Qumica Tecnolgica

Mdulo 1 Entendento a Tabela Peridica

Filipe Martel de Magalhes Borges Salete Martins Alves Tatiana de Campos Bicudo

Projeto InstitucionalEdital n 015/2010/CAPES/DED Fomento ao uso de tecnologias de comunio e informao nos cursos de graduao

Mdulo 1 Entendendo a Tabela Peridica

Filipe Martel de Magalhes Borges Salete Martins Alves Tatiana de Campos Bicudo

Qumica Tecnolgica

Mdulo 1 Entendendo a Tabela Peridica

Natal RN Janeiro/2011

Governo FederalPresidenta da Repblica Dilma Vana Rousseff Vice-Presidente da Repblica Michel Miguel Elias Temer Lulia Ministro da Educao Fernando Haddad

Reitora ngela Maria Paiva Cruz Vice-Reitora Maria de Ftima Freire Melo Ximenes Secretria de Educao a Distncia Maria Carmem Freire Digenes Rgo Secretria Adjunta de Educao a Distncia Eugnia Maria Dantas Pr-Reitoria de Graduao Alexandre Augusto de Lara Menezes

Comit Gestor Presidente Alexandre Augusto de Lara Menezes Coordenao geral Apuena Vieira Gomes Coordenadores Apuena Vieira Gomes/CE Adir Luiz Ferreira/CE Gleydson de Azevedo Ferreira Lima/SINFO Marcos Aurlio Felipe/CE Maria Carmozi de Souza Gomes/PROGRAD Rex Antonio da Costa de Medeiros/ECT

Secretaria de Educao a Distncia (SEDIS)FICHA TCNICACoordenador de Produo de Materiais Didticos Marcos Aurlio Felipe Projeto Grco Ivana Lima Revisores de Estrutura e Linguagem Eugenio Tavares Borges Janio Gustavo Barbosa Jeremias Alves de Arajo Kaline Sampaio de Arajo Luciane Almeida Mascarenhas de Andrade Thalyta Mabel Nobre Barbosa Revisoras de Lngua Portuguesa Cristinara Ferreira dos Santos Emanuelle Pereira de Lima Diniz Janaina Tomaz Capistrano Revisora das Normas da ABNT Vernica Pinheiro da Silva Revisora Tcnica Rosilene Alves de Paiva Ilustradores Adauto Harley Anderson Gomes do Nascimento Carolina Costa de Oliveira Dickson de Oliveira Tavares Leonardo dos Santos Feitoza Roberto Luiz Batista de Lima Rommel Figueiredo Diagramadores Ana Paula Resende Carolina Aires Mayer Davi Jose di Giacomo Koshiyama Elizabeth da Silva Ferreira Ivana Lima Jos Antonio Bezerra Junior Luciana Melo de Lacerda Rafael Marques Garcia

Catalogao da publicao na fonte. Bibliotecria Vernica Pinheiro da Silva.

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

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 grco para atender s necessidades de um aluno que aprende a distncia. O contedo elaborado por prossionais qualicados 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 desao de contribuir com a formao desse capital humano e incorporou a EaD como modalidade 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 REFLETE 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

SumrioAula 1 Entendendo a Tabela Peridica Aula 2 Ligaes qumicas Aula 3 Qumica para combustveis e lubricantes 11 37 73

Entendendo a tabela peridica

Aula

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Apresentao

T

emos 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!

Objetivos1 2 3Entender como surgiu a tabela peridica. Conhecer a terminologia da tabela peridica e sua importncia para a qumica. Prever caractersticas dos elementos baseados na posio em que ocupam da tabela peridica.

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A tabela peridica: um breve histrico

C

omo surgiu a tabela peridica? Ser que ela existe h muito tempo? Quem a desenvolveu? 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), chumbo (Pb) e mercrio (Hg) fossem conhecidos desde a Antiguidade, outros elementos como arsnio (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 substncia 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 cientco (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 propriedades 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 classicao. Assim, em 1869 Dimitri Ivanovitch Mendeleev apresentou uma classicao, que a base da classicao peridica moderna, colocando os elementos em ordem crescente de suas massas atmicas (Figura 1), distribudos em oito colunas verticais e doze faixas horizontais. Vericou que as propriedades variavam periodicamente medida que aumentava a massa atmica.

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TABELLE IIREIHEN

GRUPPE I. R2O H=1 Li = 7 Na = 23 K = 39 (Cu = 63) Rb = 85 (Ag = 108) Cs = 133 ( )

GRUPPE II. RO Be = 9,4 Mg = 24 Ca = 40 Zn = 65 Sr = 87 Cd = 112 Bd = 137

GRUPPE III. R2O3 B = 11 Al = 27,3 = 44 = 68 ?Yt = 88 In = 113 ?Di = 138 ?Er = 178

GRUPPE IV. RH4 RO2

GRUPPE V. RH3 R2O5

GRUPPE VI. RH2 RO4

GRUPPE VII. RH RO4

GRUPPE VIII. RO4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

C = 12 Sl = 28 Ti = 48 = 72 Zr = 90 Sn = 118 ?Ce = 140 ?La = 180 Pb = 207 Th = 231

N = 14 P = 31 V = 51 As = 75 Nb = 94 Sb = 122

O = 16 S = 32 Cr = 52 Se = 78 Mo = 96 Te = 125

F = 19 Cl = 35,5 Mn = 55 Br = 80 = 100 J = 127 Fe = 56, Co = 59, Ni = 59, Cu = 63. Ru = 104, Rh = 104, Pd = 106, Ag = 108.

Ta = 182 Bi = 208

W = 184 U = 240

Au = 199

Hg = 200

Tl = 204

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

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

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. Anal, ele previu propriedades tanto fsicas (ponto de fuso, ponto de ebulio e densidade) como qumicas (combinao com outros elementos) para serem vericadas 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 elementos. 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.

A lei peridica estabelece que quando os elementos so listados, sequencialmente, 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,16 Aula 1 Qumica Tecnolgica

antes vamos revisar como a estrutura de um tomo. Este conhecimento ser importante para entender como a tabela peridica est estruturada. Que tal vericarmos seu aprendizado sobre esse assunto?

1O que estava incorreto na concepo original de Mendeleev sobre a tabela peridica? Pesquise em livros ou na internet que fato fez Moseley identicar qual a lei da periodicidade moderna.

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Conguraes eletrnicas dos elementosVoc 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 identicar a localizao destes eltrons foram denidos 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, atualmente 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 identicadas 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 Nmero possvel de eltrons dentro da subcamada 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 10 2 6 Nmero mximo de eltrons para as camadas 2 8

Camada eletrnica 1 2

Subcamadas disponveis s s p s p d s p d f s p d f s p d s p

3

18

4

32

5

32

6

18

7

8

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

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1s 2 2s 2 3s 2 4s 2 5s 2 6s 2 7s 2 2p 6 3p 6 4p 6 5p 6 6p 6 7p 6 3d 10 4d 10 5d 10 6d 10 4f 14 5f 14

Figura 2 Diagrama de Linus Pauling

Para exemplicar 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 capacidade de eltron do subnvel, considerando que restaram apenas 2 eltrons para completar o ltimo subnvel 3p. Vamos praticar a distribuio eletrnica?

2Faa a distribuio eletrnica dos seguintes elementos: Ca, F, W, Br e Ni.

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A construo da tabela peridicaSegundo tendncias atuais, a classicao 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).

Aumento no carter metlico

1A 1 1 H 3 Li 11 Na 19 K 37 Rb 55 Cs 87 Fr

Aumento no carter metlico2A 2 4 Be 12 Mg 20 Ca 38 Sr 56 Ba 88 Ra 3A 4A 5A 6A 13 14 15 16 5 6 7 8 B C N O 13 14 15 16 Al Si P S 31 32 33 34 Ga Ge As Se 49 50 51 52 In Sn Sb Te 81 82 83 84 Tl Pb Bi Po 114 116

3B 3 21 Sc 39 Y 71 Lu 103 Lr

4B 4 22 Ti 40 Zr 72 Hf 104 Rf

5B 5 23 V 41 Nb 73 Ta 105 Db

6B 6 24 Cr 42 Mo 74 W 106 Sg

7B 7 25 Mn 43 Tc 75 Re 107 Bh

8B 8 26 Fe 44 Ru 76 Os 108 Hs 9 27 Co 45 Rh 77 Ir 109 Mt 10 28 Ni 46 Pd 78 Pt 110

1B 11 29 Cu 47 Ag 79 Au 111

2B 12 30 Zn 48 Cd 80 Hg 112

8A 18 7A 2 17 He 9 10 F Ne 17 18 Cl Ar 35 36 Br Kr 53 54 I Xe 85 86 At Rn

Metais Metaloides No metais

57 La 89 Ac

58 Ce 90 Th

59 60 61 62 63 Pr Nd Pm Sm Eu 91 92 93 94 95 Pa U Np Pu Am

64 65 Gd Tb 96 97 Cm Bk

66 67 68 69 70 Dy Ho Er Tm Yb 98 99 100 101 102 Cf Es Fm Md No

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 possuem 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 classicao 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.

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Elementos de transio (grupos B) - o ltimo eltron colocado no subnvel d e na penltima 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 congurao 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).

1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 3d 4d 5d 6dBloque f

2p 3p 4p 5p 6pBloque p Bloque d Bloque s

4f 5f

Figura 4 A tabela peridica divida pela congurao eletrnica

Os grupos de 13 a 18 so compostos por elementos nos quais o ltimo eltron adicionado ao subnvel p, assim eles tm congurao 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 congurao ns2np1 e se for do grupo 17 ter a congurao ns2np5. Nos elementos dos grupos 3 a 12, o ltimo eltron adicionado na penltima camada e no subnvel d, tendo uma congurao (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 congurao ser (n-2)f . Desse modo, podemos armar que possvel predizer a congurao eletrnica de um elemento apenas vericando a sua posio da tabela peridica.

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Uma viso geral dos elementos da tabela peridicaAgora 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 propriedades 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.18 2 Li Be H 13 B 14 C 15 N 16 O 17 F He

1 1 2 3 4 5 6 7

Famlia do Carbono

Famlia do Azoto

Famlia do Boro

Metais Alcalinos

Metais Alcalinoterrosos

Sc Y La Ac Elementos de Transio

Zn Cd Hg Uub

Srie dos Lantandeos Srie dos Actindeos

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 CaCO3). 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.22 Aula 1 Qumica Tecnolgica

Calcognios

Halognios

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Gases Nobres

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 elementos 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 (Na2B4O710H2O) 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 CO2, nos carbonatos 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 N2, constitui aproximadamente trs quartos da atmosfera terrestre, ele tambm est incorporado em substncias biologicamente importantes, como a clorola 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

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reaja com outras substncias elementares (como o H2, para formar a amnia, e o NH3 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 palavra grega, khalkos, que signica 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 (H2SO4), que a indstria qumica produz em maior quantia. O polnio, elemento radiativo, foi isolado em 1898 por Marie e Pierre Curie, que o separaram 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 combinam violentamente com metais alcalinos para formar sais como o sal de cozinha NaCl. O nome para esse grupo, halognios, vem da palavra hals, que signica sal e genes, que signica 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 abundante 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.

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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 naturalmente 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 catalticos 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 actindeos. 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?

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1 2 a) b) c) d)

Como est dividida a tabela peridica? Revendo a tabela peridica:

D o nome de um elemento do grupo 2. D o nome de um elemento do terceiro perodo. Que elemento est no segundo perodo do grupo 14? Que elemento est no terceiro perodo do grupo 16?

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e) f) g) h) i)

Que halognio est no quinto perodo? Que elemento alcalinoterroso est no terceiro perodo? Que gs nobre est no quarto perodo? D o nome de um no metal no grupo 16 e terceiro perodo. D o nome de um metaloide do quarto perodo.

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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 elementos 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 denidas, torna-se impossvel pensar no raio de um tomo como uma denio puramente matemtica. Assim, o raio atmico medido e denido como a distncia entre dois tomos iguais em uma molcula (Figura 6).

Raio atmico mdio

d Raio = d/2

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 H2, 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).

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Raio atmico (10 -10 cm)

Raio atmico (pm) F 64

Cs2,5

K Na

Rb

Cl 99 Br 114 I 133

2,0 1,5 1,0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Li

At 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 conguraes 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 conguraes 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 suciente, 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) X2+ (g) + 1e-(2 energia de ionizao EI) X2+(g) X3+ (g) + 1e-(3 energia de ionizao EI)

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Se exemplicarmos com o sdio (Na), tem-se: Na (g) Na+ (g) + 1e- EI = 497,4 kJ/mol Na+ (g) Na2+ (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.

2.500 Primeira energia de ionizao (kJ/mol )

He Ne

2.000 Ar 1.500 H 1.000 Kr Xe Rn

500 Li 0 Na 10 K 20 03 Rb 40 50 Cs 60 70 80 90

Nmero atmico (Z )

Figura 8 Primeiras energias de ionizao

De uma forma geral, os metais tm energias de ionizao mais baixas do que os no metais. 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 congurao de valncia ns1, isto , tm apenas um eltron de valncia que facilmente o perdem para adquirirem a congurao 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.

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Anidade 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, dene-se anidade 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 anidade eletrnica do or -328 kJ/mol (o sinal negativo indica que a energia est sendo liberada). F(g) + e- F- (g) E = -328 kJ/mol Quanto maior a atrao que um tomo exerce sobre um eltron adicionado a ele, maior ser a anidade eletrnica do tomo (mais negativa a variao de energia). No entanto, nem todos os tomos possuem anidade eletrnica negativa, pois para esses tomos, a energia envolvida na entrada de um eltron em sua eletrosfera positiva (ou seja, absorvida). A periodicidade na anidade eletrnica demonstrada na Figura 9. Embora o comportamento no seja uniforme, os elementos do grupo 1, Li e Na tm anidades eletrnicas ligeiramente negativas. Esses elementos tm pouca tendncia de ganhar eltrons. Os elementos Be e Mg (grupo 2) tm valores positivos, isto signica que para que esses elementos possam ganhar eltrons, tero que absorver uma grande quantidade de energia.

+400 +300 Anidade eletrnica (kJ/mol ) +200 Ca +100 He 0 100 H 200 300F

Be

Mg

N B

Ne Al Na O Si S P

Ar

Li C

K

400

Cl 10 15 20

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Nmero atmico (Z)

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

Os valores de anidade eletrnica apresentam a tendncia de aumentar medida que caminhamos da famlia 13 para a 17. Os halognios possuem os maiores valores de anidade eletrnica, justamente por necessitarem de um eltron para completar o octeto, cando com30 Aula 1 Qumica Tecnolgica

a congurao de gs nobre. Por outro lado, os gases nobres possuem anidade 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 anidade 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 signica? 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 anidade 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 denida 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 (19011994), um dos mais inuentes qumicos do sculo XX. Com relao aos gases nobres, no se dene eletronegatividade, uma vez que tais elementos no participam de ligaes qumicas em condies normais.

Escala de eletronegatividade de PaulingGrupo Perodo1 2 3 4 5 6 7H 2,2 Li 1,0 Na 0,9 K 0,8 Rb 0,8 Cs 0,7 Fr 0,7 Be 1,5 Mg 1,2 Ca 1,0 Sr 1,0 Ba 0,9 Ra 0,9 Sc 1,3 Y 1,2 * ** Ti 1,5 Zr 1,4 Hf 1,3 Rf V 1,6 Nb 1,6 Ta 1,5 Db Cr 1,6 Mo 1,8 W 1,7 Sg Mn 1,5 Tc 1,9 Re 1,9 Bh Fe 1,8 Ru 2,2 Os 2,2 Hs Co 1,9 Rh 2,2 Ir 2,2 Mt Ni 1,8 Pd 2,2 Pt 2,2 Ds Cu 1,9 Ag 1,9 Au 2,4 Rg Zn 1,6 Cd 1,7 Hg 1,9 B 2,0 Al 1,5 Ga 1,6 In 1,7 Ti 1,8 C 2,5 Si 1,8 Ge 1,8 Sn 1,8 Pb 1,9 N 3,0 P 2,1 As 2,0 Sb 1,9 Bi 1,9 O 3,5 S 2,5 Se 2,4 Te 2,1 Po 2,0 F 4,0 Cl 3,0t Br 3,0 I 2,5 At 2,2 He Ne Ar Kr Xe Rn

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo

Figura 10 Escala de eletronegatividade de Pauling

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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 congurao eletrnica. Leia com ateno essas informaes.Grupo da Tabela Propriedades Fsicas Propriedades Qumicas - 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 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.

Grupo 2 (metais alcalinoterrosos)

- 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 - So mais duros e mais densos que os terem congurao eletrnica de valncia ns2. metais alcalinos. - Quando reagem com a gua formam - Tm brilho metlico quando recentemente compostos alcalinos e libertam hidrognio polidos. (apenas o berlio no reage com a gua). - Conduzem bem o calor e a eletricidade. - 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. - 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 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.

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Grupo 14

- No formam compostos inicos. -Os elementos metlicos desse grupo no - So todos slidos temperatura reagem com a gua, mas reagem com ambiente. cidos liberando hidrognio gasoso. - O carbono um no metal. - Tm congurao eletrnica de valncia - O silcio e o germnio so semimetais. ns2np2. - O estanho e o chumbo so metais. - Formam compostos nos dois estados de oxidao +2 e +4. - O nitrognio existe como um gs diatmico (N2) e forma um nmero razovel de xidos. - O fsforo existe na forma de molcula (P4) e forma dois xidos slidos (P4O6 e P4O10). - 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 congurao eletrnica de valncia ns2np3. - O nitrognio tem tendncia para captar trs eltrons.

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.

Grupo 16 (calcognios)

- O oxignio existe sob a forma de molcula diatmica simples (O 2), o enxofre e o - O oxignio o nico que se encontra no selnio existem como unidades (S8 e Se8). estado gasoso temperatura ambiente; os - O telrio e o polnio tm estruturas muito extensas. outros so todos slidos. - O oxignio, o enxofre e o selnio so no - Formam um grande nmero de compostos metais. moleculares com no metais, especialmente - O telrio e o polnio so semimetais. o oxignio. - Formam ons dinegativos, pois facilmente captam dois eltrons, por terem congurao eletrnica de valncia ns2np4. - So muito reativos, deste modo, nunca se encontram na natureza na forma elementar. - exceo do stato, formam molculas diatmicas simples (F2, Cl2, Br2, I2). - 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. - Os tomos desses elementos no formam molculas. - No apresentam reatividade, por terem as orbitais de valncia completamente preenchidas (ns2np6). - So muito estveis.

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.

Grupo 18 (gases nobres)

- So gases incolores e inodoros.

Quadro1 Propriedades das famlias dos elementos representativos e dos gases nobresFonte: Maia e Biachi (2007); Brown et al (2005); Kotz e Treichel (2005).

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4Considere os seguintes elementos: Ni, Sn, Cl, Ba, Mg, Si e O. Ordene estes elementos (do menor para o maior) conforme: a) raio atmico;

b) c)

energia de ionizao; anidade eletrnica.

ResumoNesta aula, voc aprendeu que a lei peridica estabelece que as propriedades 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 atmico, energia de ionizao, eletronegatividade e anidade eletrnica. Conhecendo estas propriedades possvel reconhecer o papel que desempenham na qumica dos elementos.

AutoavaliaoCom o trmino da nossa aula chegada a hora de vericarmos se o contedo exposto foi assimilado. Desse modo, preparamos alguns exerccios para voc.

1 2 3

possvel a existncia de elementos radioativos naturais? Cite dois exemplos. De que maneira a atual tabela peridica serve como guia para escrever as conguraes eletrnicas? Qual a congurao eletrnica para a camada de valncia dos grupos 1, 2 e 17?

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Para melhorar a tenacidade, a resistncia a corroso e tambm a resistncia mecnica, 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?

5 6

RefernciasBROWN, 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.

Anotaes

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Anotaes

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Ligaes qumicas

Aula

2

Apresentao

A

ps 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.

Objetivos1 2 3Denir os conceitos associados s ligaes qumicas (smbolo de Lewis, regra do octeto e eletronegatividade). Compreender e diferenciar os tipos de ligaes qumicas. Associar as ligaes qumicas s propriedades das substncias e suas energias.

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Consideraes iniciais

O

s tomos de quase todos os elementos podem se combinar, formando ligaes e gerando 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 compartilhando os eltrons de valncia (ltima camada). A forma como os elementos atingem a congurao mais estvel dene 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.

Ep/kJ.mol 1

Distncia interatmica /pm

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 relao 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, consequentemente, aplicaes to variadas? Estudaremos as ligaes que formam essas substncias.

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Aspectos geraisNo 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 intimamente 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 anidade 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 anidade eletrnica a energia liberada quando um tomo recebe um eltron no estado gasoso (E): EI (1) Na(g) Na+(g) + eE (2) Cl(g) + e- Cl(g)-

Energia de ionizao (kJ/mol)

2500 2000 1500 1000

03A

Figura 2 As primeiras energias de ionizao para os elementos representativosFonte: Brown et al (2005).

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Au

a o

me

ia de

io ni z

8A

nto

da e

ner g

6A

7A

da

A um

en t o

4A

5A

en

er

gi a

1A

2A

de

io n

iz a

500

o

H 73 Li 60 Na 53 K 48 Rb 47 1A Be >0 Mg >0 Ca 2 Sr 5 2A B C 27 122 N >0 O F 141 328

He >0 Ne >0 Ar >0 Kr >0 Xe >0 8A

Al Si P S Cl 43 134 72 200 349 Ga Ge As Se Br 30 119 78 195 325 In Sn Sb Te I 30 107 103 190 295 3A 4A 5A 6A 7A

Figura 3 Anidade eletrnica em kj mol-1 para os elementos representativosFonte: Brown et al (2005).

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 anidade 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.

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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 inicasPor 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.

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 estando 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 formao 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.

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Na +(g) + Cl(g) Anidade eletrnica do Cl 349 KJ 496 KJ Energia de ionizao do Na Na(g) + Cl (g) Na(g) + Cl(g) 122KJ Energia de dissociao do Cl 2 Na(g) + 1 Cl 2(g) 2 108KJ Energia de sublimao do Na Na(s) + 1 Cl 2(g) 2 Energia de rede 788KJ

Energia de formao

411KJ

NaCl(s)

Energia de sublimao

Energia de ionizao

Na(s)

Na(g)

Na +(g)

Energia reticular

Energia de dissociao

Anidade eletrnica

NaCl(s)

Cl2(g)

Cl(g)

Cl(g)

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.

Cl

Na+

Figura 5 Fragmento do slido inico NaClFonte: Atkins e Jones (2009).

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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 (coulmbica) 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 espontaneamente. 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.

1He Ne Ar Kr Xe Rn Li Na K Rb Cs Fr

2Be Mg Ca Sr Ba Ra

13B Al Ga In Tl

14 2 3 4Sn Pb

5 6 7

Figura 6 tomos do bloco s atingindo estrutura de um gs nobreFonte: Atkins e Jones (2009).

Vamos testar nossos conhecimentos?

1Os compostos formados pelos pares: (1) Mg e Cl (2) Ca e O (3) Li e O (4) K e Br Possuem 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) c)

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

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d) e)

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

O magnsio ([Ne]3s2) forma Mg2+, que tem a congurao do nenio ([He]2s22p6). Os ons Mg2+ no perdem mais eltrons em uma reao qumica porque as energias de ionizao 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 congurao 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 anidade eletrnica.

H14 15 16 17

18

He C Si Ge N P As Sb Bi O S Se Te Po F Cl Br I At Ne Ar Kr Xe Rn

1 2 3 4 5 6

Figura 7 tomo de no metais atingindo estrutura de um gs nobreFonte: Atkins e Jones (2009).

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

ii) iii) iv)

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s2

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

b) c) d) e)

ii iii iv nenhum

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 congurao [Ar]3d5. Os no metais raramente perdem eltrons em reaes qumicas por possurem altas energias de ionizao, contudo, podem adquirir eltrons sucientes para completar a camada de valncia e formar o octeto. Eles no ganham eltrons, pois envolveria acomodao de eltrons em uma camada com uma energia maior, conforme mostra a Figura 8. Por exemplo, o nitrognio tem congurao eletrnica [He]2s22p3, possuindo 5 eltrons na camada de valncia e para atingir a congurao de um gs nobre precisa ganhar 3 eltrons. Veja a Figura 8.

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2p

2p

2s

2s

N[He] 2s 2 2p 3

N 3[He] 2s 2 2p 6

Figura 8 Congurao eletrnica do N e N3Fonte: Atkins e Jones (2009).

3Faa a distribuio eletrnica e d o nmero de eltrons de valncia para os elementos a seguir: a) Sb;

b) c) d)

Si; Mn; B.

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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 LiF LiCl LiI NaF NaCl NaBr NaI KF KCl KBr CsCl CsI

Energia de rede/kJ mol-1 1.030 834 730 910 788 732 682 808 701 671 657 600

Composto MgCl2 SrCl2

Energia de rede/kJ mol-1 2.326 2.127

MgO CaO SrO

3.795 3.414 3.217

ScN

7.547

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

Regra do octetoVocs 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 alcalinos nos quais aparece formando nions com o oxignio (XeO64-, no Na4XeO6). 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 LewisUm 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.50 Aula 2 Qumica Tecnolgica

Tabela 2 Smbolos de Lewis e valncias de alguns elementos

Nmeros de eltrons de valncia Perodo 2 Perodo 3

1

2

3

4

5

6

7

8

Li Na

Be Mg

B Al

C Si

N P

O S

F Cl

Ne Al

Saiba maisVamos 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 cientcos que tanto amava.

Figura 9 Gilbert Newton LewisFonte: . Acesso em: 25 mar. 2011.

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O smbolo de Lewis para o oxignio, por exemplo, representa a congurao 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 congurao eletrnica dos eltrons de valncia de um tomo que permite acompanhar os eltrons quando um on se forma.

1s

2s

2p

Figura 10 Smbolo de Lewis para o oxignioFonte: Atkins e Jones (2009).

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:

aCl + Ca + Cl Cl Ca 2+ Cl

bCl + Na Na + Cl

Figura 11 Representao dos compostos inicos usando os smbolos de Lewis: (a) cloreto de clcio (CaCl2) e (b) cloreto de sdio (NaCl)Fonte: Atkins e Jones (2009).

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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 PbO2.

Propriedades de compostos inicosDe 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 inicosPodemos citar como exemplos de compostos inicos e suas aplicaes:Tabela 3 Exemplos de compostos inicos Substncia Cloreto de sdio Fluoreto de sdio Cloreto de potssio Cloreto de mercrio II Carbonato de clcio Dixido de titnio Frmula qumica NaCl NaF KCl HgCl2 CaCO3 TiO2 Aplicaes Sal de cozinha Produo de NaOH Cremes dentais Fertilizantes Pesticida Giz Pigmentos de tintas e esmaltes

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4Podem ser citadas como propriedades caractersticas de substncias inicas: a) Baixa temperatura de ebulio e boa condutividade eltrica no estado slido.

b) c) d) e)

Baixa temperatura de fuso e boa condutividade eltrica no estado slido. Estrutura cristalina e pequena solubilidade em gua. Formao de solues aquosas no condutoras da corrente eltrica e pequena solubilidade em gua. Elevada temperatura de fuso e boa condutividade eltrica quando em fuso.

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

b) c) d) e)

Baixa temperatura de fuso e boa condutividade eltrica no estado slido. Estrutura cristalina e pequena solubilidade em gua. Formao de solues aquosas no condutoras da corrente eltrica e pequena solubilidade em gua. Elevada temperatura de fuso e boa condutividade eltrica quando em fuso.

Ligao covalenteNa 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 O2, N2, F2 e H2 e as espcies poliatmicas slidas P4 e S8. 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

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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 congurao 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.

Figura 12 Compartilhamento de eltrons da molcula do cloroFonte: Brown et al (2005).

5Nos compostos moleculares, os tomos se unem por ligaes covalentes que so formadas por: a) Doao de eltrons

b) c) d) e)

Recepo de eltrons Doao de prtons Recepo de prtons Compartilhamento de eltrons.

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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.

Cl

+ Cl

Cl Cl

, ou

Cl

Cl

Figura 13 Estrutura de Lewis para o Cl2Fonte: Atkins e Jones (2009).

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 suciente para compensar a atrao favorvel do par ligante que mantm a molcula Cl2 unida. Lembrar que alguns constituintes do sistema de combusto so molculas diatmicas covalentes apolares. Ex: Combustvel (H2), comburente (O2), resduos gasosos da combusto, os fumos (N2).

Estrutura de Lewis de espcies poliatmicasEstudamos 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 PCl3, cloreto de fsforo. Inicialmente, colocamos os eltrons de valncia disponvel de todos os tomos na molcula, conforme mostra a Figura 14.

P

Cl

Cl

Cl

Figura 14 Estrutura de Lewis para os tomos de P e ClFonte: Atkins e Jones (2009).

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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.

Cl P Cl Cl

Cl P Cl Cl

Figura 15 Estrutura de Lewis do cloreto de fsforo, PCl3Fonte: Atkins e Jones (2009).

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.

aCl P Cl Cl ou Cl P Cl Cl

bO C O ou O C O

cH C C H ou H C C H

Figura 16 Estrutura de Lewis para (a) ligaes simples, (b) ligaes duplas e (c) ligao tripla entre carbonos e simples entre carbono-hidrognioFonte: Atkins e Jones (2009).

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 especco de tomos. Logo, a ordem da ligao em Cl2 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

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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: procuramos 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. Escreva os arranjos mais provveis dos tomos usando as regras dadas no texto. Coloque um par de eltrons entre cada par de tomos ligados. Complete o octeto ou dublete de cada tomo, colocando os pares de eltrons remanescentes em torno dos tomos. Se no existirem pares de eltrons sucientes, forme ligaes mltiplas. 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.

2) 3) 4)

5)

ExemploEscreva a estrutura de Lewis da gua, H2O.

Conte os eltrons de valncia;

1Conte os pares de eltrons;

H2O 1+1+6=8 4

2

Arranje os tomos;

HOH

3

Localize os pares de eltrons da ligao; Identique os pares de eltrons ainda no localizados;

H O H (2)

4

Complete os octetos;

H O H

5

Desenhe as ligaes.

H

O

H

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6Os 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?

RessonnciaMuitas 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 deslocalizados por todo o anel. Veja a Figura 17.

ou

Figura 17 Ressonncia da molcula de benzenoFonte: Brown et al (2005).

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.

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Polaridade da ligao e eletronegatividadeEm uma ligao covalente, os eltrons esto compartilhados. O compartilhamento de eltrons para formar uma ligao covalente no signica compartilhamento igual daqueles eltrons, voc sabia? Existem algumas ligaes covalentes nas quais os eltrons esto localizados mais prximos 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 eletrnicasFonte: Brown et al (2005).

Limite entre ligao inica e covalenteNo 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 contnuo 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.

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100 Caracterstica da ligao inica / %

50

0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Diferena na eletronegatividade entre os tomos

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 decientes 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 eltronsGeralmente, molculas como ClO2, NO e NO2 tm um nmero mpar de eltrons, como mostra a Figura 20.

N

O

N

O

Figura 20 Molcula de NOFonte: Brown et al (2005).

b) Decincia em eltronsAs molculas com menos de um octeto so tpicas para compostos dos Grupos 1, 2, e 3. O exemplo mais tpico o BF3, Figuras 21. As estruturas de Lewis nas quais existe uma ligao dupla BF so menos importantes que aquela na qual existe decincia de eltrons.Aula 2 Qumica Tecnolgica 61

F B F F

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

c) Expanso do octetoEsta 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 suciente em energia para participarem de ligaes e receberem a densidade eletrnica extra. Veja a Figura 22, com alguns exemplos.

Grupo 14

Grupo 15

Grupo 16

Grupo 17

Grupo 18

SiF5 F F Si F SiF62 FF F

PF5 F F F PF6 2 F FF F

SF4 F F F F SF6 F FF F

CIF3 F F F F BrF5 F F FF F

XeF2 F Xe F F XeF4

F F P

S

Cl

F P F

F S F

Si F

Br

F F

F F

Xe

F F

Figura 22 Estruturas de Lewis em que o tomo central excede um octetoFonte: Atkins e Jones (2009).

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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 gua cido Clordrico Butano Gs carbnico cido ciandrico

Frmula qumica H2O HCl C4H10 CO2 HCN

Aplicaes Solvente universal Limpeza de pisos Constitui o gs natural Bebidas e extintores de incndio Produo de explosivos e resinas acrlicas

Ligao metlicaComo foi estudado anteriormente na Aula 1, a tabela peridica formada principalmente 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 deAula 2 Qumica Tecnolgica 63

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 eltronsMetal visualizado como uma rede de ctions metlicos imersos em um mar de eltrons de valncia, conforme mostra a Figura 23, uniformemente distribudos pela estrutura. Os eltrons esto connados ao metal por meio de atraes eletrostticas aos ctions e podem uir livremente atravs do metal. Sem quaisquer ligaes denidas, 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 positivamenteFonte: Brown et al (2005).

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Metais de transioOcupam 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.

Trade do cromo3 4 5 6 21 22 23 24 Sc Ti V Cr 39 40 41 42 Y Zr Nb Mo 71 72 73 74 Lu Hf Ta W 7 25 Mn 43 Tc 75 Re

Trade do cobre8 9 10 11 12 26 27 28 29 30 Fe Co Ni Cu Zn Primeira srie de transio ( 3d) 44 45 46 47 48 Ru Rh Pd Ag Cd Segunda srie de transio ( 4d) 76 77 78 79 80 Os Ir Pt Au Hg Terceira srie de transio ( 5d)

Figura 24 Metais de transioFonte: Brown et al (2005).

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 Elemento Congurao Eletrnica Primeira energia de ionizao (kJ/mol) Raio atmico de Ligao () Densidade (g/cm3) Ponto de fuso

3 Sc 3d14s2 631 1,44 3,0 1.541

4 Ti 3d24s2 658 1,36 4,5 1.660

5 V 3d34s2 650 1,25 6,1 1.917

6 Cr 3d54s1 653 1,27 7,9 1.857

7 Mn 3d54s2 717 1,39 7,2 1.244

8 Fe 3d64s2 759 1,25 7,9 1.537

9 Co 3d74s2 758 1,26 8,7 1.494

10 Ni 3d84s2 737 1,21 8,9 1.455

11 Cu 3d104s1 745 1,38 8,9 1.084

12 Zn 3d104s2 906 1,31 7,1 420

Fonte: Brown et al (2005).

Aula 2

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65

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Estado de oxidao mais comum +8

+6

+4

+2

0 Sc[ Ar ]18

Ti2

V2

Cr2

Mn1

Fe2

Co2

Ni2

Cu2

Zn1

3d 4s

1

3d 4s

2

3d 4s

3

3d 4s

5

3d 4s

5

3d 4s

6

3d 4s

7

3d 4s

8

3d 4s

10

3d 104s 2

Figura 25 Congurao eletrnica e estado de oxidaoFonte: Brown et al (2005).

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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Qumica Tecnolgica

7

1 2

Descreva as propriedades caractersticas de um metal tpico.

Sobre os metais, analise as armativas 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: Apenas I, II e IV esto corretas. Apenas I, III e V esto corretas. Apenas II, IV e V esto corretas. Apenas II e V esto corretas. A elevada condutividade eltrica nos metais deve-se essencialmente a: a) Energia de ionizao elevadas.

a) b) c) d) 3

b) c) d)

Nveis energticos totalmente preenchidos. Mobilidade dos eltrons. Elevadas eletronegatividades.

4

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 III) Solda IV) Ouro 18 quilates

( ) Pb e Sn ( ) Hg, Ag e Sn ( ) Zn e CuAula 2 Qumica Tecnolgica 67

V) Ao inoxidvel VI) Amlgama dental

( ) Au e Cu ( ) Cu e Sn

Energia de ligao aproveitamento energticoAgora que j aprendemos sobre os tipos de ligao, vamos agora entender a respeito da energia associada a elas. Como exemplo, vamos estudar a ligao covalente. Inicialmente para quebrarmos uma ligao covalente, a energia associada denominada entalpia de dissociao de ligao, D. Isto , para a molcula de Cl2, a D(Cl-Cl) dada pelo H para a reao: Cl2(g) 2Cl(g). Quando mais de uma ligao quebrada: CH4(g) C(g) + 4H(g) H = 1660 kJ a entalpia de ligao uma frao do H para a reao de atomizao: D(C-H) = H = (1660 kJ) = 415 KJ As entalpias mdias de ligao podem ser observadas na Tabela 6.Tabela 6 Entalpias mdias de ligao em kj mol-1

Ligaes simplesC C C C C C C C C Si Si Si Si Si H C N O F Cl Br I S H Si C O Cl 413 348 293 358 485 328 276 240 259 323 226 301 368 464 N N N N N N H H H H H H N O F Cl Br H F Cl Br I 391 163 201 272 200 243 436 567 431 366 299 O O O O O S S S S S H O F Cl I H F Cl Br S 463 146 190 203 234 339 327 253 218 266 F Cl Cl Br Br Br I I I F F Cl F Cl Br Cl Br I 155 253 242 237 218 193 208 175 151

Ligaes mltiplasC C C C C C C C N N O O 614 839 615 891 799 1.072 N N N N N O 418 941 607 O2 S S O S 495 523 418

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Fonte: Brown et al (2005, p. 277).

As ligaes mltiplas so mais fortes do que as ligaes simples, como observado na Tabela 6. Quando o nmero de ligaes entre os tomos aumenta, os tomos so mantidos mais prximos e mais rmemente unidos.

Entalpias de ligao e entalpias de reaoPodemos usar as entalpias de ligao para calcularmos a entalpia para uma reao qumica, como por exemplo, a reao de metano com cloro. Admitimos que em qualquer reao qumica as ligaes precisam ser quebradas para que novas ligaes sejam formadas. A entalpia da reao dada pela soma das entalpias de ligaes quebradas, menos a soma das entalpias das ligaes formadas, de acordo com reao a seguir. Hr = {[D(C-H)+ D(Cl-Cl)]-[D(C-Cl) + D(H-Cl)]}= -104kJ Ilustramos o conceito com a reao entre o metano, CH4, e o cloro: Hr = ? CH4(g) + Cl2(g) CH3Cl(g) + HCl(g)

C + Cl H +H H H

+ Cl Cl

1 QuebrasC H e Cl ligaes Entalpia (H) Cl

2 FormaoC Cl e H ligaes H2 < 0 Cl

H1 > 0

H C H H

H + Cl

Cl Cl Hr C H H H + H Cl

Figura 26 Ilustrao do uso das entalpias mdias de formao para estimar o H de reaoFonte: Brown et al (2005).

Nessa reao, uma ligao C-H e uma ligao Cl-Cl so quebradas enquanto uma ligao C-Cl e uma ligao H-Cl so formadas. A reao como um todo exotrmica, o que signica que as ligaes formadas so mais fortes do que as ligaes quebradas. Podemos aplicar este estudo para reaes de combusto, como no caso do gs metano, para produo de energia.Aula 2 Qumica Tecnolgica 69

ResumoNesta aula, voc aprendeu conceitos sobre as ligaes qumicas. Aprendeu como o conhecimento sobre as ligaes faz compreender melhor como as diversas substncias tm caractersticas e propriedades diferentes. Viu ainda propriedades peridicas como: raio atmico, energia de ionizao, eletronegatividade e anidade eletrnica, e que elas ajudam a entender as ligaes. Finalmente, estudamos as energias associadas s ligaes.

AutoavaliaoQue tal vericarmos o que voc aprendeu neste mdulo? Preparamos para voc exerccios nais para avaliar os seus conhecimentos. Boa sorte!

1

Os elementos X e Y tm, respectivamente, 2 e 6 eltrons na camada de valncia. Quando X e Y reagem, forma-se um composto:

a) b) c) d) e) 2

Covalente, de frmula XY. Covalente, de frmula X2Y. Covalente, de frmula XY2. d) Inico, de frmula XY. Inico, de frmula XY2.

Assinale verdadeira (V) ou falsa (F) em cada uma das seguintes armativas: ( ) Em condies ambientes, os compostos inicos so slidos que tm pontos de fuso altos. ( ) Nos compostos covalentes, a ligao ocorre por compartilhamento de eltrons entre os tomos. ( ) As ligaes inicas ocorrem entre tomos de eletronegatividade semelhantes.

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3

A gua (H2O), o sal de cozinha (NaCl) e o metano principal componente do GLP (C4H10), substncias qumicas que utilizamos diariamente para o preparo de alimentos, tm suas estruturas constitudas, respectivamente, por ligaes:

a) b) c) d) e) 4

Inicas, inicas e covalentes. Covalentes, inicas e covalentes. Covalentes, covalentes e covalentes. Inicas, inicas e inicas. Covalentes, covalentes e inicas.

Qual das seguintes substncias possui ligao metlica?

a) b) c) d)

Grate Lato (Zn + Cu) xido de magnsio Alumina (Al2O3)

5

Calcule a entalpia do sistema da reao de combusto completa do metano (CH4) com oxignio (O2). Consulte a Tabela 5 e a Figura 27.

RefernciasATKINS, P. W.; JONES, L. Princpios de qumica: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006. ATKINS, P. W.; JONES, L. Chemical principles. New York: W. H. Freeman; Fifth Edition, 2009. BROWN, T. L. et al. Qumica a cincia central. So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005. DUARTE, H. A. Ligaes Qumicas: ligao inica, covalente e metlica. Cadernos Temticos de Qumica Nova na Escola, n. 4, maio 2001.Aula 2 Qumica Tecnolgica 71

INFOPDIA [Em linha]. Gilbert Lewis. Porto: Porto Editora, 2003-2010. Disponvel em: . Acesso em: 30 jun. 2010. KOTZ, J. C.; TREICHEL JR, P. Qumica Geral 1 e reaes qumicas. 5. ed. So Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2005. v 1

Anotaes

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Qumica Tecnolgica

Qumica para combustveis e lubricantes

Aula

3

Apresentao

D

esde os primrdios da civilizao, o homem se deparou com estranhos fenmenos que hoje dizemos estarem ligados ao conceito de energia. Dentre eles, possivelmente o fogo foi o mais impressionante. Nesta aula, vamos aprender como as foras intermoleculares inuenciam propriedades, tais co