Doutorado
  1. Química inorgânica  1.1. Química de coordenação  1.1.1. Teoria do campo dos ligantes  1.1.2. Teoria do campo cristalino  1.1.3. Teoria de Orbital Molecular para Compostos de Coordenação  1.1.4. Estabilidade de Compostos de Coordenação  1.1.5. Espectros eletrônicos de compostos de coordenação  1.1.6. Isomerismo em Compostos de Coordenação  1.1.7. Cinética e mecanismo das reações de coordenação  1.2. Química Organometálica  1.2.1. Carbonilos metálicos  1.2.2. Alquil e aril metálico  1.2.3. Carbonos de Fischer e Schrock  1.2.4. Adição Oxidativa e Eliminação Redutiva  1.2.5. Hidretos Metálicos  1.2.6. Catalysis by organometallic compounds  1.2.7. Metallocenos e Complexos Sanduíche  1.2.8. Ativação de CH  1.3. Química do estado sólido  1.3.1. Estruturas e Redes Cristalinas  1.3.2. Teoria de bandas e propriedades elétricas  1.3.3. Defeitos no cristal  1.3.4. Síntese de materiais de estado sólido  1.3.5. Propriedades magnéticas e ópticas dos sólidos  1.3.6. Supercondutividade  1.3.7. Íons em estado sólido  1.4. Química Bio-inorgânica  1.4.1. Metaloproteínas e enzimas  1.4.2. Transporte e armazenamento de íons metálicos  1.4.3. O papel dos metais na medicina  1.4.4. Catálise bioinspirada  1.4.5. Interações Metal-DNA  1.4.6. Complexos Metálicos na Ciência Médica  1.5. Lantanídeos e Actinídeos  1.5.1. Configuração eletrônica e estados de oxidação em lantanídeos e actinídeos  1.5.2. Propriedades Espectrais e Magnéticas em Lantanídeos e Actinídeos  1.5.3. Separação e Extração de Lantanídios e Actinídios  1.5.4. Química de coordenação dos elementos do bloco f  1.6. Main Group Chemistry  1.6.1. Química de compostos de boro  1.6.2. Química dos Compostos de Silício e Germânio  1.6.3. Química dos Compostos de Fósforo e Enxofre  1.6.4. Química de organossilício  1.6.5. Química dos Gases Nobres
  2. Química Orgânica  2.1. Mecanismo de reação  2.1.1. Reações de substituição nucleofílica  2.1.2. Reações de adição e substituição eletrofílica  2.1.3. Reações de eliminação  2.1.4. Reações de Rearranjo  2.1.5. Reações Radicais  2.1.6. Reações Pericíclicas  2.1.7. Reações fotoquímicas  2.2. Estereoscópico  2.2.1. Quiralidade e atividade óptica  2.2.2. Análise estrutural  2.2.3. Efeitos estereoeletrônicos  2.2.4. Síntese assimétrica  2.2.5. Estereoquímica Dinâmica  2.3. Química Organometálica na Síntese Orgânica  2.3.1. Reagentes de organolítio e organomagnésio  2.3.2. Reações de acoplamento catalisadas por metais de transição  2.3.3. Reações catalisadas por paládio  2.3.4. Metátese de Olefinas  2.3.5. Catálise de ouro e prata  2.4. Química de produtos naturais  2.4.1. Alcaloides e terpenoides  2.4.2. Esteróides e Flavonoides  2.4.3. Síntese total de produtos naturais  2.4.4. Biossíntese de produtos naturais  2.5. Química Supramolecular  2.5.1. Química Hospedeiro-Convidado  2.5.2. Auto-organização e reconhecimento molecular  2.5.3. Catalise Supramolecular  2.5.4. Máquinas Moleculares
  3. Química Física  3.1. Termodinâmica  3.1.1. Leis da Termodinâmica  3.1.2. Potencial Químico e Equilíbrio  3.1.3. Termodinâmica Estatística  3.1.4. Termodinâmica de não equilíbrio  3.2. Química Quântica  3.2.1. Equação de Schrödinger e suas aplicações  3.2.2. Teoria do orbital molecular  3.2.3. Teoria do funcional da densidade  3.2.4. Post-Hartree–Fock methods  3.3. Cinética química  3.3.1. Teoria da taxa de reação  3.3.2. Mecanismo e leis de velocidade  3.3.3. Catalise e cinética enzimática  3.3.4. Dinâmica de reações  3.4. Espectroscopia e estrutura molecular  3.4.1. Espectroscopia de Infravermelho  3.4.2. Espectroscopia UV-visível  3.4.3. Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear  3.4.4. Espectrometria de Massa  3.4.5. Espectroscopia Raman  3.5. Química de Superfícies e Coloides  3.5.1. Absorção e Catálise  3.5.2. Tensioativos e micelas  3.5.3. Estabilidade Coloidal  3.5.4. Nanomateriais e Interfaces
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  5. Química Teórica e Computacional  5.1. Simulação de dinâmica molecular  5.2. Métodos de química quântica  5.3. Design de fármacos computacional  5.4. Aprendizado de Máquina em Química  5.5. Dinâmica molecular ab initio
  6. Biofísica e Química Medicinal  6.1. Descoberta e Design de Medicamentos  6.2. Cinética enzimática e inibição  6.3. Abordagem de biologia química  6.4. Interações proteína-ligante  6.5. Química bio-ortogonal
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Química Quântica


Introdução à química quântica

A química quântica é um ramo da química que se concentra na aplicação da mecânica quântica a sistemas químicos. Em sua essência, fornece uma descrição fundamental das reações químicas entre moléculas e átomos. Ao considerar a natureza dual onda-partícula da matéria, permite-nos entender e prever o comportamento de átomos e moléculas.

Princípios básicos

A química quântica é baseada nos princípios da mecânica quântica que incluem:

  • Dualidade onda-partícula: a matéria exibe propriedades tanto de onda quanto de partícula. Por exemplo, os elétrons podem ser descritos como ondas que ocupam órbitas ao redor do núcleo.
  • Quantização: Os níveis de energia dos elétrons são quantizados, o que significa que eles só podem existir em certos níveis de energia. Isso é descrito por estados quânticos discretos.
  • Princípio da incerteza: O princípio da incerteza de Heisenberg afirma que é impossível conhecer com absoluta certeza tanto a posição quanto o momento de um elétron.
  • Princípio de Exclusão de Pauli: Nenhum dois elétrons em um átomo podem ter os mesmos números quânticos, portanto, eles ocupam estados únicos.
  • Equação de Schrödinger: A equação de Schrödinger é o fundamento da química quântica. Ela nos permite calcular a função de onda de um sistema, prevendo o comportamento dos elétrons.

Função de onda e a equação de Schrödinger

O principal objetivo da química quântica é resolver a equação de Schrödinger:

    Hψ = Eψ

Aqui, H é o operador Hamiltoniano, que representa a energia total do sistema. ψ é a função de onda que descreve o estado quântico do sistema, e E é o autovalor de energia associado à função de onda.

Representação pictórica

Imagine a função de onda do elétron ψ como uma nuvem ao redor do núcleo, com a densidade da nuvem representando a probabilidade de encontrar o elétron em qualquer local dado. Orbitais podem ser vistos como formas tridimensionais que indicam onde você provavelmente encontrará o elétron.

    nuvem de elétrons núcleo
         ,
          ,
         ,

Resolver a equação de Schrödinger nos permite prever o comportamento dos elétrons em átomos ou moléculas. Esta solução fornece informações sobre formas moleculares, ângulos de ligação e energias.

Números quânticos e orbitais atômicos

Números quânticos são importantes na definição da configuração eletrônica e da estrutura dos orbitais. Existem quatro números quânticos:

  • Número quântico principal (n): determina o nível de energia do elétron e está relacionado à forma do orbital.
  • Número quântico de momento angular (l): Define a forma do orbital (s, p, d, f).
  • Número quântico magnético (ML): Descreve a orientação do orbital no espaço.
  • Número quântico de spin (ms): Indica a direção do spin do elétron, seja +1/2 ou -1/2.

Exemplos de orbitais atômicos

Os orbitais atômicos como s, p, d, e f são identificados por sua forma e energia. Aqui estão algumas representações visuais de orbitais:

    orbital 1s: orbital 2p:      
     ,
    ,
    ,
    
    orbital 3d: orbital 4f:
     ,
    ,
    ,

Cada imagem de orbital simplifica a forma complexa prevista pelas soluções da equação de Schrödinger. A ilustração acima mostra as formas comuns de orbitais, como esférica para s, em forma de haltere para p, e assim por diante.

Orbitais moleculares e ligações

Em moléculas, orbitais atômicos se combinam para formar orbitais moleculares. Estes podem ser orbitais de ligação, anti-ligação ou não-ligantes, que afetam a estabilidade da molécula.

Por exemplo, considere a molécula de hidrogênio (H 2):

    H + H → H2
   ,
       
    orbital de ligação

Orbitais antimoleculares aumentam a densidade eletrônica entre os núcleos, causando atração. No entanto, orbitais antimoleculares diminuem a densidade eletrônica, causando repulsão.

Aplicações da química quântica

A química quântica é essencial na previsão do comportamento molecular, na concepção de novos medicamentos, na compreensão das propriedades das substâncias e na exploração detalhada das reações químicas.

Design de medicamentos

Os princípios da química quântica podem prever como os medicamentos interagem com moléculas biológicas em nível atômico, auxiliando na descoberta e design de medicamentos. Ao entender orbitais moleculares e configurações eletrônicas, os cientistas podem otimizar a eficácia e a segurança de novas terapias.

Física

Na ciência dos materiais, a química quântica ajuda a projetar materiais com propriedades eletrônicas e estruturais desejadas. Por exemplo, entender o comportamento dos elétrons em semicondutores é importante para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos.

Reações químicas

A química quântica fornece uma compreensão detalhada dos mecanismos de reação, tornando possível prever os resultados das reações. Também ajuda a projetar catalisadores para acelerar reações ou tornar os processos mais eficientes.

Tópicos avançados

À medida que a tecnologia avança, os cálculos em química quântica tornam-se mais complexos. Métodos avançados incluem:

  • Métodos a priori: Estes métodos, como Hartree–Fock e pós-Hartree–Fock, calculam propriedades moleculares diretamente de constantes físicas sem parâmetros empíricos.
  • Teoria do funcional da densidade (DFT): Um método mecânico-quântico popular usado para investigar estruturas eletrônicas, especialmente para sistemas grandes.
  • Método Monte Carlo Quântico: um método estocástico de resolver a equação de Schrödinger usando técnicas de amostragem aleatória, frequentemente usado para sistemas complexos.

Exemplo visual de uma reação química

Considere a reação simples em que hidrogênio e oxigênio formam água. Na perspectiva quântica:

    2H2 + O2 → 2H2O
    (ligação σ)
     ,

Nesta reação, os orbitais moleculares desempenham um papel importante. Entender como os elétrons preenchem esses orbitais ajuda os químicos a entender as mudanças de energia e os caminhos das reações.

Conclusão

A química quântica continua sendo um campo importante na compreensão das interações atômicas e das estruturas moleculares. Ao aplicar a mecânica quântica a problemas químicos, fornece uma visão abrangente do comportamento de átomos e moléculas no nível mais fundamental. Este ramo da química não só ajuda a explicar as propriedades de substâncias conhecidas, mas também auxilia cientistas na descoberta de novos elementos químicos com potenciais aplicações em uma variedade de campos.


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