Quase 200 anos após a molécula de benzeno ser descoberta por Michael Faraday, cientistas da Austrália finalmente revelaram a complexa estrutura molecular eletrônica do hidrocarboleto em 126 dimensões. Isso põe fim ao debate que acontece desde a década de 1930. A pesquisa foi publicada na quinta-feira (5) no site Nature Communications.
O benzeno tem muitas aplicações, principalmente na construção de materiais optoeletrônicos (equipamentos que fornecem, detectam e controlam luz), um campo de estudo em desenvolvimento.
A estrutura atômica do benzeno é muito conhecida na Química. Trata-se de um anel que consiste em seis átomos de carbono centrais e seis átomos de hidrogênio, cada um anexado a um dos átomos centrais, como na figura abaixo. O benzeno é representado pela fórmula C6H6.
A parte realmente complicada começa quando consideramos os 42 elétrons da molécula. “A função matemática que descreve os elétrons do benzeno é 126-dimensional”, explicou o químico Timothy Schmidt, do Centro de Excelência ARC em Exciton Science e da UNSW Sydney, ao ScienceAlert . “Isso significa que é uma função de 126 coordenadas, três para cada um dos 42 elétrons.”
“Os elétrons não são independentes, portanto não podemos decompô-lo em 42 funções tridimensionais independentes”, continuou Schmidt. “A resposta calculada por uma máquina não é fácil de interpretar por um ser humano, e tivemos que inventar uma maneira de chegar à resposta”.
Ao ser traduzido para uma linguagem menos técnica, isso quer dizer que, para descrever matematicamente a estrutura eletrônica do benzeno, deve-se levar em consideração 126 dimensões. Como efeito de comparação, nós enxergamos o mundo em três dimensões. Basicamente, é um processo extremamente complexo. Talvez essa seja a razão pela qual a estrutura do benzeno permaneceu como um mistério durante tanto tempo, levando a debates sobre como os elétrons da molécula se comportam.
A questão é tão complexa que originou duas escolas de pensamento: uma diz que o benzeno segue a teoria da ligação de valência, com elétrons localizados; a outra segue a teoria orbital molecular, com elétrons deslocalizados. No entanto, nenhuma das duas parece realmente certa.
“A interpretação da estrutura eletrônica em termos de orbitais ignora que a função de onda é antissimétrica no intercâmbio de rotações semelhantes”, escreveram os pesquisadores em seu artigo. “Além disso, os orbitais moleculares não fornecem uma descrição intuitiva da correlação eletrônica”.
A equipe desenvolveu uma técnica própria, com a qual basearam seu trabalho. Chamada de amostragem dinâmica Voronoi Metropolis, ela usa uma abordagem algorítmica para visualizar as funções de onda de um sistema de múltiplos elétrons. Desta forma, as dimensões dos elétrons são separadas em um diagrama de Voronoi, na qual cada um dos blocos corresponde às coordenadas dos elétrons, permitindo que a equipe mapeie a função de onda de todas as 126 dimensões.
Porém, o que encontraram fez surpreendê-los. “Os elétrons com o que é conhecido como spin positivo formaram ligações duplas, enquanto aqueles com spin negativo fizeram ligações simples, e vice-versa”, disse Smith em comunicado. “Isso não é o que os químicos pensavam sobre o benzeno”.
O resultado disso é que os elétrons se evitam quando é vantajoso, reduzindo a energia da molécula e tornando-a mais estável. Em termos de estudo, isso mostra que as duas teorias sobre o benzeno se unem.
Via: ScienceAlert
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