Superfície de van der Waals

A superfície de van der Waals é uma representação abstrata ou modelo de uma molécula que ilustra, de forma aproximada, onde a fronteira externa da molécula reside. Essa superfície é definida com base nos limites rígidos dos raios de van der Waals de cada átomo individual, representando a região através da qual a molécula interage com outras moléculas vizinhas.

Este conceito é fundamental para a compreensão de como as moléculas ocupam espaço e como as forças intermoleculares influenciam a estrutura da matéria. O modelo é nomeado em homenagem a Johannes Diderik van der Waals, físico teórico e termodinamicista holandês que desenvolveu a equação de estado para gases e líquidos, levando em conta o volume não nulo dos átomos e as forças de atração entre eles.

Representações e Modelos

As superfícies de van der Waals são ferramentas essenciais para a visualização molecular, evoluindo de cálculos manuais e modelos físicos para simulações digitais avançadas em softwares de química computacional.

Historicamente, os modelos CPK (nomeados em homenagem a Robert Corey, Linus Pauling e Walter Koltun) foram os primeiros modelos físicos amplamente utilizados baseados nos raios de van der Waals. Esses modelos de "preenchimento de espaço" (space-filling) permitiram que pesquisadores e estudantes visualizassem a superfície real de uma molécula, em vez de apenas a conectividade entre os átomos.

Volume e Área de Superfície de van der Waals

Intimamente ligados ao conceito de superfície estão as noções de volume e área superficial de van der Waals.

Área de Superfície (Aw)

A área de superfície de van der Waals é uma estimativa matemática da área externa de átomos ou moléculas. No caso mais simples, para um gás monoatômico esférico, a área é calculada como a superfície de uma esfera com raio igual ao raio de van der Waals (rw) do átomo:

Volume de van der Waals (Vw)

O volume de van der Waals é a quantidade de espaço ocupada por um átomo individual ou por todos os átomos de uma molécula. Para um átomo esférico, o volume é calculado como:

Para moléculas complexas, o volume de van der Waals é o volume total encerrado pela superfície de van der Waals. É importante notar que o volume molecular é sempre menor do que a soma dos volumes dos átomos constituintes isolados. Isso ocorre porque as distâncias interatômicas resultantes das ligações químicas são menores do que a soma dos raios de van der Waals dos átomos envolvidos, gerando uma sobreposição de esferas.

Determinação dos Raios de van der Waals

Os raios e volumes de van der Waals podem ser determinados através de diversos métodos experimentais e teóricos:

• Propriedades mecânicas de gases: Determinação da constante de van der Waals.
• Ponto crítico: Análise de fluidos em seu ponto crítico.
• Cristalografia: Medição do espaçamento entre pares de átomos não ligados em cristais.
• Propriedades elétricas ou ópticas: Medições de polarizabilidade ou refratividade molar.

Devido a essas diferentes metodologias, os valores tabulados para o raio de um mesmo átomo podem variar ligeiramente (geralmente entre 1 e 2 Å). Além disso, discute-se na literatura científica que o raio de van der Waals não é uma propriedade fixa, podendo variar conforme o ambiente químico do átomo.