LIGAÇÕES COVALENTES Química Geral Augusto Freitas 1
1 Aspectos Gerais Segundo Lewis, uma ligação covalente é um par de elétrons compartilhados por dois átomos. Nenhum dos átomos perde totalmente um elétron e, portanto, nenhum átomo precisa receber a totalidade da energia de ionização. Nesse caso os átomos compartilham elétrons para atingir a configuração eletrônica de gás nobre. 2
2 Estruturas de Lewis Uma estrutura de Lewis é a representação das ligações covalentes em que os pares de elétrons compartilhados são mostrados como linhas ou pares de pontos entre dois átomos, e os pares isolados de cada átomo são mostrados como pares de pontos no respectivo átomo. Em uma estrutura de Lewis são mostrados apenas os elétrons de valência. 3
2 Estruturas de Lewis Passos para desenhar 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. 3. Complete os octetos dos átomos ligados ao átomo central. 4. Coloque qualquer sobra de elétrons no átomo central. 5. Se não existem elétrons suficientes para dar ao átomo central um octeto, tente ligações múltiplas. 4
2 Estruturas de Lewis Dicas importantes para desenhar as estruturas de Lewis: Escolher como átomo central o elemento com a mais baixa energia de ionização. Arranjar os átomos simetricamente em torno do átomo central. Outra pista é que, em fórmulas químicas simples, o átomo central é frequentemente escrito primeiro, seguindo-se os átomos a ele ligados. Os ácidos são exceção a esta regra porque os átomos H são escritos na frente, como em H 2 S, que tem o arranjo HSH. 5
2 Estruturas de Lewis 1) Escreva a estrutura de Lewis do peróxido de hidrogênio, popularmente conhecido como água oxigenada (H 2 O 2 ). 2) Considere dois elementos, A e B, com números atômicos 6 e 8. Qual será a fórmula eletrônica de Lewis e o tipo de ligação para o composto formado entre esses elementos? 3) Escreva as estruturas de Lewis para os seguintes compostos: H 2 CO 3 e NaNO 3. NaNO 3 Na + 6
2 Estruturas de Lewis 4) Observe as seguintes fórmulas de Lewis: Consulte a classificação periódica e escreva fórmulas eletrônicas das moléculas formadas pelos seguintes elementos: a) Fósforo e hidrogênio; b) Enxofre e hidrogênio; c) Flúor e carbono. 7
2 Estruturas de Lewis 5) P e Cl têm, respectivamente, 5 e 7 elétrons na camada de valência. Escreva a fórmula de Lewis do tricloreto de fósforo. 6) Considere o elemento cloro formando compostos com, respectivamente, hidrogênio, carbono, sódio e cálcio. Com quais desses elementos o cloro forma compostos covalentes? Qual a fórmula eletrônica de um dos compostos covalentes formados? 8
3 Regra do Octeto Na formação de uma ligação covalente, os átomos tendem a completar seus octetos pelo compartilhamento de pares de elétrons. Qualquer átomo, exceto o hidrogênio, tende a formar ligações de modo a completar oito elétrons de valência.
3 Exceções à Regra do Octeto A regra do octeto explica as valências dos elementos e as estruturas de muitos compostos. Carbono, nitrogênio e flúor obedecem rigorosamente à regra do octeto, desde que existam elétrons disponíveis em número suficiente. Entretanto, átomos como fósforo, enxofre, cloro e outros não-metais do Período 3 e seguintes podem acomodar mais de oito elétrons na camada de valência. 10
3 Exceções à Regra do Octeto Número ímpar de elétrons - espécies radicalares Em ClO 2, NO e NO 2, o número de elétrons é ímpar na camada de valência, não ocorrendo o completo emparelhamento dos mesmos, pois o octeto em volta do átomo não é atingido. Radical: quando o átomo tem um elétron desemparelhado. Birradical: quando o átomo tem dois elétrons desemparelhados. 11
3 Exceções à Regra do Octeto Deficiência em elétrons - Estruturas incomuns do Grupo 13 Be e B aparecem em algumas moléculas com o octeto incompleto; Be 4 elétrons na camada de valência: B 6 elétrons na camada de valência: 12
3 Exceções à Regra do Octeto Expansão do octeto: Consiste em moléculas ou íons com mais de 8 elétrons na camada de valência. A expansão da camada de valência do átomo central é observada apenas para elementos do terceiro período em diante, pois possuem orbitais ns, np e nd vazios que podem ser usados na ligação. Quanto maior o átomo central, maior o número de elétrons que podem cercá-lo. Pode ocorrer em elementos do período 3 e seguintes. Esses elementos podem mostrar covalência variável e ser hipervalentes. 13
4 Valência Valência de um átomo é o número máximo de ligações químicas que ele pode efetuar. A valência de um átomo é igual ao número de elétrons usado na formação de ligações químicas. Uma ligação covalente envolve o compartilhamento de um par de elétrons de valência de dois átomos. 14
5 Teoria da Ligação de Valência Na Teoria da Ligação de Valência (TLV), supomos que as ligações se formam quando elétrons desemparelhados de orbitais atômicos da camada de valência formam pares. Dois átomos que possuem um orbital com um elétron desemparelhado, aproximam-se até que ocorra uma superposição, ou interpenetração, destes orbitais. 15
5 Teoria da Ligação de Valência Variação energética em função da distância interatômica. A força de uma ligação entre dois átomos é medida por sua energia de dissociação: quanto maior a energia de dissociação, mais forte é a ligação. 16
5 Teoria da Ligação de Valência Orbitais. 17
5 Teoria da Ligação de Valência Superposição de Orbitais. 18
5 Teoria da Ligação de Valência Hibridização dos Orbitais. Hibridização sp 19
5 Teoria da Ligação de Valência Hibridização dos Orbitais. Hibridização sp 2 20
5 Teoria da Ligação de Valência Hibridização dos Orbitais. Hibridização sp 3 21
5 Teoria da Ligação de Valência Ligação Sigma (σ ) e Pi (π) Uma ligação simples é uma ligação σ Uma ligação dupla é uma ligação σ mais uma ligação π Uma ligação tripla é uma ligação σ mais duas ligaçoes π 22
5 Teoria da Ligação de Valência Ligação Sigma (σ ) São aquelas que os orbitais atômicos interpenetram frontalmente. Pode ocorrer entre dois orbitais s, ou entre um orbital s e um p, ou ainda entre dois orbitais p. 23
5 Teoria da Ligação de Valência Ligação Pi (π ) São aquelas que os orbitais atômicos interpenetram paralelamente. Ocorre quando dois átomos se ligam por ligações duplas ou triplas. Os orbitais p são os únicos que apresentam condições para efetuar ligações π. A ligação π é menos energética (mais fraca) que uma ligação σ. 24
5 Teoria da Ligação de Valência Ligação Pi (π ) Ligação Dupla 25
5 Teoria da Ligação de Valência Ligação Pi (π ) Ligação Tripla 26
5 Teoria da Ligação de Valência Hibridização do Carbono 6C Distribuição eletrônica Como explicar a tetra valência do carbono (4 ligações) se este apresenta apenas 2 elétrons desemparelhados? Exemplo: Metano (CH 4 ) 27
5 Teoria da Ligação de Valência Hibridização do Carbono (sp 3 ) Quatro orbitais híbridos é igual ao número de orbitais originais de valência, todos de mesma energia, com valor intermediário à energia dos orbitais s e p puros, isto é, maior que a do orbital s e menor que a dos orbitais p. 28
5 Teoria da Ligação de Valência Hibridização do Carbono - sp 3 H H H C H O átomo de C é capaz de fazer 4 ligações covalentes σ (interação entre os orbitais híbridos sp 3 e os 4 orbitais dos ligantes). 29
5 Teoria da Ligação de Valência Hibridização do Carbono - sp 2 30
5 Teoria da Ligação de Valência Hibridização do Carbono - sp 2 H H C C H H O átomo de C é capaz de fazer 3 ligações covalentes σ (interação entre os orbitais híbridos sp 2 e orbitais dos ligantes), além de uma ligação π (interação paralela entre o orbital p não-híbrido com orbital do ligante). 31
5 Teoria da Ligação de Valência Hibridização do Carbono - sp 32
5 Teoria da Ligação de Valência Hibridização do Carbono - sp H C C H O átomo de C é capaz de fazer duas ligações covalentes σ (interação entre os orbitais híbridos sp e orbitais dos ligantes), além de duas ligações π (interação paralela entre os orbitais p puros (não-híbridos) com orbital do ligante). 33
6 Ressonância Algumas moléculas têm estruturas que não podem ser expressas corretamente por uma única estrutura de Lewis. Por exemplo, o íon nitrato, NO 3-. As três estruturas de Lewis mostradas diferem somente na posição da ligação dupla. Elas são igualmente válidas e têm exatamente a mesma energia. 34
6 Ressonância Se uma delas fosse correta e as outras não, deveríamos esperar duas ligações simples, mais longas, e uma ligação dupla, mais curta, porque uma ligação dupla entre dois átomos é mais curta do que uma ligação simples entre os mesmos tipos de átomos. Entretanto, a evidência experimental é que as ligações do íon nitrato são todas iguais. Estruturas Canônicas Híbrido de Ressonância 35
6 Ressonância Íon Acetato 36
6 Ressonância Benzeno A ressonância é uma fusão de estruturas que têm o mesmo arranjo de átomos e arranjos diferentes de elétrons. Ela distribui o caráter de ligação múltipla sobre uma molécula e diminui sua energia. 37
7 Polaridade das Ligações 38
7 Polaridade das Ligações 39
7 Polaridade das Ligações 40