta a densidade eletrônica na região entre os núcleos dos átomos que formam a molécula. Tomando a molécula de água como exemplo, a TLV é capaz de explicar de que forma acontece as ligações entre todos os átomos que constituem a molécula de água : usando conceitos da modelo quântico , como dito acima , e também usando artifícios matemáticos criados a partir da própria TLV para explicar como acontecem as ligações  covalentes entre certos compostos , pois é verificado experimentalmente que a água é uma molécula formada por ligações covalentes simples , sendo que a configuração eletrônica desses elementos leve-se a pensar teoricamente que eles não poderiam fazer essas ligações simples ,  como no caso da água . Ocorre o que é chamado de hibridização, um recurso utilizado da TLV  , que é quando orbitais atômicos, em um átomo , de diferentes energias , se combinam dando origem a novos orbitais híbridos  ,  iguais em energia , permitindo que o átomo no qual ocorre a hibridização  possa fazer ligações covalentes.

No entanto , A TLV se limita por vários motivos , dentre os quais podemos destacar que ela não é  capaz de descrever como se comportam certas moléculas quando os elétrons da ligação covalente  recebem mais energia que o “normal” , isto é , ela não consegue explicar fenômenos em que ocorrem transições eletrônicas  ( mudança de cor , por exemplo), Dessa forma , ela não consegue explicar o motivo pelo qual a água é  transparente . Mediante essa limitação , uma teoria mais adaptada baseada na mecânica quântica surge para explicar não só esse problema , mas outros ,como o comportamento magnético de certos materiais e os sais. Essa nova teoria , que surgiu em 1927, é chamada de teoria do orbital molecular, comumente conhecida como TOM.

Na  teoria do orbital molecular (TOM) ,os orbitais atômicos dão lugar aos orbitais moleculares.    Se considerarmos a molécula de agua na TLV, esta  era encarada como sendo formada por átomos através de ligações covalentes simples e , como a ligação  covalente se caracteriza pelo compartilhamento de um par ou mais pares de elétrons , os elétrons estão sendo compartilhados somente entre  dois átomos na molécula de água  , ou seja, existem  somente duas ligações covalentes O-H na molécula de água (dois átomos de hidrogênio compartilham seu elétron de valência com o um único átomo de oxigênio) ; enquanto que na TOM, os elétrons são considerados como estando associados com todos os núcleos envolvidos , no caso, os elétrons estão associados a toda a molécula de água, tanto ao núcleo do oxigênio quanto dos hidrogênios presentes na molécula de água  .  Agora, é necessário frisar que, segundo a mecânica quântica, como os elétrons podem ser descrito como ondas, e um elétron, conforme a TLV, por essa razão, é descrito como ocupando um orbital atômico, que o local de maior probabilidade desse elétron ser encontrado. Na teoria do orbital molecular, os elétrons numa molécula ocupam orbitais moleculares, e a função de onda que descreve um orbital molecular é obtida através da combinação de dois orbitais atômicos, sendo que estes orbitais atômicos só podem se combinar se possuírem energias aproximadamente iguais, se eles se sobrepuserem e se os orbitais possuírem a mesma simetria. Além disso, o número de orbitais atômicos que se combinam deve ser igual ao número de orbitais moleculares criados. Quando um par de orbitais atômicos se combinam, dão origem a um par de novos orbitais moleculares com energias diferentes: um orbital de mais alta energia e um de mais baixa energia. Todos os orbitais moleculares originados de orbitais atômicos estão dispostos em ordem crescente de energia.

O orbital molecular gerado de menor energia é chamado de orbital molecular ligante por haver um aumento na densidade eletrônica na região entre os núcleos dos átomos que deram origem ao orbital molecular ligante. Como o reforço da densidade eletrônica na região internuclear corresponde a uma ligação química covalente, é neste orbital ligante que há diminuição da energia por ser ali onde acontece a formação de uma ligação química quando este orbital ligante é ocupado por dois elétrons, e é sabido que uma ligação química tende a fazer com quem os constituintes dessa ligação irem para um estado de mais baixa energia.  

Já o orbital molecular de alta energia é chamado de orbital molecular antiligante porque é o orbital molecular que tem mais alta energia que os orbitais atômicos que lhe deram origem. Isso acontece pois existe uma força de repulsão entre os núcleos dos átomos que deram origem ao orbital molecular antiligante. Quando se combinam um par de orbitais atômicos, devemos levar em consideração existem núcleos com carga positiva como o centro desses orbitais atômicos e que, como cargas iguais repelem-se e os núcleos dos átomos tem carga positiva, essa força de repulsão entre os núcleos atômicos provoca um aumento da energia do sistema, levando a uma diminuição da densidade eletrônica na região internuclear.

Para explicar como as transições eletrônicas liberam energia na forma de ondas eletromagnéticas e de que forma essas ondas eletromagnéticas podem ser detectadas ou não, pelos órgãos da visão, bem como explicar o motivo da água ser transparente, é necessário entender, primeiro, que a teoria do orbital molecular enfatiza dois orbitais moleculares: um que está ocupado com um ou dois elétrons e tem maior energia (HOMO) e um que está desocupado e tem menor energia (LUMO). O HOMO é o orbital que sempre precede o LUMO, por questão de energia, já que o HOMO tem menos energia que o LUMO.  Para fazer uma transição eletrônica acontecer, é necessário o fornecimento de energia ao elétron. A distância entre HOMO e LUMO determina a quantidade de energia necessária provocar a transição. Se a distância HOMO-LUMO for pequena, é porque existe uma diferença pequena de energia entre eles e essa pequena diferença de energia é a necessária para que a transição eletrônica. Como as transições HOMO-LUMO ocorrem na faixa do espectro eletromagnético visível – que é porção do espectro eletromagnético que o órgãos da visão conseguem ser sensibilizados - , a quantidade de energia não absorvida pelo material é liberada quando o elétron volta pra o orbital molecular mais externo, porque quando esse elétron volta para um orbital mais interno, HOMO, que é o orbital no qual esse elétron se encontrava , ele libera aquela energia “extra” que foi usada por ele para “saltar” para o orbital mais externo, LUMO. Como a energia de uma onda está associada ao seu comprimento, em que maior energia implica menor comprimento de onda, e dependendo do comprimento de onda, a cor, que é uma manifestação da energia detectada pelos órgãos da visão, pode estar ou não na faixa do espectro visível. No caso da agua, o motivo pelo qual ela é transparente é o comprimento de onda associado à energia que a molécula não absorve, isto é , a energia liberada pelo elétron na transição HOMO-LUMO não está na faixa do espectro visível , ou seja, não é possível detectar esse comprimento de onda da transição HOMO-LUMO , pois não existe uma cor no espectro visível  , associada a  esse comprimento de onda , que seja detectada pelos órgãos da visão.  

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