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Captulo 6
Srgio Muniz e Vanderlei Bagnato Estrutura da Matria, curso de
Licenciatura em Cincias, USP/Univesp.
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Noes gerais de fsica atmica e ligaes qumicas
1. Introduo
Vimos no ltimo captulo que a mecnica quntica fundamental para
explicar o comportamento
dos tomos. Neste captulo, veremos como so determinadas as
chamadas funes de onda, que
estabelecem a distribuio espacial dos eltrons ao redor do ncleo,
nos diferentes orbitais, ou estados
eletrnicos (nveis de energia internos). Esses orbitais tm
simetrias bem definidas que dependem dos
chamados nmeros qunticos. Esses nmeros definem os possveis
estados dos eltrons nos tomos. Como
veremos neste captulo, a simetria desses orbitais determina o
tipo de interao eletrosttica entre dois
tomos prximos. isso, juntamente com algumas propriedades
qunticas do eltron (que um frmion,
e deve obedecer ao princpio de excluso de Pauli), que
ultimamente define a maneira como os tomos
iro se ligar uns aos outros, nas chamadas ligaes qumicas.
A soluo detalhada das ligaes moleculares, do ponto de vista da
mecnica quntica , em
geral, um problema bastante complexo. Por isso, neste captulo
iremos nos concentrar numa discusso
simplificada e mais qualitativa dos principais conceitos e
processos fsicos que determinam a natureza e
propriedades das ligaes qumicas. Mesmo sem entrar em todos os
detalhes, que so importantes mas
exigem um formalismo matemtico que est alm do escopo deste
curso, acreditamos que ser instrutivo
voc se familiarizar com a linguagem usada pela fsica atmica. Voc
ver que apenas com alguns poucos
conceitos e conhecimentos fsicos possvel entender como ocorre os
principais tipos de ligaes
moleculares entre os diferentes tipos de tomos: a ligao inica, a
ligao covalente, a ligao metlica
e interaes dipolares que do origem s ligaes secundrias de Van
der Waals e pontes de hidrognio.
2. Princpios gerais
2.1 O papel da distribuio de cargas
A ligao entre os tomos fundamentalmente de natureza
eletrosttica. Isto , devido s foras
eltricas atrativas e repulsivas entres os eltrons e os ncleos
dos tomos envolvidos. Para haver uma
ligao necessrio que a atrao supere a repulso, criando uma situao
energeticamente mais estvel.
Essas interaes iro depender fundamentalmente da distribuio
(posio) das cargas nos tomos.
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Como j adiantamos num captulo anterior, esses processos envolvem
principalmente os eltrons,
j que o ncleo uma distribuio compacta de cargas positivas, muito
menor do que o tamanho da
eletrosfera (regio ao redor do ncleo onde os eltrons esto
distribudos). Isso no significa que o ncleo
jamais participa da interao, sendo irrelevante. Se no fosse o
ncleo no haveria o tomo, e o nmero
de prtons determina tanto o nmero de eltrons como a distribuio
dos orbitais. O que se pretende
dizer apenas que o ncleo normalmente no participa de forma
direta da ligao molecular, e que a
maior parte da interao que define a ligao se d entre os eltrons
mais externos: eltrons de valncia.
Os eltrons de valncia so aqueles que ocupam a ltima camada (mais
externa) do tomo. Os
eltrons mais internos interagem mais fortemente com o ncleo, a
quem esto mais ligados. Por conta
disso, esses eltrons mais internos tambm ajudam a blindar a
interao dos ncleos no processo, pois
ao observarmos de longe, parece que a carga do interior menor
(devido ao cancelamento parcial das
cargas do ncleo e eltrons mais internos). Tudo isso faz com que
os eltrons da ltima camada, isto , os
eltrons de valncia, sejam aqueles que tipicamente determinam o
carter das ligaes moleculares.
tambm a simetria da distribuio espacial (orbitais) desses
eltrons que ir definir o tipo de ligao
observada. Mais adiante iremos falar um pouco mais sobre
isso.
2.2. Minimizao da energia
Todos os tipos de ligaes moleculares surgem por conta da mesma
razo fundamental: a energia
total da ligao molecular menor (mais negativa) do que a energia
de interao dos tomos isolados.
No fosse isso no haveria a ligao qumica. Essa interao que reduz
a energia total do sistema o que
faz com que haja uma fora de atrao efetiva entre os tomos, que
os mantm ligados numa distncia
caracterstica, chamada distncia de equilbrio molecular ou
distncia de ligao.
A figura 6.1 mostra uma curva tpica da energia de interao entre
dois tomos, como funo da
distncia internuclear. Observe que para grandes distncias a
interao nula, o que corresponde
situao onde os tomos neutros esto isolados. Porm, medida que
eles se aproximam a energia
diminui at um valor mnimo, que corresponde ao ponto de equilbrio
da ligao. Neste ponto pode haver
uma sobreposio parcial das nuvens eletrnicas dos dois tomos. Se
a distncia internuclear for reduzida
ainda mais, a maior sobreposio das nuvens eletrnicas, aliada a
repulso entre os ncleos positivos, faz
com que surja rapidamente uma fora repulsiva bastante intensa
que impede uma aproximao maior.
Figura 6.1 Energia de interao entre dois tomos neutros idnticos
em funo da distncia internuclear.
Ponto de
Equilbrio
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3. Resultados qunticos para o tomo
Faremos aqui uma discusso breve, e bastante geral, sobre alguns
dos principais resultados de
fsica atmica, fornecidos pela soluo da mecnica quntica para o
tomo de hidrognio. Essa uma
discusso de carter mais informativo, portanto no se preocupe em
entender todos os detalhes neste
momento. Sobretudo, no se deixe intimidar. Para acompanhar todos
os detalhes apresentados aqui seria
necessrio uma discusso mais profunda, que est alm do escopo e
tempo disponvel aqui. Tente seguir
os aspectos gerais e a origem de algumas nomenclaturas e smbolos
que voc provavelmente voltar a ver
no seu curso de qumica, onde esses princpios fsicos voltaro a
ser utilizados.
3.1 A equao de onda de Schroedinger
Aps a proposta de Louis de Broglie, outros importantes fsicos da
poca
buscaram uma forma geral de determinar as ondas de matria. Isto
, achar a
equao geral que descreve a chamada funo de onda de um
sistema
quntico, como o eltron ao redor de um tomo, por exemplo. O
primeiro a
propor uma equao diferencial para resolver esse problema foi o
fsico
austraco Erwin Schrdinger, em 1926, pelo que viria dividir o
prmio Nobel de
1933, com Paul Dirac. Por essa razo a equao de onda recebe o seu
nome.
A soluo da equao de Schrdinger (tambm pode ser grafado como
Schroedinger) uma funo
matemtica que descreve o comportamento do sistema quntico.
Apresentamos a seguir algumas das
formas mais gerais dessa equao, para o caso onde no h dependncia
temporal, mas no se preocupe
em entender todos os detalhes agora. Voc entender melhor a notao
usada nessa equao no prximo
semestre, no curso de Fundamentos de Matemtica II. O objetivo
aqui apenas apresentar-lhe a forma
matemtica de um dos resultados mais importantes da fsica
moderna.
( ) ( ) ( ) ( ) (Eq. 6.1a)
[ ( )] ( ) onde [ ] (
[ ] ( ) [ ]) (Eq. 6.1b)
Do ponto de vista matemtico, essa equao uma equao diferencial de
mltiplas variveis, da
funo de onda ( ), que pode depender, tambm do tempo, e das
variveis espaciais (coordenadas:
) que descrevem o sistema fsico. Em linguagem matemtica,
costumase dizer que a
funo um operador matemtico, chamado de hamiltoniano (em
homenagem a William Hamilton),
que atua sobre a funo de onda que estiver dentro dos colchetes a
sua frente, e descreve a energia total
(soma das energias cintica e potencial) do sistema fsico
representado pela funo de onda.
Um dos resultados mais importantes dessa equao est na primeira
parte da equao (6.1b). Nela
o valor E representa a energia do sistema, quando no estado ( ).
No caso geral, o sistema fsico ter um
conjunto de valores (discretos) permitidos para a energia. Para
cada valor da energia, haver uma
funo de onda associada ao estado de ndice . Em linguagem tcnica,
essas energias so chamadas
de autovalores, ou auto-energias, do hamiltoniano que descreve o
sistema fsico, enquanto e as funes
so os chamados auto-estados, ou autofunes, da equao de
Schroedinger.
Erwin Schrdinger.
http://pt.wikipedia.org/wiki/De_brogliehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schrdingerhttp://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/schrodinger-bio.htmlhttp://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/schrodinger-bio.htmlhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Paul_Dirachttp://pt.wikipedia.org/wiki/Mecnica_hamiltonianahttp://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/schrodinger-bio.html
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Para usar um exemplo mais concreto, podemos lembrar do modelo do
tomo de Bohr, por
exemplo. No caso do tomo de hidrognio, os conjuntos { } e { }
formam, repectivamente, os
conjuntos de energias e estados estveis (orbitais) permitidos ao
eltron, ao redor do ncleo. Na
verdade, pode-se demonstrar que o mdulo ao quadrado da funo de
onda, ( ) , proporcional
distribuio de probabilidade de se encontrar o eltron em algum
lugar ao redor do ncleo. Isto , a forma
geomtrica (simetria) dos orbitais depende da funo de onda , de
cada estado de energia .
3.2. Soluo quntica do tomo de hidrognio
No caso do tomo de hidrognio, a soluo geral pode ser escrita na
forma da equao (6.2).
Neste caso, a funo de onda do eltron est expressa em coordenadas
esfricas, por ser mais
conveniente. Os ndices { da funo de onda indicam um conjunto de
nmeros inteiros que
especificam os diferentes estados internos (possveis) do tomo de
hidrognio. Esse conjunto de nmeros
recebe a denominao de nmeros qunticos, e cada um deles tem um
significado fsico importante.
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (Eq. 6.2).
O primeiro ndice, , o chamado nmero quntico principal, que
indica o nmero da camada
eletrnica onde se encontra o eltron. Quanto maior o nmero mais
afastado est o eltron do ncleo,
e, portanto, menor sua energia de ligao ao ncleo. No caso mais
simples, como visto no modelo de
Bohr, esse o nmero que define a energia,
, do estado quntico com .
O segundo ndice, , indica o momento angular do eltron, que tambm
quantizado no modelo
de Bohr. O terceiro ndice, , indica a projeo do vetor momento
angular, na direo do eixo-z, e o
ltimo ndice, , refere-se ao spin do eltron. A equao (6.2) indica
apenas que a funo de onda pode
ser escrita numa forma fatorada, isto , como um produto simples
de funes matemticas que s
dependem de uma das variveis espaciais e dos nmeros qunticos
indicados. Assim, a funo ( ) s
depende da coordenada (distncia radial do ncleo), enquanto as
funes ( ) e ( ) s
dependem das coordenadas angulares, e, finalmente, a funo ( ) s
depende do spin. O coeficiente
apenas uma constante numrica que depende conjunto de nmeros
qunticos { .
Existem regras bem definidas para os possveis valores permitidos
a esses ndices, e para cada um
deles existe um estado quntico do sistema, onde o eltron pode
existir. Dessa forma, o ndice do
momento angular s pode assumir valores ( ) . Como veremos logo
mais esse nmero
tem um papel importante na definio da simetria (forma geomtrica)
dos orbitais, e convencionou-se
chamar os diferentes estados de momento angular de estados .
Essa nomenclatura tem
razes histricas e recebe a denominao de notao espectroscpica.
Para uma dado valor de , os
valores de ficam restritos faixa de nmeros inteiros no intervalo
. Por fim, o
nmero quntico de spin, no caso do eltron, s pode tomar dois
valores discretos: - e . Esse ltimo
nmero quntico no afeta a forma espacial do orbital, mas
determina como o orbital ocupado, atravs
do princpio de excluso de Pauli que ser discutido mais
adiante.
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3.3. Orbitais atmicos
Para entender como a dependncia espacial (simetria) dos
diferentes estados do tomo de
hidrognio, descrevemos abaixo alguns dos resultados do problema
real. No se preocupe com a aparncia
das funes matemticas, que so solues da Eq. (6.1). Nosso objetivo
aqui apenas mostrar-lhes como
essas coisas esto relacionadas.
Para simplificar um pouco a discusso, ns indicaremos abaixo
apenas a parte da funo de onda
que depende das coordenadas espaciais, ignorando, por hora, a
dependncia com o spin. Assim as funes
de ondas indicadas abaixo trazem apenas os trs primeiros nmeros
qunticos: ( ). A constante
o chamado raio de Bohr, que representa o tamanho do estado
fundamental ( ) do tomo de
hidrognio. O valor de aproximadamente meio angstrom: .
( ) (
) (Eq. 6.3a).
( ) (
) (
) (Eq. 6.3b).
( ) (
) (
) ( ) (Eq. 6.3c).
( ) (
) (
) ( ) (Eq. 6.3d).
A partir da funo de onda, podemos calcular a densidade de
probabilidade de encontrar o
eltron, numa regio em torno de um elemento de volume , atravs da
relao abaixo:
( ) ( ) ( ) (Eq. 6.4).
A expresso acima descreve o diferencial de probabilidade (cuja
soma total deve ser normalizada)
em todo o espao (tridimensional). Para deixar isso mais claro,
vamos observar como a densidade de
probabilidade ao longo da coordenada r, isto , a distncia radial
do ncleo. Neste caso, podemos fazer a
integrao sobre as variveis angulares e escrever
simplesmente:
( ) (Eq. 6.5).
Tomando como exemplos os estados 1s ( =1, =0, =0 ) e 2s ( =2,
=0, =0),
podemos ver, na figura 6.2, as regies onde mais provvel
encontrar os eltron ao redor do ncleo. Note
que para o estado 1s, isso corresponde ao valor : o raio de
Bohr, com esperado.
Figura 6.2: Distribuio de probabilidade radial das funes de onda
(no normalizada) do hidrognio.
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A figura 6.3 mostra algumas ilustraes tridimensionais de
orbitais do tomo de hidrognio. Observe que
os orbitais tm simetria esfrica, enquanto os orbitais tm uma
simetria diferente, parecida com um
haltere, ao longo de cada direo espacial. Isso d origem
denominao de orbitais .
Figura 6.3: Densidade de probabilidade espacial das funes de
onda do eltron no tomo de hidrognio.
importante perceber que a partir da densidade de probabilidade,
podemos facilmente
determinar a distribuio espacial de cargas eltricas, que
fundamental para calcular a interao (fora)
eletrosttica. Neste caso, basta multiplicarmos a densidade de
probabilidade pela carga elementar do
eltron. por isso que dissemos que a simetria dos orbitais (dado
pela teoria quntica) determina a
interao eletrosttica que mantm os tomos ligados numa molcula, e,
assim, estabelece as
propriedades qumicas e fsicas das ligaes moleculares. isso que
dar origem, por exemplo, aos
diferentes tipos de hibridizao que vocs iro estudar em qumica
orgnica, no prximo semestre.
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3.3. Princpio de excluso de Pauli
No primeiro captulo deste curso ns falamos que o spin um
atributo quntico da matria,
segundo o qual podamos classificar as partculas como bsons ou
frmions. Naquela ocasio, tambm
mencionamos que isso tinha consequncias importantes no mundo
microscpico dos tomos e partculas
elementares, mas at agora no usamos o fato do eltron ser um
frmion. Como veremos agora isso tem
uma consequncia fundamental na maneira que os eltrons se
distribuem nos orbitais atmicos, e tambm
na forma com os tomos se ligam, para formar as molculas.
De uma forma resumida, esse efeito pode ser expresso no chamado
princpio de excluso de Pauli,
que diz que dois frmions idnticos no podem ocupar o mesmo
orbital (estado) simultaneamente. A
forma mais rigorosa desse princpio quntico tem a ver com as
propriedades de simetria da funo de
onda de partculas idnticas, numa mesma regio do espao, como
dentro de um tomo ou molcula, por
exemplo. Outra forma, mais prtica, de expressar esse princpio
dizer que dois eltrons no mesmo
tomo (molcula) devem ter seus quatro nmeros qunticos diferentes.
Como os trs primeiros nmeros
representam o orbital (estado) eletrnico, isso equivale a dizer
que para ocupar o mesmo orbital dois
eltrons devem ter spins diferentes. Por sua vez, como o spin do
eltron s pode assumir dois valores,
disto resulta que a ocupao mxima de um orbital de dois eltrons,
com spins antiparalelos.
Figura 6.4 Interao molecular entre dois tomos, levando em conta
o spin dos eltrons.
Fisicamente, uma forma de entender como esse princpio se
manifesta numa ligao molecular
observar a energia de interao entre dois tomos idnticos que se
aproximam, mas desta vez incluindo o
efeito do spin. Neste caso, indicado na figura 6.4, pode-se
perceber que dependendo do estado de spin
dos eltrons a energia de interao poder diminuir, produzindo uma
configurao mais estvel, ou
sempre aumentar, impedindo a aproximao e formao de uma molcula
estvel.
4. Tipos de ligaes moleculares
Como acabamos de ver, a simetria dos orbitais atmicos depende da
funo de onda do estado em
que se encontra o eltron no tomo: o chamado estado eletrnico.
Essa simetria define a distribuio de
carga ao redor do ncleo. Ao contrrio da mecnica clssica, a
mecnica quntica fornece uma
Interao para autofuno
com spins paralelos
Interao para autofuno
com spins antiparalelos
Ponto de
Equilbrio
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distribuio contnua de cargas (eltrons) em torno do tomo, ao invs
de rbitas eletrnicas bem
definidas, como no modelo de Bohr ou Rutherford. Isso fornece,
finalmente, a explicao da estabilidade
do tomo, pois na viso quntica o eltron no mais uma partcula em
movimento circular (acelerado)
numa rbita fixa, que deveria emitir radiao at decair no
ncleo.
Segundo a teoria quntica, o eltron comporta-se como uma onda
delocalizada ao redor do
ncleo, com uma distribuio de probabilidade contnua, cuja forma
geomtrica depende da funo de
onda, que define o orbital. Na mecnica quntica podemos apenas
falar em densidades de probabilidades
e no mais em posio e trajetria definidas. O eltron s volta a se
comportar como uma partcula, com
posio definida, quando tentamos realizar alguma medida que
revele a sua posio. Nesse momento, ao
realizar uma medida de posio, diz-se que a funo de onda do
eltron colapsa, isto , manifesta-se
fisicamente, com uma partcula cuja posio segue a distribuio de
probabilidade da funo de onda.
Assim, a soluo da equao de Schroedinger que determina a simetria
dos orbitais e, portanto,
como ser a interao eletrosttica que, em ltima anlise, determina
o tipo de ligao qumica que ir
correr entre dois (ou mais) tomos, formando as molculas.
Ocorre, porm, que em geral a soluo da equao de Schroedinger pode
ser bastante difcil.
Embora um pouco complicada, a soluo para o tomo de hidrognio
possvel mesmo analiticamente (de
forma matematicamente exata, sem grandes aproximaes). Esses
resultados concordam muito bem com
os resultados experimentais, obtidos por espectroscopia (raias
espectrais) do hidrognio.
Para tomos com mais de um eltron, a soluo passa a ser complicada
pela forte interao entre
os eltrons, impedindo uma soluo analtica completa. Utilizam-se,
ento, aproximaes ou ainda
solues numricas, calculadas no computador. Essas solues j so
complicadas mesmo para o segundo
tomo mais simples, que o tomo de hlio. Num caso geral, de uma
molcula com muitos tomos, a
nica soluo vivel, do ponto de vista quntico, utilizar solues
numricas, no computador.
Ainda assim, mesmo para tomos com vrios eltrons, muito do que
aprendemos sobre o tomo de
hidrognio continua valendo. Em particular, a simetria dos
orbitais essencialmente preservada, embora
os parmetros numricos modifiquem-se um pouco, de modo que
possvel ainda entender as ligaes
moleculares em termos dos orbitais atmicos dos eltrons mais
externos.
4.1. Ligao inica.
A ligao molecular entre os tomos depende essencialmente das
caractersticas dos eltrons de valncia. Esses eltrons que
realizam o contato
entre os tomos, e, portanto, so os mais importantes nas ligaes
qumicas.
Dependo da distribuio eletrnica nos nveis (estados) mais
internos, os eltrons
de valncia podem sofrer um efeito de blindagem maior da carga
efetiva do
ncleo, o que resulta numa energia de ligao menor com o ncleo
atmico. Em
alguns tomos (como os metais alcalinos, da primeira coluna da
tabela peridica dos elementos), h uma
probabilidade maior do tomo ceder um eltron numa ligao qumica,
enquanto em outros tomos (os
no-metais, da coluna 7 da tabela peridica, por exemplo) h uma
tendncia maior de receber um
eltron extra numa ligao. A essa caracterstica fsica, associada e
energia de interao dos eltrons de
valncia com o ncleo, d-se o nome de afinidade eletrnica ou
eletronegatividade.
A eletronegatividade est relacionada ao potencial de ionizao,
que, por sua vez, a energia
necessria para remover um eltron do tomo, produzindo um on
positivo. Embora essa tenha um
significado fsico bem definido, comum, especialmente na qumica
(cincia especializada no estudo e
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controle das ligaes moleculares), utilizar-se o conceito de
eletronegatividade seguindo a escala de
intensidade proposta por Linus Pauling. Essa escala de afinidade
eletrnica indicada na figura 6.5.
A eletronegatividade est associada ao raio atmico que, assim
como vrias propriedades atmicas, tem
comportamento peridico como funo do nmero atmico. Na verdade,
todas essas caractersticas
peridicas, inicialmente observadas empiricamente, podem ser
explicadas hoje pela mecnica quntica.
Mais eletronegativo Menos eletronegativo
Grupos
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Per
odos
1 H
2.20
He 0
2 Li
0.98 Be
1.57
B 2.04
C 2.55
N 3.04
O 3.44
F 3.98
Ne
3 Na
0.93 Mg
1.31
Al 1.61
Si 1.90
P 2.19
S 2.58
Cl 3.16
Ar
4 K
0.82 Ca
1.00 Sc
1.36 Ti
1.54 V
1.63 Cr
1.66 Mn
1.55 Fe
1.83 Co
1.88 Ni
1.91 Cu
1.90 Zn
1.65 Ga
1.81 Ge
2.01 As
2.18 Se
2.55 Br
2.96 Kr
3.00
5 Rb
0.82 Sr
0.95 Y
1.22 Zr
1.33 Nb 1.6
Mo 2.16
Tc 1.9
Ru 2.2
Rh 2.28
Pd 2.20
Ag 1.93
Cd 1.69
In 1.78
Sn 1.96
Sb 2.05
Te 2.1
I 2.66
Xe 2.60
6 Cs
0.79 Ba
0.89 I
Hf 1.3
Ta 1.5
W 2.36
Re 1.9
Os 2.2
Ir 2.20
Pt 2.28
Au 2.54
Hg 2.00
Tl 1.62
Pb 2.33
Bi 2.02
Po 2.0
At 2.2
Rn 2.2
7 Fr 0.7
Rb 0.9
II Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
I: Lantandeos
La 1.1
Ce 1.12
Pr 1.13
Nd 1.14
Pm 1.13
Sm 1.17
Eu 1.2
Gd 1.2
Tb 1.1
Dy 1.22
Ho 1.23
Er 1.24
Tm 1.25
Yb 1.1
Lu 1.27
II: Actindeos
Ac 1.1
Th 1.3
Pa 1.5
U 1.38
Np 1.36
Pu 1.28
Am 1.13
Cm 1.28
Bk 1.3
Cf 1.3
Es 1.3
Fm 1.3
Md 1.3
No 1.3
Lr 1.3
Figura 6.5 Escala de Eletronegatividade de Pauling para os
Elementos Qumicos.
Na escala de Pauling, o valor mximo da eletronegatividade 4,0,
no tomo de flor, com maior afinidade eletrnica. O valor mnimo de
0,7 e corresponde ao tomo de frncio (Fr), que atrai menos os
eltrons de valncia.
Do ponto de vista da qumica, ao combinarmos dois elementos, e
havendo as condies
necessrias, a diferena das respectivas eletronegatividades ir
determinar o tipo de ligao entre eles.
Se a diferena de eletronegatividade for maior que 1,9, usando a
escala de Pauling, teremos um tipo de
ligao chamada: ligao inica. Este tipo de ligao ocorre geralmente
entre um metal e um no-metal.
Os compostos inicos apresentam pontos de ebulio e de fuso altos,
so duros, frgeis (quebradios) e
maus condutores de eletricidade e calor. No entanto, possuem
estruturas moleculares ordenadas, que
podem formar cristais. Quando derretem ou se dissolvem em
solventes polares so bons condutores de
eletricidade. Alguns exemplos so os sais: Cloreto de sdio (NaCl)
e brometo de potssio (KBr).
Na ligao inica, devido a grande diferena de afinidade eletrnica
entre os tomos, h uma
transferncia de carga efetiva de um tomo, que cede um eltron e
torna-se um on positivo, para o
outro, que recebe o eltron extra, tornando-se um on negativo. A
ligao inica tem uma caracterstica
bem peculiar: ela no direcional. Ela se caracteriza pela atrao
eltrica entre os ons (cargas), e como
consequncia disso, permite a formao de estruturas moleculares
rgidas, chamados cristais inicos, onde
um ction (on positivo) atrai o mximo nmero de nions (on
negativos) ao seu redor, produzindo um
ordenamento geomtrico caracterstico, que depende do tamanho
relativos dos ons.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Linus_Pauling
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4.2. Ligao covalente.
Vamos agora considerar outro importante tipo de ligao molecular,
que ocorre mesmo entre dois
tomos iguais (de mesma eletronegatividade). Nesse tipo de ligao
tambm ocorre a interao
eletrosttica entre as cargas eltricas do tomo, da forma indicada
na figura 6.1, mas no h uma
transferncia efetiva de carga de um tomo para outro. Ao invs
disso, h um compartilhamento de um
(ou mais) eltron(s) entre dois tomos. Neste caso, pode-se pensar
que a nuvem eletrnica
(compartilhada) fica distribuda numa regio entre os dois tomos,
de modo a atrair os ncleos em sua
direo, mantendo-os ligado atravs da interao eletrosttica entre
essas cargas.
Assim, se a diferena de eletronegatividade entre os elementos
for menor que 1,9 podemos ter
uma ligao covalente. Este tipo de ligao ocorre entre elementos
no-metlicos. Os compostos
covalentes apresentam uma grande variedade de pontos de fuso e
ebulio. So isolantes trmicos e
eltricos. E so formados por molculas com geometrias definidas.
Alguns exemplos so: Metano (CH4),
amnia (NH3), hidrognio (H2), nitrognio (N2), e oxignio (O2).
Ao contrrio da ligao inica, a ligao covalente altamente
direcional, e est diretamente
ligada a simetria espacial dos orbitais atmico-moleculares dos
eltrons envolvidos na ligao. Como nesta
ligao a nuvem eletrnica localiza-se preferencialmente entre os
ncleos, ao invs de ao redor de um dos
ncleos, como na ligao inica, isso faz a ligao covalente ser mais
direcional. Esse tipo de ligao
pode ocorrer entre vrios tipos de orbitais atmicos, que se
deformam a fim de produzir os orbitais
moleculares hibridizados, como ocorre nas ligaes chamadas , que
pode ocorre entre
eltrons nos orbitais atmicos do tipo e .
Tambm podem ocorrer mais de uma ligao entre o mesmos tomos,
levando s chamadas
ligaes duplas e triplas, como ocorre entre tomos de nitrognio e
carbono. Nestas ligaes mltiplas,
que envolvem orbitais , aps a formao da ligao , as demais ligaes
resultam de deformaes dos
orbitais atmicos em novos orbitais moleculares que recebem a
denominao de ligao . Esses tipos de
ligaes so muito importantes na qumica orgnica (consequentemente,
tambm para a biologia) e,
provavelmente, sero revistos no curso de qumica, no prximo
semestre.
Na ligao covalente entre tomos diferentes, dependendo das
eletronegatividades, pode haver a
formao de molculas polares. Essas molculas tm uma distribuio de
cargas que lhes confere um
dipolo eltrico permanente. Alm dos efeitos de ligaes secundrias
(que sero vistos mais adiante), a
presena desses dipolos afeta propriedade fsicas importantes,
como a solubilidade dessas molculas em
diferentes tipos de solventes. Em geral, molculas apolares no so
solveis em solventes polares e vice-
versa. A figura 6.6 mostra dois exemplos de molculas covalentes:
uma polar (H2O) e outra apolar (H2).
a) b)
Figura 6.6 Exemplos de ligaes covalentes: (a) apolar e (b)
polar.
H2
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Captulo 6
Srgio Muniz e Vanderlei Bagnato Estrutura da Matria, curso de
Licenciatura em Cincias, USP/Univesp.
11
Eltrons num metal
Ligaes covalentes so bastante comuns entre compostos orgnicos,
envolvendo o tomo de
carbono, que possui trs orbitais semipreenchidos, isto , com
apenas um eltron em cada orbital. Esses
compostos tm uma propriedade importante, pela qual convertem uma
ligao dupla (entre tomos de
carbono) numa ligao simples, o que lhes permite criar cadeias
moleculares gigantescas, denominadas
cadeias polimricas. A ligao forte nessas cadeias ocorre entre os
tomos de carbono. Por ser uma
ligao forte, ela permite a deformao (plstica) dessas cadeias sem
rompimento da ligao qumica. Isto
faz que cadeias de polmeros se toram e contoram facilmente,
conferindo-lhes grande flexibilidade, o
que tem importante aplicao tecnolgica.
4.3. Ligao metlica.
H certos tipos de elementos que quando agregados promovem
uma
completa delocalizao da funo de onda dos eltrons de valncia.
Essa
delocalizao de carga faz com que os eltrons mais externos
participem da
interao com quase todos os tomos do material, ou seja, os
eltrons
comportam-se como se pertencessem a todos os tomos desse
agregado
molecular, ao mesmo tempo. como se a funo de onda abrangesse
todo o slido. isso que ocorre nos metais, e graas a essa grande
mobilidade
eletrnica que os metais so tipicamente bons condutores de
eletricidade.
Por isso, esse tipo de ligao molecular chamada ligao
metlica.
Ao contrrio da ligao inica, onde a funo de onda localizada ao
redor de cada ncleo e a
interao majoritariamente eletrosttica, ou da ligao covalente,
onde a funo de onda tem
densidade de probabilidade mxima entre dois ncleos, o que lhe d
um carter direcional, a ligao
metlica produz uma funo de onda bastante delocalizada, o que faz
com os eltrons se comportem
quase com um gs livre. Na verdade, esse gs de eltrons mantido
junto ao metal, devido
interao com os ncleos (caroos) positivos, que por sua vez tendem
a formar uma estrutura molecular
regular e peridica, que recebe o nome tambm forma um retculo
cristalino caracterstico dos metais.
Devido as caracterstica desse tipo de ligao, os metais
apresentam propriedades bem especficas
de alta condutividade eltrica e trmica, maleabilidade e etc.,
que tm importantes aplicaes
tecnolgicas. Por exemplo, ao deformar um slido esperado que ao
aplicar uma tenso maior que a
fora de ligao molecular, o material se rompe atravs de uma
fratura dctil, tpica de materiais
cermicos e outros. No caso dos metais, a nuvem eletrnica capaz
de acompanhar as deformaes,
produzindo um escoamento da distribuio de carga, antes da
ruptura.
Quanto mais fracamente ligados esto os eltrons externos, menor
ser a rigidez do metal
formado. Assim, os metais alcalinos (Na, K, Cs, Rb) apresentam
ligaes metlicas mais fracas, como
demonstrado pelo baixo ponto de fuso e sublimao, e grande
maleabilidade do metal quando na forma
slida. J os chamados metais de transio, com orbitais incompletos
(Fe, Ni, Ti e W), no apresentam
uma completa delocalizao de seus eltrons e suas ligaes so mais
fortes, j apresentando um pouco
de carter covalente. Como resultado, esses metais tm
propriedades mecnicas bem diferentes: so mais
rgidos e resistentes, alm de terem pontos de fuso e sublimao
bastante elevados.
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Captulo 6
Srgio Muniz e Vanderlei Bagnato Estrutura da Matria, curso de
Licenciatura em Cincias, USP/Univesp.
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4.4. Ligaes secundrias: Van de Waals e pontes de hidrognio.
As ligaes discutidas acima constituem o
corpo principal das ligaes moleculares existentes nos
materiais. H, porm, outro tipo de ligao muito
menos intensa que as anteriores, que ocorre sem a
transferncia ou compartilhamento de eltrons. Essa
ligao surge devido a interao eletrosttica entre os
dipolos moleculares, induzidos pela deformao da
distribuio de cargas quando os tomos se
aproximam. Elas so chamadas de secundrias por
serem muito mais fracas que as anteriores,
denominadas primrias. Existem dois tipos principais
de ligaes secundrias, dependendo dos dipolos
serem permanentes ou temporrios.
Um tipo de ligao secundria que ocorre com dipolos temporrios a
que ocorre nos gases
nobres. Quando, por exemplo, dois tomos de argnio (Ar) se
aproximam qualquer ocorrncia de
flutuaes, faz com que ocorra uma leve interao dipolar, que
resulta numa induo mtua entre os
dipolos.
a) b)
Figura 6.7 Exemplos de ligaes do tipo ponte de hidrognio: (a)
molculas de gua e (b) molcula de DNA, onde as pontes de hidrognio
tem papel importante na formao de hlice-dupla.
Outro tipo de ligao secundria, muito importante para a vida,
aquela que surge entre
molculas covalentes que apresentam dipolos eltricos permanentes.
Isso ocorre, por exemplo, com a
molcula de gua, onde os eltrons do hidrognio ficam mais presos
(prximos) ao tomo de oxignio,
criando uma regio mais negativa em torno do oxignio e positiva
no hidrognio, causando um dipolo
eltrico permanente, associado s molculas polares, como vimos
antes (figura 6.6). Quando duas
molculas de gua de aproximam, devido interao eletrosttica entre
os polos eltricos das
molculas. Isso gera uma espcie de ligao entre as molculas,
denominada de pontes de hidrognio.
Esse tipo de ligao bastante comum, e muito importante, nos
materiais orgnicos, como os polmeros
(plsticos, por exemplo), e tambm em molculas de valor biolgico,
com protenas o prprio DNA. No
caso do DNA, essas ligaes tm papel importante na sua estrutura
molecular (como na formao da
hlice-dupla), que determina muito da funo biolgica dessas
estruturas.
Ligaes de Van de Waals entre tomos de carbono em diferentes
planos moleculares da grafita.
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Simulao da formao de uma ligao covalente
Clique aqui para iniciar (Requer Acrobat Reader)
Esta animao tem propsito apenas didtico e no tem inteno de ser
precisa.
Produzida para o curso de Licenciatura em Cincias USP-Univesp,
por Srgio R. Muniz (Junho/2012).
Lig-Covalente-v3.swfMedia File
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