Ligações Químicas

Teoria Eletrônica de Valência
Prof. Fernando R. Xavier
UDESC 2013
Ligações Químicas
Por quê os elementos químicos tendem a agrupar-se de formas
específicas formando variados compostos?
NaCl
N2O4
C
Mg
CuSO4
K2Cr2O7
H2O
Ligações Químicas
A busca pela
estabilidade energética...
• Gases Nobres
- Mais elevados potenciais de ionização;
- Nenhuma afinidade eletrônica;
- Nenhuma eletronegatividade;
- Nenhuma eletropositividade;
Átomos estáveis
(Inércia química)
Não formam
ligações químicas
Ligações Químicas
Os gases nobres:
preenchidas - ns2np6
Possuem
camadas
eletrônicas
completamente
Os gases nobres sob
corrente elétrica
Ligações Químicas
• Regra do Octeto (Lewis – 1916)
Sugerida após o estudo das configuração eletrônicas e reatividade dos
gases nobres.
“Átomos ligam ligam-se entre si, cedendo, recebendo ou
compartilhando elétrons, na tentativa de adquirir uma
configuração eletrônica estável como a de um gás nobre: 8
e- na camada de valência ou 2 e-, se esta for a K.”
Porém...
- Serve apenas como guia;
- Funciona para um grupo restrito de compostos;
Ligações Químicas
• Classificação das ligações químicas

X
Metálica
Iônica
X
Coordenada
ou dativa
N2O4
NaCl

Covalente
C
Mg
CuSO4
K2Cr2O7
H2O
Ligações Químicas
• Classificação das ligações químicas


Iônica
Covalente
N2O4
NaCl
C
Mg
CuSO4
K2Cr2O7
H2O
Ligações Químicas
• Ligação Iônica
“Interações puramente eletrostáticas entre íons de cargas
opostas (cátions e ânions).”
- Ocorrem geralmente entre metais e não metais;
- Característica dos elementos representativos;
Metais
Não-metais
(eletropositivos)
Formam cátions!
(eletronegativos)
Formam ânions!
Transferência de elétrons...
Cátions + ânions = compostos iônicos
Ligações Químicas
• Ligação Iônica
Exemplo 1: Formação do NaCl
11Na
– 1s2 2s2 2p6 3s1
3s1
+
11Na
– 1s2 2s2 2p6
2s2
17Cl
Camadas de valência
incompletas!
17Cl
2p6
10Ne
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
NaCl
3p5
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
3s2
3p6
18Ar
Ligações Químicas
• Ligação Iônica
Exemplo 2: Formação do MgCl2
12Mg
3s2
– 1s2 2s2 2p6 3s2
Camada de valência
completa
17Cl
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
Camada de valência
incompleta
3p5
3p5
Ligações Químicas
• Ligação Iônica
Exemplo 2: Formação do MgCl2
2+
12Mg
– 1s2 2s2 2p6
17Cl
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
10Ne
2s2
18Ar
2p6
MgCl2
3s2
3p6
3s2
3p6
Ligações Químicas
• Arranjo Cristalino
- Temos um número grande de íons agrupados alternadamente;
- A forma geométrica dessa organização é dita arranjo cristalino;
Exemplo 1: Estrutura cristalina NaCl
- Arranjo cúbico;
- Número de coordenação: 6 (Na+) e 6 (Cl-);
Ligações Químicas
• Arranjo Cristalino
Exemplo 2: Estrutura cristalina MgCl2
- Arranjo romboédrico;
- Número de coordenação: 6 (Mg2+) e 3 (Cl-);
Ligações Químicas
• Estrutura Cristalina – como encontrá-la?!
- Técnica de difração de raios X em monocristal;
Ligações Químicas
• Estrutura Cristalina – como encontrá-la?!
- Difratômetro de raios X
Ligações Químicas
• Estrutura Cristalina
- Técnica de difração de raios X em monocristal;
Ligações Químicas
• Íon-Fórmula
É fórmula de um composto iônico. Obedece as seguintes diretrizes:
- Símbolo do cátion deve ser escrito na frente do símbolo do ânion;
- A soma das cargas do cátion e do ânion deve ser igual a zero;
- Deve mostrar a menor proporção (cátion-ânion), em números inteiros;
- Esses números são ditos índices e são subscritos a direita do elemento;
Exemplos
NaCl
MgCl2
Ligações Químicas
• Fórmula eletrônica ou de Lewis
Representa os elétrons da camada de valência dos átomos.
Exemplos:
Na
Mg
+
Na+
Cl
+ 2
Cl
Cl
Mg2+
-
Cl
2
Observações:
- A fórmula indica apenas a menor proporção;
- A soma das cargas do cátion e do ânion deve ser igual a zero;
Ligações Químicas
• Fórmula eletrônica ou de Lewis
O hidrogênio também faz ligações iônicas com metais.
1H
– 1s1
H
Mg
Mg2+
H
2
H
2+
12Mg
– 1s2 2s2 2p6
Perde 2 e10Ne
-
1H
– 1s2
Ganha 2 e2He
Ligações Químicas
• Fórmula eletrônica ou de Lewis
E quando temos 4 e- na camada de valência? (Grupo 14)
Aumento do
raio iônico
C – 2º período (duas camadas eletrônicas);
Si – 3º período (três camadas eletrônicas);
Ge – 4º período (quatro camadas eletrônicas);
Sn – 5º período (cinco camadas eletrônicas);
Pb – 6º período (seis camadas eletrônicas);
Maior efeito de
blindagem
Menor a Zef
Maior tendência
de doar e-
Ligações Químicas
• Ligações químicas iônicas entre metais
Alta
eletropositivade
Doam elétrons
Formam cátions
Ocorre a liberação parcial dos elétrons de suas camadas de valência e
forma-se então íons postivos (cátions).
Ligações iônicas
(M+A-)
e- localizados (ânions)
Ligações iônicas
(M+)
e- deslocalizados
Ligações Químicas
• Ligações químicas entre metais
Arranjos Cristalinos
- Cúbico de corpo centrado;
- Número de coordenação: 8;
Ex.: Li , Na, K, Rb, Cs, Ba
- Cúbico de face centrada;
- Número de coordenação: 12;
Ex.: Ca, Sr
- Hexagonal;
- Número de coordenação: 12;
Ex.: Be, Mg
Ligações Químicas
• Ligações químicas entre metais
Condutividade elétrica
Pode ser explicada pela teoria das bandas eletrônicas, ou seja, os
elétrons podem movimentar-se livremente dentro de sua estrutura
cristalina devido à fusão de seus orbitais atômicos mais externos e semipreenchidos (bandas de condução).
Exemplo: Na
11Na
Fusão
– 1s2 2s2 2p6 3s1
+
11Na
– 1s2 2s2 2p6 3s0
3s
...
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
...
3s
Ligações Químicas
• Ligações químicas entre metais
Se o elemento possui seus orbitais mais externos totalmente preenchidos
não há formação de bandas de condução e o material é dito isolante.
Problema: Mg – bom condutor elétrico
12Mg
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p0
3s2
3p0
...
...
Mg2+
Mg2+
Mg2+
Mg2+
A fusão de orbitais é admitida quando estes
possuem 2 ou 3 e- de valência.
3s + 3p
Ligações Químicas
• Os semi-condutores
O Si e o Ge são semi-metais, possuindo 4 elétrons na camada de
valência e comportam-se como isolantes.
Processo de dopagem  Semi-condutores
Aplicação: Produção de componentes eletrônicos (chips e processadores)
Os chips são eficientes e rápidos
porque a corrente elétrica precisa
percorrer pequenas distâncias em seu
interior.
Ligações Químicas
• Os semi-condutores
Processa a 22 nm
4 núcleos de 3,7 GHz
i7-3770T
Ligações Químicas
• Ligação Covalente
“Baseia-se em um compartilhamento de 1 ou mais pares eletrônicos
entre dois átomos, em vista de adquirirem estabilidade.”
 Ocorrem quando a diferença de eletronegatividade entre os átomos
não é muito acentuada (ametais–ametais, ametais-hidrogênio e H–H.
Ligações covalentes  Formação de moléculas
Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de H2
1H
– 1s1
+
1H
– 1s1
Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de H2 – Funções de onda
YA
YA + YB
|YA + YB|2
YB
YA
YA - YB
|YA - YB|2
YB
Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de H2 – Orbitais moleculares
x
Calcular a ordem de ligação do H2 e do He2 ...
s-s
Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de H2 - Representações
Fórmula eletrônica de Lewis
H
+
H
H H
Fórmula estrutural
H
H
ou
H
H
Fórmula molecular
H2
Polaridade
Não há diferença de eletronegatividade  Ligação apolar
Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de HCl
1H
– 1s1
17Cl
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
px py pz
z
z
+
y
x
y
x
Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de HCl - Representações
Fórmula eletrônica de Lewis
H
+
H
Cl
Fórmula estrutural
H
Cl
Cl
ou
H
Cl
Fórmula molecular
HCl
Polaridade
Há diferença de eletronegatividade  Ligação polar
Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de N2
7N
– 1s2 2s2 2p3
7N
px py pz
px py pz
z
z
y
x
– 1s2 2s2 2p3
+
y
x
Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de N2
z
z
z
y
p
z
p-p
x
x
y
p-p
x
p
x
Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de N2 - Representações
Fórmula eletrônica de Lewis
N
+
N
N
Fórmula estrutural
N
N
N
ou
N
N
Fórmula molecular
N2
Polaridade
Não há diferença de eletronegatividade  Ligação apolar
Ligações Químicas
• Ligação Covalente – Conclusões
 Sejam dois átomos A e B, quaisquer, iguais ou diferentes.
Se os átomos fizerem uma única ligação entre eles, a
ligação será do tipo sigma ().
A


Se os átomos fizerem duas ligações entre eles,
teremos uma ligação será do tipo sigma () e outra
do tipo pi (p)..
A
Se os átomos fizerem três ligações entre eles,
teremos uma ligação será do tipo sigma () e duas
do tipo pi (p)..

A p
p
p
B
B
B
Ligações Químicas
• Ligação Covalente – Casos especiais
A falha da regra do octeto
Existem casos em que a regra do octeto não se aplica, pois outros
fenômenos estão envolvidos na distribuição eletrônica das camadas
de valência.
Expansão da camada de valência
Exemplos de átomos que sofrem este fenômeno:
N e P com 5 e- na camada de valência;
O e S com 6 e- na camada de valência;
F, Cl, Br e I com 7 e- na camada de valência;
Ligações Químicas
• Ligação Covalente – Casos especiais
Exemplos de moléculas:
O
O
O
H
P
H
O
S
O
O
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
16S
- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
O
H
3s
15P
O
H
Cl
O
O
H
17Cl
O
O
3p
3d
H