Superfície de Van der Waals - Van der Waals surface

Raios de Van der Waals
Elemento	raio ( Å )
Hidrogênio	1,2 (1,09)
Carbono	1,7
Azoto	1,55
Oxigênio	1,52
Flúor	1,47
Fósforo	1.8
Enxofre	1.8
Cloro	1,75
Cobre	1,4
Raios de Van der Waals retirados da compilação de Bondi (1964). Os valores de outras fontes podem diferir significativamente ( ver texto )

A superfície de Van der Waals de uma molécula é uma representação abstrata ou modelo dessa molécula, ilustrando onde, em termos muito grosseiros, uma superfície pode residir para a molécula com base nos cortes rígidos de raios de Van der Waals para átomos individuais, e representa uma superfície através da qual a molécula pode ser concebida como interagindo com outras moléculas. Também conhecida como envelope de Van der Waals, a superfície de Van der Waals recebeu o nome de Johannes Diderik van der Waals , um físico teórico holandês e termodinamicista que desenvolveu uma teoria para fornecer uma equação de estado líquido-gás responsável pelo volume diferente de zero de átomos e moléculas, e sobre eles exibirem uma força atrativa quando interagiram (construções teóricas que também levam seu nome). As superfícies de Van der Waals são, portanto, uma ferramenta utilizada nas representações abstratas de moléculas, sejam acessadas, como eram originalmente, por meio de cálculo manual, ou por meio de modelos físicos de madeira / plástico, ou agora digitalmente, por meio de software de química computacional . Em termos práticos, os modelos CPK , desenvolvidos por e nomeados em homenagem a Robert Corey , Linus Pauling e Walter Koltun , foram os primeiros modelos físicos moleculares amplamente usados com base em raios de Van der Waals e permitiram amplo uso pedagógico e de pesquisa de um modelo que mostra o Van der Waals Superfícies de Waals de moléculas.

Volume de Van der Waals e área de superfície de Van der Waals

Metano, CH ₄ , preenchimento de espaço, representação baseada em Van der Waal, carbono (C) em preto, hidrogênio (H) em branco. Em química , um modelo de preenchimento de espaço é um tipo de modelo molecular tridimensional (3D) onde os átomos são representados por esferas cujos raios são, como raios de Van der Waals ou não, proporcionais aos raios dos átomos . As distâncias centro a centro dos átomos são proporcionais às distâncias entre os núcleos atômicos , todos na mesma escala. Os átomos de diferentes elementos químicos são geralmente representados por esferas de cores diferentes, veja abaixo.

Relacionadas ao conceito do título estão as idéias de um volume de Van der Waals , V _w e uma área de superfície de Van der Waals, abreviados de forma variada como A _w , vdWSA, VSA e WSA. Uma área de superfície de Van der Waals é uma concepção abstrata da área de superfície de átomos ou moléculas a partir de uma estimativa matemática, computando-a a partir dos primeiros princípios ou integrando sobre um volume de Van der Waals correspondente. No caso mais simples, para um gás monoatômico esférico, é simplesmente a área de superfície calculada de uma esfera de raio igual ao raio de Van der Waals do átomo gasoso:

${\ displaystyle A _ {\ rm {w}} = 4 \ pi r _ {\ rm {w}} ^ {2}}$ .

O volume de Van der Waals , um tipo de volume atômico ou molecular, é uma propriedade diretamente relacionada ao raio de Van der Waals e é definido como o volume ocupado por um átomo individual, ou em um sentido combinado, por todos os átomos de uma molécula . Pode ser calculado para átomos se o raio de Van der Waals for conhecido, e para moléculas se o raio dos átomos e as distâncias e ângulos interatômicos forem conhecidos. Como acima, no caso mais simples, para um gás monoatômico esférico, V _w é simplesmente o volume calculado de uma esfera de raio igual ao raio de Van der Waals do átomo gasoso:

${\ displaystyle V _ {\ rm {w}} = {4 \ over 3} \ pi r _ {\ rm {w}} ^ {3}}$ .

Para uma molécula, V _w é o volume encerrado pela superfície de Van der Waals ; portanto, o cálculo de V _w presume a capacidade de descrever e calcular uma superfície de Van der Waals. Os volumes de Van der Waals das moléculas são sempre menores que a soma dos volumes de Van der Waals de seus átomos constituintes, devido ao fato das distâncias interatômicas resultantes da ligação química serem menores que a soma dos raios atômicos de Van der Waals. Nesse sentido, uma superfície de Van der Waals de uma molécula diatômica homonuclear pode ser vista como uma sobreposição pictórica das duas superfícies esféricas de Van der Waals dos átomos individuais, da mesma forma para moléculas maiores como metano, amônia, etc. (ver imagens).

Os raios e volumes de Van der Waals podem ser determinados a partir das propriedades mecânicas dos gases (o método original, determinando a constante de Van der Waals ), do ponto crítico (por exemplo, de um fluido), a partir de medidas cristalográficas do espaçamento entre pares de átomos em cristais, ou de medições de propriedades elétricas ou ópticas (ou seja, polarizabilidade ou refratividade molar ). Em todos os casos, as medições são feitas em amostras macroscópicas e os resultados são expressos como quantidades molares . Os volumes de Van der Waals de um único átomo ou moléculas são obtidos dividindo-se os volumes determinados macroscopicamente pela constante de Avogadro . Os vários métodos fornecem valores de raio que são semelhantes, mas não idênticos - geralmente dentro de 1–2 Å (100–200 pm ). Valores tabulados úteis dos raios de Van der Waals são obtidos tomando-se uma média ponderada de vários valores experimentais diferentes e, por esta razão, diferentes tabelas serão vistas apresentando valores diferentes para o raio de Van der Waals do mesmo átomo. Da mesma forma, argumentou-se que o raio de Van der Waals não é uma propriedade fixa de um átomo em todas as circunstâncias, ao contrário, que varia com o ambiente químico do átomo.

Galeria

Amônia, NH ₃ , preenchimento de espaço, representação baseada em Van der Waal, nitrogênio (N) em azul, hidrogênio (H) em branco.
Fosfina, PH ₃ , preenchimento de espaço, representação baseada em Van der Waal, modelo ball-and-stick sobreposto, fósforo (P) em laranja, hidrogênio (H) em branco.
Um modelo de preenchimento de espaço- n -octano , o de cadeia linear (normal) de hidrocarbonetos composto por 8 átomos de carbono e 18 átomos de hidrogénio, de fórmulas: CH ₃ CH ₂ (CH ₂ ) ₄ CH ₂ CH ₃ ou C
₈H
₁₈. Observe, o representante mostrado é de uma única "pose" conformacional de uma população de moléculas, que, por causa das baixas barreiras de energia de Gibbs à rotação em torno de suas ligações carbono-carbono (dando grande flexibilidade à "cadeia" de carbono). normalmente é composto de um grande número de diferentes conformações (por exemplo, em solução).
Um exemplo de modelo tridimensional, preenchedor de espaço, baseado em Van der Waal de uma molécula complexa, THC , o agente ativo da maconha medicinal. Você pode precisar clicar na imagem para ver a rotação.
Sulfeto de hidrogênio, H ₂ S, preenchimento de espaço, representação baseada em Van der Waal, modelo ball-and-stick sobreposto, enxofre (S) em amarelo, hidrogênio (H) em branco sombreado com azul. Ele também mostra em sua superfície a superfície do potencial eletrostático (calculado para a molécula de forma desconhecida), usando ferramentas de química computacional . É sombreado de azul para áreas eletropositivas a vermelho para áreas eletronegativas .

Veja também

Referências e notas

Leitura adicional

DC Whitley, Van der Waals surface graphs and molecular shape , Journal of Mathematical Chemistry , Volume 23, Numbers 3-4, 1998, pp. 377-397 (21).
M. Petitjean, On the Analytical Calculation of Van der Waals Surfaces and Volumes: Some Numerical Aspects , Journal of Computational Chemistry , Volume 15, Número 5, 1994, pp. 507-523.

links externos

VSAs para várias moléculas de Anton Antonov, The Wolfram Demonstrations Project , 2007.
Van der Waals radii , Glossário de Biologia Estrutural, Biblioteca de Imagens de Macromoléculas Biológicas.
Cálculo analítico de superfícies e volumes de Van der Waals.

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