Realizado em Teresina/PI, de 28 a 30 de Julho de 2013.
ISBN: 978-85-85905-05-7
TÍTULO: Cálculos computacionais de química quântica na geometria molecular, um complemento no ensino de química.
AUTORES: Pinto de Sousa, R. (UFPI)
RESUMO: O trabalho foi realizado como uma proposta de complementar o método tradicional do ensino de química, usando os recursos dos programas computacionais de química quântica na abordagem da geometria molecular. O foco dessa pesquisa é mostrar que em um programa de química quântica os ângulos e os comprimentos de ligações de duas ou mais moléculas com a mesma estrutura e diferente átomos, podem modificar os resultados de cada moléculas. Diferente dos livros didáticos que já trazem regras prontas de ângulos de ligações para as estruturas moleculares. Os métodos computacionais é um complemento no ensino de química que possibilita aos alunos uma forma lúdica de visualização e aprendizado das moléculas.
PALAVRAS CHAVES: Química computacional; Geometria molecular; Ensino de química
INTRODUÇÃO: A química computacional é usada em química quântica para calcular estruturas e propriedades de moléculas. Usam métodos ab initio e semiempírico que baseia-se na resolução da equação de Schrödinger. Os métodos ab initio, são mais precisos se baseia inteiramente na solução numérica da equação Hamiltoniano e não usam dados experimentais. Outros métodos (menos precisos) são conhecidos como semi-empíricos não fazem todos os cálculos como o método anterior, mas utiliza o Hamiltoniano simplificado, desprezado o cálculo numérico de integrais com resultados pouco significativos.
A química computacional torna-se capaz de fornecer resultados confiáveis sobre geometria molecular e outras que são provenientes de experimentações químicas ou derivados de abordagens puramente teóricas, podendo ser obtidas através de métodos de mecânicas molecular, mecânico quântico e pela metodologia do funcional da densidade (2010, p.01).
Esses softwares de modelagem além de trazer métodos diferenciados no ensino de química, viabilizam complementa o método tradicional de estudos aplicados nas escolas, que é o primeiro contato que os alunos têm em relação à matéria proposta, e por que não integrar essas duas abordagens? E mostrar essa diferença/semelhança entre a química experimental e a teórica.
O objetivo deste trabalho é mostrar que os métodos computacionais podem ser uma ferramenta muito bem utilizada no ensino de química, de forma a apresenta para os alunos métodos que possa visualizar as moléculas de forma mais lúdica além das imagens 3D que os livros trazem, e que existe outra forma mais elaborada que podem trazer uma visão diferenciada para a disciplina.
MATERIAL E MÉTODOS: Ao observar um livro didático de química do terceiro ano do ensino médio Química na abordagem do cotidiano, o livro possui muitas figuras de moléculas com imagem 3D, mas não menciona nenhum programa quântico onde foi elabora essas estruturas, sem indicar a existência e facilidade de uso destes programas. Outro conceito encontrado são as regras de identificação das estruturas e seus ângulos de ligações. Em um programa quântico podemos visualizar a determinação da estrutura e verificar que essas estruturas moleculares trazem comprimentos e ângulos de ligações diferenciados que define de maneira exata a forma espacial e o tamanho da molécula, isso se deve a um processo de escolha de elementos onde o próprio programa (GaussView) designam algumas geometrias, depois escolhe bases de cálculos (6-31G) para otimizar essas moléculas (Gaussian 03W) que ao final de suas otimizações chega na sua estrutura molecular.
Utilizar essa ferramenta na geometria molecular facilitará na observação dos ângulos de cada átomo diante do núcleo da molécula. O que explica esse distanciamento do ângulo é a repulsão dos pares eletrônico da camada de valência (VSEPR). Existem várias estruturas moleculares que recebem uma identificação geométrica, por exemplo, linear, trigonal plana, tetraédrica, piramidal e etc., e consequentemente cada estrutura tem seu ângulo de ligação, é o que livro mostra como exemplo em uma figura que contem balões amarrados juntos pelos bicos explicando as repulsões, onde os balões tendem se afasta o máximo quando estão próximo uns dos outros, o mesmo acontece com os pares de elétrons do átomo central que tenderão se afastar do átomo central. A abordagem da química teórica permite o cálculo dos ângulos que, possua vez, refletem diretamente repulsões e atrações entre núcleos.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Nesta pesquisa identificou-se os conteúdos didáticos existentes nos livros-textos e iniciou-se alternativas provenientes da química quântica computacional para a melhor explicar tais assuntos ou apenas para fornecer alternativas didático- pedagógicas do professor.
Para demonstrar a possibilidade de alternativas didáticos-pedagógicas ao ensino tradicional de química calculamos os ângulos de ligação das seguintes moléculas.
A comparação com os resultados indicados nos textos estão mostrado a seguir.
1) Moléculas do tipo H-X onde X = F, Cl, Br. As distâncias de ligações foram 0,920; 1,29; 1,41. Menciona evidência a influência do tamanho do átomo e carga nuclear do halogênio (X) sobre o comprimento de ligação.
2) Moléculas e lineares além do CO2 mais duas moléculas foram calculadas pela substituição total e principalmente do oxigênio pelo enxofre (COS e CS2). Nos linear contido no COS, as distância de ligações C=O (1.14) e C=S (1.62) foram diferentes.
3) Estruturas trigonais o resultados teoricamente esperado para o ângulo de estrutura planas trigonais do tipo BX3 é de ângulos iguais a 120°. Contudo, nos casos concretos analisados pela química quântica, este valor é obtido e reflete as distorções existentes pela falta de simetria da estrutura.
4) Compostos angulares o valor do ângulo teórico das estruturas angulares do tio BX2 variam do em torno do ângulo tetraédrico (109,40°). Nas estruturas analisados o valor modifica-se por conta do equilíbrio das repulsões entre átomos e da nuvem eletrônica de pares não ligantes.
5) A geometria molecular obtida por HCL ilustra bem o efeito do esférico de grupos volumosos. Comparados os ângulos NH3 e PH3 verifica-se menor ângulo na fosfina e comparando-se com PCl3 o ângulo aumenta (100.05).
CONCLUSÕES: A química computacional é um complemento importante na orgânica e entre outras ramificações da química (conteúdos). Os softwares oferecem ferramenta e recursos mais complexos que facilita na construção e integração no ensino de química. Existem sites que possibilitam as consultas desses e outros programas que podem também contribuir nessa complementação de estudo, são métodos de estudo que tem suas finalidades.
AGRADECIMENTOS: Quero agradecer aos professores pela disponibilidade e orientação, aos colegas de curso, que contribuíram para o desenvolvimento dessa pesquisa.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: Leal, R. C.; Moita Neto, J. M.; Lima, Francisco C. A.; Feitosa, C. M. A química quântica na compreensão de teorias de química orgânica. Quim. Nova, Vol. 33, No. 5, 1211-1215, 2010
Brown, T. L.; LeMay, H.E., Jr.; Bursten, B.E.; Burdge, J. R. Química : A ciência central. 9.ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.
CANTO, E. L.; PERUZZO, F. M. Química na abordagem do cotidiano. v. 3. 4.ed. São Paulo: Editora Moderna, 2006.