APOSTILA QUÍMICA III

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SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO PARÁ CAMPUS MARABÁ INDUSTRIAL ENSINO MÉDIO INTEGRADO AO TÉCNICO

LIGAÇÕES QUÍMICAS TEORIA DO OCTETO Se átomos de um mesmo elemento ou de elementos diferentes não tivessem a capacidade de se combinarem uns com os outros, certamente não encontraríamos na natureza uma grande variedade de substâncias. Há diferentes maneiras pelas quais os átomos podem se combinar, como, por exemplo, mediante o ganho ou a perda de elétrons, ou pelo compartilhamento de elétrons dos níveis de valência. Alguns poucos elementos, como os da família dos gases nobres (família 0 ou VIIIA), aparecem na forma de átomos isolados. Esses elementos apresentam oito elétrons na camada de valência. O hélio (He) é a única exceção: ele apresenta apenas uma camada com dois elétrons. Em 1916, os cientistas Lewis e Kossel associaram esses dois fatos, ou seja, a tendência de elementos com oito elétrons na camada de valência aparecerem isoladamente, com a tendência que os elementos manifestam de perder, ganhar ou compartilhar elétrons. A partir dessa associação, propuseram uma teoria para explicar as ligações químicas entre os elementos: Teoria do Octeto: um grande número de átomos adquire estabilidade eletrônica quando apresenta oito elétrons na sua camada mais externa. Essa teoria é aplicada principalmente para os elementos representativos (família A), sendo que os elementos de transição (família B) não seguem obrigatoriamente esse modelo. Embora existam muitas exceções a essa regra, ela continua sendo utilizada por se prestar muito bem como introdução ao conceito de ligação química e por explicar a formação da maioria das substâncias encontradas na natureza. LIGAÇÃO IÔNICA OU ELETROVALENTE Como o próprio nome indica, a ligação iônica ocorre entre íons, positivos (cátions) e negativos (ânions), e é caracterizada pela existência de forças de atração eletrostática entre os íons. A ligação iônica ocorre, então, entre elementos que apresentam tendências opostas, ou seja, é necessário que um dos átomos participantes da ligação possua a tendência de perder elétrons enquanto o outro, a de receber elétrons. Na maioria das vezes, os átomos que perdem elétrons são os metais dos grupos 1, 2 e 13 e os átomos que recebem elétrons são os ametais dos grupos 15, 16 e 17. O hidrogênio (Z = 1) apresenta, na sua primeira e única camada, um elétron, atingindo a estabilidade, nesse tipo de ligação, ao receber mais um elétron. A ligação iônica é a única em que ocorre transferência definitiva de elétrons.

O exemplo mais representativo de uma ligação iônica é a formação do sal de cozinha (cloreto de sódio) a partir de átomos de sódio (Na) e de cloro (Cl). O átomo de sódio (Na) não é estável pela Teoria do Octeto, pois apresenta um elétron na camada de valência. Sua estabilidade eletrônica será atingida pela perda de um elétron, originando o íon Na+ :

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O átomo de cloro (Cl) não é estável pela Teoria do Octeto, pois apresenta sete elétrons na camada de valência. Sua estabilidade eletrônica será atingida pelo ganho de um elétron, originando o íon Cl–.

Usando as representações de Lewis, temos:

Após a formação dos íons (Na+ e Cl–) eletronicamente estáveis, ocorre uma interação eletrostática (cargas com sinal contrário se atraem):

Os compostos assim formados são denominados compostos iônicos. Constituem estruturas eletricamente neutras. A interação entre os íons produz aglomerados com forma geométrica definida, denominados retículos cristalinos, característicos dos sólidos. A existência do retículo iônico determina as principais características desses compostos: a) Como apresentam forma definida, são sólidos nas condições ambientes (temperatura de 25 °C e pressão de 1 atm). b) Os compostos iônicos apresentam elevadas temperatura de fusão e temperatura de ebulição.

c) Quando submetidos a impacto, quebram facilmente, produzindo faces planas; são, portanto, duros e quebradiços. d) Apresentam condutibilidade elétrica quando dissolvidos em água ou quando puros no estado líquido (fundidos), devido à existência de íons com liberdade de movimento, que podem ser atraídos pelos eletrodos, fechando o circuito elétrico. e) Seu melhor solvente é a água.

DETERMINAÇÃO DAS FÓRMULAS DOS COMPOSTOS IÔNICOS

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A fórmula correta de um composto iônico é aquela que mostra a mínima proporção entre os átomos que se ligam, de modo que se forme um sistema eletricamente neutro. Para que isso ocorra, é necessário que o número de elétrons cedidos pelos átomos de um elemento seja igual ao número de elétrons recebidos pelos átomos do outro elemento. Há uma maneira prática, portanto rápida, de determinar a quantidade necessária de cada íon para escrever a fórmula iônica correta:

ATIVIDADES 1) Considere os íons: Cátions: K+, Ca2+, Fe3+

ânions: F–, O2–

Escreva as seis fórmulas resultantes da combinação de cada tipo de cátion com cada tipo de ânion. 2) Os átomos de 13Al e 16S podem originar íons. Determine a carga dos íons estáveis de cada um desses elementos. 3) Combine os pares de elementos e escreva a fórmula do composto resultante: a) 12Mg e 8O;

b) 11Na e 16S;

c) 20Ca e 9F;

d) 13Al e 9F;

e) 12Mg e 7N;

f) 11Na e 1H

4) (PUC-MG) Um elemento X (Z = 20) forma com Y um composto de fórmula X3Y2. O número atômico de Y é: a) 7

b) 9

c) 11

d) 12

e) 18.

5) De modo geral, os compostos que possuem ligações iônicas: a) são solúveis em derivados do petróleo. b) são encontrados na natureza no estado sólido. c) apresentam pontos de ebulição elevados e pontos de fusão baixos. d) são duros e quebradiços. e) apresentam alta condutividade elétrica em solução aquosa. LIGAÇÃO COVALENTE Esse tipo de ligação ocorre quando os átomos envolvidos tendem a receber elétrons. Como é impossível que todos os átomos recebam elétrons sem ceder nenhum, eles compartilham seus elétrons, formando pares eletrônicos. Cada par eletrônico é constituído por um elétron de cada átomo e pertence simultaneamente aos dois átomos. Como não ocorre ganho nem perda de elétrons, formam-se estruturas eletricamente neutras, de grandeza limitada, denominadas moléculas. Por esse motivo, essa ligação também é denominada molecular.

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FÓRMULAS QUÍMICAS A representação do número e dos tipos de átomos que formam uma molécula é feita por uma fórmula química. Existem diferentes tipos de fórmulas: a molecular, a eletrônica e a estrutural plana. a) Molecular: é a representação mais simples e indica apenas quantos átomos de cada elemento químico formam a molécula.

b) Eletrônica: também conhecida como fórmula de Lewis, esse tipo de fórmula mostra, além dos elementos e do número de átomos envolvidos, os elétrons da camada de valência de cada átomo e a formação dos pares eletrônicos.

c) Estrutural plana: também conhecida como fórmula estrutural de Couper, ela mostra as ligações entre os elementos, sendo cada par de elétrons entre dois átomos representado por um traço.

Perceba que mais de um par de elétrons pode ser compartilhado, formando-se, então, ligações simples, duplas e triplas. Veja as fórmulas de algumas moléculas simples:

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LIGAÇÃO COVALENTE DATIVA OU COORDENADA Essa ligação é semelhante à covalente comum, e ocorre entre um átomo que já atingiu a estabilidade eletrônica e outro ou outros que necessitem de dois elétrons para completar sua camada de valência.

A ligação dativa pode ser indicada por uma seta (A B) ou por um traço (A — B). O exemplo clássico dessa ligação é o dióxido de enxofre (SO2). Nesse caso, o enxofre estabelece uma dupla ligação com um dos oxigênios, atingindo a estabilidade eletrônica (oito elétrons na camada de valência). A seguir, o enxofre compartilha um par de seus elétrons com o outro oxigênio, através de uma ligação covalente dativa ou coordenada.

Além do oxigênio, outra espécie química, o cátion H+, comumente se associa a outros elementos através de ligações dativas. O cátion H+ forma-se quando o átomo de hidrogênio, em condições especiais, perde seu único elétron:

A eletrosfera do H+ fica vazia e se estabiliza com dois elétrons, que “recebe” normalmente através de uma dativa. Dois exemplos muito comuns de dativas envolvendo o cátion H+ são a formação dos cátions amônio (NH4+) e hidroxônio (H3O+). a) formação do íon NH4+

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A LIGAÇÃO COVALENTE E AS PROPRIEDADES DE SEUS COMPOSTOS

As propriedades das substâncias formadas por ligações covalentes são muito diferentes das propriedades dos átomos que as formam. Quando as moléculas de uma substância são formadas por um número determinado de átomos, essas substâncias são denominadas moleculares. Em condições ambiente, as substâncias moleculares podem ser encontradas nos três estados físicos: As substâncias moleculares geralmente apresentam Temperatura de fusão (TF) e temperatura de ebulição (TE) inferiores às das substâncias iônicas; quando puras, não conduzem corrente elétrica. Quando a ligação covalente origina compostos com grande número de átomos — geralmente indeterminado —, forma estruturas identificadas como macromoléculas. Tais substâncias são denominadas covalentes; em condições ambiente são sólidas e apresentam elevadas TF e TE. Exemplos:

ALOTROPIA Ao compartilharem elétrons, os átomos podem originar uma ou mais substâncias simples diferentes. Esse fenômeno é denominado alotropia Alotropia: é a propriedade pela qual um mesmo elemento químico pode formar duas ou mais substâncias simples diferentes, que são denominadas variedades alotrópicas do elemento. As variedades alotrópicas podem diferir quanto à quantidade de átomos (atomicidade) e/ou à sua estrutura cristalina. Vejamos os principais casos de alotropia. Oxigênio O elemento oxigênio (O) forma duas variedades alotrópicas; uma delas, mais abundante, é o oxigênio comum (O2) e a outra, o ozônio (O3).

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Carbono Na natureza, o elemento químico carbono (C) forma três variedades alotrópicas: diamante, grafita e fulerenos. Essas três substâncias simples diferem entre si no arranjo dos átomos que formam o retículo cristalino, isto é, a sua estrutura. Enxofre O elemento enxofre (S) forma duas variedades alotrópicas: o enxofre rômbico e o enxofre monoclínico. Essas duas variedades são formadas por moléculas com oito átomos (octatômicas) e podem ser representadas pela fórmula S8. Embora os cristais das duas variedades alotrópicas sejam diferentes, ambos são formados por anéis com oito átomos, interligados conforme a figura ao lado.

ATIVIDADES 1) Consulte a tabela periódica e monte o quadro a seguir, substituindo os asteriscos (*) pelas fórmulas que faltam.

2) Um elemento X possui 6 elétrons de valência. Represente a fórmula eletrônica, estrutural e molecular desse elemento quando combinado com o hidrogênio. 3) O monóxido de carbono (CO) é um dos principais poluentes atmosféricos. Esse gás incolor e inodoro pode ser letal a partir de determinadas concentrações. Escreva sua fórmula eletrônica e estrutural. 4) Considere os elementos 1A, 8B, 17C. a) Faça a distribuição eletrônica dos três elementos e indique o número de elétrons existentes em suas camadas de valência. b) Faça a combinação entre (A e B) e (A e C). Indique a fórmula eletrônica e a estrutural de cada composto resultante das combinações. c) Quantos elétrons existem em uma molécula do composto resultante da combinação entre os elementos B e C? 5) Escreva a fórmula eletrônica e a estrutural das seguintes substâncias: (Consulte a tabela periódica.) a) gás cloro—Cl2; b) gás flúor — F2; c) gás nitrogênio—N2; d) gás oxigênio — O2. 6) Considere as espécies químicas Br2 e KBr. Dados os números de elétrons na camada de valência, K = 1 e Br = 7, explique, justificando, o tipo de ligação que ocorre entre os átomos de: a) bromo, no Br2; b) potássio e bromo, no KBr.

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7) Faça as fórmulas de Lewis e estruturais para os compostos formados pelos seguintes elementos químicos e identifique o tipo de ligação que ocorreu (utilize a tabela periódica). a) H e Cl

b) Ca e O

c) Na e F

g) Ba e S

h) Na e O

i) Al e O

d) Mg e Cl e) C e O

e) H e F

f) Mg e O

j) S e O

8) O elemento oxigênio é o mais abundante na crosta terrestre até uma profundidade de 12 km. Esse elemento apresenta duas variedades alotrópicas: Pela observação da fórmula estrutural dos dois gases, identifique qual o número de elétrons compartilhados em cada molécula de oxigênio e ozônio. LIGAÇÃO METÁLICA Algumas propriedades apresentadas pelos metais são muito diferentes das observadas em outras substâncias. A maioria dos metais é sólida à temperatura ambiente (25 °C) e apresenta cor prateada. As exceções são o mercúrio — único metal encontrado no estado líquido, cujo brilho característico é denominado aspecto metálico —, o cobre (Cu) e o ouro (Au), os quais apresentam, respectivamente, cor avermelhada e dourada. Experiências com raios X levam a crer que os retículos cristalinos dos metais sólidos consistem em um agrupamento de cátions fixos, rodeados por um verdadeiro "mar" de elétrons. Esses elétrons são provenientes da camada de valência dos respectivos átomos e não são atraídos por nenhum núcleo em particular: eles são deslocalizados. Esses elétrons ocupam o retículo cristalino do metal por inteiro e a liberdade que têm de se moverem através do cristal é responsável pelas propriedades que caracterizam os metais: • condutibilidade — são excelentes condutores de corrente elétrica e de calor; • maleabilidade — capacidade de produzir lâminas, chapas muito finas; • ductibilidade — capacidade de produzir fios. Com a aplicação de uma pressão adequada numa determinada região da superfície do metal, provocamos um deslizamento das camadas de átomos, produzindo lâminas ou fios. Formação de ligas metálicas Ligas metálicas: são materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos, sendo pelo menos um deles metal. As ligas metálicas possuem algumas características que os metais puros não apresentam e por isso são produzidas industrialmente e muito utilizadas. Veja os exemplos:

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ATIVIDADES: 1) A condutibilidade elétrica dos metais é explicada admitindo-se: a) ruptura de ligações iônicas. b) ruptura de ligações covalentes. c) existência de prótons livres. d) existência de elétrons livres. e) existência de nêutrons livres. 2) Nenhuma teoria convencional de ligação química é capaz de justificar as propriedades dos compostos metálicos. Investigações indicam que os sólidos metálicos são compostos de um arranjo regular de íons positivos, no qual os elétrons das ligações estão apenas parcialmente localizados. Isto significa dizer que se tem um arranjo de íons metálicos distribuídos em um "mar" de elétrons móveis. Com base nestas informações, é correto afirmar que os metais, geralmente: a) têm elevada condutividade elétrica e baixa condutividade térmica. b) são solúveis em solventes apolares e possuem baixas condutividades térmica e elétrica. c) são insolúveis em água e possuem baixa condutividade elétrica. d) conduzem com facilidade a corrente elétrica e são solúveis em água. e) possuem elevadas condutividades elétrica e térmica.

3) As figuras a seguir representam, esquematicamente, estruturas de diferentes substâncias, à temperatura ambiente.

Identifique os tipos de ligações químicas que ocorrem nas substâncias representadas acima.

Bibliografia USBERCO, J. SALVADOR, E. Química. 5ª ed. São Paulo: Editora Cortez, 2002.

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