Conceito de Molécula
A
molécula, é a unidade
identificável mais pequena em que uma substância pura pode ser dividida
e ainda reter a composição e as propriedades químicas de uma tal
substância.
A
divisão de uma
substância em partes progressivamente menores não produz alterações quer
na sua composição ou nas suas propriedades químicas até que as partes
constituídas por moléculas individuais sejam atingidas. A subdivisão da
substância leva ainda a fragmentos menores, que geralmente diferem da
substância original em composição e diferem sempre da original nas
propriedades químicas. Neste último estágio de fragmentação, as ligações
químicas que mantêm os átomos ligados na molécula são quebrados.
Os
átomos consistem num
único núcleo com uma carga positiva rodeado por uma nuvem de eletrões de
carga negativa. Quando os átomos se aproximam perto um do outro, as
nuvens de eletrões interagem umas com as outras e com os núcleos. Se
esta interação é tal que a energia total do sistema é reduzida, então os
átomos unem-se para formar uma molécula. Assim, a partir de um ponto de
vista estrutural, uma molécula pode consistir de um único átomo, como
numa molécula de um gás nobre como o hélio (He), ou pode ser composto de
um agregado de átomos mantidos juntos por forças de valência. As
moléculas diatômicas contêm dois átomos que estão ligados quimicamente.
Se os dois átomos são idênticos, como por exemplo, a molécula de
oxigénio (O2), eles formam uma molécula diatómica
homonuclear, enquanto que, se os átomos são diferentes, como na molécula
de monóxido de carbono (CO), eles formam uma molécula diatómica
heteronuclear. As moléculas que contém mais do que dois átomos são
denominadas de moléculas poliatómicas, por exemplo, dióxido de carbono
(CO2) e água (H2O). Moléculas poliméricas podem
conter muitos milhares de átomos constituintes.
A
razão do número de
átomos que podem ser ligados em conjunto para formar moléculas é fixo;
por exemplo, cada molécula de água contém dois átomos de hidrogénio e um
átomo de oxigénio. É esta característica que distingue os compostos
químicos a partir de soluções e outras misturas mecânicas. Assim, o
hidrogénio e o oxigénio podem estar presentes em quaisquer proporções
arbitrárias em misturas mecânicas, mas para formar o composto químico de
água (H2O) eles só se irão ligar em proporções definitivas. É
possível para os mesmos átomos combinarem-se em diferentes mas
definitivas proporções para formar moléculas diferentes, por exemplo,
dois átomos de hidrogénio ligar-se-ão quimicamente com um átomo de
oxigénio para produzir uma molécula de água, ao passo que dois átomos de
hidrogénio podem quimicamente ligar-se a dois átomos de oxigénio para
formar uma molécula de peróxido de hidrogénio (H2O2).
Além disso, é possível, os átomos unirem-se uns aos outros em proporções
idênticas para formar diferentes moléculas. Tais moléculas são chamados
de isómeros e diferem apenas no rearranjo dos átomos dentro das
moléculas. Por exemplo, o álcool etílico (CH3CH2OH)
e o éter metílico de (CH3OCH3) ambos contêm um,
dois e seis átomos de oxigénio, carbono e hidrogénio, respectivamente,
no entanto, estes átomos estão ligados de maneiras diferentes.
Nem
todas as substâncias são
feitas de unidades moleculares distintas. O cloreto de sódio (sal de
mesa comum), por exemplo, consiste em iões de sódio e iões cloreto
dispostos numa estrutura de modo que, cada ião sódio está rodeado por
seis iões cloreto equidistantes e cada ião cloreto está rodeado por seis
iões sódio equidistantes. As forças que atuam entre qualquer ião sódio e
cloreto adjacente são iguais. Por conseguinte, no cloreto de sódio e em
todos os sólidos do mesmo tipo, em geral, todos os sais, o conceito da
molécula química não tem qualquer significado. A fórmula para um
composto deste tipo, no entanto, é dada como a razão simples dos átomos,
no caso de cloreto de sódio, NaCl.
As moléculas são mantidas
juntas através de pares de eletrões compartilhados, ou ligações
covalentes. Tais ligações são
direcionais, o que
significa que os átomos adoptam posições específicas em relação uns aos
outros, de modo a maximizar as forças de ligação. Como resultado, cada
molécula tem uma estrutura definitiva, relativamente rígida, ou uma
distribuição espacial dos seus átomos. A química estrutural está
relacionada com a valência, o que determina a forma como os átomos se
combinam em proporções definidas e como isso está relacionado com as
direções e comprimento das ligações. As propriedades das moléculas
correlacionam-se com as suas estruturas; por exemplo, a molécula de água
está dobrada estruturalmente e, por conseguinte, tem um momento dipolar,
enquanto que a molécula de dióxido de carbono é linear e não tem nenhum
momento dipolar. O modo como os átomos estão reorganizadas no decorrer
das reações químicas é importante. Em algumas moléculas a estrutura pode
não ser rígida; por exemplo, no etano (H3CCH3)
existe praticamente rotação livre sobre a ligação simples
carbono-carbono.
A
nuvem de eletrões á
volta dos núcleos numa molécula pode ser estudada através de
experiências com difração de raios-X. Informações adicionais podem ser
obtidas por ressonância de spin eletrónico ou por técnicas de
ressonância magnética nuclear. Avanços na microscopia eletrónica
permitiram obter imagens visuais da produção de moléculas e átomos.
Teoricamente, a estrutura molecular é determinada pela resolução da
equação da mecânica quântica para o movimento dos eletrões no campo dos
núcleos (equação de Schrödinger). O peso molecular de uma molécula é a
soma das massas atómicas dos seus átomos constituintes. Se uma
substância tem peso molecular M, então M gramas da
substância é denominado por uma mole. O número de moléculas de uma mole
é a mesma para todas as substâncias; este número é conhecido como o
número de Avogadro (6.02214179 × 1023). Os pesos moleculares
podem ser determinados por espectrometria de massa e por técnicas
baseadas em termodinâmica.
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