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U N I V E R S I D A D E E S T A D U A L D E M A T O G R O S S O D O S U L Curso de Química - Unidade de Naviraí - 2010 Disciplina de Química Geral - Prof. Dr. Alberto A. Cavalheiro 1 Ligação Química As ligações químicas são formadas principalmente e mais abundantemente por aqueles elementos não estáveis em sua configuração eletrônica. Isso exclui, mas não definitivamente, os gases nobres e os metais nobres. Quando se diz que se exclui, mas não definitivamente, é porque em certas condições especiais é possível haver uma ligação química com metais nobres e inclusive com gases nobres. Um exemplo é o cloreto de ouro III (AuCl3), usado como catalisador em química orgânica, e o hexafluoreto de platina (PtF6), composto aliás, que acidentalmente, permitiu a descoberta de que um gás nobre poderia formar compostos, ou seja fazer ligações químicas. Foi Neil Bartlett, em 1962, que estudando o PtF6, observou que o xenônio reagia com o este composto, dando origem a vários compostos de xenônio. Posteriormente, outros cientistas descobriram que estes compostos eram diversos fluoretos de xenônio e eram estáveis: XeF2, XeF4, XeF6. A platina então se mostrou mais nobre que um gás nobre, no caso o xenônio. O próximo passo foi tentar formar compostos de criptônio, mas isso se mostrou extremamente difícil, pois é um átomo menor e mais difícil de se retirar um elétron de sua última camada, completa e muito estável. No entanto, misturando o gás criptônio com gás cloro e reduzindo a temperatura abaixo de -150°C em um sistema fechado e em seguida, aplicando uma alta descarga elétrica, pode se sintetizar o dicloreto de criptônio (KrCl2), que é um sólido cristalino branco que só existe nesta temperatura. Isso mostrou que era possível também formar compostos com o criptônio, apesar de que seu composto era instável a temperatura ambiente, ou seja, se decompunha em gás cloro e criptônio monoatômico instantaneamente, assim que a temperatura subia além de -150°C, diferente do fluoreto de xenônio. Em 2003 foi a vez do difluoreto de argônio (ArF2), sintetizado pelo químico suíço Helmut Durrenmatt. Em seguida foram sintetizados o tetrafluoreto de argônio (ArF4) e o hexafluoreto de argônio (ArF6). Recentemente, após o sucesso da síntese do hexafluoreto de neônio (NeF6), foi possível a grande conquista, sintetizar um composto contendo o mais nobre dos elementos da natureza, o hélio, auxiliado pela presença do neônio na estrutura, o tetrafluoreto de neônio difluoreto de hélio (HeF2NeF4). Todos estes compostos são muitíssimos instáveis e só podem ser sintetizados a temperaturas muitíssimos baixas e com o auxílio de altíssimas voltagens e lasers potentes. U N I V E R S I D A D E E S T A D U A L D E M A T O G R O S S O D O S U L Curso de Química - Unidade de Naviraí - 2010 Disciplina de Química Geral - Prof. Dr. Alberto A. Cavalheiro 2 Apesar das exceções as ligações químicas em situações normais, como demonstrado acima, a maioria dos elementos forma compostos espontaneamente, e estão na natureza de modo bem abundante. Alguns são intermediários, como o carbono, que pode estar na forma elementar, como diamante ou grafite, ou na forma oxidada, como gás carbônico ou carbonato. Mas outros, são mais reativos, como o sódio, que não existe na natureza na sua forma elementar, ou seja, sódio metálico (Na°), mas somente como íon sódio (Na+). Na figura abaixo, observam-se três tipos fundamentais de ligação química que os átomos podem fazer entre si. a) Ligação covalente apolar. É a ligação entre dois átomos com igual capacidade de atrair elétrons para seu entorno (eletronegatividade). Se os dois têm a mesma capacidade, então os elétrons são compartilhados de maneira equilibrada, o que não resulta em uma carga elétrica residual (dipolo elétrico na molécula), por isso é denominada apolar, ou seja, sem polarização elétrica. É conhecida como ligação 100% covalente, como nos gases N2, O2, Cl2, H2 e outras moléculas diatômicas. b) Ligação covalente polar. É a ligação entre dois átomos com diferentes capacidades de atrair elétrons para seu entorno (eletronegatividade). Assim, os elétrons não são compartilhados de maneira equilibrada, o que resulta em uma carga elétrica residual (dipolo elétrico na molécula), por isso é denominada polar, ou seja, com polarização elétrica. Exemplos são as moléculas CO, HF, HCl, etc. Observe que as ligações covalentes (a e b) são formadas principalmente entre elementos não metálicos. c) Ligação iônica. É a ligação entre dois átomos com grande diferença de eletronegatividade (maior que 1,7). Os elétrons não são compartilhados, mas sim praticamente transferidos do átomo menos eletronegativo para o mais eletronegativo e resulta na formação de íons, cátion para o menos eletronegativo e ânion para o mais eletronegativo. Como eles agora possuem cargas elétricas opostas, eles passam a se atrair mutuamente com grande força, por isso formam compostos sólidos cristalinos, como NaCl, CaS, MgO, etc. Eletronegatividade é a capacidade que um átomo têm de atrair os elétron para junto de sua nuvem eletrônica. U N I V E R S I D A D E E S T A D U A L D E M A T O G R O S S O D O S U L Curso de Química - Unidade de Naviraí - 2010 Disciplina de Química Geral - Prof. Dr. Alberto A. Cavalheiro 3 Um quarto tipo de ligação química é a ligação metálica. Formam-se quando elementos com baixa eletronegatividade interagem entre si, que é o caso somente dos metais, por isso seu nome (ligação metálica). Como os metais não aceitam elétrons, estes ficam deslocalizados, ou seja, fora da nuvem eletrônica de cada núcleo. Este fato tem uma importância fundamental, pois estes elétrons ficam se movimentando livremente pelo composto, e conferem uma propriedade característica aos metais e suas ligas metálicas (compostos metálicos formando ligações metálicas), que é a condutividade elétrica. A condutividade elétrica depende dos elétrons se movimentarem livremente, ou seja, não estarem presos por átomos eletronegativos, que fixam o elétron em torno de si. Por isso, os condutores de eletricidade, fios e cabos elétricos são feitos de metais. Mas, apesar de estarem deslocalizados, eles não emergem dos átomos facilmente, devido a atração eletrostática. E se os átomos de metais permanecem unido na forma sólido é porque este de ligação é consideravelmente forte. S´que é um tipo de ligação tipo de rede, ou seja, os metais não se ligam em pares, mais com todos os átomos a sua volta, fazendo um tipo de multiligação, que impede que qualquer átomo deixe a estrutura, impedindo sua evaporação em temperaturas normais. A mais fraca ligação metálica se dá para o mercúrio metálico, que é líquido em temperatura ambiente. Apesar das exceções às ligações químicas em situações normais, como demonstrado acima, a maioria dos elementos forma compostos espontaneamente, e estão na natureza de modo bem abundante. Alguns têm eletronegatividade intermediária, como o carbono, e aparecem na natureza na forma elementar, como diamante ou grafite, ou oxidado, como gás carbônico (CO2) ou carbonato (CO3-2). Para compreender melhor esta relação entre os elementos, do ponto de vista da eletronegatividade, Fajans elaborou quatro regras, relacionando o poder polarizante e a polarizabilidade. Poder polarizante é característico dos elementos mais eletronegativos, ou seja, é o poder que estes elementos têm de deslocar o elétron da ligação para is mesmo. Mas isso depende de quão eletronegativo é o outro elemento da ligação. Os elementos então tem um poder polarizante e uma polarizabilidade características. Polarizabilidade é a suscetibilidade do elemento e deixar o elétron se afastar de si. Assim, o grau de distorção da nuvem eletrônica que ocorre nos elementos depende dopoder que tem um tem de distorcer o outro (poder polarizante) e, também, da susceptibilidade desse íon à distorção (polarizabilidade). U N I V E R S I D A D E E S T A D U A L D E M A T O G R O S S O D O S U L Curso de Química - Unidade de Naviraí - 2010 Disciplina de Química Geral - Prof. Dr. Alberto A. Cavalheiro 4 As quatro regras de Fajans, que resumem os fatores que favorecem a polarização e, portanto, a covalência, são: 1. Um íon positivo pequeno favorece a covalência. 2. Um íon negativo grande favorece a covalência. 3. Cargas elevadas em ambos os íons favorece a covalência. 4. A polarização, e portanto a covalência, será favorecida se o íon positivo não tiver a configuração eletrônica de um gás nobre. Abaixo vemos a tendência dos elementos se tornarem cátions ou ânions. cátions ânions Mas, as ligações iônicas (quando um elétron é doado definitivamente) e a covalente apolar (quando um elétron é compartilhado de modo igual entre os dois átomos) são dois tipos extremos de ligação, e quase sempre as ligações formadas são de caráter intermediário. Para sabermos qual o caráter predominante de uma ligação química, necessitamos do conceito de Eletronegatividade. Em 1931, Pauling definiu a eletronegatividade de um átomo como a tendência de atrair elétrons em sua direção quando combinado em um composto. Abaixo está uma tabela de Eletronegatividade. U N I V E R S I D A D E E S T A D U A L D E M A T O G R O S S O D O S U L Curso de Química - Unidade de Naviraí - 2010 Disciplina de Química Geral - Prof. Dr. Alberto A. Cavalheiro 5 Para sabermos se uma ligação é predominantemente covalente ou iônica, ou ainda intermediária, utilizamos um valor de referência que é 1,7. Isso é, se a diferença de eletronegatividade entre dois elementos for maior que 1,7 ele terá predominância da ligação iônica. Caso seja menor que este valor, então a ligação será predominantemente covalente. É possível que a ligação seja puramente covalente, como no caso das moléculas diatômicas de mesmos elementos (N2, O2, F2, etc.), mas nunca vai existir uma ligação puramente iônica. Isso porque se existisse uma ligação puramente iônica, o elétron teria se que ser definitivamente de um átomo e nada do outro. Isso é um paradoxo, pois aí não haveria ligação química, mas somente uma atração elétrica de caráter físico. Observando mais detalhadamente a figura abaixo, observamos que é possível sabermos até a porcentagem do caráter da ligação, bastando, para isso, fazermos a conta de subtração das eletronegatividades baseado na tabela acima e ler o resultado no gráfico. Por exemplo, no caso da molécula de ácido fluorídrico, mostrada abaixo, o hidrogênio tem eletronegatividade de 2,1 e o flúor de 4,0, o que resulta em 4,0 - 2,1 = 1,9. Isso significa que o caráter da ligação é de aproximadamente 60% de caráter iônico. U N I V E R S I D A D E E S T A D U A L D E M A T O G R O S S O D O S U L Curso de Química - Unidade de Naviraí - 2010 Disciplina de Química Geral - Prof. Dr. Alberto A. Cavalheiro 6 Para o caso do fluoreto de potássio KF, teremos o cloro com 4,0 e o potássio com 0,8, o que resulta em 3,2. Isso significa em torno de 85% de caráter iônico e o elétron já está praticamente sobre o átomo mais eletronegativo, no caso o flúor. Em geral, os átomos pequenos atraem mais fortemente os elétrons que os átomos grandes. Lembrando da variação periódica de tamanho dos átomos abordado anteriormente, átomos pequenos, como cloro flúor, oxigênio, são mais eletronegativos. Resumindo: Se dois átomos apresentam eletronegatividades semelhantes, a ligação entre eles será 100% covalente, mas se dois átomos apresentam eletronegatividades diferentes, a ligação entre eles será predominantemente covalente polar, ou seja, algum caráter iônico a ligação terá. Mas, se uma grande diferença de eletronegatividade ocorrer, então haverá uma ligação com um elevado grau de caráter polar, ou seja, uma ligação predominantemente iônica, como mostrado na figura abaixo. U N I V E R S I D A D E E S T A D U A L D E M A T O G R O S S O D O S U L Curso de Química - Unidade de Naviraí - 2010 Disciplina de Química Geral - Prof. Dr. Alberto A. Cavalheiro 7 Em uma ligação química os átomos se posicionam em uma distância tal que a energia seja mínima. Dois tendem a formar uma ligação química para se tornarem mais estáveis do que são isoladamente, por isso cada átomo se aproxima do outro visando compartilhar os elétrons do outro átomo e isso cria uma atração entre eles que fazem se aproximar. Mas, assim que os átomos se aproximam, começa a ocorrer uma repulsão de dos núcleos dos dois átomos (positivos). Há então, uma distância em que a repulsão e a atração se equilibram, e essa distância é representada na figura abaixo para a molécula de H2, por exemplo, cuja distância de equilíbrio é de 0,074 nm. Se os átomos se afastam, a tração do le´tron de um átomo pelo núcleo do outro força-o a retornar nesta posição. Se eles se aproximam, então os núcleos se repelem e os afastam novamente. Deste modo, eles ficam sempre 0,074 nm um do outro. É o que chamamos de tamanho da ligação química, ou distância interatômica. As ligações iônicas são mais estáveis que as covalentes e as metálicas. Veja os casos abaixo, onde a ligação metálica do sódio, do potássio e do cálcio e as covalente do Cl2 e da água e são substituídas por ligações iônicas do NaCl, KOH e (CaOH)2. U N I V E R S I D A D E E S T A D U A L D E M A T O G R O S S O D O S U L Curso de Química - Unidade de Naviraí - 2010 Disciplina de Química Geral - Prof. Dr. Alberto A. Cavalheiro 8 2Na(s) + Cl2(g) ���� 2NaCl(s) --- 2K(s) + 2H2O(l) ���� 2KOH + H2(g) --- Ca(s) + 2H2O(l) ���� Ca(OH)2 + H2(g) No caso do KI, onde a ligação é menos iônica que no KCl, apesar das ligações covalentes do I2 e Cl2 serem 100% covalentes. Cl2 + 2KI → 2KCl + I2
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