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aula_4_EM_2011 1 Ligações Químicas Aula 4 aula_4_EM_2011 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 3 3 Grafite Diamante nanotubos de carbono LIGAÇÕES QUÍMICAS: Ex. Carbono (C) Fulereno aula_4_EM_2011 4 4 4 Foi descoberto em 1991 por Dr. Sumio Iijima, Professor na Universidade de Meijo São 100 mil vezes mais finos que um fio de cabelo A espessura é de apenas um átomo O diâmetro é de cerca de um nanômetro — a bilionésima parte do metro Possuem a maior resistência mecânica dentre todos os materiais conhecidos — não quebram nem deformam quando dobrados ou submetidos à alta pressão. Destacam-se também como dos melhores condutores de calor que existem e, para completar, podem ser capazes de transportar eletricidade nanotubos de carbono aula_4_EM_2011 5 Como os diferentes tipos de ligações químicas podem explicar as propriedades físicas e químicas das substâncias? Obs.: diferença entre: Ligações químicas: ligações entre átomos (ou íons). Ligações (ou forças ou interações) intermoleculares: ligações (ou interações) entre moléculas ou entre íons e moléculas. São bem mais fracas que as ligações químicas. LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 6 Exemplo: Como explicar os estados físicos da matéria em termos de ligações químicas (ou interações intermoleculares)? LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 7 Outras questões que podem ser respondidas, a partir da compreensão das ligações químicas: Por quê o fosfato de cálcio é tão duro que a natureza o adotou para a formação dos ossos? Por quê é tão difícil fazer compostos a partir do nitrogênio do ar? Como podemos fazer aviões e foguetes mais fortes e leves? LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 8 Formação de ligação química entre dois átomos ocorre se: arranjo resultante de seus núcleos e elétrons tem energia mais baixa do que a energia total dos átomos separados. Há mudanças nas posições dos elétrons de valência dos átomos. LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 9 Elétrons de Valência • Os elétrons em um átomo se dividem em: elétrons de valência e elétrons do caroço (core, + internos). • Os elétrons de valência são os elétrons da camada mais externa. Eles determinam as propriedades químicas de um átomo porque as reações químicas resultam na perda, ganho ou rearranjo desses elétrons Elemento Configuração Camada de valência Na [Ne] 3s1 3s1 Si [Ne]3s23p2 3s23p2 As [Ar]3d104s24p3 4s24p3 Co [Ar]3d74s2 3d74s2 • Elétrons nas camada d totalmente preenchida são elétrons internos (do caroço) aula_4_EM_2011 10 Conhecimento da estrutura eletrônica dos átomos permite: prever a ocorrência de ligações químicas, os tipos de ligações e o número de ligações. Classificação das ligações químicas: ligações iônicas; ligações covalentes; ligações metálicas; LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 11 Materiais metálicos (laranja) Materiais poliméricos não-porosos (azul escuro) Materiais poliméricos porosos (espumas) (azul claro) Materiais poliméricos medianamente porosos (azul intermediário) Materiais cerâmicos de alta tecnologia (vermelho) Materiais cerâmicos tradicionais (salmão) Materiais metálicos: ligações metálicas Materiais poliméricos: ligações covalentes e interações intermoleculares Materiais cerâmicos: ligações covalentes e iônicas LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 12 Iônico Molecular Covalente Metálico Unidades nos pontos reticulares Íons positivos e negativos Moléculas Átomos Íons positivos Forças de ligação entre as unidades Ligações iônicas *Forças dipolo-dipolo Forças de London Covalente Atração entre o “mar” elétrons e os íons positivos Dureza Razoavelmente duro, quebradiço Mole Muito duro Mole a duro Ponto de fusão Razoavelmente alto Baixo Muito alto Médio a alto Condutividade elétrica Baixa Baixa Baixa Boa a ótima Exemplos NaCl K2CO3 (NH4)2SO4 Na3PO4 CO2 C6H6 H2O CH4 SiC SiO2 (quartzo) C(diamante) Al2O3 Na Ag Fe W Ligações e propriedades dos sólidos * forças intermoleculares LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 13 Tipo de sólido Substância Energia reticular(kJ.mol-1) Ponto de fusão (0C) Iônico NaCl CaF2 CaO 788 2590 3520 821 1423 2614 Molecular H2 CH4 CO2 0,8 9 25 -259 -182 -78(sublima) Covalente C (grafite) SiC SiO2 (quartzo) 714 1235 1865 3600 2700 (sublima) 1610 Metálico Na Ag Cu 108 285 340 98 962 1083 Energias reticulares e pontos de fusão LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 14 Formação de ligação química maior estabilidade energia potencial mínima aula_4_EM_2011 15 Força e energia potencial interatômica em função da separação interatômica ou FT aula_4_EM_2011 16 Força resultante entre os dois átomos da ligação química: FT = FA + FR No equilíbrio: FA + FR = 0 distância internuclear de equilíbrio = ro A energia potencial é expressa como: Para sistemas atômicos: EA = energia de atração, ER = energia de repulsão, E = energia resultante entre os dois átomos Curva de energia potencial somatória das curvas de energia de atração e de repulsão. No equilíbrio, energia potencial é mínima: E = Eo energia de ligação (ou energia de dissociação) FdrE RA r R r A r EEdrFdrFFdrE aula_4_EM_2011 17 A explicação para a formação da ligação química foi desenvolvida, em 1916, pelo físico alemão Walther Ludwig Julius Kossel (1888-1956) e pelo químico norte-americano Gilbert Newton Lewis (1875-1946), em trabalhos independentes e publicados, respectivamente, no Annalen de Physik 49, p. 229 e Journal of the American Chemical Society 38, p. 762. Para Kossel e Lewis, a valência química, isto é, a capacidade de combinação dos elementos químicos, se devia a um par de elétrons que era compartilhado pelos átomos desses elementos. G. N. Lewis 1875 - 1946 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. Valência – conceito introduzido por Kekulé e Couper aula_4_EM_2011 18 Símbolos (ou estruturas) de Lewis para os elementos símbolo do elemento é circundado por um número de pontos, correspondentes ao número de elétrons na camada de valência do átomo. a camada interna não é escrita, pois ela está completa, correspondendo à configuração de um gás nobre. os elétrons são colocados um de cada vez, ocupando os quatro lados em torno do símbolo e são colocados emparelhados, se necessário. LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 19 Família do elementos representativos da Tabela Periódica fornece o número de elétrons na camada de valência LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 20 1. Desenhe o esqueleto da estrutura do composto mostrando quais átomos estão ligados um ao outro. Coloque o elemento menos eletronegativo no centro. 2. Conte o número de e- de valência. Adicione 1 para cada carga negativa. Subtraia 1 para cada carga positiva. 3. Complete o octeto para todos os átomos excetopara hidrogênio. 4. Se a estrutura contém muitos elétrons, forme dupla e tripla ligações no átomo central, se necessário. Escrevendo Estruturas de Lewis aula_4_EM_2011 21 Escreva a estrutura de Lewis do trifluoreto de nitrogênio (NF3). Etapa 1 – N é menos eletronegativo que F, coloque N no centro F N F F Etapa 2 – Conte os elétrons de valência N - 5 (2s22p3) and F - 7 (2s22p5) 5 + (3 x 7) = 26 elétrons de valência Etapa 3 – Desenhe ligações simples entre os átomos de N e F e complete os octetos sobre os atomos de N e F . Etapa 4 - Cheque se todos os e- na estrutura são iguais ao numero de e- de valência? 3 ligações simples (3x2) + 10 pares isolados (10x2) = 26 elétrons de valência aula_4_EM_2011 22 Escreva a estrutura de Lewis do íon carbonato (CO3 2-). Etapa 1 – C é menos eletronegativo que O, coloque C no centro O C O O Etapa 2 – Conte os elétrons de valência C - 4 (2s22p2) e O - 6 (2s22p4) -2 cargas – 2e- 4 + (3 x 6) + 2 = 24 elétrons de valência Etapa 3 – Desenhe ligações simples entre C e O e complete octeto sobre os átomos de C e O. Etapa 4 - Cheque se todos os e- na estrutura são iguais ao numero de e- de valência? 3 ligações simples (3x2) + 10 pares isolados (10x2) = 26 elétrons de valência Etapa 5 - Para muitos elétrons, forme duplas ligações e reconte o numero de e- 2 ligações simples (2x2) = 4 1 ligação dupla = 4 8 pares isolados (8x2) = 16 Total = 24 aula_4_EM_2011 23 Li + F Li+ F - Ligação Iônica 1s22s1 1s22s22p5 1s2 1s22s22p6 [He] [Ne] Li Li+ + e- e- + F F - F - Li+ + Li+ F - aula_4_EM_2011 24 Energia reticular (E) aumenta conforme Q aumenta e/ou Conforme r diminui. Composto energia reticular MgF2 MgO LiF LiCl 2957 3938 1036 853 Q= +2,-1 Q= +2,-2 r F < r Cl Energia Eletrostática (Retículo) E = k Q+Q- r Q+ é a carga do cátion Q- é a carga do anion r é a distância entre os íons Energia Reticular (E) é a energia requerida para separar completamente 1 mol do sólido iônico em íons gasosos. aula_4_EM_2011 25 Ciclo de Born-Haber para determinar a Energia Reticular DHtotal = DH1 + DH2 + DH3 + DH4 + DH5 o o o o o o aula_4_EM_2011 26 aula_4_EM_2011 27 Uma ligação covalente é uma ligação química na qual dois ou mais elétrons estão compartilhados por dois átomos. Por que dois átomos deveriam compartilhar elétrons? F F + 7e- 7e- F F 8e- 8e- F F F F Estrutura de Lewis do F2 Pares isolados Pares isolados Pares isolados Pares isolados Ligação covalente simples Ligação covalente simples aula_4_EM_2011 28 8e- H H O + + O H H O H H or 2e- 2e- Estrutura de Lewis da água Ligação dupla – 2 átomos compartilham 2 pares de elétrons Ligação covalente simples O C O ou O C O 8e- 8e- 8e- double bonds Dupla ligação Ligação tripla – 2 átomos compartilham 3 pares de elétrons N N 8e- 8e- N N Ligação tripla triple bond ou aula_4_EM_2011 29 Tipo de Ligação Compriment o de ligação (pm) C-C 154 CC 133 CC 120 C-N 143 CN 138 CN 116 Comprimento de ligações covalentes Comprimento de ligação Ligação tripla < ligação dupla < ligação simples aula_4_EM_2011 30 aula_4_EM_2011 31 H F F H Ligação covalente polar ou ligação polar é uma ligação covalente com densidade maior de elétrons em torno de um dos dois átomos Região rica em elétrons Região pobre em elétrons Rico e- Pobre e- d+ d- aula_4_EM_2011 32 Eletronegatividade é a habilidade do átomo em atrair para si os elétrons em uma ligação química. Afinidade eletrônica - mensurável, Cl é maior Eletronegatividade - relativa, F é maior X (g) + e - X-(g) aula_4_EM_2011 33 aula_4_EM_2011 34 aula_4_EM_2011 35 Covalente compartilha e- Polar Covalente Transferência parcial de e- Iônica transfere e- Aumentando a diferença na eletronegatividade Classificação das ligações pela diferença de eletronegatividade Diferença Tipo de Ligação 0 Covalente 2 Iônica 0 < and <2 Covalente polar aula_4_EM_2011 36 Classifique as seguintes ligações como iônica, covalente polar, ou covalente: A ligação em CsCl; a ligação em H2S; e a ligação NN em H2NNH2. Cs – 0.7 Cl – 3.0 3.0 – 0.7 = 2.3 Iônica H – 2.1 S – 2.5 2.5 – 2.1 = 0.4 covalente polar N – 3.0 N – 3.0 3.0 – 3.0 = 0 Covalente aula_4_EM_2011 37 Regra do octeto Gases nobres energia de ionização elevada afinidade eletrônica baixa são os únicos elementos que existem como átomos isolados, estáveis. A configuração eletrônica da camada de valência (exceto para o He) é ns2np6 (oito elétrons) está ligada a estabilidade átomos tendem a perder, ganhar ou compartilhar elétrons para ficar com essa configuração eletrônica (ficar com o octeto completo). Ex.: Cl configuração eletrônica : 1s22s22p63s23p5 Completa o octeto ganhando 1 e Cl- 1s22s22p63s23p6 Não metais que têm a camada de valência quase completa, tendem a ganhar elétrons para completar o octeto. Ex.: alguns elementos da família 6A, 7A LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 38 Ligações iônicas Interações eletrostáticas Ligação não-direcional (Interações multidirecionais) LIGAÇÕES QUÍMICAS NaCl a magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor de um íon. aula_4_EM_2011 39 LIGAÇÕES QUÍMICAS ocorre através da transferência de elétrons de um átomo para outro. há atração eletrostática entre os íons positivos e negativos formados. (aproximação de esferas com cargas opostas) forma-se entre metais com poucos elétrons na camada de valência e baixa E. I. (têm tendência a perder elétrons) e não metais com E. I. relativamente alta e A. E. elevada (têm tendência a receber elétrons) Metais com menores E. I.: alcalinos e alcalino-terrosos Não metais com maiores A. E. : elementos das famílias 6A e 7A 22 aula_4_EM_2011 40 Cátions formados por elementos com baixa energia de ionização Ânions formados por elementos com elevada afinidade eletrônica LIGAÇÕES QUÍMICAS aula_4_EM_2011 41 Ex.: Na configuração eletrônica : 1s22s22p63s1 Na+ 1s22s22p6 perde 1e para ficar com a camada anterior com octeto completo Símbolos de Lewis para a formação de íons Na+ e Cl-: Na Na+ + e- Metais alcalinos e alcalino-terrosos têm tendência a perder elétrons para ficar com o octeto completo Cl + e- Cl - Obs.: apenas os elétrons da C. V. do Na no estado fundamental são indicados. O que ocorre no caso de metais (que têm A. E. e E. I. baixas e poucos elétrons na C. V.)? aula_4_EM_2011 42 Ex.: Na e Cl formam ligação iônica? o átomo de sódio perde um elétron, formando um cátion (espécie com carga positiva) Na (1s22s22p63s1) Na+ (1s22s22p6) + é ou: Na Na+ + e- o átomo de cloro ganha um elétron, formando um ânion (espécie com carga negativa) Cl (1s22s22p63s23p5) + é Cl- (1s22s22p63s23p6) cloreto ou:Configuração eletrônica E. I. (kJ.mol-1) A. E. (kJ.mol-1) Na 1s22s22p63s1 494 52,9 Cl 1s22s22p63s23p5 1251 349 Cl + e- Cl - aula_4_EM_2011 43 aula_4_EM_2011 44 Pensando, inicialmente, na formação de íons Na+ e Cl- a partir de átomos de Na e Cl no estado gasoso: i) Nao(g) Na + (g) + e DH = +494 kJ.mol -1 (= E. I. do Na) ii) Clo(g) + e Cl - (g) DH = -349 kJ.mol -1 (= A. E. do Cl) DH1 = +145 kJ.mol -1 aumento de energia: desfavorável !!! Há atração eletrostática entre os íons Na+ e Cl-, segundo a lei de Coulomb, formando o par iônico Na+Cl-g) no estado gasoso : iii) Na+(g) + Cl-(g) Na+Cl-(g) DH2 = - 552 kJ.mol -1 (energia de atração eletrostática) Portanto, DH global = (+145 + (-552)) kJ.mol-1 = -407 kJ.mol-1 houve diminuição de energia processo favorável !!! LIGAÇÕES QUÍMICAS
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