Pós-graduação
  1. Química Física  1.1. Termodinâmica  1.1.1. Leis da Termodinâmica  1.1.2. Entalpia e capacidade térmica  1.1.3. Entropia e energia livre  1.1.4. Equilíbrio de Fases  1.1.5. Termodinâmica estatística  1.1.6. Ciclo termodinâmico  1.1.7. Fugacidade e atividade  1.2. Química Quântica  1.2.1. Princípios da mecânica quântica  1.2.2. Equação de Schrödinger  1.2.3. Partícula em uma caixa  1.2.4. Operadores e autovalores  1.2.5. Orbitais atômicos  1.2.6. Teoria do orbital molecular  1.2.7. Teoria de Perturbação  1.2.8. Teoria de ligação de valência  1.2.9. Hibridização e ligação química  1.3. Cinética química  1.3.1. Leis de velocidade e mecanismos de reação  1.3.2. Teoria das colisões  1.3.3. Teoria do estado de transição  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reações em Cadeia e Polimerização  1.3.6. Reações fotoquímicas  1.4. Mecânica estatística  1.4.1. Funções de Partição  1.4.2. Funções de distribuição molecular  1.4.3. Distribuição de Boltzmann  1.4.4. Estatísticas de Bose–Einstein e Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopia  1.5.1. Rotational Spectroscopy  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopia Eletrônica  1.5.4. Espectroscopia de ressonância magnética nuclear  1.5.5. Espectrometria de Massa  1.5.6. Espectroscopia Raman  1.5.7. Espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica  1.6. Química de superfícies e coloidal  1.6.1. Isoterma de absorção  1.6.2. Tensão Superficial e Molhabilidade  1.6.3. Estabilidade Coloidal  1.6.4. Catalysis  1.6.5. Emulsões e micelas  1.7. Eletroquímica  1.7.1. Equação de Nernst  1.7.2. Células eletroquímicas  1.7.3. Condutividade e mobilidade  1.7.4. Guerra  1.7.5. Células de combustível  1.7.6. Eletrólise
  2. Química orgânica  2.1. Mecanismo de Reação  2.1.1. Reações de substituição nucleofílica  2.1.2. Reações de adição eletrofílica  2.1.3. Reações de eliminação  2.1.4. Reações de rearranjo  2.1.5. Reações radicais  2.1.6. Reações pericíclicas  2.2. Espectroscopia e determinação estrutural  2.2.1. Espectroscopia UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopia de RMN  2.2.4. Espectrometria de Massas  2.2.5. Cristalografia de Raios X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidade e atividade óptica  2.3.2. Análise estrutural  2.3.3. Isomerismo geométrico  2.3.4. Dynamic Stereochemistry  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reagentes organolítio e organomagnésio  2.4.2. Reações de acoplamento cruzado catalisadas por paládio  2.4.3. Complexos de Metais de Transição  2.4.4. Ligação metal-carbono  2.5. Química dos polímeros  2.5.1. Mecanismo de Polimerização  2.5.2. Características dos Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradável  2.5.4. Polímero condutor  2.5.5. Polímeros Supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Design e desenvolvimento de medicamentos  2.6.2. Farmacocinética e farmacodinâmica  2.6.3. Relações estrutura-atividade  2.6.4. Acoplamento Molecular e Triagem de Medicamentos
  3. Química inorgânica  3.1. Química de coordenação  3.1.1. Teoria do Campo Cristalino  3.1.2. Teoria do campo dos ligantes  3.1.3. Série Espectroquímica  3.1.4. Quelação e estabilidade  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalise por complexos organometálicos  3.2.3. Metalocènicos  3.3. Química bioinorgânica  3.3.1. Metaloproteínas e enzimas  3.3.2. O papel dos metais em sistemas biológicos  3.3.3. Transporte e armazenamento de íons metálicos  3.4. Química do estado sólido  3.4.1. Estruturas Cristalinas  3.4.2. Teoria de bandas dos sólidos  3.4.3. Supercondutores  3.4.4. Defeitos no cristal  3.5. Lantanídeos e Actinídeos  3.5.1. Configuração eletrônica em lantanídeos e actinídeos  3.5.2. Química de coordenação dos lantanídeos  3.5.3. Propriedades Magnéticas dos Lantanídeos
  4. Química Analítica  4.1. Cromatografia  4.1.1. Cromatografia Gasosa  4.1.2. Cromatografia Líquida de Alta Performance  4.1.3. Cromatografia em Camada Delgada  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopia de absorção atômica  4.2.2. Difração de raios X  4.2.3. Espectroscopia de plasma acoplado indutivamente  4.3. Métodos Eletroanalíticos  4.3.1. Potenciometria  4.3.2. Voltametria  4.3.3. Colometria  4.4. Espectrometria de Massa  4.4.1. Técnica de Ionização  4.4.2. Padrão de Fragmentação  4.5. Quimiometria  4.5.1. Análise multidisciplinar  4.5.2. Aprendizado de Máquina em Química
  5. Química Teórica e Computacional  5.1. Simulação de dinâmica molecular  5.1.1. Campos de força e minimização de energia  5.1.2. Simulação de Monte Carlo em simulações de dinâmica molecular  5.2. Métodos de química quântica  5.2.1. Teoria de Hartree–Fock  5.2.2. Teoria do funcional da densidade  5.2.3. Métodos semi-empíricos  5.3. Design computacional de medicamentos  5.3.1. Acoplamento Molecular  5.3.2. Modelagem QSAR  5.3.3. Triagem Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Cinética Enzimática  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inibição  6.2. Metabolismo e Bioenergética  6.2.1. Glicólise  6.2.2. Ciclo do ácido cítrico  6.2.3. Cadeia de transporte de elétrons  6.3. Biologia Molecular  6.3.1. Replicação e reparo do DNA  6.3.2. Síntese de proteínas  6.3.3. Regulação Genética  6.4. Bioquímica Estrutural  6.4.1. Dobramento de Proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efeito estufa  7.1.2. Destruição da Camada de Ozônio  7.1.3. Poluentes do ar e fumaça  7.2. Química da Água  7.2.1. pH e dureza da água  7.2.2. Tratamento de águas residuais  7.2.3. Química Aquática  7.3. Química do Solo  7.3.1. Contaminação por metais pesados  7.3.2. pH do Solo e Capacidade Tamponante  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicologia e Segurança Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Avaliação de Risco em Toxicologia e Segurança Química em Química Ambiental  7.4.3. Efeitos dos poluentes no ambiente

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Métodos de química quântica


Os métodos de química quântica são uma parte importante da química teórica e computacional. Esses métodos usam os princípios da mecânica quântica para resolver questões químicas. Eles ajudam a simular e entender propriedades e reações moleculares na escala atômica. Envolve a descrição matemática dos elétrons em átomos e moléculas. A mecânica quântica é importante porque fornece a descrição mais precisa de sistemas moleculares.

A jornada da química quântica começou com o desenvolvimento da mecânica quântica no início do século XX. Cientistas como Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg e Paul Dirac estabeleceram os princípios básicos. Hoje, esses princípios formam a base dos métodos de química quântica.

Conceitos básicos

No núcleo da química quântica está a equação de Schrödinger. Esta equação é importante na previsão do comportamento de sistemas quânticos. Ela descreve como o estado quântico de um sistema físico muda ao longo do tempo. A equação é:

hΨ = eΨ

Onde:

  • H é o operador Hamiltoniano (que representa a energia total do sistema).
  • Ψ é a função de onda que contém todas as informações sobre o sistema.
  • E é a energia do sistema.

Resolver a equação de Schrödinger nos dá informações sobre a função de onda e energia associadas ao sistema molecular.

Principais métodos de química quântica

Os métodos de química quântica são principalmente divididos em duas categorias: métodos ab initio e métodos semi-empíricos.

Métodos iniciais

O termo "ab initio" significa "a partir dos primeiros princípios". Esses métodos não dependem de dados experimentais, mas são baseados inteiramente nas leis da mecânica quântica. Os métodos ab initio mais comuns incluem:

Método Hartree-Fock (HF)

O método Hartree-Fock é uma abordagem ab initio fundamental. Este método assume que os elétrons não se correlacionam entre si e se movem independentemente no campo líquido de todos os outros elétrons. A aproximação HF ignora a correlação entre elétrons. Apesar de sua simplicidade, Hartree-Fock fornece uma base para métodos mais avançados.

A função HF é um único determinante de Slater, que pode ser visualizada como:

Esses círculos representam orbitais eletrônicos, e as linhas que se cruzam representam a interação entre eles de acordo com o método HF.

Teoria do Funcional da Densidade (DFT)

A teoria do funcional da densidade tornou-se extremamente popular devido ao seu equilíbrio entre precisão e custo computacional. Ao contrário do HF, a DFT leva em consideração a correlação entre elétrons, focando na densidade eletrônica. A densidade eletrônica, ρ(r), simplifica a complexa função de onda eletrônica, o que às vezes pode tornar a DFT mais fácil e rápida.

Esta curva mostra uma distribuição típica de densidade eletrônica ao longo da distância, que desempenha um papel importante na DFT.

Métodos pós-Hartree–Fock

Esses métodos incluem técnicas de alta precisão que corrigem as limitações do método HF. Alguns métodos comuns pós-Hartree–Fock são:

  • Teoria das perturbações de Møller–Plesset (MPN): usa teoria das perturbações para incorporar correlação eletrônica no HF.
  • Interação de Configuração (CI): considera várias configurações eletrônicas para avaliar a correlação.
  • Teoria de Clusters Acoplados (CC): conhecida por sua precisão, considera todas as correlações eletrônicas.

Métodos semi-empíricos

Os métodos semi-empíricos combinam teorias da mecânica quântica com dados experimentais. Esses métodos reduzem os custos computacionais. Eles são baseados no formalismo de Hartree-Fock, mas usam parametrizações derivadas de dados experimentais. Métodos semi-empíricos populares incluem:

  • PM3 (Método Paramétrico 3)
  • AM1 (Modelo Austin 1)
  • MNDO (Desprezo Modificado da Sobreposição Diatômica)

Os métodos semi-empíricos são úteis para moléculas maiores, onde os recursos computacionais e o tempo são uma preocupação.

Aplicações dos métodos de química quântica

Os métodos de química quântica têm aplicações diversas na química e além. Eles são essenciais para o seguinte:

  • Cálculos de propriedades moleculares: Isso inclui comprimentos de ligações, ângulos, momentos de dipolo, etc.
  • Previsão de espectros: Métodos quânticos preveem e interpretam espectros NMR, IR, UV/Vis.
  • Mecanismo de Reação: Informações sobre caminho de reação, estado de transição etc.
  • Ciência dos Materiais: Projeto e Avaliação de Novos Materiais.

Por exemplo, prever o momento de dipolo de uma molécula é importante no estudo da polaridade molecular:

, ,

Este diagrama mostra o momento de dipolo como um vetor da carga positiva para a carga negativa.

Desafios e limitações

Os métodos de química quântica fornecem informações inestimáveis, mas não estão isentos de limitações. O custo computacional para métodos de alta precisão cresce exponencialmente com o tamanho do sistema. Encontrar um equilíbrio entre custo computacional e precisão é um desafio contínuo.

Sempre há desafios na escolha do método apropriado para um determinado sistema ou reação. Um método simples como o HF pode ser adequado para investigações iniciais, enquanto métodos mais complexos como DFT ou pós-Hartree-Fock podem ser necessários para informações detalhadas.

À medida que o poder computacional e os algoritmos avançam, essas limitações estão sendo rapidamente superadas, aumentando as esperanças para desenvolvimentos futuros na química quântica.

Conclusão

Os métodos de química quântica abriram novos horizontes na compreensão de sistemas moleculares e reações químicas. De fornecer estruturas teóricas a auxiliar em previsões experimentais, esses métodos continuam a evoluir e influenciar diversos campos científicos.

Os métodos de química quântica continuam a ser uma ferramenta indispensável na química moderna, oferecendo visões profundas sobre propriedades moleculares e reações. À medida que os avanços computacionais continuam, esses métodos prometem descrições moleculares ainda mais detalhadas e precisas.


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