Livro Química Tecnológica

Projeto Institucional

Edital n 015/2010/CAPES/DEDFomento ao uso de tecnologias de comunio e informao nos cursos de graduao

Qumica Tecnolgica

Mdulo 1Entendendo a Tabela Peridica

Filipe Martel de Magalhes BorgesSalete Martins AlvesTatiana de Campos Bicudo

Natal RNJaneiro/2011


Filipe Martel de Magalhes BorgesSalete Martins Alves

Tatiana de Campos Bicudo

Qumica Tecnolgica

Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste material pode ser utilizada ou reproduzidasem a autorizao expressa da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN).

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Secretaria de Educao a Distncia (SEDIS)

FICHA TCNICA

Borges, Filipe Martel de Magalhes.

Qumica tecnolgica / Filipe Martel de Magalhes, Salete Martins Alves e Tatiana de Campos Bicudo. Natal: EDUFRN, 2011.

110 p.: il.

Disciplina integrada ao Projeto Institucional da UFRN de fomento ao uso de tecnologia de comunicao e informao nos cursos de graduao.

1. Qumica: tecnolgica. 2. Ligaes qumicas. Tabela peridica. Combustveis. 4. Lubricantes. I. Alves, Salete Martins. II. Bicudo, Tatiana Campos. III. Ttulo.

CDU 54-029.6 B732q

Apresentao Institucional

A Secretaria de Educao a Distncia SEDIS da Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN, desde 2005, vem atuando como fomentadora, no mbito local, das Polticas Nacionais de Educao a Distncia em parceira com a Secretaria de Educao a Distncia SEED, o Ministrio da Educao MEC e a Universidade Aberta do Brasil UAB/CAPES. Duas linhas de atuao tm caracterizado o esforo em EaD desta instituio: a primeira est voltada para a Formao Continuada de Professores do Ensino Bsico, sendo implementados cursos de licenciatura e ps-graduao lato e stricto sensu; a segunda volta-se para a Formao de Gestores Pblicos, atravs da oferta de bacharelados e especializaes em Administrao Pblica e Administrao Pblica Municipal.

Para dar suporte oferta dos cursos de EaD, a Sedis tem disponibilizado um conjunto de meios didticos e pedaggicos, dentre os quais se destacam os materiais impressos que so elaborados por disciplinas, utilizando linguagem e projeto gr co para atender s necessidades de um aluno que aprende a distncia. O contedo elaborado por pro ssionais quali cados e que tm experincia relevante na rea, com o apoio de uma equipe multidisciplinar. O material impresso a referncia primria para o aluno, sendo indicadas outras mdias, como videoaulas, livros, textos, lmes, videoconferncias, materiais digitais e interativos e webconferncias, que possibilitam ampliar os contedos e a interao entre os sujeitos do processo de aprendizagem.

Assim, a UFRN atravs da SEDIS se integra o grupo de instituies que assumiram o desa o de contribuir com a formao desse capital humano e incorporou a EaD como moda-lidade capaz de superar as barreiras espaciais e polticas que tornaram cada vez mais seleto o acesso graduao e ps-graduao no Brasil. No Rio Grande do Norte, a UFRN est presente em polos presenciais de apoio localizados nas mais diferentes regies, ofertando cursos de graduao, aperfeioamento, especializao e mestrado, interiorizando e tornando o Ensino Superior uma realidade que contribui para diminuir as diferenas regionais e o conhecimento uma possibilidade concreta para o desenvolvimento local.

Nesse sentido, este material que voc recebe resultado de um investimento intelectual e econmico assumido por diversas instituies que se comprometeram com a Educao e com a reverso da seletividade do espao quanto ao acesso e ao consumo do saber E REFLE-TE O COMPROMISSO DA SEDIS/UFRN COM A EDUCAO A DISTNCIA como modalidade estratgica para a melhoria dos indicadores educacionais no RN e no Brasil.

SECRETARIA DE EDUCAO A DISTNCIA SEDIS/UFRN

Sumrio

Aula 1 Entendendo a Tabela Peridica

Aula 2 Ligaes qumicas

Aula 3 Qumica para combustveis e lubri cantes

07

33

69

Entendendo a tabela peridica

1Aula

12

3

Aula 1 Qumica Tecnolgica 9

Apresentao

Temos certeza de que voc j ouviu falar ou j estudou sobre a tabela peridica. Nesta aula, queremos apresentar a tabela peridica moderna como uma ferramenta importantssima para o estudo da qumica.No mundo ao nosso redor existe uma enorme diversidade de materiais e de substncias

que o constitui. Mas, a grande variedade de substncias obtm-se a partir de um nmero muito reduzido de elementos qumicos que, atualmente, se encontram organizados numa tabela a tabela peridica dos elementos.

A tabela peridica dos elementos qumicos que ser apresentada nesta aula uma das ferramentas mais teis em qumica. Alm das riquezas de informaes, ela pode ser usada para organizar muitas das ideias da qumica. importante que voc se familiarize com suas principais caractersticas e sua terminologia.

Alm da aula, preparamos para voc uma tabela peridica interativa, nela voc poder fazer uma viagem pelos elementos qumicos, conhecendo suas caractersticas e curiosidades. Boa viagem!

ObjetivosEntender como surgiu a tabela peridica.

Conhecer a terminologia da tabela peridica e sua impor-tncia para a qumica.

Prever caractersticas dos elementos baseados na posio em que ocupam da tabela peridica.


A tabela peridica: um breve histrico

Como surgiu a tabela peridica? Ser que ela existe h muito tempo? Quem a desenvol-veu? Ser que voc conseguiu responder algumas dessas perguntas? Caso sua resposta seja negativa, no se desespere, pois nesta aula vamos aprender como se desenvolveu a tabela peridica at atingir o modelo atual.

A descoberta individual dos elementos qumicos foi um pr-requisito necessrio para a construo da tabela peridica.

Embora os elementos, tais como ouro (Au), prata (Ag), estanho (Sn), cobre (Cu), chum-bo (Pb) e mercrio (Hg) fossem conhecidos desde a Antiguidade, outros elementos como ars-nio (As), o antimnio (Sb) e o fsforo (P) foram descobertos pelos alquimistas posteriormente.

Os alquimistas seguiam um objetivo que visava descoberta da pedra losofal, a substn-cia capaz de transformar em ouro qualquer matria com a qual fosse colocada em contato, e do elixir da longa vida, que haveria de prolongar a existncia dos que o tivessem tomado. Embora a alquimia no fosse uma cincia experimental, ou seja, os trabalhos eram executados sem recorrer ao mtodo cient co (forma sistemtica de organizar as coisas), o impulso oferecido por ela foi muito grande. Nesta busca incessante, os alquimistas acabaram descobrindo novos elementos e processos teis vida prtica, tais como a destilao e a sublimao.

Em 1669, o alquimista alemo Henning Brand, quando procurava descobrir a pedra losofal, conseguiu apenas obter fsforo elementar atravs da destilao da urina. Este o primeiro elemento sobre o qual existem registros histricos da sua descoberta.

Durante os 200 anos seguintes um grande volume de conhecimento, relativo s proprie-dades dos elementos e seus compostos, foram adquiridos pelos qumicos. Com o aumento do nmero de elementos descobertos, os cientistas iniciaram a investigao de modelos para reconhecer as propriedades e desenvolver esquemas de classi cao.

Assim, em 1869 Dimitri Ivanovitch Mendeleev apresentou uma classi cao, que a base da classi cao peridica moderna, colocando os elementos em ordem crescente de suas massas atmicas (Figura 1), distribudos em oito colunas verticais e doze faixas horizontais. Veri cou que as propriedades variavam periodicamente medida que aumentava a massa atmica.

TABELLE II

RO4

GRUPPE VIII.

RO4RH

GRUPPE VII.

RO4RH2

GRUPPE VI.

R2O5RH3

GRUPPE V.

RO2RH4

GRUPPE IV.

R2O3

GRUPPE III.

RO

GRUPPE II.

R2O

GRUPPE I.

REIH

EN

123456789

101112

Li = 7 Be = 9,4 B = 11

?Yt = 88

?Di = 138

?Er = 178

H = 1

K = 39Na = 23

Rb = 85 Sr = 87(Cu = 63)

Cs = 133(Ag = 108)

Au = 199

Ca = 40Mg = 24

Zn = 65

Bd = 137Cd = 112

C = 12

Ti = 48

Zr = 90

Th = 231

?Ce = 140

?La = 180

Sl = 28

Sn = 118

Pb = 207

N = 14

V = 51

Nb = 94

Ta = 182

P = 31

As = 75

Sb = 122

Bi = 208

O = 16

Cr = 52S = 32

Mo = 96

W = 184

U = 240

Se = 78

Te = 125

F = 19

Mn = 55 Fe = 56, Co = 59, Ni = 59, Cu = 63.

Ru = 104, Rh = 104, Pd = 106, Ag = 108.

Os = 195, Tr = 197, Pt = 198, Au = 199.

Cl = 35,5

Br = 80

J = 127

Al = 27,3

In = 113

= 44

= 100 = 68 = 72

( )

Hg = 200 Tl = 204

Aula 1 Qumica Tecnolgica12

Figura 1 Tabela peridica de Mendeleev (1871)Fonte: Maia e Bianchi (2007)

A lei peridica estabelece que quando os elementos so listados, sequen-cialmente, em ordem crescente do nmero atmico, observada uma repetio peridica em suas propriedades.

Agora j sabemos como a tabela peridica foi desenvolvida pelos cientistas ao longo dos anos. Atualmente, ela apresenta 118 elementos, o dobro do nmero de elementos que havia na tabela proposta por Mendeleev. O prximo passo aprender como a sua diviso. Contudo,

A tabela proposta por Mendeleev contava com 59 elementos e seus smbolos. Aqueles indicados com sinais de interrogao ainda no haviam sido descobertos. Exatamente pelo ato de deixar espaos vazios em sua tabela, este cientista teve tanto crdito ao seu trabalho. A nal, ele previu propriedades tanto fsicas (ponto de fuso, ponto de ebulio e densidade) como qumicas (combinao com outros elementos) para serem veri cadas quando da descoberta dos elementos que ocupariam os vazios deixados na tabela.

Em 1913, o cientista britnico Henry Moseley descobriu que o nmero de prtons no ncleo de um determinado tomo era sempre o mesmo. Moseley usou essa ideia para o nmero atmico de cada tomo. Quando os tomos foram arranjados de acordo com o aumento do nmero atmico, os problemas existentes na tabela de Mendeleev desapareceram. Devido ao trabalho de Moseley, a tabela peridica moderna est baseada no nmero atmico dos elemen-tos. A tabela atual se difere bastante da de Mendeleev. Com o passar do tempo, os qumicos foram melhorando a tabela peridica moderna, aplicando novos dados com as descobertas de novos elementos ou um nmero mais preciso na massa atmica e rearranjando os existentes, sempre em funo dos conceitos originais.


1

antes vamos revisar como a estrutura de um tomo. Este conhecimento ser importante para entender como a tabela peridica est estruturada.

Que tal veri carmos seu aprendizado sobre esse assunto?

O que estava incorreto na concepo original de Mendeleev sobre a tabela peridica? Pesquise em livros ou na internet que fato fez Moseley identi car qual a lei da periodicidade moderna.


Con guraeseletrnicas dos elementos

Voc deve se lembrar que, de modo geral, um tomo composto por um ncleo, onde se concentram os prtons e os nutrons, e uma nuvem eletrnica onde esto distribudos os eltrons deste tomo. Para identi car a localizao destes eltrons foram de nidos nveis quantizados de energia. Para compreender e prever a distribuio dos eltrons no tomo, temos que considerar que os eltrons so atribudos s camadas ou nveis de energia, atual-mente um tomo pode conter at 7 camadas, cada uma comporta uma quantidade distinta de eltrons. Tambm, em uma determinada camada, os eltrons so atribudos s subcamadas ou subnveis de energia, o total de subcamadas que um tomo pode ter 4 e as mesmas so identi cadas pelas letras s, p, d e f. A Tabela 1 indica a quantidade de eltrons que podem ser acomodados nas camadas e subcamadas de um tomo.

Tabela 1 Nmero de eltrons acomodado nas camadas e subcamadas

Camada eletrnica

Subcamadas disponveis

Nmero possvel de eltrons dentro da subcamada

Nmero mximo de eltrons para as camadas

1 s 2 2

2sp

26

8

3spd

26

1018

4

spdf

26

1014

32

5

spdf

26

1014

32

6spd

26

1018

7sp

26

8

A ordem de distribuio dos eltrons dada pelo diagrama de Linus Pauling (Figura 2). Assim, a ordem de preenchimento 1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p 6s4f5d6p7s5f6d7p.

21s 22

2s 2

3s 2

4s 2

5s 2

6s 2

7s 2

3d 1010

4d 1010

5d 1010

6d 1010

2p6

3p6

4p6

5p6

6p6

7p6

4f 1414

5f 1414


Figura 2 Diagrama de Linus Pauling

Para exempli car esta forma de distribuio eletrnica, consideremos o tomo de silcio (Si) que contm 14 eltrons, seguindo a sequncia de preenchimento designada por Linus Pauling, tem-se a seguinte distribuio:

Si = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Observa-se que o nmero em sobrescrito representa a capaci-dade de eltron do subnvel, considerando que restaram apenas 2 eltrons para completar o ltimo subnvel 3p.

Vamos praticar a distribuio eletrnica?

Faa a distribuio eletrnica dos seguintes elementos: Ca, F, W, Br e Ni.

Aumento no carter metlico

Aum

ento

no

car

ter m

etl

ico

Metais

Metaloides

No metais

57La

58Ce

59Pr

60Nd

61Pm

62Sm

63Eu

64Gd

89Ac

90Th

91Pa

92U

93Np

94Pu

95Am

96Cm

65Tb97Bk

66Dy98Cf

67Ho99Es

68Er100Fm

69Tm101Md

70Yb102No

1H3Li

4Be

11Na

12Mg

19K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

9876543

2

11A

188A

2A133A

144A

155A

166A

177A

3B 4B 5B 6B 7B8B

1B 2B10 11 12

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

37Rb55Cs

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

33As

34Se

35Br

36Kr

51Sb

56Ba

71Lu

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

87Fr

88Ra

103Lr

104Rf

105Db

106Sg

107Bh

108Hs

109Mt

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

52Te

53I

54Xe

84Po116114112111110

85At

86Rn

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

2He


A construo da tabela peridicaSegundo tendncias atuais, a classi cao devido s caractersticas fsicas e qumicas

dos elementos, tem-se optado pela disposio dos elementos em dois grupos: metais e os no metais (ou ametais). No entanto, ainda prevalece o sistema com a diviso em metais, no metais, semimetais (metaloides), gases nobres e hidrognio (Figura 3).

Figura 3 Tabela peridica

Outro critrio de organizao estabelecido pela distribuio dos eltrons para cada elemento qumico. O mtodo consiste em numerar as dezoito famlias ou grupos, ou dezoito colunas, de 1 a 18. O sistema anterior sugeria dois grandes grupos de famlias A e B, e cada um desses grupos era subdividido em oito grupos. Os elementos de um mesmo grupo pos-suem o mesmo nmero de eltrons na ltima camada eletrnica (ou camada de valncia). Por exemplo, o elemento ltio (Li) pertence ao grupo 1, ou seja, tem 1 eltron na ltima camada, j o or (F) que pertence ao grupo 17 (7A) possui 7 eltrons na camada de valncia.

Os conjuntos de elementos na mesma orientao horizontal (linhas) so denominados perodos. Na classi cao atual, como na anterior, existem sete perodos correspondentes aos nveis ou camadas de um tomo: (K, L, M, N, O, P, Q). Assim, os elementos de um mesmo perodo possuem o mesmo nmero de camadas. Como exemplo, podemos citar o cloro (Cl) que se encontra no terceiro perodo, portanto, esse elemento possui trs camadas.

Tambm vale salientar que podemos dividir a tabela peridica em:

Elementos representativos (antigo grupos A) - o ltimo eltron colocado em subnvel s ou p. Por exemplo, o magnsio (Mg) um elemento do segundo grupo, portanto possui dois eltrons na ltima camada.

1s2s3s4s5s6s

2p3p4p5p6p

7s

3d4d5d

4f5f

6d

Bloque s

Bloque p

Bloque d

Bloque f


Elementos de transio (grupos B) - o ltimo eltron colocado no subnvel d e na pe-nltima camada. Esses elementos esto localizados no centro da tabela peridica.

Elementos de transio interna (srie dos lantandeos e actindeos) - o ltimo eltron colocado no subnvel f, na antepenltima camada.

Assim, podemos dividir a tabela em funo do subnvel, no qual o ltimo eltron do tomo inserido. Na tabela a seguir esto agrupados juntamente os tomos, em que o ltimo eltron adicionado ao subnvel s. Estes tomos tm con gurao eletrnica ns1 ou ns2 (n o nmero de camada do tomo, o que corresponde ao nmero do perodo) e os chamamos de bloco s (Figura 4).

Figura 4 A tabela peridica dividida pela con gurao eletrnica

Os grupos de 13 a 18 so compostos por elementos nos quais o ltimo eltron adicio-nado ao subnvel p, assim eles tm con gurao nsnp e constituem o bloco p. A quantidade de eltron no subnvel p aumenta de acordo com a sequncia do grupo, por exemplo, se o elemento for do grupo 13 ele ter a con gurao ns2np1 e se for do grupo 17 ter a con gu-rao ns2np5.

Nos elementos dos grupos 3 a 12, o ltimo eltron adicionado na penltima camada e no subnvel d, tendo uma con gurao (n-1)d. O subnvel d pode conter 10 eltrons; este preenchimento explica o fato de haver dez colunas nos elementos deste bloco (d).

O bloco f representado pelos lantanoides e actinoides , nestes elementos a subcamada a ser preenchida a f da antepenltima camada, assim sua con gurao ser (n-2)f .

Desse modo, podemos a rmar que possvel predizer a con gurao eletrnica de um elemento apenas veri cando a sua posio da tabela peridica.

Elementos de TransioMet

ais

Alca

linot

erro

sos

Met

ais

Alca

linos

Fam

lia

do B

oro

Fam

lia d

o Azo

to

Fam

lia

do C

arbo

no

Calc

ogn

ios

Halo

gni

os

Gase

s No

bres

Srie dos Lantandeos

Srie dos Actindeos

ZnCdHgUub

Sc

BeLi C N O FHe

B

YLaAc

13 14

1

21

2

3 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

4

5

6

7

15 16 17

18

H


Uma viso geral doselementos da tabela peridica

Agora que j sabemos como a tabela peridica est dividida, vamos conhecer um pouco das caractersticas de cada grupo?

As colunas verticais, ou grupos, da tabela peridica contm os elementos com proprieda-des qumicas e fsicas semelhantes. Cada grupo constitui uma famlia de elementos, s quais se atribui, por vezes, uma designao prpria (Figura 5). Por exemplo, o grupo 1 o grupo dos metais alcalinos; o grupo 2 o dos metais alcalinoterrosos; o grupo 16 o dos calcognios; o grupo 17 o dos halognios e o grupo 18 chamado o grupo dos gases nobres ou inertes. As caractersticas das vrias famlias sero exploradas mais adiante.

Figura 5 Famlias constituintes da tabela peridica

Grupo 1 (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) Os elementos na coluna mais esquerda so conhecidos como metais alcalinos. Todos

so metais e so slidos temperatura ambiente. Os metais do grupo 1 so todos reativos. Por exemplo, reagem com gua para produzir hidrognio e solues alcalinas. Em razo de sua reatividade, esses metais somente so encontrados na natureza combinados em compostos como NaCl, nunca como substncias simples.

Grupo 2 (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)Os elementos do grupo 2 so chamados de elementos alcalinosterrosos. Esses elementos

metlicos ocorrem naturalmente apenas em compostos como a calcita (carbonato de clcio - CaCO

3). exceo do berlio (Be), esses elementos tambm reagem com gua para produzir

solues alcalinas, e a maioria de seus xidos (como a cal, CaO) forma solues alcalinas.


O magnsio (Mg) e o clcio (Ca) so o stimo e o quinto elementos mais abundantes na crosta terrestre, respectivamente. O clcio especialmente conhecido, pois um dos elemen-tos importantes nos dentes e ossos, e ocorre em vastos depsitos de calcrio. O carbonato de clcio o constituinte principal da pedra calcria e dos corais, das conchas marinhas, do mrmore e o do giz. O rdio o elemento alcalinoterroso mais pesado, radioativo e usado no tratamento de alguns tipos de cncer por radiao.

Grupo 13 (B, Al, Ga, In, Tl) O grupo 13 contm um elemento de grande importncia, o alumnio (Al). Esse elemento

(Al) e trs outros (Ga, In, Tl) so metais, enquanto o boro (B) um metaloide. O alumnio (Al) o metal mais abundante na crosta terrestre. Sua abundncia somente menor do que a dos no metais oxignio e silcio. Esses trs elementos (Ga, In, Tl) so encontrados combinados nas argilas e em outros minerais comuns. O boro ocorre no brax mineral (Na

2B

4O

710H

2O)

e usado como agente de limpeza, antissptico e como uxo para trabalho em metal.

Grupo 14 (C, Si, Ge, Sn, Pb)Neste grupo, encontra-se um no metal (C), dois metaloides, silcio (Si) e germnio (Ge),

e dois metais, estanho (Sn) e chumbo (Pb). Devido mudana de comportamento metlico para no metlico, existe mais variao nas propriedades dos elementos desse grupo do que na maioria dos outros.

O carbono base para a grande variedade de compostos qumicos que constituem os seres vivos. Na Terra, esse elemento encontra-se na atmosfera na forma de CO

2, nos carbo-

natos como calcrio e no carvo, no petrleo e no gs natural os combustveis fsseis. Um dos aspectos mais interessantes da qumica dos no metais a propriedade da alotropia, na qual um determinado elemento pode existir em diversas formas.

O silcio a base de muitos minerais, como argilas, o quartzo e as belas gemas, como a ametista. O estanho e o chumbo so conhecidos h sculos, pois so facilmente obtidos a partir de seus minrios. A liga de cobre e estanho o bronze, que foi usado por centenas de anos em utenslios e armas. O chumbo foi utilizado em encanamentos e tinta, embora o elemento seja txico para os humanos.

Grupo 15 (N, P, As, Sb, Bi)O nitrognio, na forma de N

2, constitui aproximadamente trs quartos da atmosfera

terrestre, ele tambm est incorporado em substncias biologicamente importantes, como a cloro la e as protenas de DNA. Dessa maneira, os cientistas tm procurado h muito tempo formas de xar o nitrognio atmosfrico (formando compostos do elemento). A natureza atinge facilmente esse objetivo com as plantas, mas condies severas (altas temperaturas, por exemplo) tm de ser usadas no laboratrio e na indstria para fazer com que o nitrognio


reaja com outras substncias elementares (como o H2, para formar a amnia, e o NH

3 que

muito utilizada como fertilizantes).O fsforo, essencial vida, um constituinte importante dos ossos e dos dentes. O

elemento brilha no escuro se estiver no ar.

Grupo 16 (O, S, Se, Te,Po) Esse grupo comea com o oxignio, que constitui aproximadamente 20% da atmosfera

terrestre e que se combina prontamente com a maioria dos outros elementos. A maior parte da energia que impulsiona a vida na Terra derivada das reaes, em que o oxignio combina-se com outras substncias.

O enxofre, o selnio e o telrio so conhecidos coletivamente como calcognios (da pala-vra grega, khalkos, que signi ca cobre), eles ocorrem nos minrios de cobre. Seus compostos podem ser malcheirosos e venosos. Apesar disso, o enxofre e o selnio so componentes essenciais da dieta humana. O composto mais importante do enxofre o cido sulfrico (H

2SO

4), que a indstria qumica produz em maior quantia.

O polnio, elemento radiativo, foi isolado em 1898 por Marie e Pierre Curie, que o sepa-raram de toneladas de minrios que continham urnio, e deram seu nome em homenagem ao pas de origem da madame Curie, a Polnia.

Grupo 17: halognios (F, Cl, Br, I, At)Elementos inteiramente no metlicos. Os elementos desse grupo: or, cloro, bromo e

iodo existem como substncias elementares na forma de molculas diatmicas. Todos com-binam violentamente com metais alcalinos para formar sais como o sal de cozinha NaCl.

O nome para esse grupo, halognios, vem da palavra hals, que signi ca sal e genes, que signi ca formador. Os halognios reagem com muitos outros metais para formar compostos e combinam-se tambm, como a maioria dos no metais. Eles esto entre os elementos mais reativos.

Grupo 18: gases nobres (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)Os elementos desse grupo so os menos reativos. Todos so gases e nenhum abun-

dante na Terra ou na atmosfera terrestre. Por causa disso, no foram descobertos at o m do sculo XIX. O hlio, segundo elemento mais abundante do universo aps o hidrognio, foi detectado no Sol em 1868 pela anlise do espectro solar (o nome do elemento vem da palavra grega para o Sol, helios). At 1962, quando um composto de xennio foi preparado pela primeira vez, acreditava-se que nenhum desses elementos se combinaria quimicamente com qualquer outro elemento, o que gerou o nome de gs nobre para esse grupo, termo cuja inteno mostrar sua baixa reatividade em geral.

31

2


Elementos de transioTodos so metais e 13 deles esto entre os 30 elementos mais abundantes da crosta

terrestre. Alguns como o ferro (Fe), so abundantes na natureza. A maioria ocorre natural-mente em combinao com outros elementos, mas alguns com a prata (Ag), o ouro (Au) e a platina (Pt) so muito menos reativos, de modo que podem ser encontrados na natureza como substncias simples puras.

Praticamente, todos os elementos de transio tm usos comerciais so usados como materiais estruturais (Fe, Ti, Cr e Cu); em pinturas (titnio, cromo); nos conversores ca-talticos em sistemas exausto de automveis (platina e rdio); em moedas (cobre, nquel e zinco) e em baterias (mangans, nquel, cdmio, mercrio).

O ferro (Fe) desempenha a funo biolgica de ser o elemento central na qumica da hemoglobina (o componente do sangue que transporta oxignio).

Duas leiras da parte inferior da tabela peridica acomodam os lantandeos e os acti-ndeos. Alguns compostos de lantandeos so usados nos tubos de televisores coloridos. O urnio o combustvel das usinas nucleares e o amercio usado em detectores de fumaa.

Como vimos nesta aula, a qumica faz parte no nosso cotidiano, os elementos presentes na tabela peridica esto muito prximos de ns, formando substncias que so essenciais para a nossa sobrevivncia, ou mesmo, para melhorar a nossa qualidade de vida. Voc j havia enxergado a qumica desse ponto de vista?

Vamos testar nossos conhecimentos sobre a tabela peridica?

Como est dividida a tabela peridica?

Revendo a tabela peridica:

a) D o nome de um elemento do grupo 2.

b) D o nome de um elemento do terceiro perodo.

c) Que elemento est no segundo perodo do grupo 14?

d) Que elemento est no terceiro perodo do grupo 16?


e) Que halognio est no quinto perodo?

f) Que elemento alcalinoterroso est no terceiro perodo?

g) Que gs nobre est no quarto perodo?

h) D o nome de um no metal no grupo 16 e terceiro perodo.

i) D o nome de um metaloide do quarto perodo.

Raio = d/2/2

d

Raio atmico mdio


Propriedades peridicasAlgumas das propriedades dos tomos mostram variaes peridicas em funo de nmero

atmico, elas tendem a crescer ou a decrescer com o aumento dos nmeros atmicos dos ele-mentos qumicos ao longo do perodo. Nesta aula, estudaremos quatro propriedades peridicas.

Raio atmicoVoc sabe qual o tamanho de um tomo? Segundo a teoria do orbital atmico, os

eltrons no possuem rbitas de nidas, torna-se impossvel pensar no raio de um tomo como uma de nio puramente matemtica. Assim, o raio atmico medido e de nido como a distncia entre dois tomos iguais em uma molcula (Figura 6).

Figura 6 Determinao do raio atmico de um tomo

Consideremos o caso da molcula de hidrognio, H2, a distncia de ligao nesta molcula

foi determinada e de 0,074 nm. O termo distncia de ligao referente distncia entre os ncleos de dois tomos ligados, portanto, razovel considerar que, na molcula H

2, a metade

de 0,074 nm, ou 0,037 nm, o raio atmico de um nico tomo de hidrognio.A tendncia de variao dos raios entre os diversos elementos de uma mesma famlia

facilmente previsvel. medida que aumenta o nmero atmico dentro do grupo, maior ser o raio atmico, pois o nmero de camadas vai aumentando quanto maior o nmero de camadas, maior o tamanho.

Quanto variao de tamanho ao longo de um perodo, a variao no to simples quando comparada variao ao longo de uma famlia. De modo geral, os raios dos elementos diminuem medida que os nmeros atmicos aumentam ao longo do perodo, da esquerda para a direita (Figura 7).

105

1,0

1,5

2,0

2,5

20 30 40 50 60 70 80 90

Rai

o at

mic

o (

10-1

0 cm

)

Li

NaK Rb

CsRaio atmico (pm)

F

Cl

Br

I

At

64

99

114

133

140


Figura 7 Periodicidade do raio atmico em funo do perodo

Como podemos explicar esse decrscimo do raio atmico ao longo do perodo? De acordo com as con guraes eletrnicas, ao longo do segundo e terceiro perodos, os eltrons so adicionados na camada de valncia. Simultaneamente os prtons so adicionados ao ncleo, aumentando a carga nuclear. Esse aumento atrai todos os eltrons, aproximando-os do ncleo, como resultado, o raio atmico diminui.

Nos perodos 4, 5 e 6, o decrscimo nos raios atmicos ao longo do perodo moderado pela interveno da srie de elementos de transio. Por qu? A estruturao de con guraes eletrnicas da srie dos elementos de transio caracterizada por um aumento gradual do nmero de eltrons na penltima camada externa (n-1), e no na camada de valncia (n). Uma vez que os eltrons so colocados na penltima camada e no subnvel d, entre o ncleo e a camada de valncia, eles protegem parcialmente os eltrons da camada de valncia da fora de atrao exercida pelo ncleo. Essa proteo conhecida como efeito blindagem.

Energia de ionizaoVoc acha que possvel retirar eltrons de um tomo? A seguir, veremos como isto

possvel e quais so os tomos que tm a tendncia de perder eltrons.Quando um tomo isolado, em seu estado fundamental, absorve energia, o eltron pode

se transferir de um nvel energtico quantizado para outro. Se a energia fornecida for su ciente, o eltron pode ser completamente removido do tomo, originando um on positivo. Assim, energia de ionizao a mnima energia necessria para remover um eltron de um tomo isolado no seu estado fundamental.

Um exemplo genrico para o processo de ionizao para um elemento X, pode ser representado por:

X (g) X+ (g) + 1e-(1 energia de ionizao EI)X+(g) X

2+ (g) + 1e-(2 energia de ionizao EI)

X2+(g) X

3+ (g) + 1e-(3 energia de ionizao EI)

Prim

eira

ene

rgia

de

ioni

za

o (k

J/m

ol)

Nmero atmico (Z )

0 10 20 03 40 50 60 70 80 90

500

1.000

1.500

2.000

2.500He

Ne

H

Li Na K Rb Cs

XeRn

KrAr


Se exempli carmos com o sdio (Na), tem-se:Na (g) Na+ (g) + 1e- EI = 497,4 kJ/molNa+ (g) Na

2+ (g) + 1e-EI = 4560 kJ/mol

medida que aumenta o raio ou o tamanho de um tomo, gradativamente a energia de ionizao torna-se menor (Figura 8) e a primeira energia de ionizao tende a aumentar atravs do perodo. Em geral, a carga nuclear aumenta atravs do perodo e os eltrons da camada de valncia so atrados mais fortemente para o ncleo. Consequentemente, mais energia necessria para remover um eltron do tomo.

Figura 8 Primeiras energias de ionizao

De uma forma geral, os metais tm energias de ionizao mais baixas do que os no me-tais. Atravs da gura , ainda, perceptvel que os elementos que tm maior energia de ionizao so os gases nobres, da a sua inrcia qumica, e os que tm menor energia de ionizao so os metais alcalinos, pois tm con gurao de valncia ns1, isto , tm apenas um eltron de valncia que facilmente o perdem para adquirirem a con gurao eletrnica do gs nobre do perodo anterior. Os metais alcalinoterrosos tm energias de ionizao um pouco superiores s dos metais alcalinos. De todos os elementos, o que tem maior energia de ionizao o hlio.

Seria possvel retirar mais de um eltron? A energia necessria para retirar um segundo ou terceiro eltron seria maior ou menor do que a energia necessria para retirar o primeiro eltron?

Consideremos que a segunda, terceira, quarta etc. energias de ionizao so aquelas para remover o segundo, terceiro, quarto, etc. eltrons, respectivamente. Elas so maiores que a primeira energia de ionizao. O aumento das energias de ionizao resulta do fato de que cada eltron retirado deixa o on mais positivamente carregado, do que o on deixado pelo eltron anterior, aumentado assim a atrao entre o prton presente no ncleo e os eltrons. A sucessiva remoo de eltrons diminui o tamanho dos ons e aumenta a energia de ionizao.

Afini

dade

ele

trn

ica

(kJ/

mol

)

Nmero atmico (Z)

5 10 15 20400

300

200

100

0

+100

+200

+300

+400

H

He

Be

B

C

N

O

F

Ne

NaAl

SiS

Cl

Ar

K

Ca

P

Mg

Li


A nidade eletrnicaJ vimos que um tomo pode perder um ou mais eltrons, mas uma nova pergunta surge: ser

que ele pode receber eltrons?Um tomo tambm pode receber um eltron produzindo um on negativo:X(g) + e- X- (g).Esse processo normalmente acompanhado por uma liberao de energia e tal quantidade mede

o quo fortemente o eltron se liga ao tomo. Assim, de ne-se a nidade eletrnica como a variao de energia que ocorre quando um eltron adicionado a um tomo isolado gasoso, formando um on negativo.

Quando um eltron adicionado ao or, por exemplo, ocorre a liberao de 328 kJ/mol. Desse modo, dizemos que a a nidade eletrnica do or -328 kJ/mol (o sinal negativo indica que a energia est sendo liberada).

F(g) + e- F- (g) E = -328 kJ/molQuanto maior a atrao que um tomo exerce sobre um eltron adicionado a ele, maior ser a

a nidade eletrnica do tomo (mais negativa a variao de energia). No entanto, nem todos os tomos possuem a nidade eletrnica negativa, pois para esses tomos, a energia envolvida na entrada de um eltron em sua eletrosfera positiva (ou seja, absorvida).

A periodicidade na a nidade eletrnica demonstrada na Figura 9. Embora o comportamento no seja uniforme, os elementos do grupo 1, Li e Na tm a nidades eletrnicas ligeiramente negativas. Esses elementos tm pouca tendncia de ganhar eltrons. Os elementos Be e Mg (grupo 2) tm valores positivos, isto signi ca que para que esses elementos possam ganhar eltrons, tero que absorver uma grande quantidade de energia.

Figura 9 Variao da a nidade eletrnica com o nmero atmico para os primeiros 20 elementos

Os valores de a nidade eletrnica apresentam a tendncia de aumentar medida que caminhamos da famlia 13 para a 17. Os halognios possuem os maiores valores de a nidade eletrnica, justamente por necessitarem de um eltron para completar o octeto, cando com

H2,2

Li1,0

Na0,9

K0,8

Rb0,8

Cs0,7

Fr0,7

Be1,5

Mg1,2

Ca1,0

Sr1,0

Ba0,9

Ra0,9

Sc1,3

Y1,2

*

**

Ti1,5

Zr1,4

Hf1,3

Rf

V1,6

Nb1,6

Ta1,5

Db

Cr1,6

Mo1,8

W1,7

Sg

Mn1,5

Tc1,9

Re1,9

Bh

Fe1,8

Ru2,2

Os2,2

Hs

Co1,9

Rh2,2

Ir2,2

Mt

Ni1,8

Pd2,2

Pt2,2

Ds

Cu1,9

Ag1,9

Au2,4

Rg

Zn1,6

Cd1,7

Hg1,9

Uub

B2,0

Al1,5

Ga1,6

In1,7

Ti1,8

Uut

C2,5

Si1,8

Ge1,8

Sn1,8

Pb1,9

Uuq

N3,0

P2,1

As2,0

Sb1,9

Bi1,9

Uup

O3,5

S2,5

Se2,4

Te2,1

Po2,0

Uuh

F4,0

Cl3,0t

Br3,0

I2,5

At2,2

Uus

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

Uuo

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

2

3

4

5

6

7

Grupo

Perodo

Escala de eletronegatividade de Pauling


a con gurao de gs nobre. Por outro lado, os gases nobres possuem a nidade eletrnica positiva, pois um novo eltron tem de ocupar um subnvel de mais alta energia.

Como percebemos atravs dos conceitos de energia de ionizao e a nidade eletrnica, os tomos podem receber ou perder eltrons. Observamos que os metais tm facilidade em perder eltrons e os no metais em receber eltrons, portanto, podemos ter transferncia de eltrons entre esses grupos de elementos. O que isto signi ca? Que os elementos podem reagir (ou ligar) entre si formando novos elementos. O assunto ligaes qumicas ser o tema da aula seguinte. O importante agora saber que estas duas propriedades peridicas, energia de ionizao e a nidade eletrnica, nos auxiliam a prever se haver ligaes qumicas entre determinados tomos.

Eletronegatividade tambm importante estudar outra propriedade peridica: a eletronegatividade.A eletronegatividade pode ser de nida como a capacidade de um determinado tomo atrair

os eltrons envolvidos em uma ligao qumica. Assim, podemos concluir que um elemento qumico A mais eletronegativo do que um elemento qumico B se os eltrons envolvidos na ligao entre A e B sentem mais a atrao do tomo do elemento A.

Os valores de eletronegatividade so baseados em outras propriedades dos tomos, inclusive a energia de ionizao. Os elementos com valores elevados de energia de ionizao tero eletronegatividade elevada, e elementos com baixa energia de ionizao exibiro baixa eletronegatividade.

A Figura 10 apresenta os dados de eletronegatividade calculadas por Linus Pauling (1901-1994), um dos mais in uentes qumicos do sculo XX. Com relao aos gases nobres, no se de ne eletronegatividade, uma vez que tais elementos no participam de ligaes qumicas em condies normais.

Figura 10 Escala de eletronegatividade de Pauling


Voc ver na prxima aula que a eletronegatividade uma informao importante para avaliar a polaridade de uma ligao qumica.

Para nalizar esta aula, apresentamos a voc uma quadro (Quadro 1), na qual esto inseridas as propriedades qumicas e fsicas dos grupos que acabamos de estudar. Neste quadro, tambm se apresenta relaes entre as propriedades peridicas e a reatividade dos elementos, bem como com sua con gurao eletrnica. Leia com ateno essas informaes.

Grupo da Tabela Propriedades Fsicas Propriedades Qumicas

Grupo 1 (metais alcalinos)

- So moles e poucos densos.- So slidos temperatura ambiente, exceo do csio e do frncio que se encontram no estado lquido.- Apresentam pontos de fuso e ebulio elevados.- Tm brilho metlico, quando superfcie, est recentemente cortada.- So bons condutores da corrente eltrica.- Ardem com uma chama caracterstica.

- So muito reativos e, por isso, no existem livres na Natureza; surgem sob a forma de compostos inicos.- Formam facilmente ons monopositivos, por terem configurao eletrnica de valncia ns1.- Reagem com a gua, originando compostos alcalinos (hidrxidos) e libertando hidrognio.- Quando expostos ao ar, reagem com o oxignio gasoso para formar vrios tipos diferentes de xidos.- Possuem baixas energias de ionizao, pois tm tendncia a perder o eltron de valncia.

Grupo 2 (metais alcalinoterrosos)

- So mais duros e mais densos que os metais alcalinos.- Tm brilho metlico quando recentemente polidos.- Conduzem bem o calor e a eletricidade.

- Nunca aparecem livres na natureza; surgem, quase sempre, sob a forma molecular.- Quando isolados so muito reativos, embora menos que os do grupo anterior.- Formam facilmente ons dipositivos, por terem con gurao eletrnica de valncia ns2.- Quando reagem com a gua formam compostos alcalinos e libertam hidrognio (apenas o berlio no reage com a gua).- Reagem com o oxignio, originando xidos.- Reagem com cidos, dando origem a hidrognio gasoso.- Possuem energias de ionizao mais elevadas do que as do grupo anterior.

Grupo 13

- O boro um semimetal.- O alumnio, o glio, o ndio e o tlio so metais.- o glio o nico que se encontra em estado lquido temperatura ambiente; os outros se encontram no estado slido.

- Formam muitos compostos moleculares.- O boro no forma compostos inicos binrios e no reage com o oxignio, nem com a gua.- O alumnio origina xido de alumnio quando reage com o oxignio.- Tm tendncia para formar ons tripositivos, pois tm configurao eletrnica de valncia ns2np1.- No entanto, para o tlio, o on monopositivo (Tl+) revela-se mais estvel do que o on tripositivo (Tl3+).


Grupo 14

- So todos slidos temperatura ambiente.- O carbono um no metal.- O silcio e o germnio so semimetais.- O estanho e o chumbo so metais.

- No formam compostos inicos.-Os elementos metlicos desse grupo no reagem com a gua, mas reagem com cidos liberando hidrognio gasoso.- Tm con gurao eletrnica de valncia ns2np2.- Formam compostos nos dois estados de oxidao +2 e +4.

Grupo 15

- O nitrognio encontra-se no estado gasoso e os outros no estado slido, temperatura ambiente.- O nitrognio e o fsforo so no metais.- O arsnio e o antimnio so semimetais.- O bismuto um metal.

- O nitrognio existe como um gs diatmico (N

2) e forma um nmero razovel de xidos.

- O fsforo existe na forma de molcula (P4) e forma dois xidos slidos (P

4O

6 e P

4O

10).

- O bismuto muito menos reativo do que os metais do grupo 1 a 14.- O arsnio, o antimnio e o bismuto tm estruturas tridimensionais extensas.- Tm con gurao eletrnica de valncia ns2np3.- O nitrognio tem tendncia para captar trs eltrons.

Grupo 16 (calcognios)

- O oxignio o nico que se encontra no estado gasoso temperatura ambiente; os outros so todos slidos.- O oxignio, o enxofre e o selnio so no metais.- O telrio e o polnio so semimetais.

- O oxignio existe sob a forma de molcula diatmica simples (O

2), o enxofre e o

selnio existem como unidades (S8 e Se

8).

- O telrio e o polnio tm estruturas muito extensas.- Formam um grande nmero de compostos moleculares com no metais, especialmente o oxignio.- Formam ons dinegat ivos, pois facilmente captam dois eltrons, por terem con gurao eletrnica de valncia ns2np4.

Grupo 17 (halognios)

- So todos no metais.- O or e o cloro so gasosos, o bromo lquido e o iodo slido temperatura ambiente.- So txicos.

- So muito reativos, deste modo, nunca se encontram na natureza na forma elementar.- exceo do stato, formam molculas diatmicas simples (F

2, Cl

2, Br

2, I

2).

- Formam facilmente ons mononegativos, por terem configurao eletrnica de valncia ns2np5.- As suas molculas reagem com o hidrognio, formando halogenetos de hidrognio, que quando dissolvidos em gua formam solues cidas de carter variado.- Quando suas molculas reagem com os metais originam halogenetos metlicos (compostos inicos).- Tm elevadas energias de ionizao, pois tm tendncia captar um eltron para adquirirem a configurao eletrnica do gs nobre do mesmo perodo.

Grupo 18 (gases nobres) - So gases incolores e inodoros.

- Os tomos desses elementos no formam molculas.- No apresentam reatividade, por terem as orbitais de valncia completamente preenchidas (ns2np6).- So muito estveis.

Quadro1 Propriedades das famlias dos elementos representativos e dos gases nobres

Fonte: Maia e Biachi (2007); Brown et al (2005); Kotz e Treichel (2005).

Resumo


Considere os seguintes elementos: Ni, Sn, Cl, Ba, Mg, Si e O. Ordene estes elementos (do menor para o maior) conforme:a) raio atmico;

b) energia de ionizao;

c) a nidade eletrnica.

4

Nesta aula, voc aprendeu que a lei peridica estabelece que as proprieda-des dos elementos so funes peridicas de seus nmeros atmicos. Assim, a tabela peridica agrupa famlias de elementos com propriedades semelhantes em colunas verticais chamadas grupos e, em las horizontais chamadas perodos, nas quais os elementos de um perodo possuem o mesmo nmero de camadas. Voc tambm aprendeu que existem propriedades dos tomos que so peridicas e podem ser previstas pelo conhecimento da tabela peridica, so elas: raio at-mico, energia de ionizao, eletronegatividade e a nidade eletrnica. Conhecendo estas propriedades possvel reconhecer o papel que desempenham na qumica dos elementos.

AutoavaliaoCom o trmino da nossa aula chegada a hora de veri carmos se o contedo exposto

foi assimilado. Desse modo, preparamos alguns exerccios para voc.

possvel a existncia de elementos radioativos naturais? Cite dois exemplos.

De que maneira a atual tabela peridica serve como guia para escrever as con gu-raes eletrnicas?

Qual a con gurao eletrnica para a camada de valncia dos grupos 1, 2 e 17?

1

2

3

Anotaes


Para melhorar a tenacidade, a resistncia a corroso e tambm a resistncia me-cnica, costuma-se colocar vandio como constituinte do ao. Faa a distribuio eletrnica do vandio (Z=23) e encontre sua posio na tabela peridica.

Qual das duas espcies possui a maior energia de ionizao: potssio (K) ou iodo (I)? Explique sua resposta.

Quais as propriedades fsicas e qumicas dos metais alcalinos e alcalinoterrosos?

Referncias BROWN, T. L. et al. Qumica a cincia central. So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

KOTZ, J. C.; TREICHEL, P. M. Qumica geral 1 e reaes qumicas. So Paulo: Editora Pioneira Thomson Learning, 2005.

MAIA, D. J.; BIANCHI, J. C. Qumica geral: fundamentos. So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.

RUSSEL, J. B. Quimica geral. 2. ed. So Paulo: Pearson Makron Books, 1994. v 1.

4

5

6

Anotaes


Ligaes qumicas

2Aula

12

3


Apresentao

Aps ter estudado, na Aula 1, a Tabela peridica e as propriedades dos tomos, vamos aprender nesta aula como os tomos se ligam para formar as diversas substncias existentes ao nosso redor, como as ligaes qumicas explicam as propriedades das substncias e, tambm, estudar a energia envolvida nestas ligaes. Esses conhecimentos serviro de base para uma melhor compreenso dos prximos contedos a serem estudados.

ObjetivosDe nir os conceitos associados s ligaes qumicas (sm-bolo de Lewis, regra do octeto e eletronegatividade).

Compreender e diferenciar os tipos de ligaes qumicas.

Associar as ligaes qumicas s propriedades das subs-tncias e suas energias.

Distnciainteratmica /pm

Ep/k

J.m

ol

1


Consideraes iniciais

Os tomos de quase todos os elementos podem se combinar, formando ligaes e ge-rando substncias cujas energias so sempre menores do que a soma das energias que esses tomos teriam se permanecessem separados. Em outras palavras: podemos dizer que um composto qumico formado apenas se proporcionar uma situao de estabilidade energtica (termodinmica) maior que aquela envolvendo seus constituintes isoladamente.

Como os tomos podem atingir estabilidade energtica? Perdendo, recebendo ou com-partilhando os eltrons de valncia (ltima camada). A forma como os elementos atingem a con gurao mais estvel de ne o tipo de ligao. Considerando a gura a seguir, observamos o ponto entre os tomos de menor distncia na regio de menor valor energtico e o ponto de estabilidade cuja ligao se forma.

Figura 1 Diagrama de energia potencial

Assim, podemos dizer que quando uma ligao qumica formada, energia liberada! Quando nos referimos s substncias qumicas, muitas vezes pensamos na sua utilidade. Quando queremos uma substncia isolante, procuramos um determinado composto que no deixe passar a corrente eltrica; quando precisamos de um condutor, a substncia permitir a passagem da corrente eltrica; quando necessrio riscar algo, pensamos em substncias mais duras e resistentes e, assim, poderamos citar vrios outros exemplos. Mas qual a re-lao entre a utilidade dessas substncias e suas propriedades? Por que uma determinada substncia pode ter um uso e outra semelhante no serve para o mesmo m? Qual ser a explicao para que substncias tenham comportamentos to diferentes e, consequente-mente, aplicaes to variadas? Estudaremos as ligaes que formam essas substncias.

Aumento da energia de ionizao Aum

ento

da e

nerg

ia d

e ion

iza

o

Ener

gia

de io

niza

o

(kJ/

mol

)

0

8A7A

6A5A

4A3A

2A1A

500

1000

1500

2000

2500


Aspectos gerais No perodo em que se procurava desenvolver um modelo atmico compatvel com as

observaes sobre a natureza, paralelamente, se especulava sobre possveis mecanismos de ligao entre os tomos para formar os corpos.

A ligao qumica, sendo a interao de dois tomos (ou grupos de tomos), est intima-mente ligada ao rearranjo da estrutura eletrnica, associado formao da ligao covalente, ligao inica e ligao metlica. Relembrando o que estudamos anteriormente, o potencial de ionizao e a a nidade eletrnica so duas propriedades peridicas que podem nos auxiliar a compreendermos a natureza da ligao qumica. Lembremos, inicialmente, que a energia de ionizao a energia requerida para retirar um eltron do tomo no estado gasoso (EI) e a a nidade eletrnica a energia liberada quando um tomo recebe um eltron no estado gasoso (E):

Na(g) Na+(g) + e- EI (1) Cl(g) + e- Cl(g)- E (2)

Figura 2 As primeiras energias de ionizao para os elementos representativos

Fonte: Brown et al (2005).


H73Li60Na53K48Rb47

Be>0

Mg>0

Ca2Sr5

B27Al43Ga30In30

C122Si134Ge119Sn107

N>0

P72As78Sb103

O141S200Se195Te190

F328Cl349Br325

I295

He>0

Ne>0

Ar>0

Kr>0

Xe>0

1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A

Figura 3 A nidade eletrnica em kJ mol-1 para os elementos representativos


Observando as Figuras 2 e 3, elementos com menor energia de ionizao so os de menores valores, tendo assim maior facilidade de perder eltrons, formando ctions e os elementos com maior facilidade de receber eltrons so de valores de a nidade eletrnica negativos, maior facilidade de formar nions. Vemos que outros elementos tendem a doar seus eltrons mais facilmente e outros a receber eltrons liberando energia. O processo de receber ou doar eltrons leva formao de nions ou ctions, respectivamente.

Espera-se, assim, que os dois ons formados interajam devido s foras de atrao de cargas, formando uma ligao qumica. A natureza da ligao qumica depender de como acontece o rearranjo dos eltrons na molcula formada. Sobre ligaes qumicas trataremos de trs tipos de ligaes, consideradas fortes e que esto presentes na maioria das substncias: ligao inica, ligao covalente e ligao metlica.


Inicialmente, ocorre a sublimao do tomo de sdio metlico, absorvendo 108 kJ mol-1 o cloro gasoso se dissocia absorvendo 122 kJ mol-1, ambos es-tando no estado gasoso, podem perder (EI = 496 kJ mol-1) e receber eltrons (E = -349 kJ mol-1), respectivamente, assim formando o on Na(g)+ e Cl(g)- . A contribuio que falta a atrao eletrosttica entre os ons de cargas opostas no slido, a qual libera grande quantidade de energia (energia de rede). No caso do NaCl, temos uma liberao de 788 kJ.mol-1. Obtendo ao nal do ciclo uma energia de formao de - 411,0 kJ kJ mol-1, ou seja, energia liberada para for-mao do slido inico, a energia liberada pelos ons de cargas contrrias mais do que compensa a natureza endotrmica das energias de ionizao, pois essa contribuio a atrao eletrosttica entre os ons de cargas opostas no slido, a qual libera grande quantidade de energia (energia de rede). No caso do NaCl, temos uma liberao de 788 kJ.mol-1, tornando a formao de um composto inico um processo exotrmico. Como observado na Figura 4.

Ligao inicaVocs conhecem sal de cozinha? Com certeza, sem ele no poderamos deixar a comida

to saborosa. Pois o nosso to conhecido sal de cozinha, formado por ligaes inicas, e o que isso? Uma ligao inica consequncia da atrao eletrosttica entre ons de cargas opostas. Normalmente, a reao qumica entre metais alcalinos (Li, Na, K) e halognios (F, Cl) leva formao de sais que, se dissolvidos em soluo aquosa, conduzem eletricidade. Esta uma evidncia de que os sais so formados por ons (lembra do sal de cozinha? Isso mesmo, o cloreto de sdio, NaCl).

Formao das ligaes inicas Por que um cristal de cloreto de sdio (NaCl, o nosso sal de cozinha) tem energia menor

do que um gs de um tomo de sdio e cloro gasoso muito separados? Imagine a formao de um slido inico, mostrado na Figura 4.

Na+(g) + Cl(g)

Na(g) + Cl(g)Na(g) + Cl(g)

349 KJ

496KJ

122KJ

108KJ 788KJ

411KJ

Na(g) + Cl2(g)1

2

Na(s) + Cl2(g)1

2

NaCl(s)

Na(s) Na(g) Na+(g)

Cl2(g) Cl(g) Cl(g)

NaCl(s)

Afinidade eletrnica do Cl

Energia de ionizao do Na

Energia de sublimao do Na Energia de rede

Energia de formao

Energia de

sublimao

Energia de

Energiareticular

ionizao

Energia de

dissociao

Afinidade

eletrnica

Energia de dissociao do Cl2

Cl

Na+


Figura 4 Ciclo de Born-Haber na formao do NaCl

Um aspecto importante que a ligao inica uma caracterstica do cristal como um todo. Assim, todos os ctions interagem mais ou menos com todos os nions, todos os ctions repelem-se uns aos outros e todos os nions repelem-se uns aos outros, observado na Figura 5.

Figura 5 Fragmento do slido inico NaCl

Fonte: Atkins e Jones (2009).

21 2 13 14

3

4

5

6

7

Li

Na

K

Rb

Cs

Fr

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Ra

B

Al

Ga

In

Tl

Sn

Pb

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn


Um aspecto importante que no podemos esquecer, que a energia necessria para a formao de ligaes inicas fornecida, em sua maior parte, pela atrao eletrosttica (cou-lmbica) entre os ons de cargas opostas. Em um aspecto geral, o modelo inico apropriado para compostos binrios entre elementos no metlicos e elementos metlicos, particularmente os do bloco s (Aula 1). Os elementos metlicos podem perder seus eltrons de valncia e formar ctions, j os elementos no metlicos acomodam os eltrons em suas camadas e tornam-se nions, dessa maneira, ambos atingem a estabilidade energtica e se formam espontanea-mente. As estruturas eletrnicas, mais provveis, para compostos inicos binrios, como no exemplo estudado anteriormente, podem ser previstas a partir de seus ctions e nions, e ao se formarem, ocorrer uma interao entre estes ons formando o composto inico binrio, liberando uma grande quantidade de energia, chamada de energia de rede, como foi visto na Figura 4. Um tomo de um metal do bloco s forma um ction, ele perde um ou mais eltrons (energia de ionizao), como podemos observar para o tomo de Ltio (perda de um eltron) e o tomo de Frncio (sete eltrons perdidos), at atingir a estrutura de um gs nobre (cerne), que chamada de octeto de eltrons, conforme mostra a Figura 6.

Figura 6 tomos do bloco s atingindo estrutura de um gs nobre


Vamos testar nossos conhecimentos?

1

Os compostos formados pelos pares:(1) Mg e Cl (2) Ca e O (3) Li e O (4) K e BrPossuem frmulas cujas propores entre os ctions e os nions so, respectivamente:a) (1) 1 : 1 (2) 2 : 2 (3) 1 : 1 (4) 1 : 2

b) (1) 1 : 2 (2) 1 : 2 (3) 1 : 1 (4) 1 : 1

c) (1) 1 : 1 (2) 1 : 2 (3) 2 : 1 (4) 2 : 1

12

3

4

5

6

14 15 16 17

18

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

F

Cl

Br

I

At

O

S

Se

Te

Po

N

H

P

As

Sb

Bi

C

Si

Ge


d) (1) 1 : 2 (2) 1 : 1 (3) 2 : 1 (4) 1 : 1

e) (1) 2 : 2 (2) 1 : 1 (3) 2 : 1 (4) 1 : 1

Dados: Li(Z=3); O(Z=8); Mg(Z=12); Cl(Z=17); K(Z=19); Ca(Z=20);Br(Z=35)

Figura 7 tomos de no metais atingindo estrutura de um gs nobre


O magnsio ([Ne]3s2) forma Mg2+, que tem a con gurao do nenio ([He]2s22p6). Os ons Mg2+ no perdem mais eltrons em uma reao qumica porque as energias de ioniza-o dos eltrons do cerne so altas demais para serem recuperadas pelas atraes on-on. O hidrognio perde um eltron para formar um prton exposto. O ltio (Li) e o berlio (Be) perdem seus eltrons para formar um dublete igualando a con gurao eletrnica do hlio (1s2), quando se tornam Li+ e Be2+, respectivamente.

Para o caso dos no metais, Figura 7, estes recebem eltrons para se estabilizarem, como podemos observar para o oxignio so dois eltrons, para o cloro um eltron, isto est associado diretamente a sua a nidade eletrnica.


Em relao ao bloco d, as energias dos orbitais (n-1) d (Aula 1) cam abaixo das dos orbitais ns. Com isso, os eltrons s so perdidos em primeiro lugar, seguindo um nmero varivel de eltrons (n-1)d. No caso do ferro ([Ar]3d64s2), para formar o on Fe3+ dever perder 3 eltrons, dos quais 2 so removidos da subcamada 4s e 1 da subcamada 3d, cando com a con gurao [Ar]3d5. Os no metais raramente perdem eltrons em reaes qumicas por possurem altas energias de ionizao, contudo, podem adquirir eltrons su cientes para completar a camada de valncia e formar o octeto. Eles no ganham eltrons, pois envol-veria acomodao de eltrons em uma camada com uma energia maior, conforme mostra a Figura 8. Por exemplo, o nitrognio tem con gurao eletrnica [He]2s22p3, possuindo 5 eltrons na camada de valncia e para atingir a con gurao de um gs nobre precisa ganhar 3 eltrons. Veja a Figura 8.

2

Considere as con guraes eletrnicas de quatro elementos qumicos:i) 1s2 2s2

ii) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2

iii) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5

iv) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s2

Qual deles apresenta tendncia a formar um nion?a) i

b) ii

c) iii

d) iv

e) nenhum

N[He]22s22p3 N 3[He]2s22p6

2p

2s

2p

2s


Figura 8 Con gurao eletrnica do N e N3-


3

Faa a distribuio eletrnica e d o nmero de eltrons de valncia para os elementos a seguir:a) Sb;

b) Si;

c) Mn;

d) B.


Observamos na Tabela 1 alguns valores de energia de rede para os compostos inicos.Tabela 1 Energia de rede de alguns compostos inicos binrios

Composto Energia de rede/kJ mol-1 Composto Energia de rede/kJ mol-1

LiF 1.030 MgCl2

2.326

LiCl 834 SrCl2

2.127

LiI 730

NaF 910 MgO 3.795

NaCl 788 CaO 3.414

NaBr 732 SrO 3.217

NaI 682

KF 808 ScN 7.547

KCl 701

KBr 671

CsCl 657

CsI 600 Fonte: Brown et al (2005, p.256).

Regra do octeto Vocs j devem ter ouvido falar da regra do octeto, no ? Vamos conhecer mais um

pouco sobre ela. A denominao regra do octeto surgiu em razo da quantidade estabelecida de eltrons para a estabilidade de um elemento, ou seja, o tomo ca estvel quando apresentar em sua camada de valncia 8 eltrons (ns2 np6) estrutura de um gs nobre, com exceo do hlio. Destaca-se que os quatro gases nobres mais leves (He, Ne, Ar e Kr) no se ligam a qualquer elemento. J os dois seguintes (Xe e Rn) podem se ligar a alguns elementos, apesar de serem muito pouco reativos. Entre esses, o radnio radiativo e se degrada com facilidade, razo pela qual os compostos desse elemento so pouco estudados. J o xennio forma compostos bem conhecidos com o or e o oxignio, alm de sais com metais alcali-nos nos quais aparece formando nions com o oxignio (XeO

64-, no Na

4XeO

6). Porm, em

todos esses elementos, uma caracterstica comum a camada de valncia com oito eltrons (exceto no He) e a baixa ou inexistente reatividade, o que consolida a regra do octeto como um princpio vlido.

Smbolos de Lewis Um smbolo de Lewis um smbolo no qual os eltrons da camada de valncia de um

tomo ou um on simples so representados por pontos colocados ao redor do smbolo do elemento. Cada ponto representa um eltron em um orbital e, um par de eltrons representa dois eltrons emparelhados partilhando um orbital. A Tabela 2 apresenta alguns exemplos dos smbolos de Lewis.

Saiba mais

Perodo 2

Perodo 3

Nmeros deeltrons de

valncia

Li

Na

1 2 3 4 5 6 7 8

Be C N O F Ne

AlClSPSi

B

AlMg


Tabela 2 Smbolos de Lewis e valncias de alguns elementos

Vamos conhecer um pouco sobre Lewis? Gilbert Newton Lewis, fsico e qumico norte-americano, nasceu em Weymouth Massachusetts, em 25 de outubro de 1875 e faleceu em Berkeley Califrnia, em 23 de maro de 1946. Foi professor de Qumica no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e em Berkeley, na Universidade da Califrnia desde 1912, levando a cabo investigaes no campo das ligaes qumicas, termodinmica e da eletrlise. Foi, tambm, criador da noo de par eletrnico, que representou um avano decisivo no conhecimento da estrutura atmica.

Publicou diversos trabalhos, destacando-se Valence and the Structure of Atoms and Molecules. Morreu, em 1946, no seu laboratrio, rodeado pelos livros e instrumentos cient cos que tanto amava.

Figura 9 Gilbert Newton Lewis

Fonte: . Acesso em: 25 mar. 2011.

1s 2s 2p

Cl + +Ca Cl Cl Ca 2+ Cl Cl + Na+ Cl Na

a b


O smbolo de Lewis para o oxignio, por exemplo, representa a con gurao dos eltrons de valncia 2s22p4, veja a Figura 10, com 4 eltrons emparelhados, 2 no orbital 2s e 2 no orbital 2p e 2 eltrons desemparelhados no orbital 2p. O smbolo de Lewis um resumo visual da con gurao eletrnica dos eltrons de valncia de um tomo que permite acompanhar os eltrons quando um on se forma.

Figura 10 Smbolo de Lewis para o oxignio


Como um composto inico pode ser explicado pelos smbolos de Lewis?Para deduzir a frmula de um composto inico usando a representao dos smbolos de

Lewis, primeiramente representamos o ction pela remoo de pontos do smbolo do tomo do metal. Posteriormente, o nion representado pela transferncia desses pontos para o smbolo de Lewis do tomo de no metal, at completar a camada de valncia. Talvez seja necessrio ajustar o nmero de ons de cada tipo para poder acomodar todos os pontos removidos do smbolo do tomo do metal nos smbolos dos tomos do no metal. Finalmente, escrevemos a carga de cada on como um sobrescrito, na forma usual. A Figura 11 representa dois exemplos:

Figura 11 Representao dos compostos inicos usando os smbolos de Lewis: (a) cloreto de clcio (CaCl2) e

(b) cloreto de sdio (NaCl)



importante lembrar que:

Os tomos de muitos metais dos blocos d e p podem apresentar valncia varivel, ou seja, podem perder um nmero varivel de eltrons. Eles podem formar compostos diferentes como, por exemplo, chumbo, xido de chumbo (II), de frmula PbO e xido de chumbo (IV), de frmula PbO

2.

Propriedades de compostos inicos De acordo com essas caractersticas de ligao que acabamos de estudar, os compostos

inicos podem apresentar algumas propriedades, como: altos pontos de fuso e ebulio;

so slidos temperatura ambiente;

condutividade eltrica quando fundidos ou dissolvidos em gua;

no estado slido so maus condutores de eletricidade;

solubilidade em gua (a maioria);

apresentam aspecto cristalino.

possuem interaes eletrostticas fortes.

Exemplos de compostos inicos Podemos citar como exemplos de compostos inicos e suas aplicaes:

Tabela 3 Exemplos de compostos inicos

Substncia Frmula qumica Aplicaes

Cloreto de sdio NaCl Sal de cozinhaProduo de NaOH

Fluoreto de sdio NaF Cremes dentais

Cloreto de potssio KCl Fertilizantes

Cloreto de mercrio II HgCl2

Pesticida

Carbonato de clcio CaCO3

Giz

Dixido de titnio TiO2

Pigmentos de tintas e esmaltes


Podem ser citadas como propriedades caractersticas de substncias inicas:a) Baixa temperatura de ebulio e boa condutividade eltrica no estado slido.

b) Baixa temperatura de fuso e boa condutividade eltrica no estado slido.

c) Estrutura cristalina e pequena solubilidade em gua.

d) Formao de solues aquosas no condutoras da corrente eltrica e pequena solubilidade em gua.

e) Elevada temperatura de fuso e boa condutividade eltrica quando em fuso.

Ligao covalente Na aula anterior, foi visto para o caso da ligao inica que a ligao qumica pode ser

considerada como a interao eletrosttica entre dois ons. No entanto, certamente, este no o caso das molculas diatmicas gasosas como O

2, N

2, F

2 e H

2 e as espcies poliatmicas

slidas P4 e S

8. Neste caso, os dois tomos competem igualmente pelos eltrons. Com uma

intuio brilhante e antes do desenvolvimento da mecnica quntica ou do conceito de orbitais, Lewis encontrou uma explicao para a natureza das ligaes entre tomos de no metais. Props que uma ligao covalente um par de eltrons compartilhados por dois tomos. Nenhum dos tomos perde totalmente um eltron e, portanto, nenhum tomo precisa receber a totalidade da energia de ionizao. Deste modo, os eltrons so compartilhados pelos dois tomos. Mas quantos eltrons sero compartilhados pelos tomos? Observamos que somente

Podem ser citadas como propriedades caractersticas de substncias inicas:a) Baixa temperatura de ebulio e boa condutividade eltrica no estado slido.

b) Baixa temperatura de fuso e boa condutividade eltrica no estado slido.

c) Estrutura cristalina e pequena solubilidade em gua.

d) Formao de solues aquosas no condutoras da corrente eltrica e pe-quena solubilidade em gua.

e) Elevada temperatura de fuso e boa condutividade eltrica quando em fuso.

4


Figura 12 Compartilhamento de eltrons da molcula do cloro


os eltrons de valncia, ou seja, aqueles que esto na ltima camada e, consequentemente, com maior energia, estaro disponveis para serem transferidos (como numa ligao inica) ou compartilhados (como na ligao covalente). Para entendermos melhor a ligao covalente, precisamos entender alguns conceitos, como, estrutura de Lewis, ressonncia e polaridade, que sero vistos, vamos l!

Estruturas de LewisA ligao covalente se forma pelo compartilhamento de eltrons at atingir a con gurao

de um gs nobre. Segundo Lewis a regra do octeto, na formao de uma ligao covalente dar-se pelos tomos tenderem a completar seus octetos pelo compartilhamento de eltrons, Figura 12.

Nos compostos moleculares, os tomos se unem por ligaes covalentes que so formadas por:a) Doao de eltrons

b) Recepo de eltrons

c) Doao de prtons

d) Recepo de prtons

e) Compartilhamento de eltrons.

5

Cl + Cl Cl Cl , ou Cl Cl

Cl Cl Cl P


Podemos usar os smbolos de Lewis para descrever ligaes covalentes com uma linha () para representar o par de eltrons compartilhado e pares de pontos os pares isolados. Assim, um tomo de cloro tem sete (7) eltrons de valncia e utiliza mais um para completar o octeto. Isso ocorre pelo compartilhamento de um eltron fornecido por outro tomo, como por exemplo, um outro tomo de cloro, ver Figura 13.

Figura 13 Estrutura de Lewis para o Cl2


A valncia do cloro, isto , nmero de ligaes que um tomo pode formar, igual a um. A molcula de cloro tem pares de eltrons de valncia que no participam diretamente da ligao, que so denominados de pares isolados de eltrons. Os trs (3) pares isolados de cada tomo de cloro ligado repelem-se, e essa repulso quase su ciente para compensar a atrao favorvel do par ligante que mantm a molcula Cl

2 unida. Lembrar que alguns constituintes

do sistema de combusto so molculas diatmicas covalentes apolares. Ex: Combustvel (H

2), comburente (O

2), resduos gasosos da combusto, os fumos (N

2).

Estrutura de Lewis de espcies poliatmicas

Estudamos anteriormente a estrutura de Lewis para molculas diatmicas, veremos agora, como se comporta para molculas poliatmicas. Cada tomo em uma molcula poliatmica completa seu octeto ou dueto pelo compartilhamento de pares de eltrons com seus vizinhos mais prximos. Cada par de eltrons compartilhado em uma ligao covalente representado por uma linha entre os dois tomos. A estrutura de Lewis apenas indica que tomos se ligam e quais tm pares de eltrons isolados, assim no leva em considerao a forma da molcula. Vejamos a estrutura de Lewis da molcula PCl

3, cloreto de fsforo. Inicialmente, colocamos os

eltrons de valncia disponvel de todos os tomos na molcula, conforme mostra a Figura 14.

Figura 14 Estrutura de Lewis para os tomos de P e Cl


Cl PCl

Cl Cl PCl

Cl

Cl PCl

Cl Cl PCl

Cl ou O C O O C Oou

H C C HH C C H ou

a b

c


O prximo passo arranjar os pontos, representando os eltrons de forma que os tomos de fsforo (P) e cloro (Cl) tenham um octeto, conforme mostra a Figura 15.

Figura 15 Estrutura de Lewis do cloreto de fsforo, PCl3


Um par de eltrons emparelhados denominado de ligao simples, contudo dois tomos podem compartilhar dois ou trs pares de eltrons. Uma ligao dupla e uma ligao tripla ocorrem quando, respectivamente, dois e trs pares de eltrons so compartilhados entre dois tomos; essas ligaes so coletivamente denominadas de ligaes mltiplas. Veja na Figura 16 a representao de ligaes simples, dupla e tripla.

Figura 16 Estrutura de Lewis para (a) ligaes simples, (b) ligaes duplas e (c) ligao tripla entre carbonos e simples entre carbono-hidrognio


Uma ligao simples envolve no total de dois eltrons, j a ligao dupla quatro eltrons e, por ltimo, a ligao tripla seis eltrons. A ordem de ligao o nmero de ligaes que une um par espec co de tomos. Logo, a ordem da ligao em Cl

2 1, no grupo C=O 2,

e em CC 3. Para escrever uma estrutura de Lewis, necessrio saber que (1) os tomos esto ligados

entre si na molcula, (2) um tomo terminal liga-se somente a um tomo e (3) um tomo central um tomo que se liga a pelo menos dois outros. A escolha do tomo central geralmente aquele com a mais baixa energia de ionizao, por conduzir ao mnimo de energia. Os tomos com maiores energias de ionizao so mais relutantes em compartilhar e mais propensos a manter seus eltrons com pares isolados. O hidrognio um tomo terminal porque se liga

Conte os eltrons de valncia;

Conte os pares de eltrons;

1H

2O

1 + 1 + 6 = 8

4

2 Arranje os tomos; H O H

3

Localize os pares de eltrons da ligao;

Identifique os pares de eltrons ainda no localizados;

H O H

(2)

4 Complete os octetos; H O H

5 Desenhe as ligaes. OH H


tipicamente a somente outro tomo. Pode-se predizer a estrutura de uma molcula arrumando os tomos simetricamente em torno do tomo central.

Para predizermos uma estrutura, vamos agora utilizar a regra do octeto. Base conceitual: pro-curamos maneiras de usar todos os eltrons de valncia para completar os octetos ou dubletes.

Procedimento

1) Conte o nmero de eltrons de valncia em cada tomo isolado. Para ons, ajuste o nmero de eltrons para levar em conta a carga. Divida o nmero total de eltrons da molcula por 2 para obter o nmero de pares de eltrons.

2) Escreva os arranjos mais provveis dos tomos usando as regras dadas no texto.

3) Coloque um par de eltrons entre cada par de tomos ligados.

4) Complete o octeto ou dublete de cada tomo, colocando os pares de eltrons remanescen-tes em torno dos tomos. Se no existirem pares de eltrons su cientes, forme ligaes mltiplas.

5) Represente cada par de eltrons ligados por uma linha. Para conferir a validade de uma estrutura de Lewis, observe se cada tomo tem um octeto ou dublete.

Exemplo

Escreva a estrutura de Lewis da gua, H2O.

ou


6

Os elementos qumicos fsforo (P) e cloro (Cl) tm, respectivamente, 5 e 7 eltrons na camada de valncia.

a) Escreva a frmula de Lewis do tricloreto de fsforo.

b) Qual o tipo de ligao formada?

Ressonncia Muitas molculas e ons poliatmicos no devem ser representados adequadamente por

uma nica estrutura de Lewis. Para esses casos, Pauling introduziu o conceito de ressonncia. Linus Pauling props estruturas de ressonncia, que representam a ligao em uma molcula ou em um on quando uma nica estrutura de Lewis no descreve precisamente a estrutura eletrnica verdadeira. Escrevemos as estruturas de ressonncia para o benzeno que usado como matria-prima para produo de plsticos, gasolina, borracha etc., fazendo com que as ligaes simples entre cada par de tomos de C e os seis eltrons adicionais estejam deslo-calizados por todo o anel. Veja a Figura 17.

Figura 17 Ressonncia da molcula de benzeno


Todas as estruturas de ressonncia possuem padres idnticos e energias iguais. As estruturas de ressonncia que diferem somente na colocao das ligaes duplas podem ser escritas para a molcula. As estruturas contribuintes so as estruturas provveis, no havendo existncia fsica dessas estruturas, a fuso das estruturas de Lewis chamada de ressonncia. Portanto, podemos concluir que no ocorre um equilbrio dinmico entre as estruturas. No exemplo do benzeno utilizada uma seta de dupla direo () como smbolo para associar as estruturas de ressonncia, contudo no existe uma relao de alternncia ou vibrao entre as formas diferentes.


Polaridade da ligao e eletronegatividade Em uma ligao covalente, os eltrons esto compartilhados. O compartilhamento de

eltrons para formar uma ligao covalente no signi ca compartilhamento igual daqueles eltrons, voc sabia?

Existem algumas ligaes covalentes nas quais os eltrons esto localizados mais prxi-mos a um tomo do que a outro. O compartilhamento desigual de eltrons resulta em ligaes polares. A diferena na eletronegatividade (Aula 1, lembra?) entre dois tomos uma medida da polaridade de ligao: Quando as diferenas de eletronegatividade esto prximas a 0, resultam em ligaes covalentes apolares (compartilhamento de eltrons igual ou quase igual); prximas a 2, resultam em ligaes covalentes polares (compartilhamento de eltrons desigual); prximas a 3, resultam em ligaes inicas (transferncia de eltrons), como observado na Figura 18 e 19.

Figura 18 Distribuio de densidades eletrnicas


Limite entre ligao inica e covalente No h uma diviso clara entre ligaes inicas e covalentes: ligaes inica e covalente

apolar representam os dois extremos. A medida da polaridade da ligao varia de modo con-tnuo com a eletronegatividade. A ligao se torna mais de 50% inica quando a diferena na eletronegatividade excede aproximadamente 1,7, como mostra a Figura 19.

0,00

50

100

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Diferena na eletronegatividade entre os tomos

Cara

cter

stic

a da

liga

o

ini

ca /

%

N O N O


Figura 19 Limite entre a ligao inica e a covalente

Excees da regra do octetoA regra do octeto explica as valncias da maioria dos compostos e dos ons moleculares,

contudo, existem algumas excees regra, podemos citar molculas com nmero mpar de eltrons; molculas nas quais um tomo tem menos de um octeto, ou seja, molculas de cientes em eltrons; molculas nas quais um tomo tem mais do que um octeto, ou seja, molculas com expanso de octeto. Vamos estudar agora essas excees.

a) Nmero mpar de eltrons

Geralmente, molculas como ClO2, NO e NO

2 tm um nmero mpar de eltrons, como

mostra a Figura 20.

Figura 20 Molcula de NO


b) De cincia em eltrons

As molculas com menos de um octeto so tpicas para compostos dos Grupos 1, 2, e 3. O exemplo mais tpico o BF

3, Figuras 21. As estruturas de Lewis nas quais existe uma

ligao dupla BF so menos importantes que aquela na qual existe de cincia de eltrons.

F F

B

F


Figura 21 Molcula de BF3Fonte: Atkins e Jones (2009).

c) Expanso do octeto

Esta a maior classe de excees. Os tomos do 3 perodo em diante podem acomodar mais de um octeto. Alm do terceiro perodo, os orbitais d so baixos o su ciente em energia para participarem de ligaes e receberem a densidade eletrnica extra. Veja a Figura 22, com alguns exemplos.

Figura 22 Estruturas de Lewis em que o tomo central excede um octeto


PF5

F

P

FF

FF

SF4

F

S

FF

F

CIF3

F

Cl

FF

SF6

F

S

FF

FF

F

F

BrF

FF

F

BrF5

XeF2

F

Xe

F

XeF

FF

F

XeF4

F

Si

SiF5

FF

F

F

F

Si

SiF62

FF

F

2

F

F

PF6

F

P

FF

F

F

F

Grupo 14 Grupo 15 Grupo 16 Grupo 17 Grupo 18


De acordo com essas caractersticas de ligao que acabamos de estudar, os compostos covalentes podem apresentar algumas propriedades como:

possuem baixos pontos de fuso (PF) e ponto de ebulio (PE);

so solveis em solventes apolares;

so maus condutores de energia, no possuem um estado fsico caracterstico.

Exemplos de compostos covalentesPodemos citar como exemplos de compostos covalentes e suas aplicaes os itens da

Tabela 4.Tabela 4 Exemplos de compostos covalentes

Substncia Frmula qumica Aplicaes

gua H2O Solvente universal

cido Clordrico HCl Limpeza de pisos

Butano C4H

10Constitui o gs natural

Gs carbnico CO2

Bebidas e extintores de incndio

cido ciandrico HCN Produo de explosivos e resinas acrlicas

Ligao metlica Como foi estudado anteriormente na Aula 1, a tabela peridica formada principalmen-

te por metais. Estes apresentam algumas propriedades completamente diferentes daquelas apresentadas por outras substncias. Em sua maioria so slidos temperatura ambiente (25 C), com exceo do mercrio (Hg), que lquido. So bons condutores de calor e de eletricidade, tanto quando se apresentam no estado slido como quando fundidos (lquidos). Embora a interao entre dois tomos metlicos seja fraca, ligaes fortes ocorrem quando um conjunto de tomos forma um slido metlico, onde os tomos esto arranjados de uma forma relativamente compacta e regular, a estrutura cristalina. Nesta estrutura, os tomos esto prximos uns dos outros, sendo que os eltrons de valncia so atrados para os ncleos dos seus tomos vizinhos. Os eltrons de valncia no esto associados com um determinado ncleo em particular, esto distribudos pelos diversos tomos sob a forma de uma nuvem de


eltrons de baixa densidade. Num metal slido, os tomos ligam-se uns aos outros por ligaes metlicas, resultando em um estado de menor energia (ou mais estvel). Na ligao metlica, no so necessrios pares de eltrons, como no caso da ligao covalente, nem h restries relacionadas neutralidade eltrica, como no caso da ligao inica. Na ligao metlica, os eltrons de valncia exteriores so compartilhados por um elevado nmero de tomos sua volta, como observado na Figura 23.

Modelo de mar de eltrons Metal visualizado como uma rede de ctions metlicos imersos em um mar de el-

trons de valncia, conforme mostra a Figura 23, uniformemente distribudos pela estrutura. Os eltrons esto con nados ao metal por meio de atraes eletrostticas aos ctions e podem uir livremente atravs do metal. Sem quaisquer ligaes de nidas, os metais so fceis de deformar: maleveis, dcteis e formam ligas.

Figura 23 Ilustrao esquemtica do modelo de mar de eltrons. Cada esfera um on metlico carregado positivamente


21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

71Lu

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

Primeira srie de transio (3d)

Trade docromo

Trade docobre

Segunda srie de transio (4d)

Terceira srie de transio (5d)


Metais de transio Ocupam o bloco d da tabela peridica. Quase todos tm 2 (dois) eltrons s (exceto grupos

6 e 11), como voc pode ver na Figura 24.

Figura 24 Metais de transio


Podemos observar que as tendncias atmicas tendem a ser no regulares para os metais de transio (em cada srie), conforme a Tabela 5, e apresentam variados estados de oxidao, como mostra a Figura 25.

Tabela 5 Periodicidade qumica e propriedades fsicas dos metais de transio

Grupo 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Elemento Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

Con gurao eletrnica 3d14s2 3d24s2 3d34s2 3d54s1 3d54s2 3d64s2 3d74s2 3d84s2 3d104s1 3d104s2

Primeira energia de ionizao (kJ/mol) 631 658 650 653 717 759 758 737 745 906

Raio atmico de ligao () 1,44 1,36 1,25 1,27 1,39 1,25 1,26 1,21 1,38 1,31

Densidade (g/cm3) 3,0 4,5 6,1 7,9 7,2 7,9 8,7 8,9 8,9 7,1

Ponto de fuso 1.541 1.660 1.917 1.857 1.244 1.537 1.494 1.455 1.084 420Fonte: Brown et al (2005).

3d 14s 2[18Ar ]Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

33

0

+2+2

+4+4

+6+6

+8+8

4 5 6 7 8 9 1010 1111 1212

3d 24s 2 3d 34s 2 3d 54s 1 3d 54s 2 3d 64s 2 3d 74s 2 3d 84s 2 3d 104s 1 3d 104s 2

Estado de oxidao mais comum


Figura 25 Con gurao eletrnica e estado de oxidao


Assim, ligas metlicas so a unio de dois ou mais metais, ou de metais com no metais, mas com predominncia dos elementos metlicos.

Veja a seguir alguns exemplos de algumas ligas metlicas e suas aplicaes. Ao inox (Fe, C, Cr e Ni): usada em talheres, peas de carro, brocas, etc.

Bronze (Cu e Sn): usada em medalhas, moedas, sinos, etc.

Ouro 18 quilates (Au e Cu): usada em joias, etc.

Lato (Zn e Cu): usada em tubos, torneiras, instrumentos musicais, etc.

Prata de lei (Ag e Cu): usada em joias, etc.

Solda (Pb e Sn): usada por funileiros e eletricistas.

Amlgama (Hg, Ag e Sn): usada em obturaes.

Liga de Al e Ti usada na indstria aeronutica.

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2

3

4


Descreva as propriedades caractersticas de um metal tpico.

Sobre os metais, analise as a rmativas abaixo:I Os metais, em sua maioria, so slidos temperatura ambiente (25 C), com exceo do mercrio (Hg), que gs.II Os metais so bons condutores de calor e de eletricidade.III A interao entre dois tomos metlicos sempre forte.IV Quando um conjunto de tomos metlicos forma um slido metlico, as ligaes que ocorrem entre eles so fortes.V Em um slido metlico, os tomos esto empilhados de uma forma relativamente compacta com um arranjo sistemtico e regular, formando uma estrutura cristalina.

Marque a alternativa CORRETA:a) Apenas I, II e IV esto corretas.

b) Apenas I, III e V esto corretas.

c) Apenas II, IV e V esto corretas.

d) Apenas II e V esto corretas.

A elevada condutividade eltrica nos metais deve-se essencialmente a:

a) Energia de ionizao elevadas.

b) Nveis energticos totalmente preenchidos.

c) Mobilidade dos eltrons.

d) Elevadas eletronegatividades.

Associe a coluna da esquerda com a coluna da direita, informando quais os metais presentes nas soldas abaixo:

I) Bronze ( ) Fe, C, Cr e Ni

II) Lato ( ) Pb e Sn

III) Solda ( ) Hg, Ag e Sn

IV) Ouro 18 quilates ( ) Zn e Cu

V) Ao inoxidvel ( ) Au e Cu

VI) Amlgama dental ( ) Cu e Sn

C C 614C C 839C N 615C N 891C O 799C O 1.072

C H 413C C 348C N 293C O 358C F 485C Cl 328C Br 276C I 240C S 259

Si H 323Si Si 226Si C 301Si O 368Si Cl 464

N H 391N N 163N O 201N F 272N Cl 200N Br 243

H H 436H F 567H Cl 431H Br 366H I 299

F F 155

Cl F 253Cl Cl 242

Br F 237Br Cl 218Br Br 193

I Cl 208I Br 175I I 151

O H 463O O 146O F 19

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Livro Química Tecnológica