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
  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  4.1.4. Cromatografia Iônica  4.2. Técnicas Eletroanalíticas  4.2.1. Voltametria e Polarografia  4.2.2. Condutometria e potenciometria  4.2.3. Colometria  4.3. Métodos Espectroscópicos  4.3.1. Espectroscopia de absorção atômica  4.3.2. Espectroscopia de Fluorescência  4.3.3. Difração de raios-X  4.3.4. Espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica  4.4. Quimiometria  4.4.1. Processamento de dados e métodos estatísticos  4.4.2. Análise multidisciplinar  4.4.3. Aprendizado de Máquina em Química Analítica
  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
  7. Química de materiais  7.1. Química de polímeros  7.1.1. Mecanismo de polimerização  7.1.2. Polímeros Funcionais  7.1.3. Polímero Biodegradável  7.1.4. Polímeros condutores e semicondutores  7.2. Nanoquímica  7.2.1. Nanopartículas e nanoestruturas  7.2.2. Nanomateriais à base de carbono  7.2.3. Pontos quânticos  7.3. Química Energética e Ambiental  7.3.1. Química de Baterias e Células a Combustível  7.3.2. Química verde e materiais sustentáveis  7.3.3. Fotocatálise

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Difração de raios-X


Difração de raios-X (XRD) é uma técnica analítica poderosa nos campos da química, física e ciência dos materiais. É usada principalmente para analisar a estrutura de substâncias cristalinas. Usando XRD, os pesquisadores podem determinar o arranjo dos átomos dentro de um cristal, medir as dimensões de um cristal e avaliar a pureza e os defeitos de um cristal. Este método analítico utiliza a difração da radiação eletromagnética com comprimentos de onda na escala atômica—raios-X—por um reticulado cristalino.

Fundamentos da difração de raios-X

Os raios-X são uma forma de radiação eletromagnética com comprimentos de onda que variam tipicamente de 0,01 a 10 nanômetros. No contexto do XRD, os raios-X gerados e focados em um cristal interagem com o reticulado cristalino. Segundo a lei de Bragg, quando estes raios-X atingem o cristal, eles se espalham em direções específicas. A lei de Bragg é expressa matematicamente como:

nλ = 2d sin θ

Onde:

  • n é a ordem da difração, um número inteiro.
  • λ é o comprimento de onda do feixe de raios-X incidente.
  • d é a distância entre os planos do reticulado cristalino.
  • θ é o ângulo entre o raio-X incidente e os planos de espalhamento.

A chave para entender a difração de raios-X está na lei de Bragg, que relaciona o ângulo de espalhamento ao comprimento de onda dos raios-X incidentes e ao espaçamento do reticulado do cristal. Quando esses critérios são satisfeitos, ocorre interferência construtiva, produzindo um pico de difração observável no detector.

Análise da estrutura cristalina

Um uso primário da difração de raios-X é determinar estruturas cristalinas. Entender a estrutura de uma substância em nível atômico proporciona informações detalhadas sobre suas propriedades químicas e físicas. Por exemplo, a estrutura cristalina de minerais, macromoléculas biológicas, como proteínas, e outros compostos pode ser elucidada através do XRD.

Difração de raios-X em pó (PXRD)

Difração de raios-X em pó é uma forma amplamente utilizada de difração de raios-X que envolve amostras policristalinas ou em pó. Este método é simples e vantajoso para investigar materiais que não formam cristais únicos grandes ou são disponíveis em forma de pó. Amostras em pó geralmente contêm uma variedade aleatória de microcristais, o que garante que todas as orientações cristalinas possíveis sejam amostradas quando expostas à radiação de raios-X. A intensidade difratada é medida em função do ângulo de espalhamento e convertida em um padrão que pode ser referenciado contra padrões conhecidos.

Padrão PXRD = Intensidade vs. 2θ (onde 2θ é o ângulo de espalhamento)

Esta técnica fornece informações importantes sobre as dimensões da célula unitária e pode ser usada para identificação qualitativa de fases, comparando padrões de difração experimentais com bancos de dados estabelecidos.

Difração de raios-X de cristal único

Difração de raios-X de cristal único é usada para obter informações mais detalhadas sobre o arranjo tridimensional de átomos em um cristal. A amostra é um único cristal montado em um goniômetro e sistematicamente rotacionado sob o feixe de raios-X para construir um conjunto de dados completo. Este método é mais complexo que o PXRD, mas proporciona uma visão extensiva sobre a arquitetura do cristal.

Equipamento

A configuração típica para um experimento de difração de raios-X inclui vários componentes principais:

  • Fonte de raios-X: Pode ser um tubo selado ou um ânodo rotativo que gera os raios-X. Mo Kα e Cu Kα são os comprimentos de onda mais comuns utilizados.
  • Suporte para amostras: Segura a amostra cristalina, o que pode envolver girar a amostra para randomizar a orientação no PXRD.
  • Monocromador: Seleciona radiação de um único comprimento de onda para melhorar a clareza e a resolução dos dados de difração.
  • Detector: Mede a intensidade dos raios-X difratados. Detectores modernos usam dispositivos de carga acoplada (CCDs) para alta sensibilidade.

A amostra e o detector estão alinhados de modo que o detector possa coletar dados em uma gama de ângulos (2θ) enquanto a amostra é irradiada pelos raios-X.

Aplicações da difração de raios-X

Detecção de fases

Uma das aplicações mais importantes do XRD é identificar fases em materiais policristalinos. Cada composto possui um padrão XRD único (frequentemente chamado de "impressão digital"), que permite a identificação de fases comparando dados experimentais com padrões de referência armazenados em bancos de dados como o International Diffraction Data Center (ICDD).

Determinação das dimensões da célula unitária

O XRD pode medir com precisão as dimensões da célula unitária, a menor unidade repetitiva em um reticulado cristalino. Essas dimensões são importantes na caracterização da estrutura cristalina e previsão de propriedades, como densidade e expansão térmica.

Análise de textura

A orientação preferida dos cristalitos, conhecida como textura, pode ser investigada através do XRD. A análise de textura ajuda a entender como a orientação cristalográfica afeta as propriedades dos materiais, como resistência e ductilidade.

Medições de tensão

O XRD pode ser utilizado para determinar mudanças no espaçamento da rede causadas por tensão em um material. Ao analisar as mudanças nos anéis de difração, os cientistas podem quantificar tensão e deformação, proporcionando informações valiosas na metalurgia e engenharia de materiais.

Tamanho de cristalitos e microdeformação

A equação de Scherrer relaciona a largura dos picos de difração ao tamanho dos cristalitos:

D = (Kλ) / (βcosθ)

Onde:

  • K é o fator de forma (tipicamente ~0,9).
  • λ é o comprimento de onda do raio-X.
  • β é a largura total na metade do máximo (FWHM) do pico.
  • θ é o ângulo de Bragg.

Esta equação ajuda a prever o tamanho dos cristalitos e avaliar a uniformidade do material. É particularmente útil no entendimento de nanopartículas ou filmes finos.

Visualização com exemplos

O XRD é melhor compreendido visualmente. Considere uma estrutura cristalina simples, como o cloreto de sódio (NaCl). O cristal é composto por íons de sódio e cloro alternados em uma arranjo cúbico. Se você quiser observar seu padrão de difração:

No Cloro No Cloro Cloro No Cloro No

Suponha que um feixe de raios-X interaja com este cristal. O padrão de difração produzido terá picos distintos correspondentes a planos de alta densidade eletrônica criados pela alternância de íons Na + e Cl -.

Avanços recentes na difração de raios-X

Nos últimos anos, avanços em fontes de raios-X, detectores e técnicas computacionais aumentaram significativamente a velocidade, precisão e alcance das aplicações do XRD. Fontes de radiação sincrotron e detectores de alta resolução estão entre as melhorias que ampliaram as capacidades do XRD, permitindo a investigação de amostras menores e uma coleta de dados mais rápida.

Além disso, a integração com ferramentas de química computacional proporciona modelos mais precisos para o estudo de materiais complexos e sistemas biológicos. Esta sinergia ajuda a descobrir informações que eram difíceis de obter usando métodos tradicionais de análise.

Conclusão

A difração de raios-X é uma ferramenta indispensável na química analítica e ciência dos materiais. Sua capacidade de fornecer informações cruciais sobre a estrutura atômica de substâncias a torna essencial para pesquisa e desenvolvimento em uma variedade de campos. Desde a determinação de macromoléculas biológicas complexas até a identificação de fases na engenharia metalúrgica, o XRD serve como um pilar para muitas investigações científicas. À medida que a técnica evolui, suas aplicações continuarão a se expandir, apoiando novas descobertas em uma variedade de disciplinas.


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