Rede So Paulo de

Cursos de Especializao para o quadro do Magistrio da SEESP

Ensino Fundamental II e Ensino Mdio

So Paulo

2011

UNESP Universidade Estadual PaulistaPr-Reitoria de Ps-GraduaoRua Quirino de Andrade, 215CEP 01049-010 So Paulo SPTel.: (11) 5627-0561www.unesp.br

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Ligao QumicaConceito e Tipos

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SumrioVdeo da Semana ...................................................................... 3

3. Ligao Qumica: Conceito e Tipos ..........................................3

3.1 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligao covalente .............4

3.2 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligao inica ...................5

3.3 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligao metlica ...............6

3.4 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligaes (ou interaes) intermoleculares ..........................................................................................8

Tabela: Tipos de Ligao ........................................................ 10

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Vdeo da Semana

3. Ligao Qumica: Conceito e TiposTendo como base a definio de ligao qumica adotada pela IUPAC, temos quatro tipos

de ligaes qumicas, a saber: ligao inica, ligao covalente, ligao metlica e ligaes (ou interaes) intermoleculares. Embora seja sabido que as interaes existentes em uma subs-tncia qumica real dificilmente se enquadram completamente em um desses tipos idealizados de ligao, iniciaremos nossas discusses considerando sistemas ideais. Posteriormente, sero introduzidas correes que admitam, por exemplo, a existncia de algum grau de carter inico em uma ligao considerada inicialmente como puramente covalente, e vice-versa, e as conse-qncias nas propriedades observadas para as substncias reais.

Para iniciar nossas discusses, iniciaremos por apresentar as caractersticas gerais dos quatro ti-pos de ligaes qumicas ideais, no tocante natureza das entidades responsveis pela sua formao, e intensidade e direcionalidade das interaes envolvidas na formao de cada tipo de ligao.

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3.1 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligao covalente

uma forma de ligao qumica caracterizada pelo compartilhamento de pares de eltrons entre os tomos que a formam. Como resultado do compartilhamento dos pares eletrnicos, a ligao direcional, estando o par de eltrons localizado na regio entre os tomos envolvi-dos. Como resultado do balano entre as foras de atrao (eltrons-ncleos) e as de repulso (eltron-eltron e ncleo-ncleo) resultam energias de estabilizao elevadas para as intera-es entre os tomos unidos por este tipo de interao.

H basicamente dois tipos de substncias unidas por ligaes covalentes: i) molculas iso-ladas e, ii) estruturas macromoleculares.

As substncias covalentes do tipo i) podem existir como espcies isoladas, com composio e geometrias definidas. Como exemplo, pode-se citar as molculas de CH4, H2O, HCl, etc. As molculas isoladas tm ligaes internas fortes entre os tomos que a formam, como se pode ver pelo caso da molcula de CH4, cuja energia de ligao mdia (energia mdia necessria para quebrar uma ligao C-H) igual a 413 kJ mol-1. No entanto, as interaes entre mo-lculas de CH4 adjacentes so fracas, da ordem de no mximo 10 kJ mol-1, o que explica os baixos pontos de ebulio e fuso dessa substncia. Como conseqncia, essas substncias ou so gasosas, como HCl, CO2, CH4, etc, ou so lquidos com baixos pontos de ebulio, como o ter e o etanol (PE = 35C e 78C, respectivamente), e de fuso, como o I2 e CO2 slidos. As interaes existentes entre molculas isoladas em fase condensada (estado lquido ou slido) sero estudadas futuramente, no item interaes intermoleculares.

As substncias covalentes do tipo ii) formam redes moleculares gigantes, podendo se apre-sentar como camadas (p. exemplo, grafite), ou retculos tridimensionais infinitos (p. exemplo, diamante, silcio metlico, dixido de silcio). Neste tipo de substncia no h molculas in-dividuais, e o cristal como um todo pode ser considerado como uma macromolcula, onde cada ponto da estrutura ocupado por um tomo neutro. As frmulas unitrias deste tipo de substncia apenas indicam a relao entre os tomos componentes da estrutura, no existin-do como unidade isolada. Um exemplo tpico o quartzo, que forma um retculo molecular gigante, tendo uma unidade SiO2 ligada por ligao covalente em cada ponto do retculo que, no entanto, no existe como unidade isolada. Em decorrncia dos eltrons das camadas de valncia dos tomos que formam o retculo serem utilizados na formao do retculo gigante,

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essas substncias so bons isolantes eltricos, uma vez que no h eltrons livres para conduzir a corrente eltrica. Mesmo quando fundidos, substncias deste tipo continuam no conduzin-do corrente eltrica, pois os retculos so formados por tomos neutros. O elevado nmero de ligaes covalentes fortes faz com que estas substncias sejam duras e tenham elevados pontos de fuso. Uma exceo deste comportamento geral o do grafite, decorrente de particularida-des de sua estrutura, que ser vista em tpico posterior deste mdulo.

Do que foi dito at o momento sobre ligaes e substncias do tipo covalente, importante apontar que generalizaes contidas em muitos livros didticos sobre esses contedos apre-sentam muitos erros conceituais, especialmente no tocante s foras das ligaes covalentes e s propriedades fsicas destas substncias. Geralmente a ligao covalente classificada como fraca nestes textos, pelo fato de substncias como CH4, I2, O2, que podem se apresentar como entidades isoladas, terem baixos pontos de fuso e ebulio. conveniente ressaltar que, quan-do estas substncias passam do estado slido para o lquido, o que est sendo rompido so as interaes intermoleculares (entre molculas diferentes), e no as interaes intramoleculares (as ligaes qumicas covalentes internas, responsveis pela grande estabilidade destas mol-culas isoladas). J no caso de retculos covalentes gigantes, como j citado no caso de diamante e outros, a mudana do estado slido para o lquido no processo de fuso, envolve a quebra de um nmero enorme de ligaes covalentes fortes, o que torna o ponto de fuso de uma subs-tncia deste tipo extremamente elevado.

3.2 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligao inica

A ligao inica uma forma de ligao qumica formada pela interao eletrosttica entre ons de cargas opostas, que se alternam num retculo tridimensional infinito, formando a es-trutura cristalina do slido. No modelo inico ideal, as cargas ocupando os pontos do retculo seriam pontos de cargas, sem dimenses, o que no ocorre na realidade. Como resultado do fato da estrutura ser mantida por interaes eletrostticas, a ligao onidirecional, isto , a interao de um on com outro depende apenas da distncia entre eles, sendo igual em todas as posies igual distncia de um dado on. A estrutura tridimensional que forma um composto deste tipo estabilizada pelas interaes de atrao e repulso entre os ons que se alternam na estrutura, que resulta numa grande energia global de estabilizao da estrutura, conhecida como energia reticular. Este assunto ser tratado com maiores detalhes em outros tpicos

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desta disciplina. Em consequncia da elevada energia de estabilizao de um retculo de uma substncia, slidos deste tipo tem pontos de fuso elevados. Convm destacar que fundir um slido inico significa romper o retculo inico, o que exige energias elevadas, explicando os elevados pontos de fuso encontrados para essas substncias. Como exemplo tpico de com-postos que se aproximam da descrio do modelo de substncias inicas temos o NaCl e o CaF2, cujos pontos de fuso so iguais 801C e 1418C, respectivamente.

Examinemos com mais cuidado o conhecido sal de cozinha, de frmula mnima NaCl. Como a substncia na realidade um retculo tridimensional infinito, sua frmula mnima representa apenas a relao existente entre os dois tipos de ons presentes na estrutura, neces-srios para a preservao da eletroneutralidade da substncia, no existindo entidade isolada com esta composio.

No estado slido uma substncia inica tem condutividade eltrica baixa, sendo um isolan-te. Este fato interpretado como sendo conseqncia dos ons estarem presos nos pontos do retculo, no sendo capazes de deslocarem e conduzirem a corrente eltrica. Quando fundido, passa a conduzir corrente eltrica, pois os ons que se acredita j existirem na estrutura libe-rados, podendo atuar na conduo da corrente eltrica, atravs de um fenmeno conhecido como conduo inica. Neste tipo de conduo eltrica, os ons liberados na massa fundida se deslocam em direo aos plos de sinal opostos da fonte externa de corrente eltrica.

3.3 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligao metlica

A caracterstica mais marcante dos metais que so bons condutores eltricos, tanto no estado slido como lquido. Assim, esperado que tais substncias tenham em sua estrutura eltrons livres, que possam se movimentar, quando ligados a uma fonte externa de energia eltrica. Acredita-se que a ligao metlica seja resultante da interao eltrica entre eltrons deslocalizados, denominados eltrons de conduo, e um retculo tridimensional infinito for-mado pelos caroos dos tomos do metal (por caroo, compreende-se o ncleo do tomo + os eltrons da configurao fechada, isto , todos os eltrons, exceto os da camada de valncia do tomo). O caroo do tomo, tendo configurao eletrnica de camada fechada, tem a simetria de uma esfera. A estrutura metlica pode ser racionalizada ento como sendo decor-rente do empacotamento de esferas semelhantes, de modo que a ocupao do espao seja o

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mais eficiente possvel. Os eltrons da camada de valncia dos tomos que formam a estrutura metlica esto deslocalizados por todo o retculo, constituindo o que denominado s vezes de mar de eltrons. Este tipo de ligao de natureza coletiva, e no existe uma entidade isolada caracterstica de um metal.

Este modelo, alm de explicar a condutividade eltrica e trmica dos metais, na qual os eltrons so responsveis pela conduo da energia eltrica e trmica, respectivamente, explica tambm propriedades como: pontos de fuso e ebulio geralmente elevados, a maleabilidade, a ductilidade, o brilho metlico, dentre outras.

A maleabilidade (capacidade dos metais poderem ser laminados por martelamento ou pres-so, sem sofrerem ruptura) e a ductilidade (capacidade dos metais poderem ser transformados em fios, sem ruptura), so propriedades facilmente explicadas considerando uma estrutura formada por empilhamento de esferas idnticas, que formam planos facilmente deslizveis um sobre o outro, e uma nuvem eletrnica que rapidamente se adapta nova situao. O brilho metlico, por sua vez, pode ser facilmente explicado atravs da interao da radiao luminosa com os eltrons deslocalizados da superfcie, envolvendo a absoro e reemisso da radiao incidente, o que resulta no brilho metlico prateado ou acinzentado, tpicos de superfcies me-tlicas limpas. Quando parte da radiao incidente absorvida pelos eltrons da superfcie, o metal pode apresentar cor, como o caso do cobre e do ouro.

Quanto aos pontos de fuso e ebulio dos metais, de uma maneira geral so elevados, o que reflete a grande fora de atrao decorrente da interao entre os tomos nas estruturas metlicas. Exemplos tpicos desta generalizao so os metais ferro e tungstnio, cujos pontos de fuso so iguais a 1538C e 3422C, respectivamente. J o mercrio, glio e sdio, com pontos de fuso iguais a -39C, 30C e 98C, respectivamente, fogem da generalizao. Na realidade, os pontos de fuso dos metais so dependentes do nmero de eltrons disponveis em suas camadas de valncia para a formao da nuvem eletrnica deslocalizada, e da eficin-cia do empacotamento dos tomos que formam a estrutura metlica. O que todos os metais tem em comum, independentemente dos seus pontos de fuso e ebulio se enquadrarem na generalizao, o fato de serem bons condutores de eletricidade, tanto no estado slido como no estado lquido.

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Maiores detalhes sobre as estruturas metlicas e teoria da ligao metlica sero abor-dados em outro tpico do mdulo.

3.4 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligaes (ou interaes) intermoleculares

o tipo de interao que pode ser formada entre duas ou mais molculas, ons ou tomos, que de outro modo no estariam associadas. So estes tipos de interaes que so responsveis pela manuteno de substncias formadas por tomos ou molculas isoladas em suas fases condensadas, no estado slido ou lquido. Torna-se mais fcil visualizar este tipo de ligao, atravs de um exemplo concreto. Consideremos o iodo slido, que um slido escuro, que sublima espontaneamente temperatura e presso ambientes. Quando aquecido, passa dire-tamente para o estado gasoso, que constitudo essencialmente por molculas isoladas de I2, estabilizadas por interaes covalentes fortes. Ao se resfriar o sistema, o iodo forma novamen-te o iodo slido. Como este slido estabilizado, j que cada tomo de iodo tem capacidade de compartilhar apenas um eltron com seu vizinho, formando um par de eltrons que responsvel pela formao da ligao covalente forte existente em cada unidade I2? O slido formado mantido por uma ligao intermolecular, conhecida com Fora de Disperso de London, a ligao intermolecular mais fraca existente. A explicao do surgimento desta fora adicional est relacionada com a natureza da nuvem eletrnica existente entre os tomos de I que formam a molcula I2. Se a nuvem eletrnica localizada entre os tomos de I que formam a molcula I2 fosse sempre esttica, os centros de cargas positivo e negativo estariam localiza-dos no ponto mdio da ligao da molcula, e a molcula seria sempre apolar. Como a nuvem eletrnica est em constante movimento, estaro sempre ocorrendo situaes em que a uni-formidade da distribuio eletrnica ao redor dos tomos que formam a molcula ser rom-pida, e os centros de carga positivos e negativos no mais coincidem ser gerado um dipolo instantneo na molcula, no qual ocorrer um desbalano instantneo na distribuio das cargas eltricas da molcula. Este dipolo instantneo induzir uma assimetria na distribuio eletrnica de uma molcula vizinha, gerando um dipolo induzido. O dipolo instantneo e o dipolo induzido podero interagir atravs de foras fracas, que quando a temperatura elevada so insuficientes para estabilizar a estrutura do slido. Quando a temperatura diminui, as for-as intermoleculares podem levar formao de fases condensadas, como lquidos ou slidos.

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No caso particular do iodo slido, as interaes dipolo instantneo-dipolo induzido, levam formao de um slido com baixssimo ponto de fuso, e facilmente sublimado. Na formao do retculo do I2 slido, cada um dos seus pontos ser ocupado por uma molcula de I2.

importante destacar neste caso particular, que quando as molculas de I2 passam para o estado gasoso, so rompidas apenas as ligaes intermoleculares fracas que mantm o slido, e no ligaes covalentes fortes I-I!

H outros tipos de ligaes intermoleculares mais intensas que a do tipo discutido anterior-mente, sendo uma das mais importante, a ligao hidrognio. No caso especfico da ligao hidrognio, este tipo de ligao desempenha importante papel em fenmenos relacionados com a vida, como o ponto de ebulio e densidade da gua e manuteno de estruturas bio-lgicas como protenas e DNA! Estes e outros aspectos das ligaes intermoleculares sero abordados em outro tpico do mdulo.

Na tabela que se segue so apresentadas substncias tpicas formadas pelos diferentes tipos de ligaes qumicas, seus pontos de fuso, condutividade eltrica nos estados slido e fundido, tipo de entidade presentes nos pontos reticulares dos slidos e direcionalidade das interaes.

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Substncia FrmulaPonto de

Fuso (C)

Conduz corrente eltrica no:

Entidade nos pontos do retculo do slido

Tipo de ligao no

estado slido

Direcionalidade das interaesestado

slido?estado

lquido?

Etanol CH3CH2OH -114 No No Molcula Intermolecular N D

Cloro Cl2 - 102 No No Molcula Intermolecular N D

gua H2O 0 No No Molcula Intermolecular N D

Naftaleno C10H8 80 No No Molcula Intermolecular N DIodo I2 114 No No Molcula Intermolecular N D

Fluoreto de ltio LiF 858 No Sim ons Inica OnidirecionalCloreto de ltio LiCl 610 No Sim ons Inica Onidirecional

Brometo de potssio KBr 734 No Sim ons Inica OnidirecionalCloreto de clcio CaCl2 775 No Sim ons Inica OnidirecionalCloreto de sdio NaCl 801 No Sim ons Inica Onidirecional

Sdio Na 30 Sim Sim tomo Metlica DeslocalizadaPrata Ag 962 Sim Sim tomo Metlica DeslocalizadaOuro Au 1.064 Sim Sim tomo Metlica DeslocalizadaFerro Fe 1.538 Sim Sim tomo Metlica Deslocalizada

Platina Pt 1.768 Sim Sim tomo Metlica DeslocalizadaTungstnio W 3.422 Sim Sim tomo Metlica Deslocalizada

Diamante C > 1700 No No tomoRede covalente

giganteDirecional e Localizada

Dixido de silcio SiO2 1.650 No NoUnidades de SiO4

Rede covalente gigante

Direcional e Localizada

N D No Direcional. Direcional: com direo fixa no espao. Onidirecional igual em todas as direes, dependendo apenas da distncia que separa as entidades. Localizada: entre duas entidades adjacentes na estrutura. Deslocalizada : que pode se deslocar por toda a estrutura.

Referncias ATKINS, P.; JONES. Princpios de qumica: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Porto Alegre: Bookman, 2001.

KOTZ, J. C.; TREACHEL, P. M; WEAvER, G. C. Qumica geral e reaes qumicas. ; So Paulo: Editora Cengage Learning, 2010. v. 1. Traduo da 6. ed. americana.

LEWIS, G. N. The Atom and the Molecule. Journal of the American Chemical Society, v. 38, n. 4, p. 762-785, Apr. 1916. DOI: 10.1021/ja02261a002.

Tabela: Tipos de Ligao

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- PERUZZO, T. M.; CANTO, E. Qumica na abordagem do cotidiano. 4. ed. So Pau-lo: Moderna, 2006. v. 1

MORTIMER, E. F.; MACHADO, A. H. Qumica para o ensino mdio. So Paulo: Scipione, 2008. (Srie Parmetros).

QUMICA NOvA NA ESCOLA. So Paulo: Instituto de Qumica USP, maio 2001. Cadernos temticos n. 4. Disponvel em: . Acesso em: 15 jan. 2011.

http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/04/

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Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina:

LigaoQumica

http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.jsp?id=K4783116D2http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.jsp?id=K4736047U6http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.jsp?id=K4788359T8

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Estrutura da DisciplinaSemana Temas Ativ. Datas

11. Evoluo Histrica do Conceito de Ligao Qumica

1 4/abr a 10/abr

2

2. A ligao Qumica no Contexto do tomo Divisvel2.1 Regra do Octeto: Importncia Histrica, Limites de sua Utilizao

2 11/abr a 17/abr

3

3. Ligao Qumica: Conceito e Tipos3.1 Caractersticas Gerais das Ligaes Qumicas: Ligao Covalente3.2 Caractersticas Gerais das Ligaes Qumicas: Ligao Inica 3.3 Caractersticas Gerais das Ligaes Qumicas: Ligao Metlica3.4 Caractersticas Gerais das Ligaes Qumicas: Ligaes (ou Interaes) Intermoleculares

3, 4, 5 18/abr a 24/abr

4

4. Ligao Covalente em Entidades Isoladas4.1 Ligao Covalente versus Inica - O Caso do NaCl e do HCl4.2 Geometria de Molculas Isoladas: Teoria da Repulso dos Pares de Eltrons da Camada de valncia (TRPECv) 4.3 Outros Exemplos de Aplicao da TRPECv

7, 8, 9 25/abr a 1/mai

5

5. Obedecer ou no a Regra do Octeto? 5.1 O Caso do H2SO4 e do nion SO42-

5.2 O Caso em que no h tomo Central na Molcula.

10, 11, 12, 13

2/mai a 8/mai

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ResumoA busca da compreenso do por que a matria sofre transformaes, gerando nova matria

com propriedades diferentes das iniciais, e as explicaes para essas transformaes, tm ocu-pado a mente humana desde a Antiguidade. S muito mais recentemente estas transformaes foram interpretadas como sendo decorrente da quebra e formao de ligaes qumicas.

Atualmente, a ligao qumica interpretada como resultante da interao entre os el-trons das camadas de valncia dos tomos que formam uma substncia. Esses eltrons so atrados por todos os ncleos dos tomos que compem a substncia, e ao mesmo tempo interagem e se repelem entre si, tendo como resultado final um abaixamento de energia da substncia formada em relao aos tomos iniciais isolados.

O comportamento dos eltrons ligados aos ncleos de cada um dos tomos isolados que for-mam uma substncia, por sua vez, a rigor descrito luz dos conceitos da Qumica Quntica. Deste modo, a descrio da ligao qumica requer, em algum grau, a utilizao de conceitos associados descrio probabilstica do eltron, envolvendo termos como orbital, densidade eletrnica, sobreposio de orbitais, ordem de ligao, dentre outros.

Segundo definio recomendada pela IUPAC, diz-se que h uma ligao qumica entre dois tomos ou grupos de tomos quando h foras atuando entre eles, de modo que leve formao de um agregado com estabilidade suficiente que torne conveniente para o qumico consider--lo como uma espcie molecular independente. Com base nesta definio so quatro os tipos de interaes existentes entre os tomos que formam uma substncia qumica: ligao inica, ligao covalente, ligao metlica e interaes intermoleculares.

As trs primeiras interaes ligao inica, covalente e metlica - so fortes, e cons-tituem o que tradicionalmente includo nos livros didticos como ligaes qumicas. O quarto tipo de interao as interaes moleculares normalmente muito mais fraca que as trs primeiras, e usualmente no so classificadas nos textos didticos tra-dicionais como ligaes qumicas. Embora mais fracas, as interaes intermoleculares so muito importantes na compreenso das caractersticas fsicas de uma substncia, como por exemplo, o ponto de fuso, densidade de suas fases, estrutura e estabilidade de protenas e DNA.

Este importante aspecto da Qumica, a ligao qumica, que juntamente com a estru-tura e reatividade das substncias, constitui a espinha dorsal do conhecimento qumico atual, ser o objeto do terceiro mdulo do nosso Curso.

Pr-Reitora de Ps-graduaoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraCludio Jos de Frana e Silva

Rogrio Luiz BuccelliAna Maria da Costa Santos

Coordenadores dos CursosArte: Rejane Galvo Coutinho (IA/Unesp)

Filosofia: Lcio Loureno Prado (FFC/Marlia)Geografia: Raul Borges Guimares (FCT/Presidente Prudente)

Ingls: Mariangela Braga Norte (FFC/Marlia)Qumica: Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Tcnica - Sistema de Controle AcadmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaMrcio Antnio Teixeira de Carvalho

NEaD Ncleo de Educao a Distncia(equipe Redefor)

Klaus Schlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andr Lus Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Cssio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produo, veiculao e Gesto de materialElisandra Andr Maranhe

Joo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

Marcador 1Vdeo da Semana3. Ligao Qumica: Conceito e Tipos3.1 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligao covalente3.2 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligao inica3.3 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligao metlica3.4 Caractersticas gerais das ligaes qumicas: ligaes (ou interaes) intermoleculares

Tabela: Tipos de Ligao

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