Resumo nº5 – Ligação covalente. Redes covalentes, iónicas e metálicas

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Os átomos raramente existem isolados na Natureza.

Os átomos estabelecem entre si diferentes tipos de ligações, resultando em diferentes tipos de substâncias.

 

Consideram-se três tipos fundamentais de ligações químicas:

• a ligação covalente;
• a ligação iónica;
• a ligação metálica.

 

O tipo de ligação está relacionado com os elementos envolvidos:

 

Ligação covalente

Quando dois átomos se ligam, há eletrões que pertenciam a cada um dos átomos que passam a pertencer aos dois. Desta maneira, os átomos ficam com o número máximo de eletrões de valência, ao que corresponde maior estabilidade.

Os eletrões que pertencem aos dois átomos são os responsáveis pela sua ligação e chamam-se eletrões partilhados.

A ligação entre os átomos das moléculas ou das redes de átomos consiste na partilha de pares de eletrões e chama-se ligação covalente.

 

Uma ligação química é uma interação de natureza elétrica que mantém coeso um conjunto de átomos.

O tipo de ligação preferencialmente estabelecida entre átomos de não metais designa-se por ligação covalente.

Vejamos o exemplo da molécula de di-hidrogénio, constituída por dois átomos de hidrogénio, A e B, à medida que se aproximam.

Quando os dois átomos estão afastados um do outro, apresentam nuvens eletrónicas independentes.

 

A atração entre protões e eletrões favorece a aproximação dos átomos.

Quando os átomos se aproximam e interagem entre si, começam a surgir forças de dois tipos:

• atrativas (entre cargas opostas) ⟶ entre núcleo e eletrão do átomo vizinho;
• repulsivas (entre cargas iguais)  ⟶ entre os eletrões; entre os dois núcleos atómicos;

Nota: as dimensões dos átomos não se encontram à escala.

 

 Os átomos aproximam-se até encontrar uma distância de equilíbrio entre as forças de atração protão-eletrão e as de repulsão entre protões.

• Quando ocorre um equilíbrio entre as forças repulsivas e atrativas, os átomos estabelecem ligação.
• Cada átomo partilha o eletrão de valência e, assim, cada núcleo atrai dois eletrões.
• A partilha de eletrões diminui a energia e estabiliza o sistema — forma-se uma ligação covalente.

Uma ligação covalente ocorre quando átomos se ligam com sobreposição das suas nuvens eletrónicas, partilhando pares de eletrões. O número de eletrões numa ligação covalente é sempre par.

 

Notação de Lewis

Em 1916, Gilbert Lewis propôs uma notação para simplificar a representação de átomos e moléculas.

Gilbert Lewis (1875-1946) –  Físico e químico americano conhecido pelo seu contributo para o estudo da ligação química.

A notação de Lewis, que consiste em:

• representar separadamente cada um dos átomos pelo símbolo químico, rodeado de pontos ou cruzes em número igual ao de eletrões de valência;
• representar os átomos unidos com os pares de eletrões partilhados por meio de pontos e cruzes entre os símbolos químicos e os não partilhados à volta dos símbolos.

 

As ligações entre os átomos envolvem apenas os eletrões de valência.

 

Ligações covalentes simples, duplas e triplas

A formação de ligações covalentes implica a partilha de pares de eletrões.

A sua representação faz-se utilizando traços (―) que unem os átomos envolvidos.

Dois átomos podem partilhar um, dois ou três pares de eletrões:

• se há partilha de um par de eletrões por dois átomos, a ligação é covalente simples (-)
  
• se há partilha de dois pares de eletrões por dois átomos, a ligação é covalente dupla (=)
• se há partilha de três pares de eletrões por dois átomos, a ligação é covalente tripla (≡)

 

 

O número de pares de eletrões partilhados é o necessário para cada um dos átomos ficar com o número máximo de eletrões de valência, ou seja, 2 eletrões, no caso do hidrogénio, e 8 eletrões, nos outros casos. Isto corresponde a estar de acordo com a regra do octeto.

Regra do octeto: Os elementos não metálicos têm tendência a estabelecer ligações covalentes de forma a atingir a distribuição eletrónica do gás nobre mais próximo da Tabela Periódica, com oito eletrões de valência.

 

A regra do octeto na formação de moléculas compostas

 

Substâncias moleculares e covalentes

A ligação covalente ocorre entre átomos de elementos não metálicos que precisam de eletrões para se tornarem mais estáveis.

Unidos por ligações covalentes, os átomos formam as moléculas das substâncias moleculares.

Os sólidos moleculares têm pontos de fusão relativamente baixos. Os líquidos moleculares têm pontos de ebulição também baixos. Isto acontece porque as forças de interação entre as moléculas são fracas.

A ligação covalente também ocorre entre átomos de elementos não metálicos que formam as redes de átomos das substâncias covalentes.

• No diamante cada átomo de carbono está ligado a quatro outros átomos de carbono por ligações covalentes simples, e assim sucessivamente até aos limites do cristal.

Variedade de carbono constituída por átomos de carbono (C) ligados por ligações covalentes simples: cada átomo liga-se a quatro átomos; cada um destes liga-se a mais quatro e assim sucessivamente, numa estrutura que só termina na superfície do sólido.

Esta estrutura confere uma enorme dureza ao diamante.

– é a substância mais dura que existe na Natureza;

– tem ponto de fusão muito elevado (superior a 3500 °C) pois a ligação covalente entre os átomos de carbono é muito forte;

– é mau condutor elétrico.

 

• A grafite é constituída por planos paralelos de átomos de carbono, formando anéis hexagonais.  Cada átomo de carbono de um plano está ligado a três átomos do mesmo plano por ligações covalentes simples.

Variedade de carbono com propriedades muito diferentes das do diamante. É um material mole, untuoso ao tato, que tende a desfazer-se separando‑se em pequenas lâminas. É bom condutor da corrente elétrica, ao contrário do diamante. A diferença de propriedades físicas entre o diamante e a grafite deve-se à diferença das respetivas estruturas internas.

– ser mole e riscar o papel, pois os diferentes planos de átomos de carbono

podem deslizar e separar-se uns dos outros;

– ter ponto de fusão muito elevado (superior a 3500 °C) pois a ligação covalente entre os átomos de carbono é muito forte;

– ser boa condutora elétrica, pois os eletrões que formam as ligações entre os átomos dos diferentes planos podem mover-se ao longo de toda a barra de grafite.

 

• O grafeno é uma estrutura hexagonal de átomos de carbono, correspondente a uma camada plana de átomos da grafite.

Estas substâncias têm a propriedade de serem supercondutores.

A ligação entre átomos de elementos não metálicos, iguais ou diferentes, é covalente formando moléculas das substâncias moleculares ou redes covalentes das substâncias covalentes.

 

 

Ligação iónica

Na ligação iónica participam iões de cargas opostas.

Quando átomos de elementos diferentes, um metálico e outro não metálico, contactam, não há partilha de eletrões.

Quando elementos metálicos e não metálicos se combinam, formam uma ligação iónica:

A ligação iónica estabelece-se entre iões positivos e negativos.

• Os iões positivos (catiões) provêm de átomos de elementos que têm grande tendência para perder eletrões — elementos metálicos.
• Os iões negativos (aniões) provêm de átomos de elementos que têm grande tendência para ganhar eletrões — elementos não metálicos.

A ligação iónica estabelece-se entre átomos de metais e de alguns não‑metais, originando substâncias compostas.

• Estabelece-se, geralmente, entre átomos de metais e alguns não metais.
• Formam-se iões positivos e negativos (unidades estruturais).
• Os iões formam redes cristalinas iónicas, originando substâncias iónicas (que são substâncias compostas).

A atração entre iões positivos e negativos chama-se ligação iónica e é responsável pela formação de redes de iões positivos e negativos.

A força atrativa entre iões é bastante intensa e responsável por propriedades físicas das substâncias iónicas, como:

• serem sólidas à temperatura ambiente, com pontos de fusão e ebulição elevados;
• serem más condutoras elétricas enquanto sólidas e boas condutoras quando fundidas ou dissolvidas em água, pois os iões passam a ter grande mobilidade.

A ligação entre os iões positivos metálicos e negativos não metálicos chama-se ligação iónica e origina substâncias formadas por redes de iões: substâncias iónicas.

Nas substâncias iónicas há forças elétricas de atração entre iões com carga de sinal oposto e de repulsão entre iões com carga do mesmo sinal. Contudo, as repulsões são compensadas pelas atrações.

 

 

Ligação metálica

A ligação metálica estabelece-se entre átomos do mesmo metal, formando-se substâncias metálicas.

Os eletrões de valência são pouco atraídos pelos núcleos e, por isso, são partilhados por todos os átomos, constituindo uma nuvem eletrónica que se estende a todo o metal. Dizemos que os eletrões estão por todo o metal denominando-se por eletrões livres.

A ligação que se estabelece entre átomos iguais de um metal denomina-se ligação metálica:

• A estrutura de um metal consiste numa rede de núcleos atómicos rodeados por eletrões livres.
• Os eletrões livres eram os eletrões de valência de cada um dos átomos do metal.
• A ação conjunta dos vários núcleos sobre os eletrões livres mantém os átomos ligados formando um cristal metálico.

A grande liberdade de movimentos dos eletrões livres torna os metais bons condutores térmicos e elétricos.

Na ligação metálica os eletrões de valência são partilhados por todos os átomos.

Estabelece-se entre átomos de metal, formando redes gigantes de átomos.

• Há partilha de eletrões livres (que são os eletrões de valência) por todos os átomos.
• Há atração entre iões positivos e eletrões livres.

Os átomos dos elementos metálicos possuem poucos eletrões de valência. Esses eletrões têm a particularidade de se libertarem, formando um conjunto de eletrões de valência deslocalizados que são partilhados pelos átomos da rede de átomos metálicos.

Rede de átomos metálicos e eletrões deslocalizados

Os metais têm uma estrutura que permite a sua mistura formando ligas metálicas, nas quais podem existir átomos de elementos diferentes.