CAPÍTULO 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS: UM CONCEITO BASEADO EM ENERGIA
2.3 Aspectos energéticos das ligações metálicas
O fato de o metal ser constituído de apenas um elemento leva-nos a pensar que a ligação metálica apresenta caráter essencialmente covalente. Em princípio pode-se imaginar uma molécula
5 As explanações deste tópico serão baseadas nas definições propostas por Duarte (2001) em: Ligações Químicas: ligação iônica, covalente e metálica. Cadernos temáticos. Química Nova na Escola, 4, 2001.
constituída de alguns elementos metálicos e outros elementos do metal vão sendo adicionados para formar o metal. Nesse sentido, o entendimento das ligações entre os elementos químicos metálicos será feita de acordo com a Teoria do Orbital Molecular (TOM), tratada anteriormente.
Como os orbitais atômicos dos metais possuem a mesma energia e forma, então, por exemplo, em um agregado de 4 átomos teremos 4 orbitais dxy, cada um com um elétron, formando
4 orbitais moleculares, todos deslocalizados sobre os quatro átomos, haja visto que eles têm a mesma simetria (forma) e a mesma energia.
Em um pedaço de metal que contenha 1 mol de átomos, em relação aos orbitais d, que correspondem aos orbitais de valência dos metais de transição, o equivalente a 5x6,02x1023
orbitais atômicos estariam envolvidos na formação da ligação metálica. Um número equivalente de orbitais moleculares seria, consequentemente, formado de acordo com a TOM. Acontece que para um número tão grande de orbitais com energia muito próxima torna-se difícil distinguir cada orbital molecular. Passamos, então, a falar em banda, como se houvesse um contínuo de estados eletrônicos (orbitais moleculares) possíveis para os elétrons.
Para ilustrar o processo de formação da ligação metálica, ao invés de um retículo tridimensional infinito, por facilidade vamos considerar o processo de formação de uma linha de átomos de Li regularmente espaçados, que vai sendo formada pela adição gradativa de um átomo por vez. Cada átomo de Li tem um elétron na camada de valência, em um orbital 2s. Após cada adição hipotética de um átomo de Li à linha anterior, verificaremos como os orbitais atômicos se combinam para gerar os orbitais moleculares correspondentes, e propor o diagrama de orbitais moleculares correspondentes. Este processo imaginário é esquematizado pela Figura 16, iniciando com a formação de Li2.
Figura 16. Diagrama de Orbitais moleculares para o Li2
A adição de outro átomo de Li formaria então o composto Li3 e assim por diante.
Continuando com o processo imaginário até que tenhamos um número N átomos de lítio formando o retículo linear, será formado um conjunto de orbitais moleculares de energias tão próximas uns dos outros, que na prática diz-se que se formou uma banda de energia. Essa banda será formada pelos N orbitais moleculares obtidos no processo.
Como cada orbital que forma a banda de valência pode comportar 2 elétrons, a banda de valência formada por N orbitais moleculares, pode acomodar até 2N elétrons. Como cada átomo de lítio que formou a banda tem apenas 1 elétron cada, os N átomos que deram origem à banda têm apenas N elétrons. Logo, a banda de valência do LiN está apenas semipreenchida.
Se a banda de valência do LiN formado está semipreenchida, a aplicação de uma corrente
elétrica de uma fonte externa simplesmente faz com que os elétrons que ocupam a metade inferior da banda sejam promovidos para a metade vazia da banda, deixando um vazio no local que ocupavam anteriormente, e um elétron livre na metade vazia da banda. Isto provoca movimentação de cargas pelo metal, e explica porque o LiN é um condutor elétrico.
A Figura 17 mostra como o aumento do número de orbitais atômicos participando da Ligação Química explica a ligação metálica e a densidade de estados.
Figura 17 - Extensão dos orbitais moleculares mostrando a multiplicação dos níveis com o aumento do número de
átomos, até formar bandas de orbitais moleculares.
À diferença entre a banda de valência e a banda dos estados não ocupados, chamamos de lacuna de energia (energy gap) e está relacionada a importantes propriedades dos metais, como por exemplo, a condutividade. Dependendo desta lacuna de energia, o metal é considerado condutor, semicondutor ou isolante.
De maneira geral, o entendimento de como ocorrem as ligações metálicas a partir da teoria das bandas trata-se de um estudo mais amplo sobre a real formação das ligações metálicas dando subsídios para discutir como os átomos dos elementos químicos metálicos formam as substâncias metálicas. No entanto, para fins didáticos é importante que os estudantes conheçam sobre a teoria do orbital molecular (TOM) para que entendam as ligações metálicas do ponto de vista energético das bandas. Atualmente, porém, não são muito bem definidos modelos explicativos para a abordagem desse tema em nível médio.
Entende-se que é importante para o conhecimento significativo das Ligações Químicas o entendimento das interações entre os átomos com base nos pressupostos destacados aqui. O que se deve pensar nesse sentido é que o entendimento das Ligações Químicas por esse viés pode proporcionar um entendimento mais amplo dos conceitos da Química. Entretanto, a falta de modelos explicativos baseados nessas teorias (consideradas modernas) para o estudo das Ligações Químicas têm se tornado um impedimento para sua utilização nas salas de aula. É com base nessa constatação que este trabalho defende a proposição e aplicação de um novo modelo explicativo para as ligações por meio do conceito de energia.