Já vimos o Avogadro, software gratuito de modelagem 3D, aqui no XCiência. Usamos o Avogadro para visualizar a isomeria ótica. Naquele artigo, produzimos um pequeno vídeo mostrando modelos em 3D de isômeros óticos.
Neste artigo, vamos discutir as ligações de hidrogênio e como elas podem ser demonstradas usando o Avogadro. É interessante fazer uma correlação entre o número e a intensidade das ligações de hidrogênio e as propriedades físicas das substâncias. O caso da água é especialmente interessante, uma vez que o seu comportamento anômalo vem em grande parte da existência deste tipo de interação molecular.
Exemplo 1 - água
Criar uma molécula de água no Avogadro é muito fácil. Selecione a ferramenta de desenho e escolha o elemento oxigênio. Clique em qualquer lugar da área de desenho da tela e o programa automaticamente coloca um átomo de oxigênio e completa os hidrogênios faltantes, criando a molécula de água.
Crie uma segunda molécula de água da mesma forma. Clique em Display Settings e selecione a opção que permite mostrar as ligações de hidrogênio (hydrogen bonds).
Você pode mostrar a polaridade da molécula de água. Para isso, clique no menu Extensions e selecione a opção Create Surfaces. Na janela que aparece, selecione Color by: Electrostactic Potential. Isso vai colorir a superfície de acordo com o potencial eletrostático, revelando que partes da molécula estão mais positivas ou negativas. Clique em Calculate para criar a superfície.
Para mostrar a superfície, vá nas configurações de display (Display Settings e escolha mostrar superfícies (Surfaces).
O lado da molécula que está mais vermelho mostra as áreas mais negativas. O átomo de oxigênio é mais eletronegativo e atrai mais os elétrons das ligações covalentes. Já o lado mais azul, onde estão os hidrogênios, mostra o lado mais positivo da molécula. A molécula de água é polar.
Desligue o display da superfície. Crie uma segunda molécula de água da mesma forma que fizemos no início. Clique em Display Settings e selecione a opção que permite mostrar as ligações de hidrogênio (hydrogen bonds).
Agora vamos otimizar a geometria dessas moléculas, usando a ferramenta de otimização automática (Auto Optimization Tool). Esta ferramenta é representada no menu pela letra E e uma seta para baixo. Ela vai minimizar a energia do sistema.
No menu à esquerda, mude o Force Field para MMFF94s e clique em Start. Imediatamente, as moléculas irão se ajustar para a distância e os ângulos ideais, com o hidrogênio de uma água apontando para o oxigênio de outra.
Você pode colocar mais moléculas de água e otimizar a geometria para ver como elas se organizam uma em relação à outra.
O número máximo de ligações de hidrogênio que uma molécula de água central pode fazer é quatro. Cada hidrogênio faz ligações com uma molécula de água vizinha e duas outras moléculas de água conseguem se ligar com cada um dos pares de elétrons livres do oxigênio.
Exemplo 2 - etanol
Siga as instruções nas imagens abaixo para criar uma molécula de etanol.
Crie uma segunda molécula de etanol da mesma forma. Otimize a energia e mude o display para mostrar a ligação de hidrogênio como fizemos para a água.
Quantas ligações de hidrogênio uma molécula de etanol consegue fazer com outras moléculas de etanol? Enquanto a água faz 4 interações, o etanol só consegue interagir com 3 moléculas vizinhas.
Outros exemplos
Você pode experimentar mostrar as ligações de hidrogênio com outras moléculas, como, por exemplo, entre moléculas de ácido acético, ou entre a acetona e água ou acetona e álcool.
Outras moléculas incluem moléculas com o hidrogênio ligado ao nitrogênio, como a amônia.
Finalmentes
O Avogadro é uma ferramenta gratuita e poderosa, que pode auxiliar na visualização de diversos conceitos importantes. O professor pode demonstrar esses conceitos usando um projetor ligado a um computador, ou pode levar os alunos para uma sala de informática, de modo que eles possam usar o programa. Neste caso, é interessante que o professor monte uma atividade e inclua as instruções passo a passo de como construir a moléculas e o que observar com o programa.
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