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Teoria de ligação de valência


A teoria de ligação de valência (VB) é um aspecto fundamental da química quântica e apresenta uma descrição detalhada de como os átomos se unem para formar moléculas. Ela enfatiza a importância do emparelhamento de elétrons e explica como as ligações químicas são formadas quando os orbitais atômicos se sobrepõem. Na teoria VB, as ligações são formadas quando os orbitais atômicos se sobrepõem e essas sobreposições resultam no compartilhamento de pares de elétrons entre átomos. Esse compartilhamento leva à formação de ligações não-covalentes ou covalentes, que são as interações fundamentais entre átomos.

Histórico

As raízes da teoria de ligação de valência podem ser rastreadas até o início do século 20. Ela evoluiu à medida que os cientistas refinaram sua compreensão das estruturas atômicas e das forças que mantêm os átomos unidos. Gilbert N. Lewis introduziu pela primeira vez o conceito de compartilhamento de elétrons em 1916, uma ideia que se tornou central para entender as ligações covalentes. Posteriormente, Linus Pauling e Walter Heitler basearam-se nessas bases, estabelecendo a teoria VB como um modelo importante na ligação química.

Conceitos fundamentais

No cerne da teoria VB, as ligações são vistas como emparelhamentos de elétrons onde os orbitais se sobrepõem. Vamos mergulhar em alguns conceitos-chave.

Orbitais atômicos e hibridização

Os orbitais atômicos são regiões em um átomo onde os elétrons são mais propensos a serem encontrados. Esses orbitais podem se combinar para formar orbitais híbridos, que se sobrepõem durante a formação da molécula. O processo de hibridização envolve a mistura de diferentes tipos de orbitais (s, p, d, etc.) para formar novos orbitais híbridos. Por exemplo:

        hibridização sp^3: combinação de um orbital s com três p para formar quatro orbitais equivalentes sp^3.
        hibridização sp^2: combinação de um orbital s com dois p para formar três orbitais equivalentes sp^2.
        Hibridização sp: combinação de um orbital s com um p para formar dois orbitais equivalentes sp.

Sobreposição de orbitais

A força e a natureza de uma ligação química dependem do grau de sobreposição entre orbitais atômicos. Existem dois principais tipos de sobreposição:

  • Ligação sigma (σ): Este é o tipo mais forte de ligação covalente, formado pela sobreposição de extremidade a extremidade de orbitais. Por exemplo, quando dois orbitais s ou um orbital s e um p se sobrepõem, é formada uma ligação sigma. A ligação HH em H 2 é um exemplo clássico de ligação sigma.
  • Ligação pi (π): Esta ligação é formada pela sobreposição lateral de orbitais p e é geralmente mais fraca do que a ligação sigma. Em ligações duplas e triplas, uma é uma ligação sigma, e as restantes são ligações pi. Por exemplo, a molécula O 2 possui uma ligação sigma e uma ligação pi.

Exemplo visual: etileno (C 2 H 4 )

O etileno é uma molécula simples que mostra a sobreposição de orbitais na teoria VB. Considere como os átomos de carbono no etileno se hibridizam e formam ligações:

        Hibridização do átomo de carbono: sp^2

Cada carbono no etileno usa orbitais híbridos sp^2 para formar ligações sigma com átomos de hidrogênio e outros átomos de carbono. Orbitais p dos átomos de carbono se sobrepõem para formar ligações pi.

C C

Neste diagrama, a linha azul representa a sobreposição sigma, enquanto a curva vermelha representa a sobreposição pi.

Modelo de Pauling e Heitler

Linus Pauling e Walter Heitler avançaram significativamente na teoria VB ao incorporar a mecânica quântica na compreensão das ligações químicas. Seu modelo envolve o cálculo de funções de onda para descrever a posição e a energia do elétron na molécula. Este método permite uma compreensão quantitativa das energias e dos ângulos das ligações.

Comparação com a teoria do orbital molecular

Enquanto a teoria VB se concentra no emparelhamento de elétrons localizados e na sobreposição de orbitais, a teoria do orbital molecular (MO) fornece uma abordagem deslocalizada. A teoria MO descreve os elétrons como ocupando orbitais moleculares que abrangem toda a molécula, em vez de serem restritos a átomos individuais. Cada teoria tem suas próprias forças:

  • Teoria VB: Melhor para explicar a ressonância, hibridização e posições individuais de ligação.
  • Teoria MO: Mais eficaz para entender as propriedades magnéticas e a distribuição de elétrons em uma molécula.

Aplicações da teoria de ligação de valência

A teoria VB fornece informações sobre as propriedades químicas e físicas dos compostos. Algumas aplicações incluem:

  • Reatividade química: A teoria VB ajuda a prever reações com base na força e na natureza das ligações químicas.
  • Ciência dos materiais: Compreensão da ligação em materiais como grafite ou diamante, que está diretamente relacionada às suas propriedades.
  • Espectroscopia: Interpretação de dados sobre vibrações e rotações moleculares em termos de detalhes de ligação.

Desafios e limitações

A teoria VB é poderosa, mas possui suas limitações. Pode ser menos eficaz em sistemas com elétrons altamente deslocalizados, como em metais ou moléculas orgânicas grandes. Além disso, a complexidade de resolver manualmente as funções de onda limita seu uso prático sem assistência computacional.

Conclusão

A teoria de ligação de valência continua sendo uma estrutura importante na química quântica, fornecendo uma maneira robusta de entender como os átomos se ligam em moléculas. Apesar de suas limitações, fornece insights valiosos sobre o comportamento de sistemas químicos e continua sendo uma ferramenta relevante para químicos em todo o mundo.


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