Aulas 12 e 13 - Ligações Químicas
Em nossas aulas anteriores verificamos que os elementos químicos da tabela periódica podem existir na natureza tanto sozinhos como combinados. Essas combinações que os elementos podem fazer entre si chamamos de
ligações químicas.
LIGAÇÕES QUÍMICAS
Sabemos que as substâncias são formadas através de combinações entre elementos químicos e para compreendermos corretamente esses novo conteúdo iremos classificar algumas substâncias de acordo com a sua condutividade
elétrica.
Observe na tabela 1 algumas características de algumas substâncias. Tabela 1 - Substâncias diferentes suas propriedades
Substância Ponto de Fusão (ºC) Conduz corrente no estado sólido?
Conduz corrente no estado líquido?
Cloreto de Lítio 614 Não Sim
Cloreto de Cálcio 782 Não Sim
Cloreto de Sódio 801 Não Sim
Brometo de Potássio 1003 Não Sim
Óxido de Alumínio 2015 Não Sim
Óxido de Magnésio 2800 Não Sim
Álcool Etílico -117 Não Não
Cloro -101 Não Não
Água 0 Não Não
Naftalina 80 Não Não
Iodo 114 Não Não
Glicose 142 Não Não
Alumínio 660 Sim Sim
Prata 962 Sim Sim
Ouro 1064 Sim Sim
Cobre 1535 Sim Sim
Platina 1772 Sim Sim
Nota: condutividade elétrica é a capacidade de conduzir a corrente elétrica.
Observando a tabela 1 verificamos que as substâncias se agrupam em três grupos com comportamentos distintos. Podemos, portanto, classifica-las em grupos:
Primeiro Grupo – Cloreto de Lítio, Cloreto de Cálcio, Cloreto de Sódio, Brometo de potássio, óxido de alumínio e óxido de magnésio. Tais substâncias conduzem a corrente elétrica no estado líquido mas não no estado sólido.
Segundo Grupo – Álcool etílico, cloro, água, naftalina, iodo e glicose. Essas substâncias não conduzem eletricidade no estado líquido e nem no sólido. Elas também se destacam por apresentar pontos de fusão mais baixos que as demais da tabela.
Terceiro Grupo – Alumínio, Prata, ouro, cobre, ferro e platina. Quanto ao PF, essas substâncias são razoavelmente comparáveis ao primeiro grupo. Entretanto, conduzem eletricidade tanto no estado líquido quanto o sólido.
Ao longo dessa leitura você deve compreender as diferenças e semelhanças observadas nas características dos diferentes grupos de substâncias.
O MODELO DO OCTETO
Desde o século XIX os cientistas sabem que os átomos da maioria dos elementos químicos não apresentam existência isolada. Assim, por exemplo, átomos de oxigênio podem ser encontrados combinados com outros iguais a ele (O2, O3) ou com átomos de outros elementos, formando diferentes substâncias (CO, CO2, H2O, SO2, SO3, etc). Os átomos de oxigênio (O), portanto, não possuem existência isolada.
Com isso, verificou-se que apenas os Gases Nobres (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), nas condições ambientes, apresentam átomos estáveis isolados, isto é, não unidos a outros átomos.
Assim, para entender como funcionam as ligações entre os átomos, comecemos analisando a eletrosfera dos gases nobres (tabela 2), já que eles parecem ser a chave para compreender essa questão.
Tabela 2 - Distribuição dos elétrons nas camadas dos gases nobres
Gás Nobre K L M N O P Hélio 2 Neônio 2 8 Argônio 2 8 8 Criptônio 2 8 18 8 Xenônio 2 8 18 18 8 Radônio 2 8 18 32 18 8
Ao contrário de todos os outros elementos, os gases nobres apresentam a última camada contendo 8 elétrons, com exceção do hélio na qual a última camada só comporta 2. Tudo indica, portanto, que possuir uma eletrosfera igual à de um gás nobre faz com que o átomo fique estável.
Com raciocínio semelhante a esse, William Kossel e Gilbert Newton Lewis propuseram, independentemente, no ano de 1916, uma teoria para explicar a ligação entre os átomos, que ficou conhecida como modelo do octeto de elétrons (ou, simplesmente, regra do octeto). De acordo com esse modelo:
Um átomo estará estável quando sua última camada possuir 8 elétrons (ou 2, caso se trate da camada K). Os átomos não estáveis se unem uns aos outros a fim de adquirir essa configuração de estabilidade.
Com isso, temos essencialmente 3 tipos de ligações: Ligações Iônicas
Ligações Covalentes ou Moleculares Ligações Metálicas
Para que você compreenda cada um desses com clareza, explicaremos essas separadamente.
Ligações Iônicas.
São aquelas substâncias formadas por ligações entre metais e ametais. Por exemplo, as substâncias do primeiro grupo apresentadas na tabela 1. Veja essas novamente na tabela 3.
Tabela 3 - Algumas substâncias iônicas e suas propriedades Substância Ponto de Fusão
(ºC) Conduz corrente no estado sólido? Conduz corrente no estado líquido?
Cloreto de Lítio 614 Não Sim
Cloreto de Cálcio 782 Não Sim
Cloreto de Sódio 801 Não Sim
Brometo de
Potássio
1003 Não Sim
Óxido de Alumínio 2015 Não Sim
Óxido de
Magnésio
2800 Não Sim
As substâncias iônicas apresentam elevados pontos de fusão e de ebulição, conduzem corrente elétrica no estado líquido, mas não no estado sólido.
Como você pode perceber, todos os compostos que aparecem na tabela 3 apresentam em sua composição um metal (Na, K, Ca, Mg, Al, etc) e um ametal (F, Cl, Br, O, etc.). Isso conduziu os químicos a tentarem associar tal fato às propriedades desses compostos.
Em nossas aulas passadas, verificamos que os elétrons da última camada dos metais estão pouco “presos” ao átomo, podendo ser perdidos com facilidade. Desse modo, metais formam cátions com facilidade. Por sua vez os ametais possuem os elétrons de sua última camada bem “presos” no átomo e apresentam alta eletroafinidade, tendo assim tendências altas para receber elétrons e formarem ânions.
Considerando essas propriedades, ametais e metais podem se ligar entre si, ocorrendo a ligação de acordo com o exemplo com o NaCl abaixo.
Os elementos sódio (Z=11) e cloro (Z=17) possuem as seguintes distribuições eletrônicas:
11Na 1s2 2s2 2p6 3s1 K - 2 L – 8 M - 1 17Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 K - 2 L – 8 M - 7
Aplicando a regra do octeto nesses compostos, verificamos que nenhum deles é estável em seus estados fundamentais, visto que o sódio possui apenas 1 elétron em sua camada de valência e o cloro possui 7 elétrons em sua camada de valência. Entretanto, se houver uma transferência de 1 elétron do sódio para o sódio teremos:
11Na+ 1s2 2s2 2p6 3s0
K - 2 L – 8 M-0
17Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 K - 2 L – 8 M - 8 Ou conforme a figura 1 abaixo:
Desse modo, verificamos que ambos os compostos adquirem 8 elétrons na sua última camada, ficando assim estáveis.
Os íons Na+ e Cl- possuem cargas elétricas opostas, portanto atraem mutuamente. Essa atração mantém os íons unidos, formando uma substância muito conhecida, o sal de cozinha, representado pela fórmula NaCl. Tal união é chamada de ligação iônica ou ligação eletrovalente.
Se conseguíssemos ampliar um daqueles cristais de sal presentes num saleiro, veríamos um “amontoado” de cátions Na+ e ânions Cl-, conhecido como
retículo cristalino iônico. Veja que
apesar de representarmos o composto como NaCl, isso não indica que há apenas um íon ao lado do outro, mas sim a formação de uma rede onde os íons se distribuem, ficando os íons atraídos entre si, conforme a figura ao lado.
O sal de cozinha é apenas um exemplo de composto iônico. De modo geral, sempre que um elemento, que necessite doar elétrons para se estabilizar, se unir a outro, que necessite recebe-los, a união se dará por ligação iônica. Exemplo:
KI – Iodeto de Potássio, formado por um cátion K+ e um ânion I-;
CaO – Óxido de Cálcio (o famoso cal “virgem”), formado pelo cátion Ca2+ e um ânion O2-;
Al2O3 – Óxido de Alumínio, formado pelos cátions Al3+ e ânions O
2-Elétrons não são criados e nem destruídos. Assim, como você pode notar, o total de elétrons doados deve ser igual ao total recebido. Em outras palavras, a carga total positiva no composto formado deverá ser igual a negativa, o que o tornará eletricamente neutro como um todo.
Todo composto iônico apresenta íons fortemente ligados devido a atração entre cargas elétricas de sinais opostos dos cátions e ânions presentes no retículo cristalino. Dessa forma:
Todo composto iônico é sólido, quando puro nas condições ambientes de pressão e temperatura.
Como exemplo dessa força de atração e dos sólidos formados temos a fluorita, mineral formado principalmente de CaF2, o Rubi e as Safiras, que correspondem principalmente de moléculas de óxido de alumínio (Al2O3) com alguns “impurezas” em seu interior, como íons de Cromo para o Rubi e Ferro para a safira com coloração azul, entre outros.
Em função dessa força das ligações iônicas verificamos também que substâncias iônicas possuem elevados pontos de fusão, sendo necessária altas taxas de energia para solubilizar essas substâncias.
E a condutividade elétrica verificada na tabela 1? Como pode ser explicada?
A condutividade elétrica é a capacidade que algumas superfícies ou substâncias tem de conduzir elétrons, ou seja, elétrons “passarem” sobre a superfície desse sem ficarem retidos na eletrosfera do átomo da superfície ou da substância, percorrendo esse fluxo de elétrons o caminho entre os átomos, resultando em uma carga móvel.
Nas substâncias iônicas, quando no estado sólido, as cargas positivas e negativas estão fortemente ligadas entre si. Desse modo, não há formação de carga móvel não conduzindo eletricidade. Entretanto, quando essas substâncias são solubilizadas em água, ocorre a solvatação dos íons pelas moléculas de água, gerando a carga nos íons formados. Essa carga torna possível a condução de eletricidade, visto que os elétrons poderão transitar pela eletrosfera dos íons. Quando fundidas, substâncias iônicas também conduzem eletricidade em função da mudança no retículo cristalino dessa substância, sendo gerada a carga móvel e ocorrendo a condução.
Figura 2 - Mineral fluorita Figura 1- Safira e Rubi
LIGAÇÕES COVALENTES
No início desse capítulo mostramos, na tabela 1, exemplos de substâncias que classificamos, na ocasião, como pertencendo a um segundo grupo. Observando essas substâncias (Álcool etílico – CH3CH2OH; Cloro – Cl2; Água – H2O; Naftalina – C10H8; Iodo – I2 e glicose, C6H12O6) verificamos que todas são formadas por ametais. Com isso, podemos afirmar:
Substâncias formadas pela união de átomos de ametais (incluindo o H) apresentam baixos pontos de fusão e ebulição e não conduzem a corrente elétrica quando puras nos estados líquidos ou sólidos*.
A ligação entre átomos de ametais não pode ser iônica, pois como verificamos, ametais precisam de elétrons para completar o octeto. Assim, entre átomos de ametais, a ligação química ocorre de outro modo, chamado de ligação covalente!
Considere um átomo de cloro. Ele não é estável isoladamente, pois possui 7 elétrons na camada de valência. Para se estabilizar, vimos que ele deve, ao participar de uma ligação iônica, receber mais 1 elétron.
Há, entretanto, outro modo de esse átomo atingir a estabilidade. Ele pode “compartilhar” um elétron com outro átomo que também fara o mesmo. Dessa maneira, cada átomo passará a ter o usufruto comum do par de elétrons compartilhado, ficando assim com o octeto completo. O resultado é uma
molécula de cloro,formada por dois átomos desse elemento.
Fórmula Eletrônica Fórmula Estrutural Fórmula
Molecular
Esse compartilhamento de elétrons que leva a formação de moléculas é chamado de ligação covalente.
Observe a molécula de etanol, mais complexa que a do cloro:
Note que os elementos que compõe essa molécula são o Carbono (C), o Oxigênio (O) e o Hidrogênio (H), sendo esses ametais. Em função desse fato não há diferença significativa na eletronegatividade desse elementos para formar uma ligação iônica, formando eles entre si apenas ligações covalentes. Veja, por exemplo, a ligação entre um átomo de hidrogênio e um de carbono, representada abaixo.
O Carbono, um elemento da família 4A, possui 4 elétrons em sua camada de valência. Já o Hidrogênio possui apenas 1. Para ficarem estáveis, de acordo com a teoria do octeto, o hidrogênio deve receber 1 elétron e o carbono 4 elétrons. Em função dessa busca por estabilidade, esses dois elementos compartilham os elétrons de sua camada de valência. Note que o hidrogênio precisa de apenas um elétron para a estabilidade, compartilhando apenas um elétron com o carbono, conforme visto na figura acima. Entretanto, para o carbono atingir a estabilidade ele necessita realizar mais ligações, visto que mesmo compartilhando um elétron com o hidrogênio esse ainda permanece com 5 elétrons. Por isso, o carbono se liga aos demais elementos presentes na molécula de etanol.
Para compreender melhor, monte em seu caderno o esquema das ligações
covalentes que existem na molécula de etanol.
As substâncias formadas com ligações covalentes podem ser encontradas nos três estados físicos na natureza (sólido, líquido e gasoso). Entretanto, seus pontos de ebulição e fusão são muito mais baixos quando comparados com os das substâncias iônicas. E quando puras essas substâncias
NÃO conduzem eletricidade. LIGAÇÕES METÁLICAS
As ligações metálicas são características de substâncias formadas exclusivamente por átomos de metais. Esse tipo de ligação explica algumas propriedades apresentadas pelos metais que são diferentes das observadas em substâncias formadas por ligações iônicas ou covalentes.
Os metais, em sua maioria, podem ser encontrados no estado sólido à temperatura ambiente (25°C) e apresentam cor acinzentada e brilho característico.
Assim como nas substâncias iônicas verificamos a formação de um retículo cristalino, onde não há moléculas propriamente formadas, mas sim átomos muito próximos e sobrepostos aos outros. Nesse caso, representamos o retículo cristalino do metal apenas com o símbolo do elemento que o compõe, como Fe para o ferro, Au para o ouro, entre outros. Veja os exemplos nas figuras abaixo.
Mercúrio – Hg (O único metal líquido a temperatura ambiente)
Cobre - Cu Ouro - Au
Experiências com raios X levam a crer que os átomos dos metais se organizam em uma estrutura na qual os cátions ficam agrupados fixos com um “mar” de elétrons localizados em torno dos cátions. Esses elétrons são provenientes da camada de valência e não são atraídos por nenhum núcleo em
particular, por isso os chamamos de deslocalizados. Para compreender melhor, veja a figura abaixo:
Os elétrons, representados pelo símbolo negativo (-), tem a liberdade de se moverem por toda a extensão do retículo cristalino, sendo esses responsáveis por algumas propriedades dos metais, como:
Condutibilidade; Elevados PF e PE.
Maleabilidade* (capacidade de serem moldados em lâminas e chapas muito finas);
Ductibilidade* (capacidade de serem moldados fios);
Observando essas propriedades podemos compreender como e por que os metais são tão utilizados para formarem fios elétricos, recipientes que suportem aquecimento como panelas e outros frascos, bem como as suas diversas outras aplicações, sejam na forma de ligas (combinando dois ou mais metais) ou com um único elemento químico.
Ficou com alguma dúvida? Mande um email para a profª em larissarichter@msn.com
Bons estudos! Referências
SALVADOR, E.; USBERCO, J.; Conecte Química - 1º Ano - Ensino Médio. Ed. Saraiva. 2011. PERUZZO, F.M.; DO CANTO, E.L.; Química na Abordagem do Cotidiano - Volume 1. Ed.
Moderna, 2010.
*Essas propriedades podem ser explicadas pela sobreposição dos núcleos positivos na formação do retículo cristalino. Aplicando-se uma pressão sobre uma determinada região do metal, os átomos dessa irão “escorregar” sobre os outros. Com esse deslizamento podem se formar as lâminas ou fios desejados.
