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Um segredo oculto da química: por que certos pares solitários de elétrons levam à quiralidade molecular?
Em química, um par solitário de elétrons é um par de elétrons de valência que não é compartilhado com nenhum outro átomo. Esses elétrons não compartilhados são às vezes chamados de pares não compartilhados ou pares não ligantes e geralmente estão localizados na camada eletrônica mais externa de um átomo. A presença de pares solitários de elétrons não é apenas uma consideração da configuração eletrônica, mas também tem um impacto significativo na geometria e nas propriedades químicas das moléculas, especialmente em termos de quiralidade molecular.
A presença de pares solitários de elétrons pode afetar a estrutura geométrica das moléculas e levar à formação de moléculas quirais.
De acordo com a teoria de repulsão de pares de elétrons da camada de valência (VSEPR), pares isolados de elétrons apresentam uma polaridade negativa significativa devido à sua alta densidade de carga e geralmente estão mais próximos do núcleo do que os elétrons do par de ligação. Essa repulsão, por sua vez, reduz o ângulo entre os pares de ligações. Por exemplo, os átomos de oxigênio da molécula de água têm dois pares solitários de elétrons, o que resulta em um ângulo de ligação H-O-H entre os átomos de hidrogênio de cerca de 104,5 graus, o que é menor do que a geometria tetraédrica ideal de 109 graus. A forte repulsão do par solitário de elétrons empurra os átomos de hidrogênio para mais longe.
Além de afetar a geometria, pares solitários de elétrons também podem contribuir para o momento dipolar da molécula. Por exemplo, a amônia (NH3) forma uma ligação polar N-H porque o nitrogênio tem uma eletronegatividade maior que o hidrogênio, e o par solitário de elétrons fortalece ainda mais o efeito desse momento dipolar. Em contraste, o fluoreto de nitrogênio (NF3) tem um momento dipolar menor devido à maior eletronegatividade do flúor, o que reflete o papel dos pares solitários de elétrons em diferentes estruturas.
Pares solitários de elétrons podem dar às moléculas características polares diferentes, afetando assim suas propriedades químicas.
Em alguns casos, pares solitários de elétrons não apenas ajudam a formar a quiralidade molecular, mas também podem criar novas estruturas químicas. Por exemplo, quando três grupos diferentes estão ligados a um átomo, se esse átomo tiver um par solitário de elétrons, esse átomo formará um centro quiral. Observamos esse fenômeno em aminas, fosfanos e muitos outros compostos. Entretanto, devido à baixa barreira de energia de inversão do nitrogênio, essas moléculas quirais geralmente se interconvertem rapidamente à temperatura ambiente, dificultando sua separação.
Além disso, íons divalentes de metais pesados, como chumbo e estanho, também exibem efeitos estereoquímicos de pares de elétrons solitários. Os pares de elétrons solitários ns2 desses metais pesados podem afetar sua estrutura de coordenação, levando a formas cristalinas assimétricas. Estudos recentes descobriram que o comportamento desse par solitário de elétrons pode não estar relacionado a explicações anteriores de hibridização de metais pesados, mas é afetado pelo estado eletrônico do ligante.
Os pares de elétrons solitários de metais pesados podem levar à distorção da estrutura de coordenação, demonstrando suas propriedades químicas complexas.
Na química de soluções, a participação de pares solitários de elétrons também pode levar à formação de reações ácido-base. Quando um ácido é dissolvido em água, o par solitário de elétrons no átomo de oxigênio atrai hidrogênio ionizado (íon hidrogênio) para formar o íon hidrônio (H3O+). Esse processo e a interação entre pares solitários de elétrons nas moléculas demonstram claramente o papel indispensável dos pares solitários de elétrons nas reações químicas.
Em cursos introdutórios de química, o par solitário de elétrons na molécula de água é frequentemente descrito como "orelhas de coelho", o que de certa forma visualiza a existência e o impacto desse par. Entretanto, em pesquisas químicas mais avançadas, há explicações mais complexas que analisam o comportamento desses pares solitários por meio da simetria das moléculas.
Além disso, as propriedades dos pares de elétrons solitários não afetam apenas a forma geométrica do composto, mas também estão intimamente relacionadas a interações como ligações de hidrogênio dentro da molécula. Na água, as ligações de hidrogênio se formam devido à alta disponibilidade desses pares solitários de elétrons. Esse fenômeno também pode ser uma das fontes das propriedades físicas e químicas únicas da água.
Quando se trata de descrever estruturas moleculares, ainda há debate na comunidade química sobre como descrever com precisão moléculas que contêm pares solitários de elétrons. A conexão íntima entre a estrutura e as propriedades dessas moléculas poderia levar a novos entendimentos?
