Molécula

Conceito de Molécula

A molécula, é a unidade identificável mais pequena em que uma substância pura pode ser dividida e ainda reter a composição e as propriedades químicas de uma tal substância.

A divisão de uma substância em partes progressivamente menores não produz alterações quer na sua composição ou nas suas propriedades químicas até que as partes constituídas por moléculas individuais sejam atingidas. A subdivisão da substância leva ainda a fragmentos menores, que geralmente diferem da substância original em composição e diferem sempre da original nas propriedades químicas. Neste último estágio de fragmentação, as ligações químicas que mantêm os átomos ligados na molécula são quebrados.

Os átomos consistem num único núcleo com uma carga positiva rodeado por uma nuvem de eletrões de carga negativa. Quando os átomos se aproximam perto um do outro, as nuvens de eletrões interagem umas com as outras e com os núcleos. Se esta interação é tal que a energia total do sistema é reduzida, então os átomos unem-se para formar uma molécula. Assim, a partir de um ponto de vista estrutural, uma molécula pode consistir de um único átomo, como numa molécula de um gás nobre como o hélio (He), ou pode ser composto de um agregado de átomos mantidos juntos por forças de valência. As moléculas diatômicas contêm dois átomos que estão ligados quimicamente. Se os dois átomos são idênticos, como por exemplo, a molécula de oxigénio (O₂), eles formam uma molécula diatómica homonuclear, enquanto que, se os átomos são diferentes, como na molécula de monóxido de carbono (CO), eles formam uma molécula diatómica heteronuclear. As moléculas que contém mais do que dois átomos são denominadas de moléculas poliatómicas, por exemplo, dióxido de carbono (CO₂) e água (H₂O). Moléculas poliméricas podem conter muitos milhares de átomos constituintes.

A razão do número de átomos que podem ser ligados em conjunto para formar moléculas é fixo; por exemplo, cada molécula de água contém dois átomos de hidrogénio e um átomo de oxigénio. É esta característica que distingue os compostos químicos a partir de soluções e outras misturas mecânicas. Assim, o hidrogénio e o oxigénio podem estar presentes em quaisquer proporções arbitrárias em misturas mecânicas, mas para formar o composto químico de água (H₂O) eles só se irão ligar em proporções definitivas. É possível para os mesmos átomos combinarem-se em diferentes mas definitivas proporções para formar moléculas diferentes, por exemplo, dois átomos de hidrogénio ligar-se-ão quimicamente com um átomo de oxigénio para produzir uma molécula de água, ao passo que dois átomos de hidrogénio podem quimicamente ligar-se a dois átomos de oxigénio para formar uma molécula de peróxido de hidrogénio (H₂O₂). Além disso, é possível, os átomos unirem-se uns aos outros em proporções idênticas para formar diferentes moléculas. Tais moléculas são chamados de isómeros e diferem apenas no rearranjo dos átomos dentro das moléculas. Por exemplo, o álcool etílico (CH₃CH₂OH) e o éter metílico de (CH₃OCH₃) ambos contêm um, dois e seis átomos de oxigénio, carbono e hidrogénio, respectivamente, no entanto, estes átomos estão ligados de maneiras diferentes.

Nem todas as substâncias são feitas de unidades moleculares distintas. O cloreto de sódio (sal de mesa comum), por exemplo, consiste em iões de sódio e iões cloreto dispostos numa estrutura de modo que, cada ião sódio está rodeado por seis iões cloreto equidistantes e cada ião cloreto está rodeado por seis iões sódio equidistantes. As forças que atuam entre qualquer ião sódio e cloreto adjacente são iguais. Por conseguinte, no cloreto de sódio e em todos os sólidos do mesmo tipo, em geral, todos os sais, o conceito da molécula química não tem qualquer significado. A fórmula para um composto deste tipo, no entanto, é dada como a razão simples dos átomos, no caso de cloreto de sódio, NaCl.

As moléculas são mantidas juntas através de pares de eletrões compartilhados, ou ligações covalentes. Tais ligações são direcionais, o que significa que os átomos adoptam posições específicas em relação uns aos outros, de modo a maximizar as forças de ligação. Como resultado, cada molécula tem uma estrutura definitiva, relativamente rígida, ou uma distribuição espacial dos seus átomos. A química estrutural está relacionada com a valência, o que determina a forma como os átomos se combinam em proporções definidas e como isso está relacionado com as direções e comprimento das ligações. As propriedades das moléculas correlacionam-se com as suas estruturas; por exemplo, a molécula de água está dobrada estruturalmente e, por conseguinte, tem um momento dipolar, enquanto que a molécula de dióxido de carbono é linear e não tem nenhum momento dipolar. O modo como os átomos estão reorganizadas no decorrer das reações químicas é importante. Em algumas moléculas a estrutura pode não ser rígida; por exemplo, no etano (H₃CCH₃) existe praticamente rotação livre sobre a ligação simples carbono-carbono.

A nuvem de eletrões á volta dos núcleos numa molécula pode ser estudada através de experiências com difração de raios-X. Informações adicionais podem ser obtidas por ressonância de spin eletrónico ou por técnicas de ressonância magnética nuclear. Avanços na microscopia eletrónica permitiram obter imagens visuais da produção de moléculas e átomos. Teoricamente, a estrutura molecular é determinada pela resolução da equação da mecânica quântica para o movimento dos eletrões no campo dos núcleos (equação de Schrödinger). O peso molecular de uma molécula é a soma das massas atómicas dos seus átomos constituintes. Se uma substância tem peso molecular M, então M gramas da substância é denominado por uma mole. O número de moléculas de uma mole é a mesma para todas as substâncias; este número é conhecido como o número de Avogadro (6.02214179 × 10²³). Os pesos moleculares podem ser determinados por espectrometria de massa e por técnicas baseadas em termodinâmica.