O Ensino da Teoria do Orbital Molecular em moléculas diatômicas: uma proposta para o Ensino Superior

Abstract

A Teoria do Orbital Molecular (TOM) é um modelo científico de ligação química que surgiu na década de 1920 assim como a Teoria da Ligação de Valência (TLV), sendo baseadas na mecânica quântica. Diversos cientistas colaboraram para o surgimento desse modelo com destaque para Robert Mulliken, Friedrich Hund, John Lennard-Jones e Edward Condon. Embora se apresente como um modelo científico satisfatório para a explicação da formação de ligações, foi observado através de um levantamento bibliográfico que a TOM é pouco explorada como temática de pesquisa na área de Ensino em Química mesmo que conste no conteúdo dos cursos de graduação. Concomitantemente, o estudo da TOM implica no conhecimento dos diagramas de orbitais moleculares organizados a partir da energia potencial. A observação dos diagramas para espécies diatômicas homonucleares formadas por elementos químicos do segundo período da tabela periódica indica uma inversão da posição dos orbitais moleculares entre as espécies dinitrogênio e di-oxigênio, sendo proposto uma relação entre esse comportamento com as energias de orbital utilizadas por Leland Allen na determinação da eletronegatividade. Ademais, a TOM permite estabelecer conclusões sobre a existência de moléculas com base na ordem de ligação, algo utilizado de maneira a sugerir associações dessa e de características do átomo isolado para a proposição da energia de dissociação de ligação em moléculas diatômicas homonucleares como propriedade periódica dos elementos químicos. Dessa maneira, o trabalho é composto por duas partes: a primeira com a elaboração e aplicação de uma Unidade Didática Multiestratégica (UDM) sobre a TOM em uma turma do primeiro ano do curso de Bacharelado em Química no Instituto de Química da UNESP. Como abordagem metodológica é utilizado o Ensino Fundamentado em Modelagem (EFM) que, dentre seus objetivos, busca desenvolver as noções sobre a natureza, a abrangência e limitação de um modelo científico, estimulando ações de avaliação, criação e reformulação. Ao longo da UDM, estratégias didáticas foram planejadas com vias de atender ao tema e ao público-alvo. Os modelos expressos pelos alunos nas atividades de modelagem foram examinados pela Análise de Conteúdo de Laurence Bardin, revelando superações das tratativas macroscópicas para microscópicas. A segunda parte consiste nas correlações da energia de dissociação de moléculas diatômicas homonucleares como propriedade periódica de maneira gráfica e equacional a partir da adoção de características das famílias da tabela periódica, como o número de elétrons desemparelhados, a ordem de ligação, o estabelecimento de ligações pi, entre outros. Ainda com a intencionalidade de aprofundamento das relações a serem estabelecidas com base em aspectos dos diagramas de orbitais moleculares, sugere-se tratar a inversão sigma-pi por meio da energia do orbital utilizada por Allen na descrição das energias de configuração. Dessa forma, espera-se contribuir com a área de Ensino de Química por meio da UDM planejada sobre a TOM, tendo sido observado um movimento de apropriação da Ciência e avanços significativos quanto as visões fragmentadas dos modelos científicos da ligação química. Quanto a energia de dissociação obteve-se correlações entre os valores descritos e experimentais, inferindo relações sob o viés de propriedades do átomo isolado. Por fim, a interpretação da inversão sigma-pi sob a ótica da energia do orbital permitiu uma clara representação gráfica desse comportamento, enriquecendo a compreensão do fenômeno.

The Molecular Orbital Theory (MOT) is a scientific model of chemical bonding that emerged in the 1920s, as well as the Valence Bond Theory (VBT), both of which are based on quantum mechanics. Several scientists contributed to the emergence of this model, notably Robert Mulliken, Friedrich Hund, John Lennard-Jones, and Edward Condon. Although it presents itself as a satisfactory scientific model for explaining the formation of connections, it was observed through a bibliographic survey that MOT is little explored as a research topic in the area of Chemistry Education even though it is included in the content of undergraduate courses. At the same time, the study of MOT implies knowledge of molecular orbital diagrams organized based on potential energy. Observation of the diagrams for homonuclear diatomic species formed by chemical elements from the second period of the periodic table indicates an inversion of the position of the molecular orbitals between the dinitrogen and di-oxygen species, so it was proposed a correlation between the orbital energy used by Leland Allen to the determination of the electronegativity. Furthermore, MOT allows conclusions to be drawn about the existence of molecules based on the bond order, something used in order to suggest associations of this and characteristics of the isolated atom to propose the bond dissociation energy in homonuclear diatomic molecules as a periodic property of chemical elements. Thus, the work is composed of two parts: the elaboration and application of a Multi-strategic Didactic Unit (MDU) on MOT in a first-year class of the Bachelor's degree in Chemistry at the Chemistry Institute of UNESP. As a methodological approach, Teaching Based on Modelling is used, which, among its objectives, seeks to develop notions about the nature, scope, and limitations of a scientific model, stimulating actions of evaluation, creation, and reformulation. Throughout the MDU, teaching strategies were planned with ways to meet the theme and target audience. The models expressed by students in modeling activities were examined using Laurence Bardin's Content Analysis, revealing over comings from macroscopic to microscopic approaches. The second part consists of the correlations of the dissociation energy of homonuclear diatomic molecules as a periodic property in a graphical and equational way based on the adoption of characteristics of the families of the periodic table, such as the number of unpaired electrons, the bond order, the establishment of bonds pi, among others. Still with the intention of deepening the relationships to be established based on aspects of the molecular orbital diagrams, it is suggested to treat the sigma-pi inversion through the orbital energy used by Allen in the description of the configuration energies. In this way, it is expected to contribute to the area of Chemistry Teaching through the MDU planned on MOT, having observed a movement towards the appropriation of Science and significant advances regarding the fragmented views of scientific models of chemical bonding. Regarding dissociation energy, correlations were obtained between the described and experimental values, inferring relationships based on the properties of the isolated atom. Finally, the interpretation of the sigma-pi inversion from the perspective of orbital energy allowed a clear graphical representation of this behavior, enriching the understanding of the phenomenon.