Aula 05 - Estrutura dos átomos e molécula II (ligações quimicas)

1. Química Geral
Aplicada a
Engenheira

1º. Sem./2011
Engenharias

2. Nesta Aula Veremos ...
Aula 05 - Ligações Químicas

– Ligações Iônicas;
– Ligações Covalentes;
– Ligações Metálicas.

Química Geral e Exp

3. Se ligue meu rapaz ...
•Na natureza a maioria dos átomos são
encontrados combinados formando milhões
de substâncias.
•Por que os átomos se ligam ?
Introdução
3

4. 4 4
Ligações Químicas
Como ocorre ?
Mas afinal, por que
os átomos se ligam
(espontaneamente)?
Uma ligação química é estabelecida entre
as espécies apenas se o arranjo final de
seus núcleos e de seus elétrons conferir ao
par uma energia potencial menor que a
soma das energias dos átomos ou íons
isolados. Em outras palavras: podemos
dizer que um composto químico é formado
apenas se proporcionar uma situação de
estabilidade termodinâmica maior que
aquela envolvendo seus constituintes
isoladamente. Assim, podemos dizer que
quando uma ligação química é formada,
energia é liberada!

5. 5
Todos querem ser iguais a eles!
Ligações Químicas
Gases Nobres

6. 6
Gás nobre K L M N O P
Hélio – 2 2
Neônio – 10 2 8
Argônio – 18 2 8 8
Criptônio – 36 2 8 18 8
Xenônio – 54 2 8 18 18 8
Radônio – 86 2 8 18 32 18 8
Ligações Químicas
Regra do Octeto

7. Ligações Químicas
Será que as ligações
químicas entre os
átomos interfere nas
propriedades dos
materiais?

8. 8
Engenharia Materiais
Introdução
•Ciência dos materiais faz
parte do conhecimento básico
para todas as engenharias
As propriedades dos materiais
definem:
• o desempenho de um
determinado componente e o
processo de fabricação do mesmo

9. Engenharia Materiais
Introdução
Propriedades dos
Materiais
Microestrutura
Composição e
Processo de
Fabricação
Engenharia
Engenharia

10. Efeito da microestrutura nas
propriedades da alumina

11. Quantos materiais existem ?
Entre 40.000 e 80.000
diferentes, contando
as variantes
de tratamento térmico
e composição
de cada material
Como
escolher ?

12. Engenharia Materiais
Classificação
A classificação tradicional dos materiais é geralmente
baseada na estrutura atômica e química destes.
Metais Cerâmicas Polímeros Compósitos
Semi
condutores
Biomateriais
Classificação tradicional

13. Engenharia Materiais
Classificação
Metais

Materiais metálicos são
geralmente uma combinação de
elementos metálicos.
Os elétrons não estão ligados a
nenhum átomo em particular e por
isso são bons condutores de calor
e eletricidade
Não são transparentes à luz visível
Têm aparência lustrosa quando
polidos
Geralmente são resistentes e
deformáveis
São muito utilizados para
aplicações estruturais

14. 1





H

← Gasoso




C

← Sólido






Hg

← Líquido






Rf

← Desconhecido

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1
1
H
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Bk
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Cf
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Es
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Fm
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Md
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No
103
Lw


Os Metais na Tabela Periódica
Elementos metálicos

15. Engenharia Materiais
Classificação
Cerâmicas
ALUMINA
São geralmente uma combinação
de elementos metálicos e não-
metálicos.
Geralmente são óxidos, nitretos e
carbetos
São geralmente isolantes de calor
e eletricidade
São mais resistêntes à altas
temperaturas e à ambientes
severos que os metais e polímeros
Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são
duras, porém frágeis
Em geral são leves

16. 1





H

← Gasoso




C

← Sólido






Hg

← Líquido






Rf

← Desconhecido

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1
1
H
2 13 14 15 16 17
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He

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┌───────────── Elementos de transição ─────────────┐
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Rf
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Cm
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Bk
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Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lw


Os Cerâmicos na Tabela Periódica
Os cerâmicos são constituídos de metais + não-metais (Si e Ge)

17. Engenharia Materiais
Classificação
Polímeros

São geralmente compostos
orgânicos baseados em carbono,
hidrogênio e outros elementos não-
metálicos.
São constituídos de moléculas
muito grandes (macro-
moléculas)
Tipicamente, esses materiais
apresentam baixa densidade e
podem ser extremamente
flexíveis
Materiais poliméricos incluem
plásticos e borrachas

18. 1





H

← Gasoso




C

← Sólido






Hg

← Líquido






Rf

← Desconhecido

18
1
1
H
2 13 14 15 16 17
2
He

2
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5
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C
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Mg
┌───────────── Elementos de transição ─────────────┐
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Al
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Si
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P
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S
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Cℓ
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Ar
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K
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22
Ti
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V
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Cr
25
Mn
26
Fe
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Co
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Ge
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As
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Se
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*
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Hf
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Au
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Hg
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Tl
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Pb
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Bi
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Po
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Rn

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Rf
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Sg
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Uut
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115
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116
Uuh
117
Uus
118
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** 7
89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
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Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lw


Os Polímeros na Tabela Periódica
Constituídos por não-metais e H

19. Engenharia Materiais
Classificação
Compósitos

São constituídos de mais de um
tipo de material insolúveis entre si.
Os compósitos são “projetados”
para apresentarem a combinação
das melhores características de
cada material constituinte
Exemplo clássico é o compósito de
matriz polimérica com fibra de
vidro. O material compósito
apresenta a resistência da fibra de
vidro associado a flexibilidade do
polímero

20. Engenharia Materiais
Classificação
Semicondutores

InP
Apresentam propriedades
elétricas que são
intermediárias entre metais e
isolantes
Os semicondutores tornaram
possível o advento do circuito
integrado que revolucionou
as indústrias de eletrônica e
computadores
Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN

21. Engenharia Materiais
Classificação
Biomateriais

Biomateriais são empregados em
componentes para implantes de
partes em seres humanos
Esses materiais não devem
produzir substâncias tóxicas e
devem ser compatíveis com o
tecido humano (não deve causar
rejeição).
Metais, cerâmicos, compósitos e
polímeros podem ser usados
como biomateriais

22. Ligações Químicas
Tipos de Ligações
Ligações
Químicas
Interatômicas
Iônica Covalente
Polar Apolar
Metálica
Intermoleculares
Forças van der
Waals
Dipolo-
dipolo
Dipolo–dipolo
induzido
Dipolo–dipolo
instantâneo
Ponte
de H

23. Ligações Químicas
Tipos de Ligações
Tipos de
Ligações
Iônica Metal Ametal
Covalente Ametal Ametal
Metálica Metal Metal

25. Considere a reação entre o sódio e o cloro:
Na(s) + ½Cl
2(g)  NaCl(s) DHº
f = -410,9 kJ
Ligações Químicas
Ligação Iônica

26. •A reação é violentamente exotérmica.
•Inferimos que o NaCl é mais estável do que os elementos
que o constituem. Por quê?
•O Na perdeu um elétron para se transformar em Na
+
e o
cloro ganhou o elétron para se transformar em Cl
-
.
Observe: Na
+
tem a configuração eletrônica do Ne e o Cl
-

tem a configuração do Ar.
•Isto é, tanto o Na
+
como o Cl
-
têm um
octeto de elétrons circundando o íon central.
Ligações Químicas
Ligação Iônica

27. •O NaCl forma uma estrutura muito regular na qual cada íon
Na
+
é circundado por 6 íons Cl
-
.
•Similarmente, cada íon Cl
-
é circundado por seis íons Na
+
.
•Há um arranjo regular de Na
+
e Cl
-
em 3D.
•Observe que os íons são empacotados o mais próximo
possível.
•Observe que não é fácil encontrar uma fórmula molecular
para descrever a rede iônica.
Ligações Químicas
Ligação Iônica

28. Ligações Químicas
Ligação Iônica

29. 29
Na Cl
+
-
Íon sódio –
11Na
+
Íon cloro –
17Cl
-
Átomo de sódio,
11Na

Átomo de cloro,
17Cl

Ligação Iônica - NaCl
Cloreto de sódio - NaCl

30. 30
Ca
F
F
Al
Al
O
O
O
O

Al
3+
2-
3 2
F

Ca
2+ -
2 1
Composto de
fórmula CaF
2
Composto de
fórmula Al
2O
3
A fluorita (CaF
2) é um mineral do qual se
obtém, industrialmente, o elemento flúor.

A safira consiste em um cristal de
Al
2O
3 (incolor) contendo “impurezas”
responsáveis pela cor azul.

Ligações Iônica
Formação

31. 31
Ligações Iônica
Fórmula
Vejamos um exemplo:
•
19K: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
1
 (perde1e
-
) =
19K
+

•
8O: 1s
2
2s
2
2p
6
 (ganha 2e
-
) =
8O
2-

K
+
O

2-
1 2
Composto de
fórmula K
2O

32. C
aA
c
C
c+
A
a-

Fórmula-íon
Al
2O
3
Al
3+
O
2-

Ligações Iônica
Fórmula

33. (NH
4)
2S
(NH
4)
1+
S
2-

Íons poliatômicos
Mg
2O
2
Mg
2+
O
2-

Atenção !!!
redução dos
índices
MgO
Ligações Iônica
Fórmula

34. 34
Propriedades dos compostos iônicos

35. 35
Propriedades dos compostos iônicos

36. • São sólidos nas condições ambientes;
• São duros e quebradiços;
• Possuem altos P.F. e P.E.;
• Conduzem corrente elétrica quando fundidos ou em
solução aquosa (não conduzem corrente elétrica no
estado sólido) ;
• Formam retículos cristalinos. Na
+

Na
+

Na
+

Na
+

Cl
-

Cl
-

Cl
-

Cl
-

Propriedades dos compostos iônicos

37. Ligações Químicas
Ligação Iônica

38. 38 38
Ligações Iônica
Lei Coulomb

39. Energias envolvidas na
formação da ligação iônica
•Energia de rede: é a energia necessária para separar
completamente um mol de um composto sólido iônico em
íons gasosos.
•A energia de rede depende das cargas nos íons e dos
tamanhos dos íons:


k é uma constante (8,99 x 10
9
J m/C
2
), Q
1 e Q
2 são as
cargas nas partículas e d é a distância entre seus centros. d
QQ
E
l
21
k
Ligações Químicas
Ligação Iônica

40. 40
3ª. etapa:
Ligações Químicas
Energia Envolvida
•Pela lei de Coulumb: F = k .(q
1 . q
2) / d
2
•Na
+
(g) + Cℓ
-
(g)  NaCℓ
(s), E
liberada = 787 kJ/mol
Energia de atração eletrostática dos íons Na+ Cℓ-
)

41. 41
Ligações Químicas
Energia Envolvida
•A energia de uma ligação iônica abaixa (reduz)
quando a atração entre os íons for maior que a
energia necessária para fazê-los
Conclusão

42. 42 42
Ligações Químicas
Ligação Covalente
E quando a
ligações formam
compostos
moleculares ...

44. •Quando dois átomos similares se ligam, nenhum deles quer
perder ou ganhar um elétron para formar um octeto.
•Quando átomos similares se ligam, eles compartilham pares
de elétrons para que cada um atinja o octeto.
•Cada par de elétrons compartilhado constitui uma ligação
química.
•Por exemplo: H + H  H
2 tem elétrons em uma linha
conectando os dois núcleos de H.
Ligações Químicas
Ligação Covalente

45. Ligações Químicas
Ligação Covalente

46. Ligações Covalentes
Energia Ligação

47. Eletronegatividade
•Eletronegatividade: é a habilidade de um átomo de atrair
elétrons para si em certa molécula .
•Pauling estabeleceu as eletronegatividades em uma escala
de 0,7 (Cs) a 4,0 (F).
•A eletronegatividade aumenta:
•ao logo de um período e
•ao descermos em um grupo.
Polaridade da ligação e
eletronegatividade

48. Polaridade da ligação e
eletronegatividade
Eletronegatividade

49. Ocorre geralmente entre ametais e hidrogênio ou ametais entre si,
desde que a  de eletronegatividade < 1,7.
Hidrogênio
Hidrogênio
Ametal
Ametal
Ligações Químicas
Ligação Covalente

50. Ligações Covalentes
Eletronegatividade

51. Eletronegatividade e
polaridade de ligação
•Não há distinção acentuada entre os tipos de ligação.
•A extremidade positiva (ou polo) em uma ligação polar é
representada por + e o polo negativo por -.

Polaridade da ligação e
eletronegatividade

52. Ligação Covalente Apolar: Ocorre entre átomos iguais. Dessa forma, os
átomos possuem mesma eletronegatividade e atraem, consequentemente,
o par eletrônico compartilhado com a mesma intensidade.
Ex.: H
2, O
2, N
2
O par
eletrônico é
equidistante
aos dois
núcleos
Ligações Covalentes
Apolar
O par
eletrônico é
equidistante
aos dois
núcleos

53. Ligação Covalente Polar: Ocorre entre átomos diferentes. Dessa forma, o
átomo que possui maior eletronegatividade atrai o par eletrônico compartilhado
com maior intensidade.
Ex.: HCl. O par eletrônico fica mais próximo do cloro pois este átomo atrai mais
fortemente os elétrons da ligação covalente (porque é mais eletronegativo).
Ligações Covalentes
Polar

54. São, em geral, líquidos ou gasosos nas condições
ambientes (se sólidos, fundem -se facilmente);
Possuem baixos P.F. e P.E.;
Não conduzem corrente elétrica (exceção para
Ácidos, em solução aquosa e Carbono Grafite) ;
São formados por moléculas.
Ligações Covalentes
Propriedades

55. 55 55
Ligações Químicas
Ligação Metálica
E quando a
ligações formam
compostos
metálicos ...

57. A teoria do octeto não explica a ligação metálica.
Ocorre entre metais e possui como
principal característica, elétrons
livres em torno de cátions e átomos
neutros no retículo (Mar de elétrons).
Ligações Químicas
Ligação Metálica

58. 58
- Sólidos nas condições ambientes, exceto Hg
- São bons condutores de calor e eletricidade (e
-
livres)
- São dúcteis (fios) e maleáveis (lâminas).
- Apresentam brilho metálico característico.
- Possuem altos Pontos de Fusão e Ebulição.
- São resistentes à tração
- São densos.
Ligações Químicas
Ligação Metálica

59. 59
Os metais podem se unir entre si ou a outros elementos e formar
misturas sólidas chamadas ligas metálicas: Por exemplo:
o aço é uma liga
de ferro e
carbono: o aço
inoxidável é uma
liga de ferro e
carbono com
adição de cromo
e níquel;
o bronze é
uma liga de
cobre e
estanho;
o latão é
uma liga de
cobre e
zinco;
o ouro de 18
quilates é
uma liga de
ouro e
cobre.
Liga Leve
•Magnésio
e Alumínio
Ligações Químicas
Ligas Metálicas

60. 60
Estrutura de Lewis - Regra
Estrutura
de Lewis
Moléculas Algoritmo
Previsão
ligações
•Contar e
-

valência
1º. passo
•Desenhar
estrutura
2º. passo
•Colocar
ligações
3º. passo
•Satisfazer
regra octeto
4º. Passo
•Casos
complemen
tares
5º. Passo

61. 61
Estrutura de Lewis - Regra
Exemplo 1: Difluoreto de Oxigênio – OF
2
•Contar o número total de e
-
de valência na molécula/íon
1º. passo
F – 2 x 7 e
-
= 14
O – 1 x 6 e
-
= 6
Total ........ = 20
20 elétrons de
valência

62. 62
Estrutura de Lewis - Regra
Exemplo 1: Difluoreto de Oxigênio – OF
2
•Desenhe a estrutura do “esqueleto” da molécula
colocando no centro o átomo menos eletronegativo
(átomo central)
2º. passo
O
Átomo menos
eletronegativo
F
F

63. 63
Estrutura de Lewis - Regra
Exemplo 1: Difluoreto de Oxigênio – OF
2
•Coloque ligações simples entre todos os átomos
conectando-os na estrutura desenhando linhas entre eles
3º. passo
O
Pelo menos
uma ligação
F
F

64. 64
Estrutura de Lewis - Regra
Exemplo 1: Difluoreto de Oxigênio – OF
2
•Coloque os e
-
de valência restante (não contabilizados)
nos átomos individuais até satisfazer a regra do octeto.
4º. passo
O
Coloque e-
como pares
isolados
F
F
Dica: comece
pelos átomos
externos
Importante: verifique s cada
átomo satisfaz a regra do
octeto se OK = estrutura
final, se não etapa 5

65. 65
Estrutura de Lewis - Regra
•Contar e
-

valência
1º. passo
•Desenhar
estrutura
2º. passo
•Colocar
ligações
3º. passo
•Satisfazer
regra octeto
4º. Passo
S – 1 x 6 e
-
= 6
O – 4 x 6 e
-
= 24
Íon carga = 2
Total ........ = 32
32 – 8 e
-
ligantes = 24 e
-
não ligantes
Exemplo 2: íon sulfato – SO
4
2-
S
O
O
O
O
2-

66. 66
Estrutura de Lewis - Regra
Obs.: Em alguns casos, encontramos um ou mais
átomos que têm menos que um octeto completo

•Crie “ligações múltiplas” deslocando pares e
-
isolados
para a posição de ligação para qualquer átomo que não
tenha um octeto completo .
5º. passo
Exemplo 3: PTFE (PoliTetraFluoroEtileno) –
Teflon
®
- C
2F
4

67. 67
Estrutura de Lewis - Regra
•Contar e
-

valência
1º. passo
•Desenhar
estrutura
2º. passo
•Colocar
ligações
3º. passo
•Satisfazer
regra octeto
4º. Passo
•Casos
complemen
tares
5º. Passo
C F F C
F F
F – 4 x 7 e
-
= 28
C – 2 x 4 e
-
= 8
Total ........ = 36
36 – 10 e
-
ligantes = 26 e
-
não ligantes
Teflon
®
- C
2F
4

68. 68
Estrutura de Lewis - Regra
C F F C
F F
Teflon
®
- C
2F
4
•Crie “ligações múltiplas” deslocando pares e
-
isolados para a
posição de ligação para qualquer átomo que não tenha um octeto
completo .
5º. passo
C F F C
F F

69. 69
Estrutura de Lewis
CO
2
C – 1 x 4 e
-
= 4
O – 2 x 6 e
-
= 12
Total ........ = 16
16 – 4 e
-
ligantes =
12 e
-
não ligantes

70. 70
Estrutura de Lewis
CH
2O

C – 1 x 4 e
-
= 4
O – 1 x 6 e
-
= 6
H – 2 x 1 e
-
= 2
Total ........ = 12
12 – 6 e
-
ligantes =
6 e
-
não ligantes

71. 71
Estrutura de Lewis
Se
2F
3
Se – 2 x 6 e
-
= 12
F – 3 x 7 e
-
= 21
Total ........ = 33
33 – 8 e
-
ligantes =
25 e
-
não ligantes

72. 72
Estrutura de Lewis
ClF
4
-
ClF
5
Cl – 1 x 7 e
-
= 7
F – 4 x 7 e
-
= 28
Íon carga = 1
Total ........ = 36
36 – 8 e
-
ligantes = 28 e
-
não ligantes
42 – 10 e
-
ligantes = 32 e
-
não ligantes

73. 73
Ressonância
Exemplo 4: Dióxido e enxofre – SO
2 (poluente)

S – 1 x 6 e
-
= 6
O – 2 x 6 e
-
= 12
Total ........ = 18
18 – 4 e
-
ligantes = 12 e
-
não ligantes
S O O S O O
S O O

74. 74
Ressonância
Exemplo 4: SO
2 - Qual é a estrutura “real”?

S O O S O O
A estrutura “real” corresponde a uma média das
estruturas de Lewis: “híbrido de ressonância”
ATENÇÃO: Não é uma mistura das estruturas

75. 75
Ressonância
Exemplo 5: C
6H
6 - Benzeno

C
H
H
H
C
C
H
H
C C
C
H
C
H
H
H
C
C
H
H
C C
C
H

76. 76
Ressonância
Exemplo 5: C
6H
6 - Benzeno

C
H
H
H
C
C
H
H
C C
C
H
C
H
H
H
C
C
H
H
C C
C
H
Mais estável  tem menor energia e é menos reativa

77. 77
• Par isolado: elétrons do par não envolvidos na ligação
• Par ligante: elétrons envolvidos na ligação
• Regra do octeto: tendência de moléculas e íons
poliatômicos de assumir estruturas onde cada átomo
fica com 8 elétrons na camada de valência, atingindo a
configuração de um gás nobre
• Há exceções a esta regra, como veremos adiante
Estrutura de Lewis

78. 78
Ligações Químicas
Regra Octeto – Exceção
Octeto incompleto
Elementos do segundo período da tabela periódica podem ter um máximo
de quatro ligações: possuem somente orbitais 2s e 2p
• Regra do octeto é válida para os elementos acima. Exceções: alguns
compostos de berílio e de boro. Exemplo:
Boro: 6 elétrons de valência
Trifluoreto de bório, BF
3

79. 79
Ligações Químicas
Regra Octeto – Exceção
Camada de valência expandida
Elementos do terceiro período, e além desse, têm orbitais d “vazios” que
podem ser usados para ligação. Assim eles podem formar mais que
quatro ligações covalentes. Exemplos:
Pentacloreto de fósforo, PCl
5
(s) Hexafluoreto de enxofre, SF
6
(s)

80. 80
Ligações Químicas
Regra Octeto – Exceção
Radicais: moléculas com número ímpar de e
−
:
• apresentam e
−
desemparelhados
• altamente reativos :
• ocorre nas chamas durante a queima de
hidrocarbonetos combustíveis
Radical metila
● CH
3
Elétron
desenparelhado

81. 81
Ligações Químicas
Regra Octeto – Exceção

82. 82
Na Próxima Aula Veremos ...
Aula – Ligações Intermoleculares e
Estrutura Molecular
Química Geral e Exp

83. Conteúdo da Apresentação
BROWN, Theodore L - Química A Ciência Central (9ª.
Edição) – Pearson – Cap. 08 – Conceitos Básicos de Ligação
Química, 252
Click na imagem para visitar o
site do livro
Conteúdo baseado no Livro
Texto

84. 84
Onde Estudar a Aula de Hoje
Nos Livros
• Brown, James E. HUMISTON, Gerard E. Química Geral -
Vol.1. LTC, 2006. – Cap. 4 – Ligação Química Conceitos
Gerais e Cap. 5 – Ligação Covalente e Estrutura Molecular
• Química Geral Aplicada a Engenharia – Cap.7 – Ligação
Química e Estrutura Molecular
Na Internet
• Aí Tem Química – PUC-RIO
• http://web.ccead.puc-rio.br/condigital/portal/

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85