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QUÍMICA INORGÂNICA I Ligação Covalente I Parte 6 • Ligação Covalente Prof. Priscila Silva Ligação Covalente 2 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 -Baseada na teoria do octeto (s2p6); -Há compartilhamento de elétrons; -Densidade eletrônica é bastante elevada na região internuclear, indicando que os elétrons são compartilhados. -Existem dois tipos de pares de elétrons: - pares ligantes (pares compartilhados); - pares não-ligantes (pares não-compartilhados). - Também possui energia de estabilização. Ligação covalente: balanço de forças 3 Qui Inorg 1 – Parte 5 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Energia absorvida para quebrar ligação química Energia liberada para formar ligação química Comprimento de ligação E ne rg ia P ot e nc ia l (k J /m ol ) Distância Internuclear (pm) Ligações Químicas 4 Ligações Químicas Iônica Covalente Metálica Apolar Polar -Ligação homonuclear; ou - Ligação entre átomos com eletronegatividades próximas. -Ligação heteronuclear entre átomos com eletronegatividades distintas. Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0 20 40 60 80 100 % C ar at er iô ni co Diferença de eletronegatividade Ligação iônica X ligação covalente 5 H2 HF FrF NaCl KBr HCl H2O BaF2 BeCl2 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Por que classificamos HF como covalente se possui 60% de caráter iônico? 6 Não observamos nesse composto características de compostos iônicos, ou seja: -O HF é gás à temperatura ambiente, ou seja, não possui elevadas temperaturas de fusão e ebulição. - A ligação iônica é caracterizada pela ligação entre um metal (baixa energia de ionização) e um ametal (alta afinidade eletrônica). Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Propriedades dos compostos covalentes (ou moleculares): 7 Qui Inorg 1 – Parte 5 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 - Pode ser encontrado, à temperatura ambiente, nos três estados de agregação, sendo os estados líquido e gasoso mais comum; - Apresentam PF e PE menores que os compostos iônicos; - Não conduzem eletricidade; -Quando no estado sólido, podem apresentar dois tipos de retículos cristalinos: covalentes e moleculares Ligação química na qual há compartilhamento de elétrons entre os átomos. S (s) + O2 (g) → SO2 (g) SO2 + Enxofre sólido Oxigênio gasoso O2 → Dióxido de enxofre gasoso 13 Reação entre enxofre e oxigênio 8 Qui Inorg 1 – Parte 6 Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Exemplo de ligação covalente: estrutura do DNA 9 Qui Inorg 1 – Parte 6 Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Estruturas de Lewis A teoria de Lewis é chamada frequentemente de teoria do octeto, por causa do agrupamento cúbico de oito elétrons. Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 10 Gilbert Newton Lewis (1875-1946) Representação dos pontos de Lewis Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 11 1. Escrever o esqueleto estrutural do composto utilizando os símbolos químicos e colocando os átomos ligados entre si perto uns dos outros. Em geral, o átomo menos eletronegativo ocupa a posição central. O H e o F ocupam normalmente as posições terminais. 2. Contar o número total de e- de valência. Para ânions poliatômicos, adicionar o número total de cargas negativas. (p. ex, para o CO3 2– adicionamos dois elétrons, pois a carga 2– indica que existem dois elétrons a mais). Para cátions poliatômicos, subtraímos o número de cargas positivas desse total (para NH4 + subtraímos um elétron porque a carga +1 indica a perda de um elétron). 3. Colocar 1 ligação covalente simples entre o átomo central e cada um dos átomos a seu redor. 4. Completar os “octetos” dos átomos ligados ao átomo central. Os elétrons que pertencem ao átomo central ou aos átomos vizinhos devem ser representados por pares isolados quando não se encontram envolvidos na ligação. 5. Após completar os passos 1 a 3, se o átomo central tiver menos que oito elétrons, tentar adicionar ligações duplas e triplas entre o átomo central e os átomos vizinhos, utilizando os pares isolados desses últimos átomos. 12 A estrutura de Lewis Para pensar ... Dê a estrutura de Lewis para os seguintes compostos: a- NOCl b- HNO3 c- BF4- d- NH3 e- CO32- 13 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 H2 (g) H (g) + H (g) ∆H0 = 436,4 kJ Cl2 (g) Cl (g) + Cl (g) ∆H0 = 242,7 kJ HCl (g) H (g) + Cl (g) ∆H0 = 431,9 kJ O2 (g) O (g) + O (g) ∆H0 = 498,7 kJ O O N2 (g) N (g) + N (g) ∆H0 = 941,4 kJ N N Energia de ligação Ligação simples < Ligação dupla < Ligação Tripla A energia necessária para quebrar uma ligação química em particular em um mol de moléculas gasosas é denominada energia de ligação. Energia de Ligação 14 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Raios covalentes 15 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 - O raio covalente de um dado átomo pode ser dado pela metade do comprimento de sua ligação simples homonuclear. H 30 B 86 C 77 N 70 O 66 F 58 Si 117 P 112 S 102 Cl 100 Ge 122 As 122 Se 116 Br 114 Sn 140 Sb 140 Te 143 I 134 O raio covalente e as posições dos elementos na classificação periódica se correlacionam. A tendência é a mesma da carga nuclear efetiva Tipo de Ligação Comprimento da Ligação (pm) C-C 154 CC 133 CC 120 C-N 143 CN 138 CN 116 Comprimento das Ligações Ligação Tripla < Ligação Dupla < Ligação Simples 74 pm 161 pm H2 HI 17 Comprimento das ligações covalentes 16 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Ligações Múltiplas e ordem de ligação 17 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 -A ordem de ligação (OL) é igual ao número de pares de elétrons compartilhados. - Quanto maior a ordem de ligação tanto mais forte ela é e tanto menor é o seu comprimento. N2 N2H4 Energia de ligação N-N (KJ/mol) 945 158 Comprimento de ligação N-N (pm) 110 147 Fluoreto de hidrogênio Cloreto de hidrogênio Brometo de hidrogênio Iodeto de hidrogênio Energia de ligação H-X (KJ/mol) Comprimento de ligação (pm) HF 565 92 HCl 428 127 HBr 362 141 HI 294 161 Comprimento de ligação Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 18 Ressonância 19 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 -Moléculas que não podem ser descritas por um única estrutura de Lewis. H HH HH H H H H H H H C-C: 154 pm C=C: 133 pm Observada 140 pm O C O O - - O C O O - - - O C O O - Para pensar... 20 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 - Desenhe as estruturas de ressonância para o SO32- carga formal de um átomo em uma estrutura de Lewis = 1 2 Número total de elétrons ligantes Número total de elétrons de valência no átomo livre - Número total de elétrons não ligantes - A soma da carga formal dos átomos em uma molécula (ou íon) deve ser igual a carga da molécula (ou íon). 21 Carga Formal C O H H Duas possíveis estruturas para o formaldeído CH2O Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 .. .. C O HH H C O H C – 4 e- O – 6 e- 2H – 2x1 e- 12 e- 2 ligações simples (2x2) = 4 1 ligação dupla = 4 2 pares isolados (2x2) = 4 Total = 12 Carga formal do C = 4 - 2 - ½ x 6 = -1 Carga formal do O = 6 - 2- ½ x 6 = +1 -1 +1 carga formal de um átomo em uma estrutura de Lewis = 1 2 Número total de elétrons ligantes Número total de elétrons de valência no átomo livre - Número total de elétrons não ligantes - 22 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 C – 4 e- O – 6 e- 2H – 2x1 e- 12 e- 2 ligações simples (2x2) = 4 1 ligação dupla = 4 2 pares isolados (2x2) = 4 Total = 12 H C O H Carga formal do C = 4 - 0 - ½ x 8 = 0 Carga formal do O = 6 - 4 - ½ x 4 = 0 0 0 carga formal de um átomo em uma estrutura de Lewis = 1 2 Número total de elétrons ligantes Número total de elétrons de valência no átomo livre - Número total de elétrons não ligantes - 23 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 1. Para moléculas neutras, a estrutura de Lewis preferida é aquela na qual não há carga formal sobre os átomos. 2. Estruturas de Lewis com pequenas cargas formais são mais plausíveis que aquelas com altos valores de carga formal sobre os átomos. 3. Dentre as estruturas de Lewis com distribuições similares de cargas formais sobre os átomos, a estrutura mais plausível é aquela na qual a carga formal negativa está sobre o átomo mais eletronegativo. Qual é a melhor estrutura de Lewis para o CH2O? H C O H -1 +1 H C O H 0 0 Carga formal e estrutura de Lewis 24 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Exceções à regra do octeto 25 1- Moléculas que possuem número ímpar de elétrons (ex: NO e NO2); 2- Moléculas que não possuem elétrons de valência suficiente para que todos os átomos atinjam o octeto (ex: BF3, BeH2 e LiCH3; 3- Moléculas que expandem o octeto (elementos do 3º período em diante; participação dos orbitais d) (ex: PCl5 e AsF6-) Dê as estruturas de Lewis para os compostos em vermelho. Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 F B F F Comprimento da Ligação B-F no BF3 = 130,9 pm Em uma ligação simples = 137,3 pm Resultado experimental da suporte as estruturas de ressonância F B F F + - F B F F + - F B F F + - 26 Para pensar ... Dê as estruturas de ressonância para o composto BF3 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Eletronegatividade e polaridade de ligações e moléculas 27 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Quanto maior for a diferença de eletronegatividade entre dois elementos, tanto mais polar será a ligação entre eles. Momento de dipolo resultante = 1,46 D Momento de dipolo resultante = 0,24 D 28 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Polaridade do NH3 e NF3 Eletronegatividade e polaridade de ligações e moléculas 29 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 H F F H Região rica em elétrons Região pobre em elétrons + - 19 - carga + carga 30 Ligação covalente polar Qui Inorg 1 – Parte 6 Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 31 Ligação covalente polar Qui Inorg 1 – Parte 6 Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 CH3CH2OH CH3OCH3 CH3CH2NH2 32 Outros exemplos de ligação covalente polar Qui Inorg 1 – Parte 6 Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 A molécula CH2Cl2 possui momento de dipolo? Para pensar ... 33 Qui Inorg 1 – Parte 6 Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Momento de Dipolo e Moléculas Polares H F Região rica em elétrons Região com deficiência de elétrons + - m = Q x r Q é a carga r é a distância entre as cargas Unidade do m: Debye, sendo que 1 D = 3,36 x 10-30 C m 34 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Comportamento das moléculas polares em um campo elétrico 35 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Polaridade das ligações covalentes 36 Momentos dipolares de algumas moléculas Molécula Momento dipolar m em Debeys HF 1,91 HCl 1,03 HI 0,42 H2O 1,87 NH3 1,47 CO2 0 CO 0,12 CH4 0 CH3Cl 1,08 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 H2 (g) + F2 (g) 2HF (g) A reação entre os gases H2 e F2 gerando o gás HF é uma processo exotérmico ou endotérmico? Energias de ligação em KJ/mol: H-H= 436,4; F-F = 156,9; H-F= 568,2. 37 Para pensar ... Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 ∆H0 = EL(reagentes) – EL(produtos) Tipo de ligação rompida Número de ligações rompidas Energia de ligação (kJ/mol) Variação de Energia (kJ) H H 1 436,4 436,4 F F 1 156,9 156,9 Tipo de ligação formada Número de ligações formadas Energia de ligação (kJ/mol) Variação de Energia (kJ) H F 2 568,2 1136,4 ∆H0 = 436,4 + 156,9 – 2 x 568,2 = -543,1 kJ Energia consumida Energia liberada EXOTÉRMICO! 42 H2 (g) + F2 (g) 2HF (g) 38 Resposta Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Geometria Molecular Arranjo depende do número de pares de elétrons (ligantes e não-ligantes) ao redor de um átomo central: As Cl Cl Cl Deve-se determinar o número estérico do átomo central: Número total de pares eletrônicos (solitários e compartilhados) ao redor do átomo. 3 pares ligantes 1 par não-ligante número estérico do As é 4 39 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Arranjo depende do número de pares de elétrons (ligantes e não-ligantes) ao redor de um átomo central: 2 3 4 5 6 Geometria Molecular 40 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Geometria Molecular: é o arranjo tridimensional dos átomos em uma molécula (ou íon poliatômico) Densidade Ponto de fusão Reatividade química Ponto de ebulição Solubilidade Ácido fumárico (isômero trans) Ácido malêico (isômero cis) P.F. = 287 oC d = 1,635 g/cm3 Solub. água = baixa P.F. = 131 oC d = 1,59 g/cm3 Solub. água = alta Por que é importante a geometria molecular? Geometria Molecular afeta... 41 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Regiões de alta concentração de elétrons ocupam posições que as afastam o máximo possível. Todas as ligações se repelem da mesma maneira, independentemente de serem simples, duplas ou triplas. A ligação em torno de um átomo central não depende do número de “átomos centrais” da molécula. Os pares de elétrons isolados contribuem para a forma da molécula, embora eles não sejam incluídos na descrição da forma molecular. Os pares de elétrons isolados exercem uma repulsão maior do que os pares de elétrons de ligação e tendem a comprimir os ângulos de ligação. Modelo VESPR 42 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Modelo VSEPR AX2 AX3 AX4 AX5 AX6 Linear triangular-planar tetraédrica bipirâmide-trigonal octaédrica BeF2 BF3 CH4 PCl5 SF6 43 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Repulsão par ligante x par ligante Repulsão par isolado x par isolado Repulsão par isolado x par ligante > > E os pares de elétrons não-ligantes? 44 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Gangorra 1 5 Bipirâmide trigonal 0 5 Angular 2 4 Pirâmide trigonal 1 4 Tetraédrica 0 4 Trigonal plana 0 3 Linear 0 2 Geometria molecular no pares solitários no estérico 45 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Geometria molecular no pares solitários no estérico Quadrado planar 2 6 Pirâmide tetragonal1 6 Octaédrica 0 6 Linear 3 5 T 2 5 46 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Para pensar ... Dê a estrutura de Lewis e a geometria correta para os seguintes compostos: a- H3O+ b- BrF5 c- BF3 d- PCl6- e- XeF4 47 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Ligações múltiplas O tamanho das ligaçãos entre dois átomos depende do número de elétrons compartilhado. 48 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 Ligações múltiplas Uma espécie será tanto mais estável quanto maior for o número de ligações presentes. 49 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 50 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 A molécula de H2O 51 Qui Inorg 1 – Parte 6 - Prof. Priscila Silva - UFV- CRP out./2010 A molécula de H2O Ligações de hidrogênio entre moléculas de água. Solvatação de compostos iônicos. Fulereno 52 Retículos cristalinos para sólidos covalentes 53 Retículos cristalinos para sólidos covalentes Diamante Grafite 54 Estrutura cristalina do diamante
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