AULA 03 - LIGAÇÃO QUÍMICA

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1 1. INTRODUÇÃO FACULDADE ASSIS GURGACZ - FAG AULA 03 - LIGAÇÃO QUÍMICA É impossível se pensar em átomos como os constituintes básicos da matéria sem se pensar em ligações químicas. Afinal, como podemos explicar que porções tão limitadas de matéria, quanto os átomos, possam formar os corpos com que nos deparamos no mundo macroscópico do dia-a-dia. Também é impossível se falar em ligações químicas sem falarmos em elétrons. Afinal, se átomos vão se unir uns aos outros para originar corpos maiores, nada mais sensato do que pensar que estes átomos entrarão em contato entre si. Quando dois átomos entram em contato, o fazem através das fronteiras das suas eletrosferas, ou seja, de suas últimas camadas. Isso faz pensar que a última camada de um átomo é a que determina as condições de formação das ligações químicas. Em 1868, Kekulé e Couper, propuseram a utilização do termo valência para explicar o poder de combinação de um átomo com outros. A valência de um dado elemento é que determina as fórmulas possíveis ou não de compostos formados por ele. A primeira situação seria entender por que dois ou mais átomos se ligam, formando uma substância simples ou composta. Como, na natureza, os únicos átomos que podem ser encontrados no estado isolado (moléculas monoatômicas) são os gases nobres, logo se pensou que os demais átomos se ligariam entre si tentando alcançar a configuração eletrônica do gás nobre mais próximo deles na tabela periódica. Todos os gases nobres, com exceção do He, possuem 8 elétrons. Esta maneira de pensar a ligação entre os átomos passou a ser conhecida por Teoria do Octeto, e foi proposta por Kossel e Lewis no início do século XX. Baseado nessa idéia, a valência de um átomo passou a ser vista como a quantidade de elétrons que um átomo deveria receber, perder ou compartilhar para tornar sua última camada (camada de valência) igual a do gás nobre de número atômico mais próximo. As ligações químicas podem ser classificadas em três categorias: - Iônica ou Eletrovalente - Covalente ou Molecular - Covalente Dativa ou Coordenada 2. VALÊNCIA Valência de um átomo é o número de ligações que ele deve fazer para alcançar a estabilidade, ou seja, para que alcance oito elétrons na última camada. Justamente pelo fato de que o poder de combinação está relacionado com a camada eletrônica mais externa, ela é chamada camada ou nível de valência. A valência é um número puro e indicam quantas ligações um átomo pode fazer. Quando, nessas ligações, ocorre perda ou ganho de elétrons, com a formação de íons, a valência é chamada de eletrovalência e vem acompanhada de um sinal que indica a carga do íon formado. Átomo perde elétrons íon com carga positiva = cátion Átomo ganha elétrons íon com carga negativa = ânion 39

2 Tendências de comportamento dos elementos para estabilização 3. TEORIA DO OCTETO Na natureza, todos os sistemas tendem a adquirir a maior estabilidade possível. Os átomos ligam-se uns aos outros para aumentar a sua estabilidade. Os gases nobres são as únicas substâncias formadas por átomos isolados. Conclusão: os átomos dos gases nobres são os únicos estáveis. Os átomos dos gases nobres são os únicos que possuem a camada da valência completa, isto é, com oito elétrons (ou dois, no caso da camada K). Conclusão: a saturação da camada da valência com oito elétrons (ou dois, no caso da camada K) aumenta a estabilidade do átomo. A configuração eletrônica com a camada da valência completa é chamada configuração estável. Os átomos dos gases nobres são os únicos que já têm a camada da valência completa, com exceção do He, possui 2 elétrons. 40

3 Teoria do Octeto - Os átomos dos elementos ligam-se uns aos outros na tentativa de completar a camada da valência de seus átomos. Isso pode ser conseguido de diversas maneiras, dando origem a diversos tipos de ligações químicas. 4. LIGAÇÃO IÔNICA OU ELETROVALENTE Como o próprio nome já diz a ligação iônica ocorre com a formação de íons. A atração entre os átomos que formam o composto é de origem eletrostática. Sempre um dos átomos perde elétrons, enquanto o outro recebe. O átomo mais eletronegativo arranca os elétrons do de menor eletronegatividade. Ocorre entre metais e não metais e entre metais e hidrogênio. - Átomo com facilidade para liberar os elétrons da última camada: metal - Átomo com facilidade de adicionar elétrons à sua última camada: não metal A ligação iônica ocorre entre metais e não metais e entre metais e hidrogênio. Num composto iônico, a quantidade de cargas negativas e positivas é igual. Os átomos com tendência a ceder elétrons apresentam um, dois ou três elétrons na camada da valência; são todos átomos de metais, com exceção dos átomos de H e He. Os átomos com tendência a receber elétrons apresentam quatro, cinco, seis e sete elétrons na camada da valência; são os átomos dos não-metais e do H. A ligação entre o sódio ( 11 Na) e o cloro ( 17 Cl) é um exemplo característico de ligação iônica. Observe a distribuição dos elétrons em camadas para os dois elementos: As substâncias formadas através de ligações iônicas são chamadas substâncias iônicas e sua unidade estrutural é denominada agregado iônico. Numa substância iônica, a proporção dos íons é tal que a carga elétrica dos cátions se neutraliza totalmente pela carga elétrica dos ânions. Para o cloro interessa adicionar um elétron à sua última camada, completando a quantidade de oito elétrons nela. Ao sódio interessa perder o elétron de sua camada M, assim a anterior passará a ser a última, já possuindo a quantidade necessária de elétrons. Na representação da ligação, utilizamos somente os elétrons da última camada de cada átomo. A seta indica quem cede e quem recebe o elétron. Cada elétron cedido deve ser simbolizado por uma seta. Esta representação é conhecida por fórmula eletrônica ou de Lewis. O sódio possuía inicialmente 11 prótons e 11 elétrons. Após a ligação, a quantidade de prótons não se altera e a de elétrons passa a ser 10. O cloro que inicialmente possuía 17 prótons e 17 elétrons, tem sua quantidade de elétrons aumentada de uma unidade após a ligação. Com isso o sódio se torna um íon de carga 1+ e o cloro 1-. A força que mantém os dois átomos unidos é de atração elétrica, ou seja, uma ligação muito forte. Como foram utilizados um átomo de cada tipo, a fórmula do composto será NaCl. Representações de fórmulas usadas: A fórmula é denominada fórmula eletrônica. 41

4 Esta fórmula mostra como estão distribuídos os elétrons empenhados na ligação. Podemos também representar a substância formada pela fórmula, denominada fórmula estrutural. Esta fórmula caracteriza o tipo de ligação (no caso, iônica) que apresentam os elementos na substância. A fórmula mais conhecida, é denominada fórmula química, íon - fórmula ou fórmula iônica. Esta fórmula mostra em que proporção os íons estão reunidos. De maneira análoga podemos observar a ligação entre o flúor ( 9 F) e o alumínio ( 13 Al). O alumínio perde os três elétrons de sua última camada, pois a penúltima já possui os oito elétrons necessários. Como o átomo de flúor possui 7 elétrons em sua última camada, precisa de apenas mais um elétron. São necessários três átomos de flúor para acomodar os três elétrons cedidos pelo alumínio. De maneira análoga ao exemplo anterior, ocorre à formação de íons positivo e negativo devido à quebra do equilíbrio entre as quantidades de prótons e elétrons nos átomos. O alumínio passa a ser um íon de carga 3+ e o fluor 1-. A fórmula do composto será AlF 3. Exemplos: 42

5 4.1. A ligação iônica em escala Um dos dados mais importantes na caracterização da ligação iônica é a eletronegatividade. Quanto mais alta a eletronegatividade, tanto mais facilmente o elemento tende a ganhar elétrons (atraí-los na ligação). Quanto mais baixa a eletronegatividade, tanto mais facilmente o elemento tende a ceder elétrons. Quanto maior for a diferença de eletronegatividade entre dois elementos, mais facilmente eles tendem a transferir elétrons um para o outro. Quanto maior a diferença de eletronegatividade tanto maior será o caráter iônico da ligação Comentários Íons positivos são formados quando metais perdem seus elétrons da camada de valência. Embora esta característica seja comum a todos os metais, somente os metais representativos alcançam a configuração de gás nobre a perder seus elétrons de valência. Os metais de transição também formam íons, mas não seguem obrigatoriamente a regra do octeto e se apresentam com uma ou mais valências, o mesmo ocorrendo com alguns elementos da família IVA. Os não metais e o hidrogênio, na presença de metais, tendem a ganhar elétrons em quantidade suficiente para formar íons negativos com configuração eletrônica semelhante à dos gases nobres. Toda ligação iônica forma um sistema eletricamente neutro, isto é, com carga total igual a zero. Para que isso ocorra, é necessário que o total de elétrons cedidos pelos átomos dos metais seja igual ao total de elétrons recebidos pelos átomos dos não metais. Exercícios Ligação iônica ou eletrovalente 1. Escreva a configuração eletrônica dos seguintes íons: a) Na 11 - b) O 8-43

6 c) Al 13 - d) I 53 - e) P Estabeleça a ligação iônica entre os elementos abaixo: a) Na (Z = 11) e Br (Z = 35) b) Mg (Z = 12) e O (Z = 8) c) Ca (Z = 20) e F (Z = 9) d) Al (Z = 13) e O (Z = 8) e) Sr (Z = 38) e N (Z = 7) f) Al (Z = 13) e S (Z = 16) 3. Estabeleça a ligação entre o elemento A, que é um alcalino-terroso, e o elemento B, que pertence ao grupo 7A. 44

7 4. Qual a fórmula do composto formado pelo elemento X, que é do grupo 1A, no 2º período e o elemento Y, cujo subnível mais energético é 3p 4? 5. LIGAÇÃO COVALENTE OU MOLECULAR É o tipo de ligação que ocorre quando os dois átomos precisam adicionar elétrons em suas últimas camadas. Somente o compartilhamento é que pode assegurar que estes átomos atinjam a quantidade de elétrons necessária em suas últimas camadas. Cada um dos átomos envolvidos entra com um elétron para a formação de um par compartilhado, que a partir da formação passará a pertencer a ambos os átomos. Ocorre entre não metais e não metais, não metais e hidrogênio e entre hidrogênio e hidrogênio. O hidrogênio possui somente uma camada contendo um único elétron, compartilhando 1 elétron, atinge a quantidade necessária para a camada K, que é de dois elétrons. Os elétrons compartilhados passam a ser contados para as eletrosferas dos dois átomos participantes da ligação. Na molécula de nitrogênio ocorrem três ligações covalentes entre os dois átomos. 7N 2 5 Estas três ligações garantem que os dois átomos de nitrogênio atinjam a quantidade de oito elétrons nas suas últimas camadas. A ligação covalente entre dois átomos iguais é dita apolar, pois nela os elétrons são compartilhados de maneira igual, nenhum dos átomos tem mais força que o outro para atrair o elétron para si. A molécula de CO 2 é formada por dois átomos de oxigênio e um de carbono unido através de ligações covalentes. 6C 2-4 8O 2 6 O átomo de carbono compartilha 4 elétrons e cada átomo de carbono 2, garantindo assim que ambos atinjam os oito elétrons nas últimas camadas. Como a ligação é entre átomos diferentes e com diferentes eletronegatividades, a ligação é dita polar, pois o átomo de oxigênio atrai para si mais fortemente os elétrons compartilhados. 45

8 Além da fórmula eletrônica, os compostos covalentes podem ser representados pela fórmula estrutural, onde cada par compartilhado é representado por um traço. Ex.: H - H, O = C = O. Uma ligação covalente unindo dois átomos é dita simples. O conjunto de duas ligações unindo dois átomos é dito dupla ligação. O conjunto de rês ligações unindo dois átomos é dito tripla ligação Fórmula Molecular É a representação mais simples e indica apenas quantos átomos de cada elemento químico formam a molécula. Por exemplo, gás hidrogênio H2 ; gás oxigênio O2 ; ozônio O3. No caso de substâncias compostas, normalmente a ordem de escrita dos elementos formadores da molécula é feita do de menor para o de maior eletronegatividade. Assim temos, por exemplo, gás clorídrico HCl ; ácido sulfúrico H2SO4 ; tetracloreto de carbono CCl Fórmula Eletrônica 5.3. Fórmula Estrutural Plana A ligação covalente pode ocorrer através de um ou mais pares de elétrons. Cada par de elétrons compartilhados corresponde a uma covalência simples e é representado por um traço de união. Essa representação é denominada fórmula estrutural plana ou de Couper. 46

9 Exemplos: 47

10 Pelo que foi observado podemos concluir que conhecendo a posição ocupada pelo hidrogênio, pelos ametais e pelos semimetais na tabela periódica, podemos prever o número de ligações que devem ser feitas para que os elementos atinjam a estabilidade, ou seja, podemos determinar suas valências. Exercícios Ligação covalente ou molecular 1. Forneça as fórmulas eletrônicas e estruturais para os compostos formados pelos átomos abaixo: a) F 2 (Z = 9) b) S (Z = 16) e Cl (Z = 17) 48

11 c) H (Z = 1) e N (Z = 7) d) C (Z = 6) e O (Z = 8) 6. LIGAÇÃO COVALENTE DATIVA OU COORDENADA A existência de algumas moléculas não pode ser explicada simplesmente através da ligação covalente simples. Para estes casos foi formulada a teoria da ligação covalente coordenada. Neste tipo de ligação, um dos átomos que já estiver com última camada completa entra com os dois elétrons do par compartilhado. Este par de elétrons apresenta as mesmas características do da ligação covalente simples, a única diferença é a origem dos elétrons, que é somente um dos átomos participantes da ligação. Os elétrons do par passam a pertencer a ambos os átomos participantes. A ligação covalente coordenada é representada por uma seta que se origina no átomo doador e termina no átomo receptor. Dadas as distribuições eletrônicas em camadas para os átomos de 16 S e 8 O. S O 2 6 Compartilhando dois elétrons através de ligações covalentes simples, ambos os átomos atingem os oito elétrons na última camada. No entanto, esta molécula ainda pode incorporar ainda um ou dois átomos de oxigênio. Tal fato só pode ser explicado se o enxofre utilizar um ou dois pares de elétrons não envolvidos em ligações para formar um ou dois pares dativos com o oxigênio. Outra molécula que não pode ser explicada somente com a ligação covalente simples é a de CO 2. O interessante desta molécula é que a ligação covalente dativa ocorre do átomo mais eletronegativo (O) para o menos eletronegativo (C). 49

12 Exercícios Ligação covalente dativa ou coordenada 1. Forneça as fórmulas eletrônicas e estruturais dos seguintes compostos: a) SO 2 ( 16 S e 8 O) b) SO 3 ( 16 S e 8 O) 2. Com a informação fornecida, construa a fórmula estrutural a) H 2 SO 4 H: 2 ligação covalente; S: 2 ligações covalentes e 2 ligações dativas; O: 2 ligações covalentes e 2 ligações dativas. b) HClO 3 H: 1 ligação covalente; Cl: 1 ligações covalentes e 2 ligações dativas; O: 1 ligações covalentes e 2 ligações dativas 50

13 LISTA 03 - LIGAÇÕES QUÍMICAS 1. LIGAÇÃO IÔNICA OU ELETROVALENTE 1. Qual a fórmula química (iônica) do composto resultante da combinação de um elemento X, cujo nº atômico é 12, com um elemento Y situado na família VA da tabela periódica? 3. Da união entre os átomos A (Z=12) e B (Z=9) resultará um composto de que fórmula? 4. Qual a fórmula provável do composto resultante da combinação do alumínio (Z=13) e um calcogênio Y? 5. Considerando os elementos sódio, magnésio, enxofre e cloro, escreva as fórmulas dos compostos iônicos que podem ser formados entre eles. 6. Um elemento metálico X reage com cloro, formando um composto de fórmula XCl. Um outro elemento Y, também metálico, reage com cloro formando um composto de fórmula YCl2. Em que grupo da tabela periódica estariam os elementos X e Y? 7. Represente as fórmulas iônicas e eletrônicas dos compostos formados pela combinação de: a) Mg e O b) Ca e N c) Rb e O d) Al e S e) Ca e Br f) H e Cl 51

14 8. Considerando os íons a seguir, que substâncias iônicas poderiam ser formadas a partir deles? 9. Considerando os metais cálcio (IIA), césio (IA), alumínio (IIIA) e cobalto (cujo cátion mais comum apresenta carga 2+), dê as fórmulas iônicas das substâncias formadas por cada um desses metais em ligação com o nitrogênio (VA). 10. Um calcogênio de símbolo genérico C forma com um elemento D um composto iônico de fórmula DC. Indique a que família da tabela periódica pertence o elemento D. 11. X representa o metal alcalino do quarto período e Y, o calcogênio de maior eletronegatividade do segundo período. Escreva a fórmula da substância resultante da combinação de X com Y. 12. Considere as seguintes informações sobre os elementos químicos X, Y e Z: a) Quais são os elementos X, Y e Z? b) Escreva a fórmula iônica formada pela combinação de dois desses elementos. 13. Os subníveis mais energéticos, no estado fundamental, de dois elementos químicos X e Y são, respectivamente, 4p 5 e 3s 1. Qual a fórmula provável de um composto formado por esses dois elementos? 14. Escreva a fórmula dos compostos iônicos abaixo: a) CaCO 3 b) K 3 PO 4 c) BaSO 4 52

15 2. LIGAÇÃO COVALENTE (MOLECULAR) E LIGAÇÃO COVALENTE DATIVA (COORDENADA) 15. Representar as fórmulas eletrônicas e estruturais de: a) H 2 b) F 2 c) Cl 2 d) O 2 e) N 2 f) H 2 S g) HCN h) PCl 3 i) HI j) N 2 O Representar a fórmula estrutural de: a) CS 2 b) CHCl 3 c) CF 2 Cl Qual a fórmula estrutural dos seguintes ácidos oxigenados? a) HClO b) HNO 3 c) HPO Dadas as fórmulas: Associe com cada um dos elementos a seguir: ( ) Nitrogênio ( ) Cloro ( ) carbono ( ) enxofre 53

16 19. Observe a estrutura genérica representada a seguir: Para que o composto esteja corretamente representado, de acordo com as ligações químicas indicadas na estrutura, X deverá ser substituído por: a) Somente o nitrogênio b) Somente cloro ou nitrogênio c) Somente nitrogênio ou fósforo d) Somente cloro ou fósforo Justifique. 54