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Engenharia de Processos Químicos e Bioquímicos ·
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QUÍMICA INORGÂNICA AULA 2 Prof Eduardo Moraes Araújo CONVERSA INICIAL Estudar química inorgânica nos dá base para compreendermos diferentes assuntos na química como um todo Nesta aula estudaremos os seguintes temas Ligações químicas Hibridização Eles são a base para muitos outros assuntos chegando até a facilitar o aprendizado sobre por exemplo química orgânica química geral ou até mesmo físicoquímica TEMA 1 LIGAÇÕES QUÍMICAS 11 REGRA DO OCTETO A regra do octeto uma das mais importantes para a compreensão das ligações químicas muitas vezes é demonstrada como sendo a necessidade de um determinado elemento possuir 8 elétrons em sua camada de valência Mas essa definição não é a mais correta pois se assim o fosse como explicar elementos como o hidrogênio H que adquire estabilidade realizando apenas uma ligação simples e ficando com apenas 2 elétrons Ou o enxofre S que pode realizar até 6 ligações ficando com mais de 8 elétrons Então vamos entender o motivo da regra do octeto ser explicada dessa forma O motivo está no grupo dos gases nobres que é o 18 da tabela periódica composto pelos elementos He hélio Ne neônio Ar argônio Kr criptônio Xe xenônio Rn radônio e mais atualmente o Og oganesson No quadro 1 a seguir é possível identificar o símbolo como já apresentado seus números atômicos e suas distribuições eletrônicas em subníveis e níveis de energia Quadro 1 Distribuição eletrônica para os gases nobres por subníveis e por níveis de energia Símbolo Número atômico Z Distribuição eletrônica Subníveis Níveis He 2 1s² K2 Ne 10 Ne 2s² 2p6 K2 L8 Ar 18 Ne 3s² 3p6 K2 L8 M8 Kr 36 Ar 4s2 3d10 4p6 K2 L8 M18 N8 Xe 54 Kr 5s2 4d10 5p6 K2 L8 M18 N18 O8 Rn 86 Xe 6s2 4f14 5d10 6p6 K2 L8 M18 N32 O18 P8 Og 118 Rn 7s2 5f14 6d10 7p6 K2 L8 M18 N32 O32 P18 Q8 Fonte Araújo 2020 É possível notar que com exceção do hélio todos os demais elementos têm 8 elétrons na camada de valência que seria o último nível energético Esse grupo da tabela periódica era rotulado como o grupo 0 da tabela porque se acreditava que tinham a valência de zero o que significa que seus átomos não podem se combinar com outros elementos para formar compostos devido a sua alta estabilidade Hoje sabese que eles podem se combinar com outros elementos para formar uma infinidade de compostos mas ainda são considerados estáveis A estabilidade de forma bem simplificada pode ser compreendida como a possibilidade de ter 8 elétrons na camada de valência Analisando a camada de valência e a distribuição dos elétrons nos orbitais no quadro 2 a seguir é possível identificar o motivo de historicamente se pensar que esses elementos não faziam ligações com uma estabilidade elevada Quadro 2 Distribuição dos elétrons nos orbitais Elementos Camada de valência Distribuição nos orbitais He 1s² Ne 2s² 2p6 Ar 3s² 3p6 Kr 4s2 4p6 Xe 5s2 5p6 Rn 6s2 6p6 Og 7s2 7p6 Fonte Araújo 2020 Para compreender melhor vamos fazer um paralelo com o elemento enxofre Z16 cuja distribuição é 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 e a camada de valência é 3s2 3p4 Em orbitais fica O enxofre tem dois elétrons desemparelhados sendo 1 no eixo px e 1 no eixo py Sabendo que os orbitais semipreenchidos da camada de valência ou seja com apenas 1 elétron são os que podem receber mais 1 elétron para ficar com 2 que seria o máximo então o enxofre pode em seu estado fundamental receber 2 elétrons ou seja realizar 2 ligações Comparando com os gases nobres todos eles têm os orbitais totalmente preenchidos com 2 elétrons isso os torna estáveis Então usando como base esses exemplos podemos definir a regra do octeto de forma correta os elementos para adquirirem estabilidade realizam ligações com o objetivo de ficarem com a configuração eletrônica igual à de um gás nobre Pelo fato de não ser apenas um gás nobre que não possui 8 elétrons na camada de valência então a regra é generalizada os elementos têm necessidade de possuir 8 elétrons na camada de valência para adquirirem a estabilidade 12 EXCEÇÕES À REGRA DO OCTETO Existem elementos que acabam não fechando ou até mesmo extrapolando a regra do octeto é o exemplo do boro e do enxofre Vamos analisar a distribuição eletrônica desses elementos B Z5 1s2 2s2 2p1 Então o boro como tem 3 elétrons desemparelhados faz 3 ligações sendo que após todas as ligações ainda teria somente 6 elétrons S z16 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 Geralmente escrevemos a distribuição do enxofre dessa forma mas se analisarmos o diagrama de distribuição eletrônica veremos que o terceiro nível é compreendido por 3s 3p e 3d Então poderíamos escrever a distribuição do enxofre da seguinte forma 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 3d0 Não estaria errado pois podemos colocar os subníveis com zero elétron como foi feito Mas por qual motivo faríamos isso Se colocarmos no formato de orbitais veremos que o enxofre pode se comportar de duas formas em estado fundamental e no estado excitado É importante ressaltar que esse salto de elétrons só ocorre dentro do mesmo nível ou seja somente com orbitais participantes do mesmo nível de energia Se analisarmos o boro ligado com o flúor ou o enxofre ligado ao hidrogênio a sua fórmula estrutural seria a descrita na figura 1 a seguir Figura 1 Fórmulas estruturais do BF3 e do H2S Fonte Araújo 2020 O boro nas ligações com o flúor está com 6 elétrons faltando mais 2 para fechar o octeto Já o enxofre em seu estado fundamental que só faz 2 ligações está com 8 elétrons após as ligações com o hidrogênio Mas analisando a estrutura do hexafluoreto de enxofre SF6 na figura 2 a seguir é possível identificar que extrapolou o octeto e o enxofre terá 12 elétrons após as ligações Figura 2 Fórmula estrutural do SF6 Fonte Araújo 2020 Então esses elementos são exemplos de exceções à regra do octeto fechando após as ligações com mais ou menos de 8 elétrons isso seria determinado pelo octeto TEMA 2 HIBRIDIZAÇÃO A palavra hibridação ou hibridização literalmente falando seria equivalente a junção 21 FORMAÇÃO DOS HÍBRIDOS DO CARBONO A hibridação do carbono é formada pela junção dos subníveis da camada de valência 2s² e 2p² em seu estado ativado ou estado excitado conforme pode ser visualizado na figura 3 a seguir Figura 3 Subníveis que formam o estado híbrido do carbono Fonte Araújo 2020 As possíveis hibridações assim como o tipo de ligação que o carbono faz em cada uma das diferentes hibridações são visualizadas na figura 4 a seguir Figura 4 Possíveis hibridações do carbono e o tipo de ligação realizada Fonte Araújo 2020 A figura 5 a seguir demonstra os tipos de ligações sigma ou pi que o carbono faz nas diferentes hibridações bem como o ângulo de ligação e sua geometria molecular Figura 5 Hibridações tipos de ligações e sua geometria molecular Fonte Araújo 2020 22 HIBRIDAÇÃO DO BORO Como já vimos o boro em seu estado excitado possui 1 elétron no subnível s e 2 elétrons desemparelhados em seus orbitais do subnível p Pela figura 6 a seguir é possível determinar a hibridação do boro Figura 6 Hibridação do boro Fonte Araújo 2020 Como houve a junção do subnível s com 2 p fica então a hibridação do tipo sp² 23 HIBRIDAÇÃO DO FLÚOR O elemento flúor Z9 possui distribuição eletrônica 1s2 2s2 2p5 e na forma de orbitais seria Para o flúor não existe a possibilidade de estado excitado pois não existem orbitais vazios Há apenas 1 orbital semipreenchido ou seja 1 elétron desemparelhado fazendo então apenas 1 ligação e fechando o octeto Dessa forma a sua hibridação será somente 1p pois somente o pz receberá elétron na ligação 24 HIBRIDAÇÃO DO BF3 Para a hibridação da molécula do BF3 basta juntar as hibridações dos elementos conforme mostra o quadro 3 a seguir Quadro 3 Hibridação dos elementos B e F na molécula do BF3 Elemento Hibridação Substância Hibridação B sp² BF3 σ psp² F P Fonte Araújo 2020 25 HIBRIDAÇÃO DO ENXOFRE Considerando o enxofre no estado excitado a distribuição da camada de valência na forma de orbitais como já visto fica Então quando o enxofre está com 6 elétrons desemparelhados ou 6 orbitais semipreenchidos faz 6 ligações Assim usará o subnível s os 3 orbitais do subnível p px py e pz e 2 orbitais do subnível d Juntando tudo isso a hibridação do enxofre seria na molécula SF6 que ficaria sp³d² Lembrando que a hibridação do flúor seria somente a p então a hibridação das ligações da molécula seria σ psp³d² A ligação é do tipo sigma σ porque as ligações são simples TEMA 3 LIGAÇÃO IÔNICA A ligação iônica é aquela que ocorre entre um elemento muito eletronegativo ou ametal e outro muito eletropositivo ou metal Nessa ligação ocorre a transferência de elétrons do metal para o ametal Na tabela periódica conforme a figura 7 a seguir é possível notar os tipos de elementos por meio da coloração Figura 7 Tabela periódica Crédito Emre TerimShutterstock De maneira generalizada os elementos que estão em vermelho e em amarelo são os metais os de coloração cinza são os metaloides semimetais com propriedades híbridas de metais e de não metais e os elementos em verde são os não metais lembrando que a última coluna denominada grupo ou família são os gases nobres 31 FORMAÇÃO DE ÍONS Os íons são formados pelo ganho ou pela perda de elétrons conforme demonstra a figura 8 a seguir Figura 8 Formação de íons Fonte Araújo 2020 Os elementos metálicos cedem elétrons tornandose cátions íons de carga positiva e os não metais recebem esses elétrons tornandose ânions íons de carga negativa Assim como terão cargas opostas por atração eletrostática visto que os opostos se atraem eles se ligam para formar o retículo cristalino 32 RETÍCULO CRISTALINO O termo tem o significado de ordenação interna em que os átomos estão organizados em um sistema geométrico regular Aqueles constituintes de um mineral são distribuídos ordenadamente formando uma rede denominada retículo cristalino como mostra a figura 9 a seguir Figura 9 Demonstração da formação do retículo cristalino e do cloreto de sódio NaCl visto no microscópio Crédito Kuttelvaserova StuchelovaShutterstock 33 FORMULAÇÃO DE COMPOSTOS IÔNICOS Para montar a fórmula dos compostos iônicos é necessário simplesmente verificar a quantidade de átomos que serão utilizados Lembrando que na ligação iônica ocorre a ligação de metais elementos que cedem elétrons com ametais ou não metais elementos que recebem esses elétrons ou seja é um tipo de ligação na qual ocorre a transferência de elétrons 34 REPRESENTAÇÃO DE LEWIS A representação de Lewis demonstra os elétrons da camada de valência dos elementos bem como a transferência de elétrons por meio de setas que saem do metal e chegam aos ametais Essas setas representam que os metais estão perdendo elétrons e os ametais estão recebendo esses elétrons Vamos analisar o exemplo da formação da bauxita um óxido de alumínio de grande importância para a indústria metalúrgica e o principal minério para a produção de alumínio Al z13 1s² 2s² 2p6 3s² 3p¹ K2 L8 M3 O Z8 1s² 2s² 2p4 K2 L6 Para definição de um metal ou ametal devemos nos lembrar da relação que existe entre a quantidade de elétrons na camada de valência e o tipo de elemento conforme é mostrado no quadro 4 a seguir Quadro 4 Relação da quantidade de elétrons da camada de valência com o tipo de elemento da tabela periódica Quantidade de elétrons na camada de valência Tipo de elemento Exceção 1 2 ou 3 Metal H e He 5 6 ou 7 Ametal 8 Gases nobres He Fonte Araújo 2020 Quando o elemento tem 4 elétrons isso significa que ele pertence à família ou grupo do carbono e sua classificação dependerá do período em que esse elemento se encontra pois nessa família existem metais ametais ou semimetais nomenclatura um pouco mais antiga já que na atualidade são considerados metais Sendo assim a representação de Lewis para a ligação do alumínio com o oxigênio ocorre como mostra a figura 10 a seguir Figura 10 Demonstração de Lewis para a ligação de Al e O Fonte Araújo 2020 Como analisamos na figura 10 foram necessários 2 alumínios e 3 oxigênios ou seja a fórmula seria Al2O3 É importante ressaltar que os metais devem doar todos os elétrons da camada de valência e os ametais devem recebêlos até fechar o octeto 35 MONTAGEM DE FÓRMULAS PELO NOX NÚMERO DE OXIDAÇÃO O nox dos elementos também pode ser utilizado para a montagem de fórmulas Para determinar o nox basta realizar a distribuição eletrônica e verificálo conforme os elementos ganham ou perdem elétrons Quadro 5 Relação dos elétrons da camada de valência com o nox dos elementos Metal Elétrons na camada de valência 1 2 3 Nox 1 2 3 Ametal Elétrons na camada de valência 5 6 7 Nox 3 2 1 Fonte Araújo 2020 Utilizando o mesmo exemplo ou seja o alumínio ligado com o oxigênio teremos o que mostra a figura 11 a seguir Figura 11 Demonstração de nox para a ligação de Al e O Fonte Araújo 2020 36 PROPRIEDADES DAS LIGAÇÕES IÔNICAS A ligação entre cargas polos opostas é muito forte aumentando substancialmente os valores dos pontos de fusão e ebulição das substâncias formadas por esse tipo de ligação Vejamos algumas propriedades São sólidos em condições normais de temperatura 25C e pressão 1 atm São duros e quebradiços Possuem pontos de fusão e ebulição elevados pelo fato de a atração elétrica entre os íons ser muito forte Exemplo NaCl PF 801C e PE 1413C Em solução aquosa dissolvida em água ou em líquidos quando aquecidos até o ponto de fusão são condutores de corrente elétrica ou seja são soluções eletrolíticas Seu melhor solvente é a água pois assim como ela esses compostos são polares embora existam substâncias praticamente insolúveis em água TEMA 4 LIGAÇÃO COVALENTE Denominase ligação covalente ou molecular aquela que ocorre entre dois ametais É baseada no compartilhamento de elétrons entre esses elementos com o objetivo de que todos eles fechem o octeto ou realizem todas as possíveis ligações caso haja expansão da regra do octeto anteriormente denominada de ligação covalente dativa ou coordenada cujo nome está em desuso Vamos montar a estrutura do ácido sulfúrico que será demonstrada na figura 12 a seguir para melhor visualização Figura 12 Fórmula eletrônica ou de Lewis do ácido sulfúrico Fonte Araújo 2020 41 FORMULAÇÃO DE COMPOSTOS COVALENTES A fórmula que no caso da ligação covalente pode ser nomeada de fórmula molecular seria a indicação da quantidade de elementos que foram utilizados No caso do ácido sulfúrico ficaria H2SO4 Vamos montar mais um exemplo agora com o dióxido de carbono conforme é mostrado na figura 13 a seguir Figura 13 Fórmula eletrônica ou de Lewis do gás carbônico Fonte Araújo 2020 A fórmula molecular do dióxido de carbono fica então CO2 Mas qual o motivo de ser CO2 e não O2C Geralmente o elemento mais eletronegativo é colocado no final da fórmula e o menos eletronegativo na frente embora haja algumas exceções como é o caso da molécula de amônia por exemplo que tem a fórmula NH3 sendo que o nitrogênio N é mais eletronegativo que o hidrogênio H 42 PROPRIEDADES DAS LIGAÇÕES COVALENTES Os compostos moleculares têm algumas propriedades que os diferenciam da ligação iônica Estados físicos os compostos covalentes podem ser encontrados nos três estados físicos ou seja sólido líquido ou gasoso à temperatura ambiente Polaridade podem existir compostos covalentes tanto polares como apolares O que irá determinar sua polaridade será a diferença de eletronegatividade entre os átomos envolvidos na ligação covalente Se a diferença de eletronegatividade for menor que 05 o composto será covalente apolar se for entre 05 e 19 será covalente polar e se for maior que 19 não será mais ligação covalente será iônica Mas vale lembrar que a polaridade de compostos covalentes está diretamente ligada ao conceito de geometria das moléculas o qual será visto em conteúdos posteriores Pontos de fusão e ebulição são substâncias que apresentam baixa atração entre os elementos constituintes da ligação sendo então baixa a energia necessária para separálas e fazêlas mudar de estado físico Devido a esse fato seus pontos de ebulição e fusão são inferiores aos das substâncias iônicas Condutividade elétrica quando são polares são condutores e quando são apolares não são condutores Mas mesmo os condutores apresentam baixa condutibilidade elétrica Solubilidade segue a regra básica da química que diz que semelhante dissolve semelhante ou seja serão solúveis em solventes polares se também forem polares e serão solúveis em solventes apolares se também forem apolares TEMA 5 LIGAÇÃO METÁLICA Denominase ligação metálica aquela que ocorre entre metais embora haja exceção como é o caso do aço por exemplo que é uma ligação entre o ferro um metal e o carbono considerado um ametal 51 DEFINIÇÃO DE MAR DE ELÉTRONS Como a ligação ocorre entre metais e esse tipo de elemento tem o potencial de perder elétrons acaba tendo uma grande quantidade de elétrons livres que são chamados de mar de elétrons Fazendo um paralelo imagine um muro de tijolos os tijolos seriam os átomos metálicos e a massa que liga os tijolos seria o mar de elétrons conforme demonstrado na figura 14 a seguir Figura 14 Representação do mar de elétrons na visão de um muro de tijolos Fonte Araújo 2020 52 PROPRIEDADES DAS LIGAÇÕES METÁLICAS Mais uma vez fazendo um paralelo dessa vez com uma história muito conhecida a dos três porquinhos na qual o lobo derrubou a casa produzida de palha e também a de madeira mas a de tijolos não conseguiu derrubar as ligações seguem essa mesma relação de força Ou seja uma ligação mais fraca seria a covalente comparada com a casa de palha uma intermediária seria a iônica comparada com a casa de madeira e uma mais forte seria a metálica comparada com a casa de tijolos Esse paralelo é demonstrado na figura 15 a seguir Figura 15 Paralelo do tipo de ligação com a sua força Crédito Christos GeorghiouShutterstock Então como a ligação metálica é a mais forte devido à formação do mar de elétrons que une os átomos o seu ponto de fusão e ebulição é o maior se comparado com o dos outros tipos de ligação Como existe uma grande quantidade de elétrons livres mesmo no estado sólido eles são bons condutores de eletricidade tanto no estado líquido quanto no estado sólido São maleáveis ou seja podem ser utilizados para produzir finas lâminas são dúcteis podendo ser transformados em fios e são excelentes condutores de calor 53 EXEMPLOS DE LIGAS METÁLICAS Aço comum liga metálica muito resistente composta de ferro Fe e carbono C Aço inoxidável liga metálica composta de ferro Fe carbono C cromo Cr e níquel Ni Bronze liga metálica formada por cobre Cu e estanho Sn Latão liga metálica constituída de cobre Cu e zinco Zn Ouro 18K liga metálica formada para a fabricação de joias composta de 75 de ouro Au e 25 de cobre Cu ou prata Ag O ouro puro seria o de 24K 24 quilates NA PRÁTICA Agora é sua vez Faça os exercícios a seguir 1 OSEC As hibridações de orbitais sp sp2 e sp3 possuem respectivamente os seguintes ângulos a 120 109 180 b 120 180 109 c 109 180 120 d 180 120 109 e 180 109 120 2 NH3 H2O e CH4 são moléculas explicáveis por hibridação a sp b sp2 c sp3 d dsp3 e d2sp3 3 Dadas as moléculas CCl4 e BCl3 qual não obedece à regra do octeto 4 Monte a representação eletrônica da substância iônica AlCl3 FINALIZANDO Praticamente tudo o que nos rodeia é formado pelas ligações químicas inclusive os próprios elementos que se não fossem combinados uns com os outros praticamente não existiriam Então estudar ligações é aprender sobre a formação de tudo o que nos rodeia
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QUÍMICA INORGÂNICA AULA 2 Prof Eduardo Moraes Araújo CONVERSA INICIAL Estudar química inorgânica nos dá base para compreendermos diferentes assuntos na química como um todo Nesta aula estudaremos os seguintes temas Ligações químicas Hibridização Eles são a base para muitos outros assuntos chegando até a facilitar o aprendizado sobre por exemplo química orgânica química geral ou até mesmo físicoquímica TEMA 1 LIGAÇÕES QUÍMICAS 11 REGRA DO OCTETO A regra do octeto uma das mais importantes para a compreensão das ligações químicas muitas vezes é demonstrada como sendo a necessidade de um determinado elemento possuir 8 elétrons em sua camada de valência Mas essa definição não é a mais correta pois se assim o fosse como explicar elementos como o hidrogênio H que adquire estabilidade realizando apenas uma ligação simples e ficando com apenas 2 elétrons Ou o enxofre S que pode realizar até 6 ligações ficando com mais de 8 elétrons Então vamos entender o motivo da regra do octeto ser explicada dessa forma O motivo está no grupo dos gases nobres que é o 18 da tabela periódica composto pelos elementos He hélio Ne neônio Ar argônio Kr criptônio Xe xenônio Rn radônio e mais atualmente o Og oganesson No quadro 1 a seguir é possível identificar o símbolo como já apresentado seus números atômicos e suas distribuições eletrônicas em subníveis e níveis de energia Quadro 1 Distribuição eletrônica para os gases nobres por subníveis e por níveis de energia Símbolo Número atômico Z Distribuição eletrônica Subníveis Níveis He 2 1s² K2 Ne 10 Ne 2s² 2p6 K2 L8 Ar 18 Ne 3s² 3p6 K2 L8 M8 Kr 36 Ar 4s2 3d10 4p6 K2 L8 M18 N8 Xe 54 Kr 5s2 4d10 5p6 K2 L8 M18 N18 O8 Rn 86 Xe 6s2 4f14 5d10 6p6 K2 L8 M18 N32 O18 P8 Og 118 Rn 7s2 5f14 6d10 7p6 K2 L8 M18 N32 O32 P18 Q8 Fonte Araújo 2020 É possível notar que com exceção do hélio todos os demais elementos têm 8 elétrons na camada de valência que seria o último nível energético Esse grupo da tabela periódica era rotulado como o grupo 0 da tabela porque se acreditava que tinham a valência de zero o que significa que seus átomos não podem se combinar com outros elementos para formar compostos devido a sua alta estabilidade Hoje sabese que eles podem se combinar com outros elementos para formar uma infinidade de compostos mas ainda são considerados estáveis A estabilidade de forma bem simplificada pode ser compreendida como a possibilidade de ter 8 elétrons na camada de valência Analisando a camada de valência e a distribuição dos elétrons nos orbitais no quadro 2 a seguir é possível identificar o motivo de historicamente se pensar que esses elementos não faziam ligações com uma estabilidade elevada Quadro 2 Distribuição dos elétrons nos orbitais Elementos Camada de valência Distribuição nos orbitais He 1s² Ne 2s² 2p6 Ar 3s² 3p6 Kr 4s2 4p6 Xe 5s2 5p6 Rn 6s2 6p6 Og 7s2 7p6 Fonte Araújo 2020 Para compreender melhor vamos fazer um paralelo com o elemento enxofre Z16 cuja distribuição é 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 e a camada de valência é 3s2 3p4 Em orbitais fica O enxofre tem dois elétrons desemparelhados sendo 1 no eixo px e 1 no eixo py Sabendo que os orbitais semipreenchidos da camada de valência ou seja com apenas 1 elétron são os que podem receber mais 1 elétron para ficar com 2 que seria o máximo então o enxofre pode em seu estado fundamental receber 2 elétrons ou seja realizar 2 ligações Comparando com os gases nobres todos eles têm os orbitais totalmente preenchidos com 2 elétrons isso os torna estáveis Então usando como base esses exemplos podemos definir a regra do octeto de forma correta os elementos para adquirirem estabilidade realizam ligações com o objetivo de ficarem com a configuração eletrônica igual à de um gás nobre Pelo fato de não ser apenas um gás nobre que não possui 8 elétrons na camada de valência então a regra é generalizada os elementos têm necessidade de possuir 8 elétrons na camada de valência para adquirirem a estabilidade 12 EXCEÇÕES À REGRA DO OCTETO Existem elementos que acabam não fechando ou até mesmo extrapolando a regra do octeto é o exemplo do boro e do enxofre Vamos analisar a distribuição eletrônica desses elementos B Z5 1s2 2s2 2p1 Então o boro como tem 3 elétrons desemparelhados faz 3 ligações sendo que após todas as ligações ainda teria somente 6 elétrons S z16 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 Geralmente escrevemos a distribuição do enxofre dessa forma mas se analisarmos o diagrama de distribuição eletrônica veremos que o terceiro nível é compreendido por 3s 3p e 3d Então poderíamos escrever a distribuição do enxofre da seguinte forma 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 3d0 Não estaria errado pois podemos colocar os subníveis com zero elétron como foi feito Mas por qual motivo faríamos isso Se colocarmos no formato de orbitais veremos que o enxofre pode se comportar de duas formas em estado fundamental e no estado excitado É importante ressaltar que esse salto de elétrons só ocorre dentro do mesmo nível ou seja somente com orbitais participantes do mesmo nível de energia Se analisarmos o boro ligado com o flúor ou o enxofre ligado ao hidrogênio a sua fórmula estrutural seria a descrita na figura 1 a seguir Figura 1 Fórmulas estruturais do BF3 e do H2S Fonte Araújo 2020 O boro nas ligações com o flúor está com 6 elétrons faltando mais 2 para fechar o octeto Já o enxofre em seu estado fundamental que só faz 2 ligações está com 8 elétrons após as ligações com o hidrogênio Mas analisando a estrutura do hexafluoreto de enxofre SF6 na figura 2 a seguir é possível identificar que extrapolou o octeto e o enxofre terá 12 elétrons após as ligações Figura 2 Fórmula estrutural do SF6 Fonte Araújo 2020 Então esses elementos são exemplos de exceções à regra do octeto fechando após as ligações com mais ou menos de 8 elétrons isso seria determinado pelo octeto TEMA 2 HIBRIDIZAÇÃO A palavra hibridação ou hibridização literalmente falando seria equivalente a junção 21 FORMAÇÃO DOS HÍBRIDOS DO CARBONO A hibridação do carbono é formada pela junção dos subníveis da camada de valência 2s² e 2p² em seu estado ativado ou estado excitado conforme pode ser visualizado na figura 3 a seguir Figura 3 Subníveis que formam o estado híbrido do carbono Fonte Araújo 2020 As possíveis hibridações assim como o tipo de ligação que o carbono faz em cada uma das diferentes hibridações são visualizadas na figura 4 a seguir Figura 4 Possíveis hibridações do carbono e o tipo de ligação realizada Fonte Araújo 2020 A figura 5 a seguir demonstra os tipos de ligações sigma ou pi que o carbono faz nas diferentes hibridações bem como o ângulo de ligação e sua geometria molecular Figura 5 Hibridações tipos de ligações e sua geometria molecular Fonte Araújo 2020 22 HIBRIDAÇÃO DO BORO Como já vimos o boro em seu estado excitado possui 1 elétron no subnível s e 2 elétrons desemparelhados em seus orbitais do subnível p Pela figura 6 a seguir é possível determinar a hibridação do boro Figura 6 Hibridação do boro Fonte Araújo 2020 Como houve a junção do subnível s com 2 p fica então a hibridação do tipo sp² 23 HIBRIDAÇÃO DO FLÚOR O elemento flúor Z9 possui distribuição eletrônica 1s2 2s2 2p5 e na forma de orbitais seria Para o flúor não existe a possibilidade de estado excitado pois não existem orbitais vazios Há apenas 1 orbital semipreenchido ou seja 1 elétron desemparelhado fazendo então apenas 1 ligação e fechando o octeto Dessa forma a sua hibridação será somente 1p pois somente o pz receberá elétron na ligação 24 HIBRIDAÇÃO DO BF3 Para a hibridação da molécula do BF3 basta juntar as hibridações dos elementos conforme mostra o quadro 3 a seguir Quadro 3 Hibridação dos elementos B e F na molécula do BF3 Elemento Hibridação Substância Hibridação B sp² BF3 σ psp² F P Fonte Araújo 2020 25 HIBRIDAÇÃO DO ENXOFRE Considerando o enxofre no estado excitado a distribuição da camada de valência na forma de orbitais como já visto fica Então quando o enxofre está com 6 elétrons desemparelhados ou 6 orbitais semipreenchidos faz 6 ligações Assim usará o subnível s os 3 orbitais do subnível p px py e pz e 2 orbitais do subnível d Juntando tudo isso a hibridação do enxofre seria na molécula SF6 que ficaria sp³d² Lembrando que a hibridação do flúor seria somente a p então a hibridação das ligações da molécula seria σ psp³d² A ligação é do tipo sigma σ porque as ligações são simples TEMA 3 LIGAÇÃO IÔNICA A ligação iônica é aquela que ocorre entre um elemento muito eletronegativo ou ametal e outro muito eletropositivo ou metal Nessa ligação ocorre a transferência de elétrons do metal para o ametal Na tabela periódica conforme a figura 7 a seguir é possível notar os tipos de elementos por meio da coloração Figura 7 Tabela periódica Crédito Emre TerimShutterstock De maneira generalizada os elementos que estão em vermelho e em amarelo são os metais os de coloração cinza são os metaloides semimetais com propriedades híbridas de metais e de não metais e os elementos em verde são os não metais lembrando que a última coluna denominada grupo ou família são os gases nobres 31 FORMAÇÃO DE ÍONS Os íons são formados pelo ganho ou pela perda de elétrons conforme demonstra a figura 8 a seguir Figura 8 Formação de íons Fonte Araújo 2020 Os elementos metálicos cedem elétrons tornandose cátions íons de carga positiva e os não metais recebem esses elétrons tornandose ânions íons de carga negativa Assim como terão cargas opostas por atração eletrostática visto que os opostos se atraem eles se ligam para formar o retículo cristalino 32 RETÍCULO CRISTALINO O termo tem o significado de ordenação interna em que os átomos estão organizados em um sistema geométrico regular Aqueles constituintes de um mineral são distribuídos ordenadamente formando uma rede denominada retículo cristalino como mostra a figura 9 a seguir Figura 9 Demonstração da formação do retículo cristalino e do cloreto de sódio NaCl visto no microscópio Crédito Kuttelvaserova StuchelovaShutterstock 33 FORMULAÇÃO DE COMPOSTOS IÔNICOS Para montar a fórmula dos compostos iônicos é necessário simplesmente verificar a quantidade de átomos que serão utilizados Lembrando que na ligação iônica ocorre a ligação de metais elementos que cedem elétrons com ametais ou não metais elementos que recebem esses elétrons ou seja é um tipo de ligação na qual ocorre a transferência de elétrons 34 REPRESENTAÇÃO DE LEWIS A representação de Lewis demonstra os elétrons da camada de valência dos elementos bem como a transferência de elétrons por meio de setas que saem do metal e chegam aos ametais Essas setas representam que os metais estão perdendo elétrons e os ametais estão recebendo esses elétrons Vamos analisar o exemplo da formação da bauxita um óxido de alumínio de grande importância para a indústria metalúrgica e o principal minério para a produção de alumínio Al z13 1s² 2s² 2p6 3s² 3p¹ K2 L8 M3 O Z8 1s² 2s² 2p4 K2 L6 Para definição de um metal ou ametal devemos nos lembrar da relação que existe entre a quantidade de elétrons na camada de valência e o tipo de elemento conforme é mostrado no quadro 4 a seguir Quadro 4 Relação da quantidade de elétrons da camada de valência com o tipo de elemento da tabela periódica Quantidade de elétrons na camada de valência Tipo de elemento Exceção 1 2 ou 3 Metal H e He 5 6 ou 7 Ametal 8 Gases nobres He Fonte Araújo 2020 Quando o elemento tem 4 elétrons isso significa que ele pertence à família ou grupo do carbono e sua classificação dependerá do período em que esse elemento se encontra pois nessa família existem metais ametais ou semimetais nomenclatura um pouco mais antiga já que na atualidade são considerados metais Sendo assim a representação de Lewis para a ligação do alumínio com o oxigênio ocorre como mostra a figura 10 a seguir Figura 10 Demonstração de Lewis para a ligação de Al e O Fonte Araújo 2020 Como analisamos na figura 10 foram necessários 2 alumínios e 3 oxigênios ou seja a fórmula seria Al2O3 É importante ressaltar que os metais devem doar todos os elétrons da camada de valência e os ametais devem recebêlos até fechar o octeto 35 MONTAGEM DE FÓRMULAS PELO NOX NÚMERO DE OXIDAÇÃO O nox dos elementos também pode ser utilizado para a montagem de fórmulas Para determinar o nox basta realizar a distribuição eletrônica e verificálo conforme os elementos ganham ou perdem elétrons Quadro 5 Relação dos elétrons da camada de valência com o nox dos elementos Metal Elétrons na camada de valência 1 2 3 Nox 1 2 3 Ametal Elétrons na camada de valência 5 6 7 Nox 3 2 1 Fonte Araújo 2020 Utilizando o mesmo exemplo ou seja o alumínio ligado com o oxigênio teremos o que mostra a figura 11 a seguir Figura 11 Demonstração de nox para a ligação de Al e O Fonte Araújo 2020 36 PROPRIEDADES DAS LIGAÇÕES IÔNICAS A ligação entre cargas polos opostas é muito forte aumentando substancialmente os valores dos pontos de fusão e ebulição das substâncias formadas por esse tipo de ligação Vejamos algumas propriedades São sólidos em condições normais de temperatura 25C e pressão 1 atm São duros e quebradiços Possuem pontos de fusão e ebulição elevados pelo fato de a atração elétrica entre os íons ser muito forte Exemplo NaCl PF 801C e PE 1413C Em solução aquosa dissolvida em água ou em líquidos quando aquecidos até o ponto de fusão são condutores de corrente elétrica ou seja são soluções eletrolíticas Seu melhor solvente é a água pois assim como ela esses compostos são polares embora existam substâncias praticamente insolúveis em água TEMA 4 LIGAÇÃO COVALENTE Denominase ligação covalente ou molecular aquela que ocorre entre dois ametais É baseada no compartilhamento de elétrons entre esses elementos com o objetivo de que todos eles fechem o octeto ou realizem todas as possíveis ligações caso haja expansão da regra do octeto anteriormente denominada de ligação covalente dativa ou coordenada cujo nome está em desuso Vamos montar a estrutura do ácido sulfúrico que será demonstrada na figura 12 a seguir para melhor visualização Figura 12 Fórmula eletrônica ou de Lewis do ácido sulfúrico Fonte Araújo 2020 41 FORMULAÇÃO DE COMPOSTOS COVALENTES A fórmula que no caso da ligação covalente pode ser nomeada de fórmula molecular seria a indicação da quantidade de elementos que foram utilizados No caso do ácido sulfúrico ficaria H2SO4 Vamos montar mais um exemplo agora com o dióxido de carbono conforme é mostrado na figura 13 a seguir Figura 13 Fórmula eletrônica ou de Lewis do gás carbônico Fonte Araújo 2020 A fórmula molecular do dióxido de carbono fica então CO2 Mas qual o motivo de ser CO2 e não O2C Geralmente o elemento mais eletronegativo é colocado no final da fórmula e o menos eletronegativo na frente embora haja algumas exceções como é o caso da molécula de amônia por exemplo que tem a fórmula NH3 sendo que o nitrogênio N é mais eletronegativo que o hidrogênio H 42 PROPRIEDADES DAS LIGAÇÕES COVALENTES Os compostos moleculares têm algumas propriedades que os diferenciam da ligação iônica Estados físicos os compostos covalentes podem ser encontrados nos três estados físicos ou seja sólido líquido ou gasoso à temperatura ambiente Polaridade podem existir compostos covalentes tanto polares como apolares O que irá determinar sua polaridade será a diferença de eletronegatividade entre os átomos envolvidos na ligação covalente Se a diferença de eletronegatividade for menor que 05 o composto será covalente apolar se for entre 05 e 19 será covalente polar e se for maior que 19 não será mais ligação covalente será iônica Mas vale lembrar que a polaridade de compostos covalentes está diretamente ligada ao conceito de geometria das moléculas o qual será visto em conteúdos posteriores Pontos de fusão e ebulição são substâncias que apresentam baixa atração entre os elementos constituintes da ligação sendo então baixa a energia necessária para separálas e fazêlas mudar de estado físico Devido a esse fato seus pontos de ebulição e fusão são inferiores aos das substâncias iônicas Condutividade elétrica quando são polares são condutores e quando são apolares não são condutores Mas mesmo os condutores apresentam baixa condutibilidade elétrica Solubilidade segue a regra básica da química que diz que semelhante dissolve semelhante ou seja serão solúveis em solventes polares se também forem polares e serão solúveis em solventes apolares se também forem apolares TEMA 5 LIGAÇÃO METÁLICA Denominase ligação metálica aquela que ocorre entre metais embora haja exceção como é o caso do aço por exemplo que é uma ligação entre o ferro um metal e o carbono considerado um ametal 51 DEFINIÇÃO DE MAR DE ELÉTRONS Como a ligação ocorre entre metais e esse tipo de elemento tem o potencial de perder elétrons acaba tendo uma grande quantidade de elétrons livres que são chamados de mar de elétrons Fazendo um paralelo imagine um muro de tijolos os tijolos seriam os átomos metálicos e a massa que liga os tijolos seria o mar de elétrons conforme demonstrado na figura 14 a seguir Figura 14 Representação do mar de elétrons na visão de um muro de tijolos Fonte Araújo 2020 52 PROPRIEDADES DAS LIGAÇÕES METÁLICAS Mais uma vez fazendo um paralelo dessa vez com uma história muito conhecida a dos três porquinhos na qual o lobo derrubou a casa produzida de palha e também a de madeira mas a de tijolos não conseguiu derrubar as ligações seguem essa mesma relação de força Ou seja uma ligação mais fraca seria a covalente comparada com a casa de palha uma intermediária seria a iônica comparada com a casa de madeira e uma mais forte seria a metálica comparada com a casa de tijolos Esse paralelo é demonstrado na figura 15 a seguir Figura 15 Paralelo do tipo de ligação com a sua força Crédito Christos GeorghiouShutterstock Então como a ligação metálica é a mais forte devido à formação do mar de elétrons que une os átomos o seu ponto de fusão e ebulição é o maior se comparado com o dos outros tipos de ligação Como existe uma grande quantidade de elétrons livres mesmo no estado sólido eles são bons condutores de eletricidade tanto no estado líquido quanto no estado sólido São maleáveis ou seja podem ser utilizados para produzir finas lâminas são dúcteis podendo ser transformados em fios e são excelentes condutores de calor 53 EXEMPLOS DE LIGAS METÁLICAS Aço comum liga metálica muito resistente composta de ferro Fe e carbono C Aço inoxidável liga metálica composta de ferro Fe carbono C cromo Cr e níquel Ni Bronze liga metálica formada por cobre Cu e estanho Sn Latão liga metálica constituída de cobre Cu e zinco Zn Ouro 18K liga metálica formada para a fabricação de joias composta de 75 de ouro Au e 25 de cobre Cu ou prata Ag O ouro puro seria o de 24K 24 quilates NA PRÁTICA Agora é sua vez Faça os exercícios a seguir 1 OSEC As hibridações de orbitais sp sp2 e sp3 possuem respectivamente os seguintes ângulos a 120 109 180 b 120 180 109 c 109 180 120 d 180 120 109 e 180 109 120 2 NH3 H2O e CH4 são moléculas explicáveis por hibridação a sp b sp2 c sp3 d dsp3 e d2sp3 3 Dadas as moléculas CCl4 e BCl3 qual não obedece à regra do octeto 4 Monte a representação eletrônica da substância iônica AlCl3 FINALIZANDO Praticamente tudo o que nos rodeia é formado pelas ligações químicas inclusive os próprios elementos que se não fossem combinados uns com os outros praticamente não existiriam Então estudar ligações é aprender sobre a formação de tudo o que nos rodeia