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Universidade Federal de Mato Grosso Campus Universitário Sinop Instituto de Ciências Naturais, Humanas e Sociais (ICNHS) Profa. Dra. Edjane Rocha “LIGAÇÕES QUÍMICAS E ESTRUTURA MOLECULAR” O açúcar utilizado em casa é a sacarose (C12H22O11) O sal de cozinha é o cloreto de sódio (NaCl). A água oxigenada comercial é peróxido de hidrogênio (H2O2) aquoso. O troféu de campeão da Copa do Mundo FIFA é feita com ouro (Au)! Seus átomos se unem por ligações covalentes! Seus átomos se unem por ligações covalentes! Seus átomos se unem por ligações metálicas! Seus átomos se unem por ligações iônicas! O extintor de incêndio contém dióxido de carbono (CO2). Os letreiros luminosos são preenchidos com gás neônio (Ne). O rubi é uma pedra preciosa formada de óxido de alumínio (Al2O3), principalmente. Seus átomos se unem por ligações iônicas! Seus átomos se unem por ligações covalentes! Seus átomos são isolados, NÃO SE LIGAM! Ligações químicas e Estrutura Molecular De que maneira os átomos se combinam para formar moléculas, e por que os átomos formam ligações? Ligações químicas Elétrons das camadas internas Elétrons de um átomo: Elétrons de valência Não estão envolvidos do comportamento químico. Determinam as propriedades químicas do átomo. As reações químicas resultam da perda, ganho ou rearranjo destes elétrons. Ligações químicas As ligações químicas unem os átomos, porém nem todos os átomos conseguem formar ligações. • Dois átomos de um gás nobre exercem entre si uma atração mútua tão fraca que não conseguem formar uma molécula. Por outro lado, a maioria dos átomos forma ligações fortes com átomos da própria espécie e com outros tipos de átomos. De maneira geral, a ligação química pode ser definida como uma força resultante atrativa que existe entre alguns átomos, quando estes se aproximam. • Esta força mantém um conjunto de dois ou mais átomos unidos formando assim os compostos químicos. Ligações químicas • Características importantes da ligação química: polaridade, distância e energia. Ligações químicas Em busca de uma configuração estável Uma molécula só será formada se esta for mais estável e tiver menor energia do que os átomos individuais. Com exceção dos gases nobres, os demais átomos têm tendência de formar moléculas através do estabelecimento de ligações. Configuração estável • A baixa energia dos gases nobres está associada ao fato de possuírem o nível eletrônico mais externo completamente preenchido. Teoria do Octeto 18 Ar = 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 36Kr = 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 54Xe = 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 86Rn = 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 10Ne = 1s 2 2s22p6 2He =1s 2 Camada de Valência (camada K) com 2 elétrons. Camada de Valência com 8 elétrons nos demais gases nobres. Estudando-se as estruturas eletrônicas dos gases nobres, percebe-se: Geralmente não reagem com nenhum outro átomo, e suas moléculas são monoátomicas, isto é, contêm apenas um átomo Baixa reatividade energias baixas não formam compostos Ligações químicas Teoria do Octeto Um átomo, para adquirir estabilidade, deverá possuir camada fechada, isto é, estar com oito elétrons em sua última camada (ou dois elétrons na camada K, desde que esta seja a camada de valência). 11Na = 1s 2 2s2 2p6 3s1 11Na + = 1s2 2s2 2p6 K = 2; L = 8; M = 1 Perde 1 elétron para adquirir o octeto. Família 1 A (Grupo 1): K = 2; L = 8 9F= 1s 2 2s2 2p5 9F –= 1s2 2s2 2p6 K = 2; L = 7 Ganha 1 elétron para adquirir o octeto. Família 7 A (Grupo 17): K = 2; L = 8 Ligações químicas assim, uma condição para um átomo possuir estabilidade é ele adquirir oito elétrons na última camada: é a Teoria do Octeto! 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]3s2 • Mg+: [Ne]3s1 não estável • Mg2+: [Ne] estável • Cl: [Ne]3s23p5 • Cl-: [Ne]3s23p6 = [Ar] estável Na natureza, as substâncias buscam um estado energético mais estável, ou seja, de menor energia! Configuração de camada fechada: Esta regra só é válida para os elementos representativos. ns2 np6 E n e rg ia Distância entre os átomos Menor estabilidade Maior estabilidade Ligações químicas A formação de ligações químicas envolve normalmente só os elétrons do nível mais externo do átomo e, através da formação de ligações, cada átomo adquire uma configuração eletrônica estável. O arranjo eletrônico mais estável é a estrutura de um gás nobre, e muitas moléculas possuem essa estrutura. Contudo, arranjos menos estáveis que a de gás nobre ocorrem regularmente nos elementos de trânsição Tipos de Ligações químicas Tipos de Ligações químicas Tipos de Ligações químicas Há alguns poucos casos de compostos puros, mas é mais adequado considerar a ligação química um contínuo entre os extremos de ligação covalente, iônica e metálica Tipos de Ligações químicas Ligaçao Quimica Forças e energia de ligaçao Ligações químicas Ligações químicas Ligações químicas Ligações químicas 1- Os dois átomos estão afastados um do outro 2-A esta distância internuclear, há atração entre os dois átomos. 3-Neste ponto considera-se que está estabelecida a ligação covalente. As atrações são mais fortes que as repulsões. 4-Se os átomos se aproximarem ainda mais, as repulsões entre os núcleos começam a ser maiores que as atrações elétrons-núcleos, aumentando a instabilidade da molécula e a sua energia. Ligações Iônicas Ligações Iônicas Ligações Iônicas Os átomos se unem a partir da transferência de elétrons! Um átomo GANHA e o outro PERDE elétrons para obter o octeto! • A ligação iônica é também chamada de ligação eletrovalente ou heteropolar; Ligações Iônicas 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A Metais Ametais Perdem elétrons Ganham elétrons Apenas compartilham elétrons. Tendem a formar ligações covalentes. Para Elementos Representativos O número de elétrons cedidos é igual ao número de elétrons recebidos: Fórmula geral de um composto iônico: • nas ligações iônicas, as substâncias são neutras, pois as cargas anulam-se Simbolos de Lewis Estrutura de Lewis Cl Cl Na Na 1 elétron na camada de valência. + – 7 elétrons na camada de valência. O elétron é transferido: 1A 7A + + Formação do Cloreto de Sódio (NaCl) Cloro Sódio Ligações Iônicas Reação entre sódio metálico e gás cloro para formar cloreto de sódio. (a) Um recipiente de gás cloro(à esquerda) e um recipiente de sódio metálico (à direita). (b) À formação do NaCl começa quando o sódio é adicionado ao cloro. (c) A reação alguns minutos mais tarde. Essa reação é fortemente exotérmica, liberando tanto calor quanto luz Retículo cristalino do NaCl. Considere a reação entre o sódio e o cloro: Na(s) + ½Cl2(g) NaCl(s) DHºf = -410,9 kJ • 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+ e o cloro ganhou o elétron para se transformar em Cl-. 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 circundando o íon central. Ligações Iônicas •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+. •Observe que os íons são empacotados o mais próximo possível. •Observe que não é fácil encontrar uma fórmula molecular para descrever a rede iônica. Cloro Sódio Formação do Cloreto de Sódio (NaCl) Energias envolvidas na formação da ligação iônica • A formação de Na+(g) e Cl-(g) a partir de Na(g) e Cl(g) é endotérmica. • Por que a formação de Na(s) é exotérmica? • A reação NaCl(s) Na+(g) + Cl-(g) é endotérmica (DH = +788 kJ/mol). • A formação de uma rede cristalina a partir dos íons na fase gasosa é exotérmica: Na+(g) + Cl-(g) NaCl(s) DH = -788 kJ/mol Formação do Cloreto de Sódio (NaCl) Ciclo de Born-Haber: Ligações Iônicas Energias envolvidas na formação da ligação iônica • Energia de rede: é a energia necessária para separar completamente um mol de um composto sólido iônico em íons gasosos. • A energia de rede depende das cargas nos íons e dos tamanhos dos íons: k é uma constante (8,99 x 109 J m/C2), Q1 e Q2 são as cargas nas partículas e d é a distância entre seus centros. d QQ El 21k Energia de rede ou reticular ou de coesao ou de estabilidade (U) Energias envolvidas na formação da ligação iônica • A energia de rede aumenta à medida que: • As cargas nos íons aumentam • A distância entre os íons diminui Ligações Iônicas 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. SO4 2- , NO3 -. Energia de rede ou reticular ou de coesao ou de estabilidade (U) • É útil conhecer a energia reticular, pois é uma indicação da solubilidade do cristal. Quando um sólido é dissolvido o retículo cristalino deve ser rompido, os íons formados são solvatados • Quando a energia reticular é elevada, é nescessaria uma grande quantidade de energia para romper o reticulo, assim a entalpia de solvataçao sera baixa, de modo que a substância provavelmente será insolúvel. Ligações Iônicas Solvatação do Sal de Cozinha Cl- Cl- -Cl - Cl Cl- Cl - a parte negativa (-) da água fica voltada para o cátion (Na+); e a positiva (+) volta-se para o ânion (Cl-); a disposição do retículo cristalino do NaCl é cúbica; cada cátion (Na+) está rodeado por 6 ânions (Cl-) e vice-versa. Compostos Inorgânicos Cloreto de sódio é um exemplo de compostos iônicos, que contém tanto íons carregados positiva quanto negativamente De maneira geral, podemos dizer se um composto é iônico ( constituído de íons) ou molecular ( formado por moléculas) a partir de sua composição. Normalmente, cátions são íons metálicos, enquanto ânions são íons não-metálicos. Consequentemente, compostos iônicos são em geral combinações de metais e não- metais, como em NaCl. Em contraste, compostos moleculares são quase sempre constituídos somente de não-metais, como no H2O A Importância do Sal na Sociedade o sal (cloreto de sódio, NaCl) era, até o início do século XX, um importante conservante alimentar. A tal ponto chegava sua importância, que foi até mesmo usado como forma de pagamento no período romano, sendo esta a origem da palavra "salário”; atualmente, o sal vendido comercialmente contém entre 20 e 60 mg de iodo na forma de iodato de potássio (KIO3); a carência de iodo na alimentação causa, entre outras doenças, o bócio (conhecido como papo): aumento excessivo da glândula da tireoide. Imagem : Martin Finborud/Public Domain Compostos Inorgânicos Três categorias de substâncias: • Compostos iônicos, • Compostos moleculares, • Ácidos Compostos inorgânicos são todas as substâncias formadas por átomos ou moléculas de pelo menos dois elementos diferentes, e que não contenha em sua estrutura átomos de carbono formando cadeias e ligados ao hidrogênio. Em algumas situações o carbono pode aparecer na estrutura do composto, mas devido a forma como está ligado, é considerado inorgânico, como é o caso de CO2 e Na2CO3. https://www.infoescola.com/elementos-quimicos/carbono/ https://www.infoescola.com/elementos-quimicos/hidrogenio/ Os compostos inorgânicos podem ser formados por qualquer elemento, mas em geral são feitos de ametais ou de hidrogênio e tem ligações com átomos metálicos. Às ligações: iônica, covalentes ou de coordenação. Compostos iônicos possuem elementos com diferença de eletronegatividade acima de 1,7 eV. Os compostos covalentes são formados por elementos com diferença de eletronegatividade abaixo de 1,7 eV (ametais ligados entre si ou ao hidrogênio). Os compostos de coordenação são moléculas constituídas por um ou vários ácidos de Lewis ligados a uma ou várias bases de Lewis. Em alguns casos, a substância possui ligações iônicas e covalentes na mesma molécula, como ocorre nos compostos de coordenação. Os compostos inorgânicos são divididos em ácidos, bases, sais e óxidos. Compostos Inorgânicos Compostos inorgânicos de importância biológica Água (H2O): a água é o composto mais importante para a manutenção da vida. Dissolve diversas substâncias e é a base de diversas reações químicas e biológicas. Cloreto de sódio (NaCl): o famoso sal de cozinha é um mineral necessário para a manutenção da sobrevivência de todos os seres vivos, e está envolvido na regulação da quantidade de água do organismo. Óxidos gasosos (CO2, SO2, SO3, NOx): são formados pela queima de combustíveis fósseis e pela respiração e estão presentes em toda atmosfera terrestre, podem gerar chuva ácida e prejudicar a camada de ozônio. Os íons em compostos iônicos são arranjados em estruturas tridimensionais; Como não existem moléculas de NaCl distintas, é possível escrever apenas uma fórmula mínima para essa substância; De fato, somente fórmulas mínimas podem ser escritas para a maioria dos compostos iônicos; Se conhecemos as cargas dos íons se escreve a fórmula mínima para um composto iônico; Compostos químicos são eletricamente neutros; O total de cargas positivas é igual ao total de cargas negativas; Assim, existe um Na+ para cada Cl- (dando NaCl) um Mg2+ para dois Cl- (dando MgCl2) Compostos iônicos Nomenclatura de Compostos Inorgânicos O ato de dar nome às substâncias é chamado nomenclatura química para representar a fórmula de um composto iônico, inicialmente escrevemos o cátion e depois, o ânion; para nomear os compostos iônicos, procedemos de forma inversa: NOME DO CÁTION + DE + NOME DO ÂNION CyAx Cx+Ay- Nomes e fórmulas de compostos iônicos: compostos iônicos geralmente- combinações químicas de metais e não-metais. 1. Íons positivos (cátions) a) Os cátions formados de átomos de um metal têm o mesmo nome do metal: Na+ íon sódio Zn2+ Al3+ íon alumínio b) Se um metal pode formar cátions de diferentes cargas, a carga positiva é indicada pelo número romano entre parênteses depois do nome do metal. Fe2+ íon ferro (II) Cu+ íon cobre (I) F3+ íon ferro (III) Cu2+ íon cobre (II) Nomenclatura de Compostos Inorgânicos Obs: Íons com diferentes cargas exibem diversas propriedades e cor A maioria dos metais com cargas variáveis são metais de transição (grupos 3B a 2B), as cargas são indicadas pelos números romanos; Os íons metálicos comuns grupo 1A (Li+, Na+, K+ e Cs+) e do grupo 2A ( Mg2+, Ca2+, Sr2+ e Ba2+) o Al3+( grupo 3A) e dois íons de metal de transição Ag+ (grupo 1B) e Zn2+ (grupo 2B), não tem carga variáveis, para esses íons as cargas não são mostradas quando damos nomes a esses íons Nomenclatura de Compostos Inorgânicos Para distinguir entre dois íonsde um metal carregados diferentemente é adicionar a terminação –oso (carga mais baixa) ou –ico (carga mais alta), Fe2+ íon ferroso Cu+ íon cuproso F3+ íon ferrico Cu2+ íon cúprico c) Cátions formados por átomos não-metálicos têm nomes terminados em –ônio: NH4 + íon amônio H3O + íon hidrônio Nomenclatura de Compostos Inorgânicos À esquerda são íons monoatômicos que não apresentam cargas variáveis À direita são cátions poliatômicos ( compostos por muitos átomos) ou com cargas variáveis. Tabela dos Cátions Cátion Nome Carg a Família 1 A Lítio, sódio, potássio, rubídio +1 Ag+ Prata +1 NH4 + Amônio +1 Família 2 A Berílio, magnésio, cálcio, estrôncio, bário +2 Zn+2 Zinco +2 Cu+2 Cobre +2 Fe+2 Ferro II +2 Fe+3 Ferro III +3 Al+3 Alumínio +3 Ni+3 Níquel +3 Sn+4 Estanho +4 Pt+4 Platina +4 Fique Atento! A maioria dos elementos da tabela periódica são metais de transição e, como tais, possuem carga elétrica variável! Nomes e fórmulas de compostos iônicos: compostos iônicos geralmente- combinações químicas de metais e não- metais. 2. íons netativos (ânions) a) Ânions monoatômicos ( um átomo) têm nomes formados pela substituição da terminação do nome do elemento por –eto: H- íon hidreto O2- íon óxido( os monoânions de oxigênio e os ânions poliatômicos OH- e O2 2- não seguem esta regra. Utiliza-se o termo óxido, hidróxido e peróxido) N3- íon nitreto. Alguns ânions poliatômicos simples também têm seus nomes terminados em: OH- íon hidroxido CN- íon cianeto O2 2- íon peróxido b) Ânions poliatômicos (muitos átomos) contendo oxigênio têm seus nomes terminados em –ato ou ito. Esses ânions são chamados oxiânions. A terminação –ato é usada para a maioria dos oxiânions comuns de um elemento. A terminaç]ao –ito é usada para um oxiânion que tem a mesma carga, mas um átomo de O a menos: NO3 - íon nitrato NO2 - íon nitrito SO4 2- íon sulfato SO3 2- íon sulfito Nomenclatura de Compostos Inorgânicos Os prefixos são usados quando uma série de oxiânions de um elemento se amplia para quatro membros per- indica 1 átomo de O a mais que o oxiânion terminado em –ato Hipo 1 átomo de O a menos que o oxiânion terminado em –ito ClO4 - íon perclorato (um átomo de O a mais do que o clorato) ClO3 - íon clorato ClO2 - íon clorito (um átomo de O a menos do que o clorato) ClO- íon hipoclorito (um átomo de O a menos do que o clorito) Nomenclatura de Compostos Inorgânicos c) Ânions derivados da adição de H+ a um oxiânion Prefixo hidrogeno ou dihidrogeno CO3 2- íon carbonato PO4 3- íon fosfato HCO3- íon hidrogenocarbono H2PO4 - íon dihidrogenofosfato Método Antigo: HCO3 - íon bicarbonato HSO4 - íon bissulfato As fórmulas dos íons cujos nomes terminam em –ito podem ser derivadas daqueles que terminam em –ato pela remoção de um átomo de O 3. Compostos Iônicos Os nomes dos compostos iônicos consistem do nome do ânion seguido da preposição de e do nome do cátion CaCl2 cloreto de cálcio Al(NO3)3 nitrato de alumínio Cu(ClO4)2 perclorato de cobre (II) (ou perclorato cúprico) Nomenclatura de Compostos Inorgânicos Nomes e fórmulas dos ácidos Ácidos compostos que contêm hidrogênio. Substância cujas moléculas liberam íons hidrogênio (H+) quando dissolvidos em água Ânion ligado a um número suficiente de íons H+ capazes de neutralizar ou balancear a carga do ânion Exemplo H2SO4 - Nomenclatura de Compostos Inorgânicos 1. Ácidos derivados de ânions cujos nomes terminam em –eto: terminação do nome -drico 2. Ácidos derivados de ânions cujos nomes terminam em –ato ou -ito: terminação do nome –ico e oso respectivamente. Nomenclatura de Compostos Inorgânicos Tabela dos Ânions Ânio n Nome Carg a Cl- Cloreto -1 Br- Brometo -1 I- Iodeto -1 F- Fluoreto -1 ClO- Hipoclorito -1 IO3 - Iodato -1 NO3 - Nitrato -1 CN- Cianeto -1 OH- Hidróxido -1 S-2 Sulfeto -2 SO4 2- Sulfato -2 O-2 Óxido -2 PO4 3- Fosfato -3 N-3 Nitreto -3 Nomenclatura de Compostos Inorgânicos Nomes e fórmulas de compostos moleculares binários(dois elementos) Similar ao procedimento para dar nomes aos compostos iônicos: 1. O símbolo do elemento a esquerda da tabela períodica é escrito primeiro na fórmula, execeto quando se tem O que será colocado por último a menos quando combine com o flúor. Ex: Cl2O; N2O4; OF2 Nomenclatura de Compostos Inorgânicos Nomes e fórmulas de compostos moleculares binários(dois elementos diferentes) Similar ao procedimento para dar nomes aos compostos iônicos: 2. Quando os elementos estão no mesmo grupo, o símbolo do elemento mais baixo no grupo aparece primeiro. Ex: SO3, trióxido de enxofre. 3. O elemento a direita na fórmula química do composto recebe a terminação eto seguido da preposição de. Ex: NF3 trifluoreto de nitrogênio 4. Acrescenta-se o nome do elemento que aparece primeiro na fórmula química após a preposição. Ex: P4S10 decassulfeto de tetrafósforo 5. Prefixos gregos são utilizados para indicar o número de átomos de cada elemento da fórmula química. Quando terminar em a ou o e o nome seguinte começa com vogal o a ou o é eliminado ( como no caso dos óxidos). Ex: Cl2O monóxido de dicloro; N2O4 tetróxido de dinitrogênio; OF2 difluoreto de oxigênio Nomenclatura de Compostos Inorgânicos Vôce não pode prever as fórmulas da maioria das substâncias moleculares do mesmo modo que você prevê as fórmulas de compostos iônicos Nomenclatura de Compostos Inorgânicos HCl é o cloreto de hidrogênio ( este é o nome usado para o composto puro, solução aquosa de HCl é chamada de ácido clorídrico). H2S é sulfeto de hidrogênio Ligações Iônicas sólidos cristalinos (duros e quebradiços) Estrutura Cristalinas Iônicas Estrutura Cristalinas Iônicas Estrutura Cristalinas Iônicas A estrutura interna dos cristais Resumo Substâncias iônicas possuem várias propriedades características: Substâncias quebradiças; Alto ponto de fusão; em geral cristalina ( sólidos com superfícies planas, ângulos característicos entre si), quebram de maneira regular. Forças eletrostáticas que mantêm os íons em arranjo tridimensional rígido e bem definido Polarizaçao e Covalência Embora muitas combinações de metais e não metais tenham caracteristicas de compostos iônicos, existem várias exceções. Quando os elétrons mais externos do ânion são tão fortemente atraídos para o cátion que um grau significativo de covalência é gerado na ligaçao, ou seja, a massa especifica eletrônica do ânion é distorcida na direção do cátion. Essa distorção do formato esférico do ânion ideal é conhecida como polarizaçao. Polarizabilidade Espécies que efetivamente distorcem a distribuição eletrônica de um átomo ou ânion vizinho são ditas terem capacidade polarizadora. Uma polarização muito intensa leva à covalência. Polarizabilidade As regras de Fajans evidenciam os fatores que afetam a polarização. O quimico Kasimir Fajans desenvolveu as seguintes regras para resumir os fatores que favorecem a polarização dos ions e, dessa forma, o aumento do caráter covalente: Cátions pequenos e com carga elevada possuem grande capacidade polarizadora; ou seja, será mais polarizador se ele for pequeno e tiver uma carga positiva alta. Ânions grandes e com carga elevada são facilmente polarizados; ou seja, será mais facilmente polarizado se ele for grande e tiver uma carga negativa alta. A polarização é favorecida por cátions que não tem uma configuração de gás nobre.Polarizabilidade Cátions que não possuem uma configuração de gás nobre são facilmente polarizáveis. A última regra é particularmente importante para os elementos do bloco d. Uma medida do poder polarizador de um cátion é a densidade de carga. A densidade de carga é a carga do íon ( o numero de unidades de carga vezes a carga do próton em coulombs) dividido pelo volume do íon. Por exemplo, o íon sódio tem uma carga de 1+ e um raio iônico de 116 pm (usamos o raio em milimetros para obter um valor de densidade de carga sem expoente). Assim Densidade de carga: 1x(1,60x10-19 C ) : 24 C.mm-3 (4/3) xx (1,16x10-7 mm)3 O íon aluminio tem densidade de carga de 364 C.m-3 Mais polarizador Favorece um caráter covalente às suas ligações A grande maioria das substâncias químicas não tem as características de materiais iônicos. Ex: H2O gases, líquidos ou sólidos com baixo ponto de fusão Gasolina vaporizam-se rapidamente Sacolas plásticas e parafina maleáveis nas formas sólidas. Ligação covalente Substâncias químicas que não se comportam como substâncias iônicas: Modelo diferente para a ligação química entre os átomos. G.N. Lewis inferiu que os átomos poderiam adquirir uma configuração eletrônica de gás nobre pelo compartilhamento de elétrons com outros átomos. Uma ligação química formada desse modo é chamada ligação covalente 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 H2 tem elétrons em uma linha conectando os dois núcleos de H. Ligação covalente Ligação Covalente H2 exemplo mais simples de ligação covalente Ocorre interação eletrostáticas Estruturas de Lewis: os símbolos de Lewis pode representar a formação da ligação covalente Ex: A formação da molécula de H2 H . + H . H : H Ligação covalente Par de elétrons ligantes Par de elétrons compartilhados entre os átomos pares de elétrons não compartilhados (par de pontos Para os não-metais, o número de valência em um átomo neutro é o mesmo do número do grupo. Ex: 7A como F formariam uma ligação covalente para atingir um octeto 6A, como O, formariam duas ligações covalentes 5A, como o N formariam três ligações covalentes 4A, comoC, formariam quatro ligações covalentes Obs: O modelo de Lewis tem êxito em expplicar as composições de muitos compostos de não-metais, nos quais as ligações covalentes predominam Ligação covalente 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 (H2); • Dois pares de elétrons compartilhados = ligação dupla (O2); • Três pares de elétrons compartilhados = ligação tripla (N2). • Em geral, a distância entre os átomos ligados diminui à medida que o número de pares de elétrons compartilhados aumenta. Ligação covalente • Em uma ligação covalente, os elétrons estão compartilhados. Ex: Cl2 ou N2 (átomos idênticos) • 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. Polaridade da ligação e eletronegatividade Polaridade de ligação ajuda a descrever o compartilhamento de elétrons entre os átomos; Ligação covalente apolar os elétrons estão igualmente compartilhados entre dois átomos; Ligação covalente polar um dos átomos exerce maior atração pelos elétrons ligantes que o outro.Se a diferença for muito grande, uma ligação iônica é formada. 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 zero 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). Polaridade da ligação e eletronegatividade Polaridade das ligações Covalentes 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. Polaridade da ligação e eletronegatividade Usamos essa grandeza para estimar se determinada ligação será covalente apolar, covalente polar ou iônica 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 -. 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: onde Q é a grandeza das cargas. • Os momentos de dipolo são medidos em debyes (D)= 3,34x10-30 coloumb metros (Cm). Qrm Polaridade da ligação e eletronegatividade Um dipolo é produzido O tamanho do dipolo é dado pelo momento de dipolo m 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 o octeto dos átomos ligados ao átomo central. 4. Coloque os elétrons que sobrarem no átomo central. 5. Se não existem elétrons suficientes para dar ao átomo central um octeto, tente ligações múltiplas. Desenhando as estruturas de Lewis As formulas químicas são geralmente escritas na ordem nas quais os átomos estão ligados na molécula ou íon, como HCN Quando um átomo central (menos eletronegativo) tem um grupo de outros átomos ligados a ele , o átomo central normalmente é escrito primeiro CO3 2- Monoânios de oxigênio e os ânions poliatômicos OH- e O2 -2 não seguem essa regra. Utiliza-se óxido O2 -, hidróxido OH- e peróxido O2 -2 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. Desenhando as estruturas de Lewis Carga formal (CF) Carga formal (CF) 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 Desenhando as estruturas de Lewis Carga formal • Considere: • Para o C: • Existem 4 elétrons de valência (pela tabela periódica). • Na estrutura de Lewis, existem2 elétrons não-ligantes e 3 da ligação tripla. Há 5 elétrons pela estrutura de Lewis. • Carga formal: 4 - 5 = -1. Desenhando as estruturas de Lewis C N Carga formal • Considere: • 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 C N Desenhando as estruturas de Lewis Carga formal 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 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. Desenhando as estruturas de Lewis • 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 • Exemplo: no ozônio, as possibilidades extremas têm uma ligação dupla e uma simples. A estrutura de ressonância tem duas ligações idênticas de caráter intermediário. Exemplos comuns: O3, NO3 -, SO4 2-, NO2 e benzeno. O O O O O O 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. 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). Desenhando as estruturas de Lewis • Existem três 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 ClO2, NO e NO2 têm um número ímpar de elétrons. 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 BF3. • 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. • As moléculas NCl5 e OF4, não existem • Tamanho do átomo central • Ocorre em geral quando F, Cl e O são os atómos circundantes Exceções à regra do octeto Algumas vezes você pode ver estruturas de Lewis com expanção dos octetos mesmo que essas estruturas possam ser escritas com um octeto. Por exemplo, considere as seguintes estruturas de Lewis para o íon fosfato, PO4 3- • A energia necessária para quebrar uma ligação covalente é denominada entalpia de dissociação de ligação, D. Isto é, para a molécula de Cl2, a D(Cl-Cl) é dada pelo DH para a reação: Cl2(g) 2Cl(g) DH =E (Cl-Cl)= 242 kJ • Quando mais de uma ligação é quebrada: CH4(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 • 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. Entalpias de ligação e entalpias de reação Entalpias de ligação e entalpias de reação • Ilustramos o conceito com a reação entre o metano, CH4, e o cloro: • CH4(g) + Cl2(g) CH3Cl(g) + HCl(g) DHrxn = ? 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. • 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. kJ 104 Cl-HCl-CCl-ClH-C - -D DDDDHrxn 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. Características dos Metais Ligação Metálica ELEMENTOS ELETROPOSITIVOS (METÁLICOS) + „ELEMENTOS ELETROPOSITIVOS (METÁLICOS) OCORREM EM METAIS SÓLIDOS, ARRANJO ATÔMICO É BASTANTE COMPACTO, ELÉTRONS DE VALÊNCIA SÃO ATRAIDOS POR NÚCLEOS VIZINHOS ⇒FORMAÇÃO DE NUVENS ELETRÔNICAS LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do mar de elétrons Ligas Metálicas LIGAÇÃO METÁLICA As Ligas metálicas são soluções sólidas resultante da adição de átomos de impurezas (soluto) a um metal (solvente). O tipo de solução formada depende: - natureza química dos elementos envolvidos; - tamanhos relativos dos átomos envolvidos. As soluções sólidas podem ser de dois tipos: -Soluções substitucionais; -Soluções intersticiais. LIGAÇÃO METÁLICA Condutores, Isolantes e Semicondutores Nos condutores elétricos (metais a banda de valência está ou apenas parcialmente preenchida ou existe uma sobreposição das bandas de valência de condução Dois métodos pelos quais pode ocorrer condução: a) orbitais moleculares metálicos no lítio mostrando uma banda semipreenchida. b) orbitais moleculares metálicos no berílio mostrando bandas sobrepostas A ligação covalente que mantém uma molécula unida é uma força intramolecular. A atração entre moléculas é uma força intermolecular. Forças intermoleculares são muito mais fracas do que as forças intramoleculares (por exemplo, 16 kJ mol-1 versus 431 kJ mol-1 para o HCl). Quando uma substância funde ou entra em ebulição, forças intermoleculares são quebradas (não as ligações covalentes). Forças intermoleculares Forças intermoleculares Forças íon-dipolo A interação entre um íon e um dipolo (por exemplo, água). A mais forte de todas as forças intermoleculares. Forças intermoleculares Forças dipolo-dipolo As forças dipolo-dipolo existem entre moléculas polares neutras. As moléculas polares necessitam ficar muito unidas. Mais fracas do que as forças íon-dipolo. Há uma mistura de forças dipolo-dipolo atrativas e repulsivas quando as moléculas se viram. Se duas moléculas têm aproximadamente a mesma massa e o mesmotamanho, as forças dipolo-dipolo aumentam com o aumento da polaridade. Forças intermoleculares Forças dipolo-dipolo Forças dipolo-dipolo Forças intermoleculares Forças de dispersão de London A mais fraça de todas as forças intermoleculares. É possível que duas moléculas adjacentes neutras se afetem. O núcleo de uma molécula (ou átomo) atrai os elétrons da molécula adjacente (ou átomo). Por um instante, as nuvens eletrônicas ficam distorcidas. Nesse instante, forma-se um dipolo (denominado dipolo instantâneo). Forças intermoleculares Um dipolo instantâneo pode induzir outro dipolo instantâneo em uma molécula (ou átomo) adjacente. As forças entre dipolos instantâneos são chamadas forças de dispersão de London. Forças de dispersão de London Forças de dispersão de London Polarizabilidade é a facilidade com que a distribuição de cargas em uma molécula pode ser distorcida por um campo elétrico externo. Quanto maior é a molécula (quanto maior o número de elétrons) mais polarizável ela é. As forças de dispersão de London aumentam à medida que a massa molecular aumenta. Existem forças de dispersão de London entre todas as moléculas. As forças de dispersão de London dependem da forma da molécula. Forças intermoleculares Quanto maior for a área de superfície disponível para contato, maiores são as forças de dispersão. As forças de dispersão de London entre moléculas esféricas são menores do que entre as moléculas com formato de lingüiça. Forças intermoleculares Forças de dispersão de London Ligação de hidrogênio Caso especial de forças dipolo-dipolo. A partir de experimentos: os pontos de ebulição de compostos com ligações H-F, H-O e H-N são anomalamente altos. Forças intermoleculares são anomalamente fortes. Forças intermoleculares A ligação de H necessita do H ligado a um elemento eletronegativo (mais importante para compostos de F, O e N). –Os elétrons na H-X (X = elemento eletronegativo) encontram-se muito mais próximos do X do que do H. –O H tem apenas um elétron, dessa forma, na ligação H-X, o H + apresenta um próton quase descoberto. –Conseqüentemente, as ligações de H são fortes. Ligação de hidrogênio Forças intermoleculares Alto ponto de fusão Alto calor específico Alto calor de vaporização Ligação de hidrogênio As ligações de hidrogênio são responsáveis pela: – Flutuação do gelo Os sólidos são normalmente mais unidos do que os líquidos; Portanto, os sólidos são mais densos do que os líquidos. O gelo é ordenado com uma estrutura aberta para otimizar a ligação H. Conseqüentemente, o gelo é menos denso do que a água. Na água, o comprimento da ligaçao H-O é 1,0 Å. O comprimento da ligação de hidrogênio O…H é 1,8 Å. O gelo tem águas ordenadas em um hexágono regular aberto. Cada + H aponta no sentido de um par solitário no O. Forças intermoleculares Forças intermoleculares Teorias das Ligações Químicas Modelo RPENV ou VSEPR Teoria da ligação de valência Teoria dos Orbitais moleculares • As estruturas de Lewis fornecem a conectividade atômica: elas nos mostram o número e os tipos de ligações entre os átomos. • A forma espacial de uma molécula é determinada por seus ângulos de ligação. • Considere o CCl4: no nosso modelo experimental, verificamos que todos os ângulos de ligação Cl-C-Cl são de 109,5. • Conseqüentemente, a molécula não pode ser plana. • Todos os átomos de Cl estão localizados nos vértices de um tetraedro com o C no seu centro. Formas espaciais moleculares Geometria molecular Geometria molecular Repulsão de Elétrons da Camada de Valência-RPECV ou VSPER relaciona as geometrias moleculares com base nas repulsões entre os domínios de elétrons, que são regiões ao redor de um átomo central nas quais os elétrons são prováveis de ser encontrados. REPULSÃO DOS PARES ELETRÔNICOS E GEOMETRIA MOLECULAR Método VSEPR: Quando numa moléculas os átomos unem-se, orientam-se de maneira a minimizar as repulsões entre elétrons . As forças repulsivas decrescem bruscamente com o aumento do ângulo entre os pares. 90º > 120º > 180º A magnitude na repulsão entre pares depende do fato dos pares eletrônicos estarem compartilhados ou livres. Átomo ligado Átomo ligado Átomo central Distância longa entre pares: repulsão fraca Átomo central Distância curta entre pares: repulsão forte Átomo ligado Átomo central Distância intermediária entre pares: repulsão intermediária • Para prevermos a forma molecular, supomos que os elétrons de valência se repelem e, conseqüentemente, a molécula assume qualquer geometria 3D que minimize essa repulsão. • Denominamos este processo de teoria de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de Valência (RPENV). • Existem formas simples para as moléculas AB2 e AB3. Formas espaciais moleculares • Existem cinco geometrias fundamentais para a forma molecular: Formas espaciais moleculares • Ao considerarmos a geometria ao redor do átomo central, consideramos todos os elétrons (pares solitários e pares ligantes). • Quando damos nome à geometria molecular, focalizamos somente na posição dos átomos. Formas espaciais moleculares • Para se determinar a forma de uma molécula, fazemos: a distinção entre pares de elétrons solitários (ou pares não- ligantes, aqueles fora de uma ligação) e pares ligantes (aqueles encontrados entre dois átomos). • Definimos o arranjo eletrônico pelas posições no espaço 3D de TODOS os pares de elétrons (ligantes ou não ligantes). • Os elétrons assumem um arranjo no espaço para minimizar a repulsão e--e-. Modelo RPENV Modelo RPENV Número estérico e orientação do par eletrônico. Primeiro passo do método VSEPR é escrever a estrutura de Lewis e quantos pares de elétrons estão localizados ao redor do átomo central. • Para determinar o arranjo: • Desenhe a estrutura de Lewis, • conte o número total de pares de elétrons ao redor do átomo central, • ordene os pares de elétrons em uma das geometrias acima para minimizar a repulsão e--e- e conte as ligações múltiplas como um par de ligação. O número total de pares elétrons (compartilhados ou não) ao redor do átomo central chama-se número estérico Para o número estérico 4 geometria quadrado planar (ângulos são de 90º entre si) Tetraédrica os ângulos são de 109,50 e a repulsão é menor entre os pares de elétrons. Número estérico 4 1 par de elétrons livres 2 pares de elétrons livres Tetraédrico Piramidal Angular Estrutura Descrição Exempl o Número estérico 5 1 par de elétrons livres 2 pares de elétrons livres 3 pares de elétrons livres Gangorr a Bipirâmid e trigonal Forma de T Linear Exempl o Estrutur a Descrição Número estérico 6 1 par de elétrons livres 2 pares de elétrons livres Octaédric a Pirâmide de base quadrada Quadrado - planar Descrição Estrutura Exemplo Previsão da Geometria Molecular O efeito dos elétrons não-ligantes e ligações múltiplas nos ângulos de ligação • Determinamos o arranjo observando apenas os elétrons. • Damos nome à geometria molecular pela posição dos átomos. • Ignoramos os pares solitários na geometria molecular. • Todos os átomos que obedecem a regra do octeto têm arranjos tetraédricos. Modelo RPENV No nosso modelo experimental, o ângulo de ligação H-X-H diminui ao passarmos do C para o N e para o O: • Como os elétrons em uma ligação são atraídos por dois núcleos, eles não se repelem tanto quanto os pares solitários. • Conseqüentemente, os ângulos de ligação diminuem quando o número de pares de elétrons não-ligantes aumenta. 104.5O107O N HHH C H HHH 109.5O O HH O efeito dos elétrons não-ligantes e ligações múltiplas nos ângulos de ligaçãoModelo RPENV O efeito dos elétrons não-ligantes e ligações múltiplas nos ângulos de ligação • Da mesma forma, os elétrons nas ligações múltiplas se repelem mais do que os elétrons nas ligações simples. C O Cl Cl 111.4o 124.3o Modelo RPENV Moléculas com níveis de valência expandidos • Os átomos que têm expansão de octeto têm arranjos AB5 (de bipirâmide trigonal) ou AB6 (octaédricos). • Para as estruturas de bipirâmides trigonais existe um plano contendo três pares de elétrons. O quarto e o quinto pares de elétrons estão localizados acima e abaixo desse plano. • Para as estruturas octaédricas, existe um plano contendo quatro pares de elétrons. Da mesma forma, o quinto e o sexto pares de elétrons estão localizados acima e abaixo desse plano. Modelo RPENV Para minimizar a repulsão e--e- , os pares solitários são sempre colocados em posições equatoriais. • Quando existe uma diferença de eletronegatividade entre dois átomos, a ligação entre eles é polar. • É possível que uma molécula que contenha ligações polares não seja polar. • Por exemplo, os dipolos de ligação no CO2 cancelam-se porque o CO2 é linear. Forma molecular e polaridade molecular • A polaridade como um todo de uma molécula depende de sua geometria molecular. Forma molecular e polaridade molecular ⇢ Moléculas nas quais o átomo central é rodeado simetricamente por átomos idênticos são apolares. ⇢ Moléculas do tipo ABn nas quais todos os átomos B são iguais, devem resultar em moléculas apolares mesmo que as ligações individuais sejam polares. Fomas moleculares simétricas: Linear (AB); Angular (AB2); Trigonal plana (AB3); Tetraédrica (AB4) Polaridade de Ligações 159 Momento de Dipolo Polaridade de Ligações 160 Momento de Dipolo 161 1. Sobre as seguintes geometrias moleculares, assinale V ou F. ( ) CO2 é apolar,μ= 0 ( ) H2O e BF3 são polares,μ≠ 0 ( ) NH3 e H2O são polares ( ) NH3 e BF3 são apolares ( ) BF3 e CO2 são apolares Exercício Geometria Molecular e Polaridade Exercício Polaridade das Moléculas Resumo de Ligações Simples
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