Rogério Custodio 

Instituto de Química – Unicamp

1- O invisível em movimento: a revolução da mecânica quântica

Voltamos no tempo há cerca de 2.500 anos e estamos em meio a uma reunião de pensadores gregos. Filósofos como Aristóteles e seus contemporâneos discutem a natureza do movimento. Um deles aponta para um objeto parado no chão e pergunta: — Por que ele não está se movendo? A resposta surge de imediato: — Porque nenhuma força está agindo sobre ele. A concordância é unânime e irrepreensível. Para os gregos antigos, o estado “natural” dos corpos era o repouso, e qualquer movimento exigia uma causa. Um objeto só se moveria se algo o empurrasse constantemente, e só voltaria ao repouso e se essa força parasse de ser aplicada. Essa lógica do movimento dos corpos atravessaria séculos como verdade estabelecida.

Somente no século XVII, o olhar atento e criativo de Isaac Newton — apoiado pela ideia de provar seus argumentos por meio de demonstrações experimentais — propôs algo ousado. Newton observou que, se um objeto fosse colocado sobre uma superfície extremamente lisa e recebesse um impulso inicial, ele se moveria indefinidamente em velocidade constante. A velocidade e a direção só seriam modificadas quando uma força atuasse sobre ele. Em outras palavras, um objeto em movimento não precisa de uma força para continuar se movendo. Newton pôde concluir que o repouso e o movimento retilíneo uniforme são igualmente “naturais”.

Ele estabeleceu leis quantitativas para representar quando uma força está agindo sobre um sistema, baseando-se na massa do objeto e na variação da sua velocidade — o que chamamos de aceleração. Pela primeira vez, as leis de Newton permitiam prever com exatidão a posição e a velocidade de qualquer objeto: desde o movimento de uma pedra atirada no ar até a trajetória dos planetas. O universo parecia funcionar como uma engrenagem perfeita, governada por leis imutáveis e determinísticas. Tudo — ou quase tudo — era previsível, desde que se conhecessem a posição e a velocidade iniciais de um objeto. Com essas informações e aplicando as leis de Newton, seria possível prever o futuro ou reconstruir o passado da trajetória desse objeto.

Como exemplo, se estivermos em um automóvel e quisermos fazê-lo andar, temos que aplicar uma força sobre ele. Isso fará sua velocidade passar de zero a um valor qualquer. De maneira geral, mudar a velocidade ou a direção do movimento requer uma força. Mas um detalhe importante precisa ser mencionado: essas mudanças ocorrem de forma contínua. Essa continuidade acabou se refletindo em uma declaração popular que resume bem o pensamento da física clássica: “a natureza não dá saltos”.

Outros desenvolvimentos importantes ocorreram na física, com representações matemáticas do comportamento de efeitos elétricos, magnéticos, ópticos e acústicos. O sucesso dessas descrições rigorosas levou muitos a considerar que a física estava praticamente completa — e que nada essencial ainda restava a ser descoberto. Tudo o que faltava era aplicar essas leis aos mais diversos fenômenos.

Porém, no final do século XIX, surgiram fenômenos que não podiam ser explicados pelos modelos clássicos. Um deles envolvia a radiação emitida por objetos aquecidos — como o ferro em brasa ou o filamento de uma lâmpada incandescente. Esse fenômeno ficou conhecido como radiação do corpo negro. Os cálculos baseados nas leis clássicas não conseguiam explicar o comportamento da luz emitida, embora fosse possível relacionar empiricamente a temperatura de um objeto com a cor mais intensa observada.

Outro efeito curioso estava relacionado à interação da luz com a matéria. Substâncias químicas, quando iluminadas por luz branca, não absorvem toda a luz: a absorção é seletiva. Apenas cores específicas são absorvidas por átomos ou moléculas daquele composto químico. O mesmo ocorre quando essa substância é estimulada a emitir luz — não se observa a emissão de luz branca, mas apenas de algumas cores específicas ou de combinações entre elas. Essa absorção e emissão seletivas permitem aplicações na identificação da substância em análise ou na estimativa de sua concentração. Mesmo sem se saber exatamente por que isso acontecia, sua utilidade era inquestionável.

Outro fenômeno intrigante foi observado em 1887 pelo físico alemão Heinrich Hertz. Ao realizar experimentos com circuitos elétricos, ele percebeu que, ao iluminar certos metais com luz de determinadas cores ocorria a emissão de faíscas, mesmo em condições em que não deveria haver corrente elétrica. Era como se a luz, por si só, estivesse fornecendo energia suficiente para “arrancar” elétrons da superfície do metal, permitindo a passagem de corrente. Esse fenômeno, mais tarde conhecido como efeito fotoelétrico, contrariava a física clássica, segundo a qual a intensidade da luz — e não sua cor ou frequência — deveria ser o fator determinante. No entanto, apenas luz com frequência suficientemente alta, como azul ou violeta, era capaz de produzir o efeito, enquanto luz vermelha, mesmo mais intensa, não surtia o mesmo resultado. De acordo com a física clássica, isso não fazia sentido.

Esses experimentos sugeriam que o universo estava escondendo uma realidade mais profunda, invisível aos sentidos e incompatível com as leis até então consideradas universais.

Uma primeira e histórica resposta à parte desse mistério viria de uma mudança radical na forma de pensar. Em 1900, o físico Max Planck propôs uma ideia que ele próprio considerava improvável, talvez até absurda: para explicar a radiação emitida por um corpo negro, ele sugeriu que a energia não era liberada de forma contínua, mas sim em pequenos pacotes indivisíveis, que chamou de quanta. A proposta ia contra tudo o que se entendia sobre a natureza até então. Seria como afirmar que um carro não pode acelerar suavemente, mas apenas “pular” de uma velocidade para outra em passos definidos, sem passar por valores intermediários. Essa ideia violava o princípio clássico de que as mudanças na natureza acontecem de forma contínua. Mesmo assim, ao aplicar essa hipótese — inicialmente vista como uma manobra matemática para ajustar a teoria aos dados experimentais — Planck conseguiu reproduzir rigorosamente os resultados observados. Sem perceber completamente o impacto do que propunha, ele havia aberto a porta para a mecânica quântica.

Poucos anos depois, Albert Einstein aplicaria essa mesma ideia à luz, sugerindo que ela também vinha em pacotes de energia, e explicou, com sucesso, o efeito fotoelétrico. Por essa razão, aliás, Einstein recebeu o Prêmio Nobel e não por sua teoria da relatividade, como muitos imaginam.

A explicação de Einstein incorporava uma ideia ainda mais profunda: a luz, que desde o início do século XIX era compreendida como uma onda eletromagnética, também podia se comportar como partícula. Essa característica dual, conhecida como dualidade onda-partícula, foi fundamental para compreender a interação da luz com a matéria, como os processos seletivos de emissão e absorção observados nos compostos químicos. Mais tarde, essa dualidade seria generalizada pelo físico francês Louis de Broglie, que propôs que não apenas a luz, mas toda partícula material também apresenta propriedades ondulatórias. Essa ideia ampliaria a revolução quântica para todo o universo microscópico.

Aos poucos, tornava-se claro que o mundo físico, antes visto como uma sequência contínua de causas e efeitos, escondia um funcionamento mais sutil, fragmentado e probabilístico. A energia era quantizada e a própria luz e a matéria revelavam um comportamento dual onda-partícula. Planck, Einstein e outros pioneiros da física quântica viriam a receber o Prêmio Nobel por essas contribuições fundamentais, que marcariam o início de uma verdadeira revolução no pensamento científico.

Mas a revolução estava só começando.

Embora as ideias de Planck, Einstein e de Broglie tenham sido fundamentais para romper com os limites da física clássica, elas ainda não constituíam uma teoria completa. A estrutura matemática que daria forma definitiva à mecânica quântica só foi alcançada na segunda metade da década de 1920, com o surgimento da chamada mecânica quântica “contemporânea” — cuja origem costuma ser celebrada a partir de 1925, com o trabalho de Werner Heisenberg.

No ano seguinte, em 1926, Erwin Schrödinger apresentou uma formulação alternativa baseada em equações de onda, oferecendo uma nova perspectiva para os mesmos fenômenos. E em 1927, Paul Dirac introduziu uma versão relativística da teoria, ampliando seu alcance às partículas de altas energias. Essas contribuições decisivas conseguiram combinar a quantização da energia com a dualidade onda-partícula em representações matemáticas bem-sucedidas. As formulações de Heisenberg, Schrödinger e Dirac — distintas, mas equivalentes, até certo ponto — estão na base da física moderna e continuam sendo utilizadas até hoje para descrever átomos, moléculas, sólidos e sistemas subatômicos.

A compreensão quântica da matéria também provocou uma transformação imensa na maneira como a química entende os átomos e as moléculas. Antes da mecânica quântica, os modelos utilizados em química eram essencialmente fenomenológicos: baseavam-se, por exemplo, em relações entre massas de reagentes e produtos, ou em padrões observados nas propriedades dos elementos organizados na tabela periódica. Com o avanço da teoria quântica, tornou-se possível investigar a estrutura eletrônica dos átomos e a natureza das ligações químicas de forma fundamentada. A imagem clássica do átomo como um pequeno sistema planetário perdeu validade, assim como a ideia de elétrons como pequenas esferas girando em órbitas bem definidas. A interpretação dos fenômenos microscópicos mudou, e a química teve que se adaptar a esse novo cenário, incorporando conceitos como orbitais moleculares, densidade eletrônica e probabilidade.

2-A revolução quântica na compreensão da química

Com a consolidação da mecânica quântica, abriu-se um novo capítulo na forma de entender os processos químicos. Embora a química já utilizasse há décadas conceitos como átomos, moléculas, ligação química, valência, ressonância, entre outros, a mecânica quântica passou a oferecer um caminho formal para descrevê-los com rigor conceitual e matemático. As implicações dessa teoria para a química podem surgir tanto da aplicação direta da equação de Schrödinger (ou de sua versão relativística, a equação de Dirac) a sistemas químicos quanto do aprofundamento conceitual de modelos já existentes na área.

Um dos primeiros sinais de que a estrutura eletrônica poderia explicar comportamentos químicos foi a própria organização da tabela periódica. Ainda na década de 1910, o físico dinamarquês Niels Bohr foi o primeiro a sugerir que a estrutura eletrônica dos átomos — organizada em camadas — poderia explicar a regularidade observada entre os elementos. Sua proposta permitiu relacionar os níveis de energia dos elétrons com a posição dos elementos na tabela periódica, antecipando as ideias que seriam formalizadas posteriormente pela mecânica quântica. Construída inicialmente com base em propriedades químicas e massas atômicas, a tabela pôde ser reinterpretada à luz da organização dos elétrons em regiões do espaço onde há maior probabilidade de serem encontrados. Essa nova perspectiva ajudou a explicar, por exemplo, por que elementos com propriedades semelhantes aparecem em colunas verticais e como certos grupos podem apresentar comportamentos aparentemente anômalos.

Outro conceito fundamental revisto à luz da mecânica quântica foi o de valência. Esse termo, usado há décadas pelos químicos, era tradicionalmente associado ao número de ligações que um elemento pode formar. A valência era deduzida a partir de observações estequiométricas e padrões empíricos. Um exemplo marcante dessa abordagem é a regra do octeto, proposta por Gilbert Lewis, segundo a qual os átomos tendem a adquirir oito elétrons na camada de valência, imitando a configuração eletrônica dos gases nobres, que são praticamente inertes. Embora útil, essa regra mostrou-se limitada à medida que mais elementos — especialmente fora do segundo período — passaram a ser estudados. Com a teoria quântica, foi possível compreender tanto essas regularidades quanto suas exceções, associando o comportamento químico dos elementos às estruturas eletrônicas.

O conceito de ligação química também foi reformulado, revelando que há mais de uma maneira dos átomos se ligarem. Duas das mais importantes são conhecidas como modelo de ligação de valência e teoria dos orbitais moleculares. No modelo de ligação de valência, a formação da ligação é explicada pelo compartilhamento de elétrons entre átomos vizinhos por meio da sobreposição de orbitais atômicos. Já na teoria dos orbitais moleculares, os elétrons são considerados como pertencentes à molécula como um todo, distribuídos em regiões que podem se estender por mais de dois núcleos. Essa ideia também pode ser aplicada ao entendimento do comportamento de materiais sólidos. Nos metais, por exemplo, os elétrons se espalham por toda a estrutura e podem se mover livremente, o que explica sua capacidade de conduzir eletricidade. Nos semicondutores, por outro lado, a condução depende da energia fornecida ao material, permitindo controlar o fluxo de corrente de elétrons, algo essencial para o funcionamento de dispositivos eletrônicos. Já para ligações entre átomos com excesso ou deficiência de elétrons, conhecidas como ligações iônicas, a mecânica quântica permite descrever a estabilização do sistema com base nas distribuições de carga obtidas a partir da equação de Schrödinger.

Com avanços como esses, a química deixou de ser apenas uma ciência empírica e classificatória e passou a incorporar, de forma cada vez mais consistente, modelos matemáticos baseados em princípios quânticos. A partir desse alicerce, os fundamentos da mecânica quântica passaram a permear diversas subáreas da química, como espectroscopia, termodinâmica, eletroquímica, cinética e ciência dos materiais — abrangendo tudo o que se refere à estrutura da matéria, suas transformações e interações.

3-Do átomo ao algoritmo: a química na era quântica

O tratamento quântico, baseado na aplicação da equação de Schrödinger ou de Dirac a problemas químicos, é extremamente complexo e exige o uso de computadores. Em função dessa necessidade, atualmente é comum encontrar químicos dedicados exclusivamente à aplicação da mecânica quântica em problemas como os mencionados acima, ou ao desenvolvimento de métodos computacionais com esse propósito. Surgiram, assim, novas áreas, como a química quântica, a química quântica computacional e a química computacional — sendo esta última aplicada também em contextos mais amplos da interface entre física e química. Químicos dedicados a essas áreas são conhecidos como químicos teóricos e desenvolvem trabalhos sem qualquer contato direto com laboratórios. Todo o trabalho é realizado com papel, lápis e computadores.

Dentro dessa linha de trabalho se observam três frentes principais de desenvolvimento. A primeira consiste em utilizar programas computacionais que resolvem a equação de Schrödinger ou Dirac em problemas químicos. Por exemplo, em vez de considerar a reação química no laboratório entre duas substâncias quaisquer, o químico teórico pode avaliar a estabilidade dos reagentes e produtos por meio de cálculos quânticos. É possível prever se a reação deverá ocorrer ou não. Também se pode determinar se a reação liberará ou absorverá calor, além de obter uma ideia do caminho energético que os reagentes devem seguir para se converterem em produtos. Se necessário, pode-se ainda explorar como o composto se comportará ao ser exposto à luz infravermelha, ultravioleta ou qualquer outra forma de energia.

Essas tarefas são realizadas com o auxílio de programas computacionais específicos, desenvolvidos ao longo das últimas décadas por pesquisadores do mundo todo. Muitos desses programas são disponibilizados como ferramentas comerciais ou como softwares públicos e de código aberto, possibilitando o acesso por diferentes grupos de pesquisa e instituições de ensino. Alguns exemplos de programas para a realização rotineira de cálculos quânticos são: Gaussian, ORCA, GAMESS, NWChem, entre outros.

No Brasil, a química quântica tem se desenvolvido de forma significativa ao longo das últimas décadas. Pesquisadores atuando majoritariamente em universidades públicas estão distribuídos por praticamente todas as regiões do país. Esses profissionais se dedicam tanto ao desenvolvimento de métodos teóricos e computacionais quanto à aplicação da mecânica quântica em problemas específicos da química, colaborando frequentemente com grupos experimentais. Essa interação tem gerado avanços importantes na compreensão de propriedades moleculares, no estudo de reações químicas e na caracterização espectroscópica de compostos, fortalecendo a presença da química teórica no cenário científico nacional e internacional.

Um marco importante para a consolidação dessa comunidade foi a criação do Simpósio Brasileiro de Química Teórica (SBQT), considerado atualmente o maior evento da área na América Latina. O SBQT ocorre a cada dois anos e reúne pesquisadores, estudantes e profissionais interessados em química teórica e computacional. A iniciativa para sua criação partiu do professor Marco Antônio Chaer Nascimento, da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), que organizou os primeiros encontros com o objetivo de aproximar os pesquisadores da área e estimular colaborações. Desde então, o evento se consolidou como um espaço essencial para o intercâmbio de ideias, divulgação de resultados científicos e fortalecimento da área no Brasil.

4-Considerações finais

Ao longo dos últimos cem anos, a mecânica quântica deixou de ser uma teoria nascente com ideias contraintuitivas para se tornar um dos pilares da ciência moderna. Do questionamento da continuidade na natureza à descoberta da dualidade onda-partícula e à quantização da energia, a teoria quântica transformou radicalmente a forma como compreendemos a natureza — especialmente no mundo atômico e molecular.

A química, em particular, foi profundamente impactada por essa revolução. Conceitos clássicos como valência, ligação química, estrutura atômica e organização da tabela periódica ganharam uma nova base teórica, mais rigorosa e abrangente. Com a incorporação dos princípios quânticos, a química deixou de ser somente descritiva e empírica para tornar-se uma ciência preditiva e fundamentada em modelos matemáticos para várias de suas abordagens.

Hoje, a mecânica quântica é uma ferramenta indispensável para quem deseja compreender os fenômenos fundamentais de transformações da matéria e energia. Suas aplicações, impulsionadas por métodos computacionais ou espectroscópicos cada vez mais sofisticados, continuam a expandir fronteiras em áreas como a ciência dos materiais, biologia molecular, catálise design de novos fármacos, dentre outros. E, ao mesmo tempo, ela nos oferece uma perspectiva filosófica e científica sobre o universo e sobre os limites do conhecimento humano.

No que diz respeito ao nosso conhecimento atual da natureza das coisas, pode-se dizer que o universo é quântico.