Módulo 1 - Aula 13 - Ligações iônica, covalente e metálica

A natureza da ligação química dependerá de como acontece o rearranjo dos elétrons na molécula formada.

Regra do octeto
Um átomo estará estável quando sua última camada possuir 8 elétrons (ou 2, caso se trate da camada K). Os átomos não estáveis unem-se uns aos outros a fim de adquirir  essa configuração de estabilidade.
Apenas os gases nobres, nas condições ambientes, apresentam átomos estáveis isolados, isto é, não unidos a outros átomos.

Por que os átomos estabelecem ligações químicas?
Qualquer tipo de ligação química entre dois átomos só se estabelece se o arranjo resultante das interações entre seus núcleos e seus elétrons possuir energia mais baixa que a energia total dos átomos isolados. Assim, podemos dizer que os átomos se ligam para assumirem uma condição de
mais baixa energia.
Esse abaixamento de energia ocorre quando as ligações formadas estão relacionadas aos elétrons mais externos, principalmente os de valência. Podemos explicar um tipo particular de ligação química em termos da estrutura eletrônica dos átomos. Como a estrutura eletrônica está relacionada com a localização do elemento na tabela periódica, podemos prever o tipo e o número de ligações químicas que um elemento pode fazer a partir de seu grupo e período.
O modelo mais usado atualmente para prever ligações químicas é baseado nos trabalhos do químico americano G.  N. Lewis. Esse cientista fez previsões sobre ligações antes mesmo da estrutura eletrônica dos átomos ter sido esclarecida, em 1916.

Ligação iônica
Os elétrons são transferidos de um átomo para outro dando origem a íons de cargas contrárias que se atraem.

Normalmente reação química entre metais alcalinos (Li, Na, K) e halogênios (F, Cl) leva a formação de sais que, se dissolvidos em solução aquosa, conduzem eletricidade. Esta é uma evidência de que os sais são formados por íons.

Metais têm tendência a formar cátions e não metais a formar ânions.

Sempre que um elemento, que necessite doar elétrons para se estabilizar, se unir a outro, que necessite recebê – los, a união se dará por ligação iônica.

No caso da ligação iônica, a ligação química pode ser considerada como a interação eletrostática entre dois íons

Propriedades dos compostos iônicos

Uma regra pode ser usada para identificar uma ligação iônica: ela se dá entre um metal (doador de elétrons) e um ametal ou hidrogênio (receptor de elétrons).

Além dessa característica, esse tipo de ligação apresenta:

·        - estrutura sólida formada por retículos cristalinos; 
         - elevadas temperaturas de fusão e ebulição; sendo assim, são sólidos à temperatura ambiente (25ºC). O cloreto de sódio (NaCℓ), por exemplo, a nível do mar, apresenta temperatura de fusão de 801ºC e temperatura de ebulição de 1465ºC;
    - condutividade elétrica. Essa característica dá-se apenas quando o composto está na fase líquida ou em solução aquosa, pois nas duas situações os íons estão livres (separados). Os íons em movimento passam a ser responsáveis pela condutividade elétrica das substâncias iônicas.

Fórmula: Na Cl

     Um esquema deste tipo de ligação representado a seguir:

Fórmula: AlF₃

Ligação Covalente

Esse tipo de ligação ocorre quando os átomos envolvidos tendem a receber elétrons. É como se dois carros tivessem que dividir apenas quatro rodas.

No caso das moléculas diatômicas como O₂, N₂, F₂ e H₂, os dois átomos competem igualmente pelos elétrons. Deste modo, os elétrons são compartilhados pelos dois átomos. Observamos que somente os elétrons de valência, ou seja, aqueles que estão na última camada e, conseqüentemente, com maior energia, estarão disponíveis para serem transferidos (como numa ligação iônica) ou compartilhados (como na ligação covalente). Dois átomos iguais se unem para compartilhar seus elétrons de valência.

A chamada regra do octeto surge do fato de que quando os átomos doam, recebem ou compartilham elétrons de tal forma que passam a apresentar configuração eletrônica semelhante a dos gases nobres, eles tornam-se mais estáveis em relação a tendência dos elétrons de escaparem do sistema, ou seja, o sistema como um todo torna-se mais estável.

Propriedades dos compostos moleculares

Uma regra pode ser usada para uma ligação covalente. Ela se dá entre ametais (ametal - ametal), um ametal e um hidrogênio ou entre hidrogênios (H-H).

Outras características dos compostos que apresentam essa ligação são:

·        -  temperaturas de fusão e ebulição baixas, se comparados com os compostos iônicos;

·         - estado físico na temperatura ambiente: sólido, líquido e/ou gasoso;

·   - não conduzem corrente elétrica, quando puros em nenhum estado físico. Mas são capazes de conduzir corrente elétrica em solução aquosa, quando houver presença de íons em solução.

Ligação metálica

Os metais têm importante papel no desenvolvimento da civilização. As sociedades modernas contam com uma grande variedade de metais para a fabricação de ferramentas, máquinas e outros itens. Os químicos e outros cientistas têm encontrado utilização até para metais menos abundantes, à medida que buscam materiais para atender às necessidades tecnológicas. Um modelo de ligação metálica deve explicar a ligação entre um grande número de átomos idênticos em um metal puro e também a ligação entre átomos diferentes, como no caso de certas ligas metálicas. A teoria não pode se basear em ligações direcionais, pois muitas propriedades metálicas se conservam após a fusão. Além disso, a teoria deve explicar a grande condutividade elétrica dos metais.

MODELO MAR DE ELÉTRONS

Pode-se imaginar um cristal metálico como um retículo formado por cátions metálicos no qual os elétrons de valência podem movimentar-se livremente nas três direções do cristal. Tal movimentação eletrônica pode ser comparada à movimentação das moléculas de um gás ou de um líquido. Dessa forma, uma maneira muito simples para descrever os metais é o modelo gás de elétrons ou mar de elétrons, em que os átomos metálicos perdem os seus elétrons de valência, já que possuem baixas energias de ionização. Contudo, tais elétrons permanecem confinados ao metal por meio de atração eletrostática com os cátions, o que justifica o fato de eles ficarem uniformemente distribuídos pela estrutura. Nenhum elétron individual está confinado a um cátion específico, por isso os elétrons apresentam grande mobilidade. Isso também explica o caráter não direcional da ligação metálica.

                                               Seção plana de um cristal metálico

 PROPRIEDADES DOS METAIS

Estado físico

Os metais são, em sua maioria, sólidos nas condições ambiente de temperatura e pressão. A rigidez dos metais pode ser associada ao fato de os cátions formarem um retículo cristalino. Os retículos cristalinos mais comuns nos metais são mostrados nas figuras a seguir.

As três estruturas metálicas mais comuns. (a) Estrutura hexagonal de empacotamento compacto, na qual cada cátion é circundado por outros 12. (b) Estrutura cúbica de empacotamento compacto ou cúbica de face centrada, em que o número de coordenação também é 12. (c) Estrutura cúbica de corpo centrado mostrando os 8 vizinhos que circundam cada cátion. Nessas estruturas, podemos pensar nos elétrons se movimentando livremente nos interstícios da rede cristalina.

OBSERVAÇÃO

● Uma exceção importante é o mercúrio (Hg), que se apresenta no estado líquido nas condições normais.

Pontos de fusão e de ebulição

Os metais representativos costumam apresentar pontos de fusão e de ebulição que vão de médios a elevados. Nesses metais, a força de coesão entre os átomos é mantida exclusivamente pelo mar de elétrons e pode ser estimada pela entalpia de atomização dos metais.

Exemplo: Atomização do lítio

Li_(s) → Li_(g)

∆H_atomização = 162 kJ.mol^–1

A força de coesão nos metais representativos aumenta à medida que estes passam do grupo 1 para o grupo 2 e do grupo 2 para o grupo 13 da tabela periódica. Isso sugere que a força da ligação metálica está relacionada ao número de elétrons de valência, o que pode ser explicado facilmente pelo modelo mar de elétrons. Um metal com maior número de elétrons de valência forma maior número de elétrons semilivres e cátions de maior carga. Nesses casos, as ligações não direcionais entre o conjunto de cátions e o conjunto de elétrons são mais intensas.

Os metais de transição, por sua vez, contam com uma contribuição dos elétrons localizados em subníveis d. Tais elétrons possuem energia de ionização alta demais para ficarem deslocalizados. Esses átomos, então, disponibilizam seus elétrons de valência para a formação do mar de elétrons, e os elétrons desemparelhados, localizados em um subnível d mais interno, formam ligações covalentes. Isso explica por que os metais de transição possuem, normalmente, pontos de fusão e de ebulição mais elevados que os representativos.

Condutividade elétrica e térmica

Os metais apresentam boa condutividade elétrica e térmica. Quando uma diferença de potencial é aplicada em um metal, os elétrons, que antes se movimentavam desordenadamente no cristal, passam a fluir ordenadamente do polo negativo para o polo positivo. A alta condutividade térmica dos materiais metálicos também pode ser explicada pela mobilidade dos elétrons, pois essa mobilidade permite a rápida distribuição de energia cinética pelo sólido.

Brilho

A superfície polida de um metal funciona como espelho, isto é, reflete as radiações visíveis que incidem sobre elas sob qualquer ângulo. Isso se deve aos elétrons deslocalizados que absorvem a energia da luz e a emitem quando retornam ao estado fundamental. Como a luz visível em todos os comprimentos de onda é absorvida e imediatamente reemitida, praticamente toda a luz incidente se reflete, conferindo o brilho ao metal.

Solubilidade

Os metais são insolúveis nos solventes moleculares comuns. O mercúrio (Hg) é um líquido que consegue dissolver a maioria dos metais, e os metais alcalinos se dissolvem em amônia líquida (NH3).

Maleabilidade e ductibilidade

Maleabilidade é a facilidade com que um material é transformado em lâminas delgadas, e ductibilidade é a facilidade com que um material se transforma em fios finos. Os metais são bastante maleáveis e dúcteis. Isso significa que, apesar de existir uma força de coesão intensa no retículo cristalino, eles não oferecem muita resistência à deformação de suas estruturas. Tal propriedade está relacionada ao fato de a ligação metálica não ter caráter direcional. Os cátions metálicos de um metal podem deslizar uns pelos outros sem prejuízo das forças atrativas, pois os elétrons estão distribuídos uniformemente e podem acompanhar as mudanças nas posições catiônicas. Os sólidos iônicos, covalentes ou moleculares, não exibem esse comportamento. Considere, por exemplo, a diferença entre deixar cair um cubo de gelo e um bloco de alumínio.

TEORIA DAS BANDAS ELETRÔNICAS

Em estruturas de moléculas como o benzeno, alguns elétrons estão deslocalizados ou distribuídos por vários átomos. A ligação metálica pode ser pensada de maneira similar. Os orbitais atômicos de um átomo metálico superpõem-se aos dos vários átomos vizinhos mais próximos, que, por sua vez, superpõem-se aos orbitais de vários outros átomos.

A superposição ou interpenetração de orbitais atômicos leva à formação de orbitais moleculares. O número de orbitais moleculares é igual ao número inicial de orbitais atômicos que se superpõem. Em um material metálico, o número de orbitais atômicos que interagem é muito grande, o que origina um número elevado de orbitais responsáveis pela ligação metálica. À medida que a superposição de orbitais atômicos ocorre, forma-se a combinação de orbitais ligantes e antiligantes. As energias desses orbitais localizam-se em intervalos pouco espaçados na faixa de energia entre os orbitais de mais alta e mais baixa energia. Consequentemente, a interação de todos os orbitais atômicos de valência de cada átomo metálico com todos os outros adjacentes origina um grande número de orbitais que se estendem por um monocristal metálico inteiro.

As diferenças de energia entre esses orbitais são tão minúsculas que, para efeitos práticos, podemos pensar no conjunto de orbitais como uma banda contínua de estados de energia permitidos, às quais chamamos de bandas eletrônicas ou bandas de energia. A figura a seguir esquematiza essa situação.

Ilustração esquemática de como o número de orbitais moleculares aumenta e seus espaçamentos de energia diminuem à medida que o número de átomos que interagem aumenta. Nos metais, essas interações formam uma banda aproximadamente contínua de orbitais moleculares deslocalizados por toda a rede metálica. O número de elétrons disponível não preenche completamente esses orbitais.

Os elétrons disponíveis para as ligações metálicas não preenchem completamente os orbitais disponíveis; pode-se pensar na banda eletrônica como um recipiente para elétrons parcialmente preenchido. O preenchimento incompleto das bandas eletrônicas dá origem às propriedades tipicamente metálicas. Os elétrons nos orbitais próximos ao topo dos níveis ocupados necessitam de muita pouca energia para serem promovidos para orbitais de energia ainda mais alta, que estão desocupados. Sob influência de qualquer fonte de excitação, como um potencial elétrico aplicado ou absorção de energia térmica, os elétrons passam para níveis antes vagos e podem se mover livremente pela rede, dando origem à condutividade térmica e elétrica.

LIGAS METÁLICAS

As ligas metálicas são formadas pela união de dois ou mais metais ou, ainda, pela união entre metais e ametais, considerando que, neste último caso, a porcentagem dos elementos metálicos é maior.

O preparo das ligas dá-se pela união de seus componentes no estado fundido que, posteriormente, esfriam e se solidificam, resultando em uma solução sólida.

Quando misturamos os componentes, conseguimos formar uma liga que possua determinadas propriedades que faltavam individualmente nos metais.