Estrutura Molecular e Ligação Química
A estrutura molecular e a ligação química descrevem como os átomos se combinam em moléculas através de elétrons compartilhados, e como a separação do movimento nuclear e eletrônico torna a mecânica quântica molecular tratável.
Definition
Estrutura molecular e ligação química é o estudo de como os elétrons ligam os núcleos em moléculas estáveis e das geometrias de equilíbrio e níveis de energia resultantes, com base na resolução da equação de Schrödinger molecular dentro da separação de Born-Oppenheimer do movimento eletrônico e nuclear.
Scope
Esta área abrange a base quântico-mecânica das moléculas: a aproximação de Born-Oppenheimer que separa o movimento eletrônico rápido do movimento nuclear lento e define as superfícies de energia potencial; as teorias da ligação química, incluindo os modelos de orbitais moleculares e de ligação de valência; e o movimento rotacional e vibracional dos núcleos nas superfícies resultantes. Explica a geometria molecular, a formação de ligações e a estrutura dos níveis de energia subjacente à espectroscopia molecular.
Sub-topics
Core questions
- Como a grande diferença de massa entre núcleos e elétrons nos permite separar seus movimentos?
- O que mantém os átomos unidos em uma molécula, e como uma ligação química é descrita quanticamente?
- Como os orbitais moleculares se formam a partir dos orbitais atômicos?
- Como os núcleos se movem — girando e vibrando — na superfície de energia potencial eletrônica?
Key concepts
- Separação de Born-Oppenheimer
- Superfície de energia potencial
- Orbitais moleculares (LCAO)
- Orbitais ligantes e antiligantes
- Ordem de ligação e comprimento de ligação
- Níveis vibracionais e rotacionais
Key theories
- Aproximação de Born-Oppenheimer
- Como os núcleos são muito mais pesados que os elétrons, a equação de Schrödinger eletrônica é resolvida para núcleos fixos para fornecer uma superfície de energia potencial, na qual os núcleos então se movem; esta separação é a base de essencialmente toda a teoria da estrutura molecular.
- Teoria do orbital molecular
- Orbitais moleculares construídos como combinações lineares de orbitais atômicos deslocalizam elétrons por toda a molécula, com combinações ligantes e antiligantes explicando a ordem de ligação, estabilidade e propriedades magnéticas.
- Estrutura rotacional-vibracional
- Em uma dada superfície eletrônica, os núcleos vibram perto do equilíbrio e giram como um todo, dando uma escada de níveis vibracionais, cada um carregando uma variedade de níveis rotacionais que organiza os espectros moleculares.
Clinical relevance
A compreensão da estrutura molecular e da ligação química é a base de toda a química e ciência dos materiais — prevendo reatividade, geometria e espectros — e as superfícies de energia potencial que ela define são o ponto de partida para a química computacional, o design de fármacos e a interpretação de todas as formas de espectroscopia molecular.
History
A mecânica quântica foi aplicada às moléculas quase imediatamente após sua formulação: Heitler e London trataram a molécula de hidrogênio em 1927, no mesmo ano em que Born e Oppenheimer justificaram a separação do movimento nuclear e eletrônico. Hund e Mulliken desenvolveram então a teoria do orbital molecular, e Pauling elaborou o modelo complementar de ligação de valência da ligação química.
Key figures
- Max Born
- Robert Oppenheimer
- Friedrich Hund
- Robert Mulliken
Related topics
Seminal works
- born1927
- atkins2011
- bransden2003
Frequently asked questions
- Por que a aproximação de Born-Oppenheimer é tão boa?
- Os núcleos são milhares de vezes mais pesados que os elétrons, então os elétrons se ajustam quase instantaneamente a qualquer configuração nuclear. Tratar os núcleos como fixos ao resolver para os elétrons introduz apenas um pequeno erro, exceto perto de pontos onde os estados eletrônicos se tornam degenerados.
- Qual é a diferença entre a teoria do orbital molecular e a teoria da ligação de valência?
- A teoria do orbital molecular constrói orbitais deslocalizados por toda a molécula, enquanto a teoria da ligação de valência descreve as ligações como pares de elétrons localizados compartilhados entre átomos específicos. Ambas são aproximações da mesma função de onda exata e podem ser reconciliadas.