A Ligação Iônica ou Eletrovalente

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Leonardo Júlio César de Oliveira Castel-Branco
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A Ligação Iônica ou Eletrovalente Formação de pares iônicos As substâncias sólidas podem ser formadas por átomos, moléculas, macromoléculas, ou seja, por partículas eletricamente neutras ou por íons

1 A Ligação Iônica ou Eletrovalente Formação de pares iônicos As substâncias sólidas podem ser formadas por átomos, moléculas, macromoléculas, ou seja, por partículas eletricamente neutras ou por íons dispostos num arranjo ordenado resultando num sólido eletricamente neutro. Por exemplo: o cloreto de sódio (NaCl) cristalino é formado por cátions Na + (esferas cinzas) e ânions Cl - (esferas verdes) arranjados organizadamente nas arestas, nas faces e no interior de um cubo (retículo cúbico de face centrada). Observe a figura a seguir. Os cátions sódio (Na + ), no estado gasoso, são formados quando os átomos de sódio, também no estado gasoso, perdem um elétron devido à absorção de energia de ionização (EI). Podemos observar isto na seguinte reação: Os ânions cloreto (Cl - ), no estado gasoso, são formados quando os átomos de cloro, também no estado gasoso, recebem um elétron devido à liberação de energia de afinidade eletrônica (AE). Podemos observar isto na seguinte reação: Somando as duas equações anteriores, temos: 1

A reação obtida nesta soma pode ser considerada como sendo a soma de duas fases: na primeira o átomo de sódio se ioniza cedendo um elétron e absorvendo energia de valor igual à sua energia de

2 A reação obtida nesta soma pode ser considerada como sendo a soma de duas fases: na primeira o átomo de sódio se ioniza cedendo um elétron e absorvendo energia de valor igual à sua energia de ionização (EI). Na segunda fase o átomo de cloro adquire este elétron e libera uma quantidade de energia de valor igual ao da sua afinidade eletrônica (AE). Para sabermos se este processo (reação de formação dos íons cloreto e sódio) é espontâneo devemos observar o valor da diferença entre a afinidade eletrônica e a energia de ionização (AE EI). Representaremos esta diferença por Q: Se Q > 0, a reação será espontânea. Se Q < 0, a reação não será espontânea. Ou seja, No caso do cloreto de sódio o valor de EI é igual a 5,14 eletronvolt e o valor da AE é de 3,78 eletronvolt, logo: Q = AE EI = 3,78 5,14 = 1,36. 1,36 eletronvolt < 0, então o processo de formação dos íons sódio e cloreto não é espontâneo. Processo de formação de um cristal iônico Para entendermos a formação de um cristal iônico, estudaremos inicialmente a interação entre um cátion e um ânion na formação de apenas um par iônico. Imaginemos os íons Na + (gasoso) e Cl - (gasoso) (usados anteriormente como exemplos) infinitamente afastados. Sabemos que a atração eletrostática, devido às cargas de sinais opostos (atração de Coulomb), faz com que estes íons fiquem cada vez mais próximos um do outro. Este processo de aproximação continuará até que ocorra o contato entre os íons (contato iônico) e neste momento os íons estarão separados apenas pela distância que equivale à soma de seus raios iônicos. 2

3 A partir deste momento os íons Na + e Cl - são incompressíveis, isto é, não se aproximam mais. A força de atração (ou força de Coulomb) entre dois íons de cargas de sinais opostos q + e q -, separados por uma distância r (r = r + + r -) é dada pela lei de Coulomb: A energia associada a essa força de atração também depende da distância entre os dois íons, e ela é chamada de energia de Coulomb (esta energia vale zero quando os dois íons estão infinitamente separados): Quando os dois íons estiverem em contato, ou seja, sua distância for igual à soma dos seus raios iônicos (r = r + + r -), substituindo o valor de r na equação anterior por (r + + r -), teremos a energia de contato de Coulomb: Energia reticular (U 0 ) Agora vamos estudar o que acontece quando aumentamos a quantidade de íons para formar um retículo cristalino. Para iniciar a formação de um retículo cristalino precisamos de, no mínimo, dois cátions e de dois ânions. Observe a reação dada pelo esquema a seguir. A fase 1 (indicada no esquema) é exotérmica (ocorre com liberação de energia). Agora vamos estudar a fase 2. Na formação da configuração [Na + Cl - ] 2 cada cátion Na + atrai dois ânions Cl -, logo a energia associada a esta atração é dada por: 3

Podemos observar que a distância analisada é a distância d nas figuras.

4 Porém devemos observar que os dois cátions Na + se repelem entre si e que os dois ânions Cl - também se repelem entre si (cargas de mesmo sinal). Primeiramente vamos observar a distância entre os dois cátions Na + (entre si) e a distância entre os dois ânions (entre si) nas figuras a seguir. Podemos observar que a distância analisada é a distância d nas figuras. Esta distância d equivale à diagonal de um quadrado e é dada por: Como surge repulsão entre os dois cátions Na + e entre os dois ânions Cl -, teremos: A energia final da fase 2, será chamada de Energia líquida de Coulomb e será a soma da Energia de atração de Coulomb com a Energia de repulsão de Coulomb. Observe: 4

5 Podemos observar que ao juntarmos seis pares iônicos, a energia obtida será quase a metade da energia necessária para a formação do próprio par iônico. Com isso podemos dizer que a estabilidade aumenta com a formação de um cristal iônico (ou retículo cristalino). NA LIGAÇÃO IÔNICA A ENERGIA DO SISTEMA DIMINUI COM A FORMAÇÃO DO RETÍCULO CRISTALINO Os íons se aglomerarão espontaneamente em três dimensões para formar um cristal individual. Se reagirmos UM MOL de Na + (g) com UM MOL de Cl - (g), surgirá um cristal tridimensional, conforme podemos observar na figura a seguir. A energia liberada na formação de SÓLIDO IÔNICO a partir de seus íons gasosos é denominada ENERGIA RETICULAR DO COMPOSTO (U 0). Espontaneidade na formação de compostos iônicos Para sabermos se o composto iônico, neste caso o cloreto de sódio sólido, se formará de maneira espontânea a partir dos átomos de sódio e de cloro no estado gasoso, devemos analisar a energia liberada (Q) neste processo. Esta reação é dada pela soma das seguintes equações químicas: 5

6 Onde: A reação será espontânea se: Normalmente, na temperatura ambiente, o sódio é encontrado como um metal no estado sólido. O cloro é encontrado como um gás diatômico. Em nosso estudo queremos saber se os reagentes reagem espontaneamente ou não nas condições padrão, ou seja, a 25 o C. Neste caso o sódio é encontrado no estado sólido e reage com o cloro gasoso absorvendo energia, e esta energia é chamada de calor padrão de formação ( H f), conforme a equação: Se a energia dos produtos for menor do que a energia dos reagentes (reação exotérmica) a reação acima será espontânea no sentido da formação do NaCl sólido. Ou seja, se H f (calor padrão de formação) < zero, a reação será espontânea. Agora vamos analisar as várias fases energéticas (reações), que somadas originam a reação anterior. 6

7 onde H f é o calor de formação, que é a energia necessária para formar um mol do produto partindo-se de substâncias simples. Concluímos que a reação: será espontânea, entre seus reagentes no estado padrão, se: Condutibilidade Elétrica nos Compostos Iônicos Sólidos Os íons ficam presos dentro do retículo cristalino de um composto iônico, verificamos que não é possível haver a condução de eletricidade nestes sólidos, a não ser que eles sejam fundidos, pois neste caso os cátions e ânions ficam livres para se movimentarem. Temperatura de Fusão e Estado de Agregação nas Condições Padrão Nas condições padrão (25 o C e 1 atm) os compostos iônicos se encontram no estado sólido devido à elevada atração entre os cátions e ânions do retículo cristalino. Conseqüentemente a temperatura de fusão é elevada. 7

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