Quer conhecer mais sobre as ligações químicas? O Estratégia Militares fez um resumo sobre as ligações covalentes, iônicas e metálicas para você estudar para as provas dos seletivos das Forças Armadas.
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Quais são os tipos de ligação química?
De maneira geral, podemos estabelecer que o tipo de ligação química depende das eletronegatividades dos elementos envolvidos. Gases, por exemplo, têm uma eletrosfera bastante estável. Isso acontece porque eles possuem elevada energia de ionização, ou seja, uma pequena tendência a perder elétrons, e baixa afinidade eletrônica, o que significa pequena tendência a doar elétrons.
Nas outras famílias, a situação é diferente. Alguns elementos são bastante eletronegativos, portanto, tendem a formar ligações químicas de modo a ganhar elétrons. Outros elementos, principalmente os metais, são bastante eletropositivos, portanto, tendem a formar ligações químicas de modo a perder elétrons.
Existem três modelos básicos de ligações químicas. São elas:
- Ligação Covalente;
- Ligação Iônica;
- Ligação Metálica.
Podemos esquematizar a eletronegatividade dos elementos envolvidos na ligação da seguinte forma:
Para alcançar a estabilidade química nas ligações, podemos fazer uso da Regra do Octeto.
Regra do Octeto
A Regra do Octeto estabelece que os átomos adquirem estabilidade quando adquirem a configuração eletrônica dos gases nobres, ou seja, com 8 elétrons na camada de valência (exceto o hélio, cuja configuração é 1s²).
Além disso, devemos notar que os metais tendem a perder elétrons enquanto os não-metais tendem a ganhar elétrons. Os semimetais, por sua vez, só participam de ligações covalentes, compartilhando elétrons até atingir o octeto.
Vamos esquematizar a Regra do Octeto na Tabela Periódica:
Assim, pela Regra do Octeto:
- os metais alcalinos (exceto o hidrogênio) perdem 1 elétron;
- o hidrogênio normalmente ganha 1 elétron;
- os metais alcalino-terrosos perdem 2 elétrons;
- os calcogênios (família VI-A) ganham 2 elétrons;
- os halogênios (família VII-A) ganham 1 elétron; e
- os gases nobres (família VIII-A) dificilmente reagem, pois já possuem a eletrosfera estável com 8 elétrons.
Vale ressaltar que a Regra do Octeto não se aplica aos metais de transição e conta com várias outras exceções.
Ligação Covalente
A ligação covalente é formada por dois elementos que apresentam tendência a ganhar elétrons. Em outras palavras, são dois elementos eletronegativos ou, ainda, por dois ametais.
Na ligação covalente, dois átomos compartilham elétrons, como ilustrado na figura abaixo:
Tomemos, como exemplo, o átomo de flúor, que possui 7 elétrons na camada de valência. Cada um deles precisaria de mais um elétron para atingir o octeto – ou seja, 8 elétrons na camada de valência. Por isso, dois átomos de flúor podem se juntar e formar a molécula F2.
Nessa molécula, dois átomos compartilham um elétron. Essa ligação pode ser representada por meio de uma Estrutura de Lewis, em que são retratados:
- os pares elétrons ligantes, que são os pares de elétrons compartilhados entre os dois átomos. Eles podem ser circulados ou representados por um segmento de reta;
- os pares de elétrons não-ligantes, que são sempre vistos agrupados em duplas. Embora não façam parte da ligação covalente, eles influenciam na geometria da molécula e, consequentemente, nas suas propriedades.
Nessa estrutura, podemos visualizar que ambos os átomos passaram a ter 8 elétrons na sua camada de valência, atingindo a estabilidade preconizada pela Regra do Octeto.
Consideremos, agora, a molécula de água, que é formada por oxigênio (família VI-A) e hidrogênio (família I-A). O oxigênio possui 6 elétrons na camada de valência, portanto, precisa formar duas ligações covalentes para atingir o octeto.
Já o hidrogênio possui apenas um elétron na camada de valência, mas atinge o octeto com dois elétrons, pois iguala a sua eletrosfera à do hélio. Logo, ele precisa fazer exatamente uma ligação. Se o hidrogênio só pode formar uma ligação, mas o oxigênio precisa formar duas ligações, como eles podem formar um composto?
Outro composto interessante formado entre o hidrogênio e o oxigênio é o peróxido de hidrogênio. A água oxigenada é uma solução de peróxido de hidrogênio em água:
As ligações covalentes também podem ser duplas ou triplas. Por exemplo, no caso da molécula de oxigênio (O2). Como o oxigênio, que é da família VI-A, possui 6 elétrons na camada de valência, ele precisa formar duas ligações.
Por esse motivo, a molécula de oxigênio (O2) é formada por uma ligação dupla:
Uma ligação tripla acontece na molécula de nitrogênio gasoso (N2). O nitrogênio pertence à família V–A, portanto, possui cinco elétrons na camada de valência. Para chegar ao octeto, cada átomo precisa receber três elétrons. Sendo assim, eles podem compartilhar três elétrons, de modo que ambos os átomos chegam ao octeto.
É interessante dizer que as ligações duplas e triplas normalmente só são observadas com elementos do segundo período, sendo a ligação 𝑆 =𝑂 uma das poucas exceções.
Por exemplo, o fósforo, que também pertence à mesma família do nitrogênio, não forma a molécula P2 com uma ligação tripla, mas sim, a interessante molécula P4, em que os quatro átomos de fósforo formam um tetraedro.
Uma ligação covalente também pode acontecer entre um átomo que já possui o octeto completo e outro átomo que precise receber um par de elétrons. Esse tipo de ligação é chamada de ligação dativa ou coordenada. É o caso das moléculas CO e SO2.
No monóxido de carbono (CO), tem-se um elemento da família IV-A (o carbono), que possui quatro elétrons na sua camada de valência, portanto, precisa receber 4 elétrons. Já o oxigênio (família VI-A), que possui seis elétrons na camada de valência, precisa receber 2 elétrons.
Quando os dois elementos formam uma ligação dupla, vemos que o oxigênio já alcançou o octeto, pois recebeu os dois elétrons de que precisava. Porém, o carbono ainda não atingiu – ele tinha quatro elétrons, recebeu dois e passou a ter seis.
A solução para os dois elementos formarem a molécula diatômica (CO) é o oxigênio doar um par de elétrons para a ligação. Não se trata de uma ligação iônica, pois os dois elétrons não são doados inteiramente para o carbono, mas, sim, compartilhados.
Existem várias formas de representar a ligação dativa ou coordenada. A mais comum é pela seta da figura acima. Essa representação facilita bastante a visualização de que ambos os elementos estão cumprindo a Regra do Octeto. Vejamos:
- As duas ligações comuns indicam que o oxigênio recebeu dois elétrons. Como ele já tinha seis, passou a ter oito elétrons na camada de valência;
- O carbono recebeu dois elétrons vindos de ligações comuns e mais dois vindos de uma ligação dativa. Portanto, se ele tinha quatro elétrons na camada de valência, passou a ter oito.
Outras duas representações para a ligação dativa também são bastante comuns. Em uma delas, a ligação é representada simplesmente da mesma forma que uma ligação comum. Isso acontece, porque, uma vez formadas, as ligações comum e dativa são exatamente iguais, ou seja, possuem exatamente as mesmas propriedades.
Outro modo, particularmente útil na Química Orgânica, é representar como uma ligação comum, mas assinalar o átomo doador dos elétrons com uma carga positiva e o outro átomo com uma carga negativa. O mais comum é usar a seta na Química Inorgânica e as cargas +/- na Química Orgânica.
Essa representação também ilustra a Regra do Octeto. Note que o oxigênio tem uma carga positiva, portanto, passou a ter 5 elétrons na camada de valência. Ao ganhar 3 elétrons nas ligações, atingiu 8 elétrons na camada de valência.
Analogamente, o carbono com uma carga negativa possui 5 elétrons na camada de valência. Ao ganhar 3 elétrons, também atingiu os 8 elétrons.
É interessante o caso dos compostos formados pelo oxigênio (O) e pelo enxofre (S), ambos da família VI-A. Tendo por base somente a Regra do Octeto, poderíamos esperar que eles formassem a molécula diatômica SO, que seria bem parecida com a molécula O2.
Porém, o monóxido de enxofre (SO) não existe. Os únicos compostos binários formados pelo enxofre e oxigênio são o dióxido de enxofre (SO2) e o trióxido de enxofre (SO3). A forma mais usual de tratar essas moléculas é supondo que elas são formadas por uma ligação dupla S = O e as demais ligações são dativas.
Sólidos covalentes
Uma molécula é um conjunto pequeno e bem definido de átomos unidos por ligações covalentes. Todas as moléculas abordadas acima são exemplos. Elas são unidas por forças intermoleculares.
É importante diferenciar as moléculas dos sólidos covalentes, que, apesar de também serem formados por ligações covalentes, possuem um conjunto ilimitado de átomos. O caso mais conhecido é o diamante.
A célula unitária do cristal no canto inferior esquerdo da figura é a unidade estrutural que se repetirá constantemente em toda a sua estrutura. Nessa célula unitária, tem-se um átomo de carbono que ocupa o centro de um tetraedro, cujos vértices são formados por outros quatro átomos de carbono.
Cada um desses átomos será também o centro de um tetraedro, cujos vértices são quatro átomos de carbono. Cada um desses quatro átomos também será o centro de um tetraedro, cujos vértices são outros quatro átomos de carbono. E, assim, a estrutura vai crescendo indefinidamente.
Também não existe um limite para o número de átomos que compõem a estrutura do material. Por isso, o diamante também não é formado por moléculas, mas é, na verdade, uma estrutura ilimitada. Outros exemplos de sólidos covalentes são o grafite, que também é uma variedade alotrópica do carbono, a sílica (SiO2).
Ligação Iônica
A ligação iônica é formada por um elemento que apresenta tendência a ganhar elétrons com outro elemento que apresenta tendência a perder elétrons. Ou seja, é formada por um elemento muito eletronegativo e por outro eletropositivo. Podemos, ainda, dizer que é feita entre um metal e um ametal.
Nesse tipo de ligação, considera-se que o átomo de elemento mais eletronegativo atrai os elétrons da ligação com muito mais intensidade, de modo que acontece a transferência de elétrons do mais eletropositivo para o mais eletronegativo:
Quando o sódio perde seus elétrons da camada de valência, ele adquire a configuração eletrônica do neônio, gás nobre, e portanto atinge o octeto.
Por outro lado, quando o flúor ganha um elétron, ele passa a ter 8 elétrons na camada de valência, atingindo, também, o octeto.
É importante destacar que todo composto iônico é eletricamente neutro. Ou seja, a soma das cargas negativas deve ser igual à soma das cargas positivas. Não pode haver, portanto, uma sobra de cargas.
Além desse princípio, vamos revisar como funciona a Regra do Octeto para os metais:
Considere os metais da família I-A, II-A e o alumínio, como exemplos. O magnésio (Mg) pertence à família II-A, portanto, possui dois elétrons na camada de valência. Ele pode fazer compostos com o oxigênio e com o flúor. Vejamos:
No óxido de magnésio (MgO), como o oxigênio precisa ganhar dois elétrons para atingir o octeto, o composto é formado por um átomo de magnésio doando dois elétrons para o oxigênio. Dessa forma, ambos atingem o octeto.
No caso do fluoreto de magnésio (MgF2), o flúor só precisa receber um elétron. Portanto, um átomo de magnésio pode doar elétrons para dois átomos de flúor, de modo que o composto iônico é MgF2, em que tanto o flúor como o magnésio atingiram o octeto.
Podemos ver agora o que acontece com o óxido de alumínio, formado exclusivamente por alumínio e oxigênio. O alumínio pertence à família III-A e, portanto, tem três elétrons na camada de valência. Vale lembrar que ele é exceção e perde todos os seus elétrons de valência.
Portanto, o alumínio precisa perder 3 elétrons, enquanto que o oxigênio precisa ganhar 2. A forma mais simples de equilibrar essa conta é:
Agora que sabemos que precisamos de 2 átomos de alumínio e 3 átomos de oxigênio, basta fazer as estruturas de Lewis, considerando que o alumínio doa todos os seus elétrons de valência para o oxigênio.
Agora, vamos complicar um pouco mais, falando sobre o chumbo. Apesar de ser da família IV-A e ter 4 elétrons na camada de valência, ele perde apenas dois elétrons nas ligações iônicas.
Portanto, os seus compostos possuem fórmulas análogas às do magnésio, como cloreto de chumbo (PbCl2) e óxido de chumbo (PbO). Nesses compostos, o chumbo permanece com dois elétrons na camada de valência.
É importante destacar que o chumbo forma compostos com quatro ligações covalentes, sendo o mais conhecido o tetraetilchumbo, que é utilizado como aditivo na gasolina. Veja a estrutura do cloreto de chumbo (IV), que é molecular e, portanto, formado exclusivamente por ligações covalentes.
Gostaríamos de destacar que é muito difícil que existam compostos formados por íons com cargas + 4 ou maiores.
Isso acontece porque as energias de ionização aumentam radicalmente à medida que a carga do cátion aumenta. Já as afinidades eletrônicas diminuem radicalmente à medida que a carga do ânion aumenta. Portanto, quanto maior o valor numérico da carga, mais difícil é de se formar tanto o cátion como o ânion.
Íons Compostos
É bastante comum que ânions sejam formados por diversos elementos, unidos por ligações covalentes. Vejamos alguns dos exemplos mais importantes acompanhados de seus respectivos nomes.
É bastante compreensível que os íons mostrados na tabela sigam a Regra do Octeto. Basta imaginar que cada oxigênio recebeu uma carga negativa. Nesse caso, ele passaria a ter sete elétrons na camada de valência, portanto, só precisaria de uma ligação para completar o octeto.
No entanto, a representação mais adequada para um íon é exatamente como mostrado na tabela, porque a carga se espalha por toda a estrutura do íon e não se concentra em um único átomo.
Devemos levar em consideração que o composto iônico deve ser eletricamente neutro ao montar a fórmula mínima de um composto iônico.
Vamos determinar as fórmulas mínimas de compostos formados pelos íons hidróxido, sulfato e fosfato com os íons Na+, Ca2+ e Al3+ (como são íons oxigenados, o alumínio realmente perde os 3 elétrons da camada de valência).
Note que as proporções dos ânions são exatamente iguais ao que se observava nos íons simples, como fluoreto (F–) e óxido (O2-). E será sempre assim, porque a proporção entre cátion e ânion é dada pelo equilíbrio de cargas.
Ainda não tínhamos visto ânions trivalentes, como N3-, porque o nitrogênio e os demais elementos da sua família possuem baixa afinidade eletrônica, portanto, dificilmente formam ânions.
Ligação Metálica
A ligação é formada por átomos que possuem tendência a perder elétrons, ou seja, átomos eletropositivos, que são os metais. Na ligação metálica, os átomos doam elétrons para a estrutura cristalina, formando cátions e liberando elétrons livres. Esses elétrons possuem ampla liberdade de movimentação por toda a estrutura da rede metálica.
Uma das formas de abordar a ligação metálica é pelo modelo do Mar de Elétrons:
O Modelo do Mar de Elétrons é bom para explicar a condutividade térmica e elétrica dos metais. Como os elétrons são portadores de cargas livres, quando o metal recebe uma diferença de potencial elétrico, eles podem facilmente se deslocar pelo metal. Os elétrons saem da região de menor potencial para a de maior potencial, criando uma corrente elétrica.
Os metais são condutores anisotrópicos e intrínsecos, o que significa que a sua condutividade é a mesma em todas as direções e não depende da adição de impurezas. Mesmo quando puro, o metal é condutor. Entenda esses conceitos:
A anisotropia da condutividade elétrica dos metais pode ser representada pela figura a seguir, em que mostramos que a barra metálica tanto pode conduzir no seu comprimento como na sua largura:
Porém, o movimento dos elétrons na superfície do metal não é tão bem ordenado. Na verdade, eles podem se locomover em todas as direções e em qualquer ponto da barra. É por isso que, em qualquer lugar que você toque em uma barra metálica, você levará um choque.
É o caso de um equipamento elétrico com defeito – você não precisa literalmente colocar o seu dedo no caminho da corrente elétrica para levar um choque. Basta tocar em qualquer parte do metal.
Pelo mesmo motivo que são bons condutores elétricos, os metais também são bons condutores de calor.
Os elétrons livres são partículas que possuem ampla liberdade de movimento por toda a estrutura metálica. Quando se encontram em uma região mais aquecida, eles adquirem mais energia e, com isso, tendem a se mover para as regiões menos aquecidas, conduzindo a energia térmica por todo o material.
O Modelo do Mar de Elétrons também é muito útil para explicar a maleabilidade e ductilidade dos metais. Nos metais, não existem rígidas ligações entre dois cátions. Por isso, eles podem se afastar e se aproximar sem afetar significativamente a estrutura do material.
O brilho metálico também pode ser explicado pelo Modelo do Mar de Elétrons. Na figura que ilustra esse modelo, mostramos todos os átomos ionizados, correto? Porém, é bastante possível que um elétron seja absorvido por algum dos cátions metálicos.
Isso significa que os elétrons possuem liberdade, não só para transitar por toda a estrutura metálica, mas também para participar de transições eletrônicas. Eles podem atingir a camada de valência, estados excitados e até mesmo voltar a se ionizar.
Todas as vezes que um cátion absorve um elétron para mais próximo de sua camada de valência, ele emite um fóton de luz. Esses são os fótons que produzem o brilho característico dos metais.
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