Química Geral I Química - Licenciatura Conteúdo 23/05/2017 Química Geral Prof. Udo Sinks

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1 Química Geral I Química - Licenciatura Prof. Udo Eckard Sinks Conteúdo 23/05/2017 Ligação Química Ligação Iônica Ligação Covalente Ligação Metalica Química Geral Prof. Udo Sinks 2 1

2 Ligações químicas, símbolos de Lewis e a regra do octeto Ligação química: é a força atrativa que mantém dois ou mais átomos unidos. Ligação covalente: resulta do compartilhamento de elétrons entre dois átomos. Normalmente encontrada entre elementos não-metálicos. Ligação iônica: resulta da transferência de elétrons de um metal para um não-metal. Ligação metálica: é a força atrativa que mantém metais puros unidos. Química Geral Prof. Udo Sinks 4 2

3 Símbolos de Lewis Para um entendimento através de figuras sobre a localização dos elétrons em um átomo, representamos os elétrons como pontos ao redor do símbolo do elemento. O número de elétrons disponíveis para a ligação é indicado por pontos desemparelhados. Esses símbolos são chamados símbolos de Lewis. Geralmente colocamos os elétrons nos quatro lados de um quadrado ao redor do símbolo do elemento. Química Geral I - Prof. Udo Sinks 5 Símbolos de Lewis Elemento Configuração Eletrônica Símbolo de Lewis Elemento Configuração Eletrônica Símbolo de Lewis Li Li [He]2s 1 Na [Ne]3s 1 Be Be [He]2s 2 Mg [Ne]3s 2 Na Mg B [He]2s 2 2p 1 Al [Ne]3s 2 3p 1 C [He]2s 2 2p 2 Si [Ne]3s 2 3p 2 N [He]2s 2 2p 3 P [Ne]3s 2 3p 3 O [He]2s 2 2p 4 S [Ne]3s 2 3p 4 F [He]2s 2 2p 5 Cl [Ne]3s 2 3p 5 Ne [He]2s 2 2p 6 Ar [Ne]3s 2 3p 6 Química Geral I - Prof. Udo Sinks 6 3

4 A Regra do Octeto Todos os gases nobres, com exceção do He, têm uma configuração s 2 p 6 A regra do octeto: os átomos tendem a ganhar, perder ou compartilhar elétrons até que eles estejam rodeados por 8 elétrons de valência (4 pares de elétrons). Cuidado: existem várias (e muitas) exceções à regra do octeto. Química Geral I - Prof. Udo Sinks 7 Ligação iônica Considere a reação entre o sódio e o cloro: Na(s) + ½Cl 2 (g) NaCl(s) DHºf = -410,9 kj Química Geral I - Prof. Udo Sinks 8 4

5 Ligaçõa Ionica A reação é violentamente exotérmica. Inferimos que o NaCl é mais estável do que os elementos que o constituem. Por quê? O Na perdeu um elétron para se transformar em Na + Na Na e - [Ne]3s 1 [Ne] O Cl ganhou o elétron para se transformar em Cl -. Cl + 1e - Cl - [Ne]3s 2 p 5 [Ne] 3s 2 p 6 = [Ar] Observe: Na + tem a configuração eletrônica do Ne e o Cl - tem a configuração do Ar. Isto é, tanto o Na + como o Cl - têm um octeto de elétrons Química Geral I - Prof. Udo Sinks 9 Ligação ionica O NaCl forma uma estrutura muito regular na qual cada íon Na + é circundado por 6 íons Cl -. Similarmente, cada íon Cl - é circundado por seis íons Na +. Há um arranjo regular de Na + e Cl - em 3D. Observe que os íons são empacotados o mais próximo possível. Observe que não é fácil encontrar uma fórmula molecular para descrever a rede iônica. Química Geral I - Prof. Udo Sinks 10 5

6 Ligação Ionica Configurações eletrônicas de íons dos elementos representativos Esses são derivados da configuração eletrônica dos elementos com o número necessário de elétrons adicionados ou removidos do orbital mais acessível. As configurações eletrônicas podem prever a formação de íon estável: Mg: [Ne]3s 2 Mg + : [Ne]3s 1 Mg 2+ : [Ne] não estável estável Cl: [Ne]3s 2 3p 5 Cl - : [Ne]3s 2 3p 6 = [Ar] estável Química Geral I - Prof. Udo Sinks 11 Íons de metais de transição As energias de rede compensam a perda de até três elétrons. Em geral, os elétrons são removidos dos orbitais em ordem decrescente de n (i.e. os elétrons são removidos do 4s antes do 3d). Íons poliatômicos Os íons poliatômicos são formados quando há uma carga global em um composto contendo ligações covalentes. Por exemplo, g. SO 4 2-, NO 3-. Química Geral I Prof. Udo Sinks 12 6

7 Ligação covalente Quando dois átomos similares se ligam, nenhum deles quer perder ou ganhar um elétron para formar um octeto. Quando átomos similares se ligam, eles compartilham pares de elétrons para que cada um atinja o octeto. Cada par de elétrons compartilhado constitui uma ligação química. Por exemplo: H + H H 2 tem elétrons em uma linha conectando os dois núcleos de H. Química Geral I Prof. Udo Sinks 13 Estruturas de Lewis As ligações covalentes podem ser representadas pelos símbolos de Lewis dos elementos: Cl + Cl Cl Cl Nas estruturas de Lewis, cada par de elétrons em uma ligação é representado por uma única linha: H H O H N H Cl Cl H F H C H H H H Química Geral I Prof. Udo Sinks 14 7

8 Ligações múltiplas É possível que mais de um par de elétrons seja compartilhado entre dois átomos (ligações múltiplas): Um par de elétrons compartilhado = ligação simples (H 2 ); Dois pares de elétrons compartilhados = ligação dupla (O 2 ); Três pares de elétrons compartilhados = ligação tripla (N 2 ). H H O O N N Em geral, a distância entre os átomos ligados diminui à medida que o número de pares de elétrons compartilhados aumenta. Química Geral I Prof. Udo Sinks 15 Polaridade da ligação e eletronegatividade Em uma ligação covalente, os elétrons estão compartilhados. O compartilhamento de elétrons para formar uma ligação covalente não significa compartilhamento igual daqueles elétrons. Existem algumas ligações covalentes nas quais os elétrons estão localizados mais próximos a um átomo do que a outro. O compartilhamento desigual de elétrons resulta em ligações polares. Química Geral I Prof. Udo Sinks 16 8

9 Polaridade da ligação e eletronegatividade Eletronegatividade Eletronegatividade: é a habilidade de um átomo de atrair elétrons para si em certa molécula. Pauling estabeleceu as eletronegatividades em uma escala de 0,7 (Cs) a 4,0 (F). A eletronegatividade aumenta: ao logo de um período e ao descermos em um grupo. Química Geral I Prof. Udo Sinks 17 Eletronegatividade Química Geral I Prof. Udo Sinks 18 9

10 Eletronegatividade e polaridade de ligação A diferença na eletronegatividade entre dois átomos é uma medida da polaridade de ligação: as diferenças de eletronegatividade próximas a 0 resultam em ligações covalentes apolares (compartilhamento de elétrons igual ou quase igual); as diferenças de eletronegatividade próximas a 2 resultam em ligações covalentes polares (compartilhamento de elétrons desigual); as diferenças de eletronegatividade próximas a 3 resultam em ligações iônicas (transferência de elétrons). Química Geral I Prof. Udo Sinks 19 Eletronegatividade e polaridade de ligação Não há distinção acentuada entre os tipos de ligação. A extremidade positiva (ou polo) em uma ligação polar é representada por + e o polo negativo por -. Química Geral I Prof. Udo Sinks 20 10

11 Polaridade da ligação e eletronegatividade Momentos de dipolo Considere HF: A diferença de eletronegatividade leva a uma ligação polar. Há mais densidade eletrônica no F do que no H. Uma vez que há duas extremidades diferentes da molécula, chamamos o HF de um dipolo. O momento de dipolo, m, é a ordem de grandeza do dipolo: Qr onde Q é a grandeza das cargas. Os momentos de dipolo são medidos em debyes (D). Tipos de ligação e nomenclatura O nome do elemento mais eletronegativo termina em eto e, em geral, vem antes no nome, seguido do prefixo de. O elemento menos eletronegativo recebe o nome em seguida. Os compostos iônicos recebem seus nomes de acordo com seus íons, inclusive a carga no cátion de sua variável. Os compostos moleculares recebem seus nomes com prefixos. 11

12 Tipos de ligação e nomenclatura Iônica Molecular MgH 2 Hidreto de magnésio H 2 S Sulfeto de hidrogênio FeF 2 Fluoreto de ferro(ii) OF 2 Difluoreto de oxigênio Mn 2 O 3 Óxido de manganês(iii) Cl 2 O 3 Trióxido de dicloro Desenhando as estruturas de Lewis 1. Some os elétrons de valência de todos os átomos. 2. Escreva os símbolos para os átomos a fim de mostrar quais átomos estão ligados entre si e una-os com uma ligação simples. Complete o octeto dos átomos ligados ao átomo central. Coloque os elétrons que sobrarem no átomo central. Se não existem elétrons suficientes para dar ao átomo central um octeto, tente ligações múltiplas. 12

13 Desenhando as estruturas de Lewis Carga formal É possível desenhar mais de uma estrutura de Lewis obedecendo-se a regra do octeto para todos os átomos. Para determinar qual estrutura é mais razoável, usamos a carga formal. A carga formal é a carga que um átomo teria em uma molécula se todos os outros átomos tivessem a mesma eletronegatividade. Os átomos atingem a configuração estável compartilhando elétrons com um átomo adjacente Química Geral I Prof. Udo Sinks 26 13

14 Ligação Covalente Cl - Cl Química Geral I Prof. Udo Sinks 27 Desenhando as estruturas de Lewis Carga formal Para calcular a carga formal: Todos os elétrons não compartilhados (não-ligantes) são atribuídos ao átomo no qual estão localizados. Metade dos elétrons ligantes é atribuída a cada átomo em uma ligação. A carga formal é: os elétrons de valência o número de ligações os elétrons de um único par 14

15 Desenhando as estruturas de Lewis Considere: Carga formal C Para o C: Existem 4 elétrons de valência (pela tabela periódica). Na estrutura de Lewis, existem 2 elétrons não-ligantes e 3 da ligação tripla. Há 5 elétrons pela estrutura de Lewis. Carga formal: 4-5 = -1. N Desenhando as estruturas de Lewis Considere: Carga formal C N Para o N: Existem 5 elétrons de valência. Na estrutura de Lewis, existem 2 elétrons não-ligantes e 3 da ligação tripla. Há 5 elétrons pela estrutura de Lewis. Carga formal = 5-5 = 0. Escrevemos: C N 15

16 Desenhando as estruturas de Lewis Carga formal A estrutura mais estável tem: a carga formal mais baixa em cada átomo, a carga formal mais negativa nos átomos mais eletronegativos. Estruturas de ressonância Algumas moléculas não são bem representadas pelas estruturas de Lewis. Normalmente, as estruturas com ligações múltiplas podem ter estruturas similares às ligações múltiplas entre diferentes pares de átomos. Desenhando as estruturas de Lewis Estruturas de ressonância Exemplo: experimentalmente, o ozônio tem duas ligações idênticas, ao passo que a estrutura de Lewis requer uma simples (mais longa) e uma ligação dupla (mais curta). O O O 16

17 Desenhando as estruturas de Lewis Estruturas de ressonância Desenhando as estruturas de Lewis Estruturas de ressonância As estruturas de ressonância são tentativas de representar uma estrutura real, que é uma mistura entre várias possibilidades extremas. 17

18 Desenhando as estruturas de Lewis Estruturas de ressonância Exemplo: no ozônio, as possibilidades extremas têm uma ligação dupla e uma simples. A estrutura de ressonância tem duas ligações idênticas de caráter intermediário. O O O O O O Exemplos comuns: O 3, NO 3-, SO 4 2-, NO 2 e benzeno. Desenhando as estruturas de Lewis Ressonância no benzeno O benzeno consiste de seis átomos de carbono em um anel hexagonal. Cada átomo de C está ligado a dois outros átomos de C e um átomo de hidrogênio. Existem ligações simples e duplas alternadas entre os átomos de C. A estrutura experimental do benzeno mostra que todas as ligações C-C têm o mesmo comprimento. Da mesma forma, sua estrutura mostra que o benzeno é plano. 18

19 Desenhando as estruturas de Lewis Ressonância no benzeno Escrevemos as estruturas de ressonância para o benzeno de tal forma que haja ligações simples entre cada par de átomos de C e os seis elétrons adicionais estejam deslocalizados por todo o anel: O benzeno pertence a uma categoria de moléculas orgânicas chamada de compostos aromáticos (devido ao seu cheiro). Exceções Existem à regra três do octeto classes de exceções à regra do octeto: moléculas com número ímpar de elétrons; moléculas nas quais um átomo tem menos de um octeto, ou seja, moléculas deficientes em elétrons; moléculas nas quais um átomo tem mais do que um octeto, ou seja, moléculas com expansão de octeto. Número ímpar de elétrons Poucos exemplos. Geralmente, moléculas como ClO 2, NO e NO 2 têm um número ímpar de elétrons. N O N O 19

20 Exceções à regra do octeto Deficiência em elétrons Relativamente raro. As moléculas com menos de um octeto são típicas para compostos dos Grupos 1A, 2A, e 3A. O exemplo mais típico é o BF 3. As estruturas de Lewis nas quais existe uma ligação dupla B F são menos importantes que aquela na qual existe deficiência de elétrons. Exceções à regra do octeto Expansão do octeto Esta é a maior classe de exceções. Os átomos do 3º período em diante podem acomodar mais de um octeto. Além do terceiro período, os orbitais d são baixos o suficiente em energia para participarem de ligações e receberem a densidade eletrônica extra. 20

21 Forças das ligações covalentes A energia necessária para quebrar uma ligação covalente é denominada entalpia de dissociação de ligação, D. Isto é, para a molécula de Cl 2, a D(Cl-Cl) é dada pelo DH para a reação: Cl 2 (g) 2Cl(g). Quando mais de uma ligação é quebrada: CH 4 (g) C(g) + 4H(g) DH = 1660 kj A entalpia de ligação é uma fração do DH para a reação de atomização: D(C-H) = ¼ DH = ¼(1660 kj) = 415 kj As entalpias de ligação podem tanto ser positivas como negativas. Forças das ligações covalentes 21

22 Forças das ligações covalentes Entalpias de ligação e entalpias de reação Podemos usar as entalpias de ligação para calcularmos a entalpia para uma reação química. Admitimos que em qualquer reação química as ligações precisam ser quebradas para que novas ligações sejam formadas. A entalpia da reação é dada pela soma das entalpias de ligações quebradas menos a soma das entalpias das ligações formadas. Forças das ligações covalentes Entalpias de ligação e entalpias de reação Ilustramos o conceito com a reação entre o metano, CH 4, e o cloro: CH 4 (g) + Cl 2 (g) CH 3 Cl(g) + HCl(g) DH rxn =? 22

23 Forças das ligações covalentes Forças das ligações covalentes Entalpias de ligação e entalpias de reação Nessa reação, uma ligação C-H e uma ligação Cl-Cl são quebradas enquanto uma ligação C-Cl e uma ligação H-Cl são formadas. DH rxn D C - H D Cl - Cl D C - Cl D H - Cl 104 kj A reação como um todo é exotérmica, o que significa que as ligações formadas são mais fortes do que as ligações quebradas. O resultado acima é consistente com a lei de Hess. 23

24 Forças das ligações covalentes Entalpia de ligação e comprimento de ligação Sabemos que as ligações múltiplas são mais curtas do que as ligações simples. Podemos mostrar que as ligações múltiplas são mais fortes do que as ligações simples. Quando o número de ligações entre os átomos aumenta, os átomos são mantidos mais próximos e mais firmemente unidos. Ligação Metálica União de dois átomos de sódio por meio da ligação metálica Química Geral I Prof. Udo Sinks 48 24

25 Modelo da Ligação Metálica Química Geral I Prof. Udo Sinks 49 Ilustração esquemática da ligação metálica Estrutura formada por íons positivos e elétrons livres de valência que formam uma nuvem eletrônica que circula livremente entre os íons positivos Química Geral I Prof. Udo Sinks 50 25

26 Propriedades associadas as ligações metálicas Alta condutividade elétrica e térmica: os elétrons podem se mover em presença de uma f.e.m. ou de um gradiente de temperatura. Permitem grande deformação plástica pois as ligações são móveis ou seja não são rígidas como as iônicas e as covalentes Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam de nível energético com facilidade emitindo fótons São sempre opacos: pela mesma razão acima mas nesse caso absorvendo a luz incidente Química Geral I Prof. Udo Sinks 51 Química Geral I Prof. Udo Sinks 52 26

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