Química Bio-inorgânica - roteiro de aulas

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1 Química Bio-inorgânica - roteiro de aulas Prof. André Ferraz Pense: Como esta um metal em um sistema vivo? Para entender a questão dos "metais em sistemas biológicos" precisamos entender: 1. Ligação química 2. Atrações eletrostáticas entre cátions e ânions, forças de ácidos e capacidade de formação de complexos organometálicos entre íons metálicos e ligantes não carregados 3. Transferência de elétrons e bio-catálise mediada por íons metálicos Bibliografia básica para o curso: Shriver e Atkins - Química Inorgânica, 4a edição, Bookman, Porto Alegre, 2008 Bibliografia complementar: Roat-Malone - Bioinorganic chemistry - a short course, 2nd edition, 2008

2 Cronograma 2014 e aspectos formais Cronograma: cronog2014.docx Avaliação: 2 Provas escritas: P1: 12/05/2014 P2: 07/07/2014 Nota final (NF): (P1x1 + P2x2)/3 NF > ou = 5,0 >> aprovado(a) Recuperação (REC): (NF + N prova recuperação)/2 REC > ou 5,0 >> aprovado(a)

3 Pense com um exemplo: o sal CuSO 4 Qual é o estado de oxidação do cobre?? O que ocorre ao adicionarmos o sal CuSO 4 em água?? Se houver dissolução, como está o íon cobre em água?? Haverá atração eletrostática por eventuais "doadores de elétrons"?? Precisamos revisar e aprender algo mais sobre: Ligação química, ácidos e bases, compostos de coordenação; então poderemos avaliar como se comportam os metais em sistemas biológicos

4 Estrutura molecular e ligação química, p Shiver e Atikins Estrutura de Lewis e a regra do octeto - Antiga (introduzida por GN Lewis em 1916), mas útil até hoje para explicar compostos onde os átomos possuem valência simples. - "Os átomos se combinam formando moléculas ou sais de tal forma que cada um dos átomos envolvidos contenha 8 elétrons na camada de valência" >> Isso representa uma configuração muito estável, de forma similar ao que se observa nos gases nobres que são pouco reativos, exatamente devido a elevada estabilidade A "regra do octeto" permite antecipar a proporção de átomos numa determinada molécula ou sal, mas não indica nada sobre a estrutura (distribuição espacial) desta molécula ou retículo cristalino Revise: Distribuição de elétrons nos orbitais atômicos Bom livro para revisão de QG: Kotz - Quim Geral I e reações químicas

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8 A molécula de água como exemplo Pense: Como é a distribuição de elétrons na molécula de água segundo a regra do octeto de Lewis? Qual seria a estrutura espacial? Como ela se contrapõe com a estrutura angular com cerca de 104 o, observada experimentalmente? 2 Hidrogênios e 1 Oxigênio Distribuição de elétrons no oxigênio: TABELA PERIÓDICA indica número atômico 8. Portanto, número atômico 8 >> 8 prótons No estado fundamental temos, portanto, 8 elétrons 1s 2 2s 2 2p 4 (6 elétrons na camada de valência) Distribuição de elétrons no hidrogênio: TABELA PERIÓDICA indica número atômico 1. Portanto, número atômico 1 >> 1 próton No estado fundamental temos, portanto, 1 elétrons 1s 1 (1 elétron na camada de valência)

9 Modelo para a molécula??? >> regra do octeto >> Oxigênio demanda 2 elétrons para o octeto Hidrogênio demanda 1 elétron para 2 elétrons na camada de valência (para ser similar o gás He, que é estável no estado fundamental) Primeiro modelo para a molécula de água, segundo regra do octeto H.... : : O H

10 Experimentalmente sabe-se que a molécula é angular com cerca de 104 o entre as ligações do O com o H Com explicar??? >> As teorias são criadas com base em dados experimentais e avançam na medida em que os dados experimentais são mais detalhados

11 O modelo de repulsão de pares de elétrons da camada de valência (a camada com oito elétrons da teoria de Lewis) representa um avanço na teoria do octeto e pode prever uma série de estruturas de compostos covalentes O modelo prevê que, em um arranjo molecular, as regiões de maior densidade eletrônica contendo os elétrons de valência se distanciam o máximo possível no espaço devido à repulsão eletrostática elétron-elétron. Disso resultam arranjos moleculares básicos, descritos à seguir: Número de regiões de elétrons 2 Linear Arranjo mais estável 3 Trigonal plano 4 Tetraédrico 5 Bipiramidal trigonal 6 Octaédrico

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13 Voltando à molécula de água como exemplo Os oito elétrons da camada de valência na molécula de água estariam melhor acomodados (em uma estrutura mais estável) se dispostos no espaço ao longo dos eixos de um tetraédro ângulo determinado experimentalmente ângulo previsto para os eixos de um tetraedro 109,5 o

14 Há distorções na formas geométricas em muitas moléculas conhecidas O principal motivo é que há elétrons da camada de valência que ocupam um espaço onde não ocorre o compartilhamento com outros átomos. Com isso, estes orbitais tendem a ser mais volumosos, ocasionando a distorção na molécula A molécula de água, novamente, serve como exemplo

15 Modelo contemporâneo para a molécula de água com base no cálculo da distribuição de cargas Formato e distribuição de cargas na molécula de água As curvas ilustram a densidade de carga

16 Mais um exemplo e as dificuldades inerentes a uma teoria "incompleta" Pense: Qual seria a estrutura de Lewis para a molécula de H 2 SO 3? Qual deve ser a geometria desta molécula com base no modelo da máxima separação entre os elétrons de valência? Pense agora na molécula de H 2 SO 4. Como é possível explicar a ocorrência de 2 moléculas distintas para ácidos oriundos do enxofre? Porque no H 2 SO 4 temos ligações equivalentes se existem elétrons do S vindos de orbitais s e de orbitais p?

17 Teoria de ligação de valência e hibridação dos orbitais de valência Teorias mais modernas foram sendo cunhadas, pois os modelos previstos pela regra do octeto e da máxima separação dos elétrons de valência começavam a se distanciar dos dados observados experimentalmente. A teoria de ligação de valência já considera o elétron como uma função de onda (com base na mecânica quântica) e a ligação química como a combinação destas funções de onda

18 A molécula mais simples que há, H 2, é um excelente exemplo para o entendimento qualitativo desta teoria Curva de energia potencial previsto para a aproximação de dois átomos de H

19 Pense: Como seria a combinação dos orbitais de valência na molécula de N 2?

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