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Estrutura molecular
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
- O que ligao qumica?
- Define as propriedades das substncias.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
- Ligao qumica: a fora atrativa que mantm dois ou mais
tomos unidos.
- Trs tipos de ligao qumica:
1) Ligao inica: foras eletrostticas entre ons de cargas de
sinais contrrios.
Resulta da transferncia de um ou mais eltrons de um tomo
para outro.
Geralmente de um metal para um no-metal.
3
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
2) Ligao covalente: resulta do compartilhamento de eltrons
entre dois tomos. Normalmente encontrada entre
elementos no-metlicos.
3) Ligao metlica: a fora atrativa que mantm metais puros
unidos como ferro, cobre, etc.
Cada tomo est ligado a vrios tomos vizinhos.
Os eltrons ligantes esto relativamente livres para mover-se
pela estrutura tridimensional do metal.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Smbolos de Lewis
- Os eltrons envolvidos em ligaes qumicas so os eltrons
de valncia, os eltrons localizados no nvel incompleto mais
externo de um tomo.
- Representamos os eltrons como pontos ao redor do smbolo
do elemento.
- Esses smbolos so chamados smbolos de Lewis.
- Geralmente colocamos os eltrons nos quatro lados de um
quadrado ao redor do smbolo do elemento.
- O nmero de eltrons disponveis para a ligao indicado
por pontos desemparelhados. 5
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Smbolos de Lewis
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
A regra do octeto
- Todos os gases nobres, com exceo do He, tm uma
configurao s2p6.
- A regra do octeto: os tomos tendem a ganhar, perder ou
compartilhar eltrons at que eles estejam rodeados por 8
eltrons de valncia (4 pares de eltrons).
- Cuidado: Existem vrias excees regra do octeto.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Ligao inica
- Considere a reao entre o sdio e o cloro:
Na(s) + Cl2(g) NaCl(s) Hf = -410,9 kJ
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Ligao inica
- O Na perdeu um eltron para se transformar em Na+ e o cloro
ganhou o eltron para se transformar em Cl.
- O Na+ tem a configurao eletrnica do Ne
- e o Cl tem a configurao do Ar.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Ligao inica
- O NaCl forma uma estrutura muito regular na qual cada on
Na+ circundado por 6 ons Cl.
- Similarmente, cada on Cl circundado por seis ons Na+.
- H um arranjo regular de Na+ e Cl em 3D.
- Os ons so empacotados o mais prximo possvel.
- Observe que no fcil encontrar uma frmula molecular
para descrever a rede inica.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Energias envolvidas na formao da ligao inica
- A formao de Na+(g) e Cl(g) a partir de Na(g) e Cl(g)
endotrmica.
- A reao NaCl(s) Na+(g) + Cl(g) endotrmica (H = +788
kJ/mol).
- A formao de uma rede cristalina a partir dos ons na fase
gasosa exotrmica:
Na+(g) + Cl(g) NaCl(s) H = 788 kJ/mol
11
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Energias envolvidas na formao da ligao inica
- Energia de rede: a energia necessria para separar
completamente um mol de um composto slido inico em
ons gasosos.
- A energia de rede depende das cargas nos ons e dos
tamanhos dos ons:
uma constante (8,99 x 109 J m/C2), Q1 e Q2 so as cargas nas
partculas e d a distncia entre seus centros.12
d
QQEl
21=
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Energias envolvidas na formao da ligao inica
- A energia de rede aumenta medida que:
- As cargas nos ons aumentam
- A distncia entre os ons diminui
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d
QQEl
21=
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Energias envolvidas na formao da ligao inica
Ex: Ordene os seguintes compostos inicos em ordem crescente
de energia de rede: NaF, CsI e CaO.
R: CsI < NaF < CaO
15
d
QQEl
21=
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Configuraes eletrnicas de ons dos elementos representativos
- So derivados da configurao eletrnica dos elementos com
o nmero necessrio de eltrons adicionados ou removidos
do orbital mais acessvel.
- As configuraes eletrnicas podem prever a formao de on
estvel:
- Mg: [Ne]3s2
- Mg+: [Ne]3s1 no estvel
- Mg2+: [Ne] estvel
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Configuraes eletrnicas de ons dos elementos representativos
- Cl: [Ne]3s23p5
- Cl-: [Ne]3s23p6 = [Ar] estvel
- Na2+ formado???
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Energias envolvidas na formao da ligao inica
Ex: Determine o on normalmente formado para os seguintes
tomos:
a) Sr
b) S
c) Al
R:
a) Sr2+; b) S2-; c) Al3+18
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
ons poliatmicos
- Os ons poliatmicos so formados quando h uma carga
global em um composto contendo ligaes covalentes. Por
exemplo: SO42-, NO3
-.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Ligao covalente
- Quando dois tomos similares se ligam, nenhum deles quer
perder ou ganhar um eltron para formar um octeto.
- Quando tomos similares se ligam, eles compartilham pares
de eltrons para que cada um atinja o octeto.
- Cada par de eltrons compartilhado constitui uma ligao
qumica.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Estruturas de Lewis
- As ligaes covalentes podem ser representadas pelos
smbolos de Lewis dos elementos:
- Nas estruturas de Lewis, cada par de eltrons em uma ligao
representado por uma nica linha:
21
Cl + Cl Cl Cl
Cl Cl H FH O
H
H N H
HCH
H
H
H
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Ligaes mltiplas
- possvel que mais de um par de eltrons seja compartilhado
entre dois tomos (ligaes mltiplas):
- Um par de eltrons compartilhado = ligao simples (H2);
- Dois pares de eltrons compartilhados = ligao dupla (O2);
- Trs pares de eltrons compartilhados = ligao tripla (N2).
- Em geral, a distncia entre os tomos ligados diminui
medida que o nmero de pares de eltrons compartilhados
aumenta. 22
H H O O N N
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Polaridade da ligao
- O compartilhamento de eltrons para formar uma ligao
covalente no significa compartilhamento igual daqueles
eltrons.
- 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.
23
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Eletronegatividade
- Definio: a habilidade de um tomo de atrair eltrons para
si em certa molcula.
- Pauling estabeleceu as eletronegatividades em uma escala de
0,7 (Cs) a 4,0 (F).
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Eletronegatividade
- A eletronegatividade aumenta:
- ao logo de um perodo e
- ao descermos em um grupo
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Eletronegatividade e polaridade de ligao
- A diferena na eletronegatividade entre dois tomos uma
medida da polaridade de ligao:
- as diferenas de eletronegatividade prximas a 0, ligaes
covalentes apolares;
- as diferenas de eletronegatividade prximas a 2, ligaes
covalentes polares;
- as diferenas de eletronegatividade prximas a 3, ligaes
inicas .
27
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Eletronegatividade e polaridade de ligao
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Composto F2 HF LiF
eletronegatividade 4,0 4,0 = 0 4,0 2,1 = 1,9 4,0 1,0 = 3,0
Tipo de ligao Covalente apolar
Covalentepolar
Inica
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Eletronegatividade e polaridade de ligao
- A extremidade positiva (ou polo) em uma ligao polar
representada por + e o polo negativo por -.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Momentos de dipolo
- Exemplo do HF:
- Ligao polar.
- H mais densidade eletrnica no F do que no H.
- Uma vez que h duas extremidades diferentes da
molcula, chamamos o HF de um dipolo.
- O momento de dipolo, , a ordem de grandeza do dipolo:
onde Q a grandeza das cargas, r a distncia
- Os momentos de dipolo so medidos em debyes (D).30
Qr=
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Desenhando estruturas de Lewis
1) Some os eltrons de valncia de todos os tomos.
2) Escreva os smbolos para os tomos a fim de mostrar quais
tomos esto ligados entre si e una-os com uma ligao
simples.
3) Complete o octeto dos tomos ligados ao tomo central.
4) Coloque os eltrons que sobrarem no tomo central.
5) Se no existem eltrons suficientes para dar ao tomo
central um octeto, tente ligaes mltiplas.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Desenhando estruturas de Lewis
- Ex: Desenhe a estrutura de Lewis para os compostos:
a) PCl3, tricloreto de fsforo
b) CH2Cl2, dicloro metano
c) HCN, cido ciandrico
33
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Carga formal
- possvel desenhar mais de uma estrutura de Lewis
obedecendo-se a regra do octeto para todos os tomos.
- Para determinar qual estrutura mais razovel, usamos a
carga formal.
- A carga formal a carga que um tomo teria em uma
molcula se todos os outros tomos tivessem a mesma
eletronegatividade.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Carga formal
- Como calcular a carga formal:
- Todos os eltrons no compartilhados (no-ligantes) so
atribudos ao tomo no qual esto localizados.
- Metade dos eltrons ligantes atribuda a cada tomo em
uma ligao.
- A carga formal = os eltrons de valncia o nmero de
ligaes os eltrons de um nico par
35
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Carga formal
- Exemplo:
- Para o C:
- Existem 4 eltrons de valncia.
- Na estrutura de Lewis, existem 2 eltrons no-ligantes e 3
da ligao tripla. H 5 eltrons pela estrutura de Lewis.
- Carga formal: 4 - 5 = -1.
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C N
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Carga formal
- Exemplo:
- Para o N:
- Existem 5 eltrons de valncia.
- Na estrutura de Lewis, existem 2 eltrons no-ligantes e 3
da ligao tripla. H 5 eltrons pela estrutura de Lewis.
- Carga formal = 5 - 5 = 0.
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C N
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Carga formal
- Exemplo CO2:
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Carga formal
- A estrutura mais estvel tem:
1. A carga formal mais baixa em cada tomo,
2. A carga formal mais negativa nos tomos mais
eletronegativos.
39
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Estruturas de ressonncia
- Algumas molculas no so bem representadas pelas
estruturas de Lewis.
- Normalmente, as estruturas com ligaes mltiplas podem ter
estruturas similares s ligaes mltiplas entre diferentes
pares de tomos.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Estruturas de ressonncia
- Exemplo: O3
- O oznio tem duas ligaes idnticas, ao passo que a
estrutura de Lewis requer uma simples (mais longa) e uma
ligao dupla (mais curta).
41
O
OO
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Estruturas de ressonncia
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Estruturas de ressonncia
- As estruturas de ressonncia so tentativas de representar
uma estrutura real, que uma mistura entre vrias
possibilidades extremas.
43
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Estruturas de ressonncia
- No oznio, as possibilidades extremas tm uma ligao dupla
e uma simples. A estrutura de ressonncia tem duas ligaes
idnticas de carter intermedirio.
- Exemplos comuns: O3, NO3-, SO4
2-, NO2 e benzeno.
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O
OO
O
OO
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Ressonncia do benzeno
- O benzeno possui seis tomos de carbono em um anel
hexagonal.
- Cada tomo de C est ligado a dois outros tomos de C e um
tomo de hidrognio.
- Existem ligaes simples e duplas alternadas entre os tomos
de C.
45
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Ressonncia do benzeno
- A estrutura experimental do benzeno mostra que todas as
ligaes C-C tm o mesmo comprimento.
- Da mesma forma, sua estrutura mostra que o benzeno
plano.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Ressonncia do benzeno
- Escrevemos as estruturas de ressonncia para o benzeno de
tal forma que haja ligaes simples entre cada par de tomos
de C e os seis eltrons adicionais estejam deslocalizados por
todo o anel:
47
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Excees regra do octeto
- Existem trs classes de excees regra do octeto:
- molculas com nmero mpar de eltrons;
- molculas nas quais um tomo tem menos de um octeto,
ou seja, molculas deficientes em eltrons;
- molculas nas quais um tomo tem mais do que um
octeto, ou seja, molculas com expanso de octeto.
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Nmero impar de eltrons
- Poucos exemplos, geralmente, molculas como ClO2, NO e
NO2 tm um nmero mpar de eltrons.
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N O N O
2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Deficincia de eltrons
- As molculas com menos de um octeto so tpicas para
compostos dos Grupos 1A, 2A, e 3A.
- O exemplo o BF3.
- As estruturas de Lewis nas quais existe uma ligao dupla
BF so menos importantes que aquela na qual existe
deficincia de eltrons.50
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2.1 - Ligao Qumica - Conceitos Gerais
Expanso do octeto
- 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 suficiente
em energia para participarem de ligaes e receberem a
densidade eletrnica extra.
51
2.2 - Ligao Covalente
Foras das ligaes covalentes
- 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
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2.2 - Ligao Covalente
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2.2 - Ligao Covalente
Entalpias de ligao e entalpias de reao
- Podemos usar as entalpias de ligao para calcularmos a
entalpia para uma reao qumica.
- 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.
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2.2 - Ligao Covalente
Entalpias de ligao e entalpias de reao
- Exemplo: A reao entre o metano, CH4, e o cloro:
CH4(g) + Cl2(g) CH3Cl(g) + HCl(g) Hrxn = ?
55
2.2 - Ligao Covalente
Entalpias de ligao e entalpias de reao
- A reao como um todo exotrmica, o que significa que as
ligaes formadas so mais fortes do que as ligaes
quebradas.
56
( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]{ }
kJ 104
Cl-HCl-CCl-ClH-C
=
++= DDDDHrxn
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2.2 - Ligao Covalente
Entalpias de ligao e comprimento de ligao
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2.2 - Ligao Covalente
Entalpias de ligao e comprimento de ligao
- Ligaes mltiplas so mais curtas do que as ligaes simples.
- Ligaes mltiplas so mais fortes do que as ligaes simples.
- Quando o nmero de ligaes entre os tomos aumenta, os
tomos so mantidos mais prximos e mais firmemente
unidos.
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2.2 - Ligao Covalente
Formas espaciais moleculares
- As estruturas de Lewis fornecem a conectividade atmica,
elas nos mostram o nmero e os tipos de ligaes entre os
tomos.
- No entanto, no mostram sua forma espacial.
- A forma espacial de uma molcula determinada por seus
ngulos de ligao.
- A forma, o tamanho e a polaridade de uma molcula
determinam suas propriedades.
59
2.2 - Ligao Covalente
Formas espaciais moleculares
- Considere o CCl4:
60
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2.2 - Ligao Covalente
Formas espaciais moleculares
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2.2 - Ligao Covalente
Formas espaciais moleculares
- Para prevermos a forma molecular, supomos que os eltrons
de valncia se repelem e, consequentemente, a molcula
assume qualquer geometria 3D que minimize essa repulso.
- Denominamos este processo de teoria de Repulso do Par de
Eltrons no Nvel de Valncia (RPENV).
- Existem formas simples para as molculas AB2 e AB3.
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2.2 - Ligao Covalente
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2.2 - Ligao Covalente
Formas espaciais moleculares
- Existem cinco geometrias fundamentais para a forma
molecular:
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2.2 - Ligao Covalente
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2.2 - Ligao Covalente
Formas espaciais moleculares
- Ao considerarmos a geometria ao redor do tomo central,
consideramos todos os eltrons (pares isolados e pares
ligantes).
- Quando damos nome geometria molecular, focalizamos
somente na posio dos tomos.
66
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2.2 - Ligao Covalente
Modelo RPENV
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2.2 - Ligao Covalente
Modelo RPENV
- Para se determinar a forma de uma molcula, fazemos a
distino entre pares de eltrons isolados e pares ligantes.
- Definimos o arranjo eletrnico pelas posies no espao 3D
de todos os pares de eltrons (ligantes ou no ligantes).
- Os eltrons assumem um arranjo no espao para minimizar a
repulso e- e.
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2.2 - Ligao Covalente
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2.2 - Ligao Covalente
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2.2 - Ligao Covalente
Modelo RPENV
- Para determinar o arranjo:
1) Desenhe a estrutura de Lewis;
2) conte o nmero total de pares de eltrons ao redor do
tomo central;
3) ordene os pares de eltrons em uma das geometrias para
minimizar a repulso dos eltrons e conte as ligaes
mltiplas como um par de ligao.
71
2.2 - Ligao Covalente
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2.2 - Ligao Covalente
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2.2 - Ligao Covalente
O efeito dos eltrons no-ligantes e ligaes mltiplas nos ngulos de ligao
- Todos os tomos que obedecem a regra do octeto tm
arranjos tetradricos.
- Os ngulos de ligao diminuem quando o nmero de pares
de eltrons no-ligantes aumenta.74
104.5O
107O
NH
HH
C
H
HHH
109.5O
OHH
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2.2 - Ligao Covalente
O efeito dos eltrons no-ligantes e ligaes mltiplas nos ngulos de ligao
75
2.2 - Ligao Covalente
O efeito dos eltrons no-ligantes e ligaes mltiplas nos ngulos de ligao
- Da mesma forma, os eltrons nas ligaes mltiplas tem
maior densidade eletrnica que os eltrons nas ligaes
simples.
76
C O
Cl
Cl
111.4o
124.3o
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2.2 - Ligao Covalente
Molculas com nveis de valncia expandidos
- Os tomos que tm expanso de octeto tm arranjos AB5 (de
bipirmide trigonal) ou AB6 (octadricos).
77
78
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40
79
2.2 - Ligao Covalente
Formas espaciais de molculas maiores
- No cido actico, CH3COOH, existem trs tomos centrais.
- Atribumos a geometria ao redor de cada tomo central
separadamente.
80
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2.2 - Ligao Covalente
Forma molecular e polaridade molecular
- Quando existe uma diferena de eletronegatividade entre
dois tomos, a ligao entre eles polar.
81
2.2 - Ligao Covalente
Forma molecular e polaridade molecular
- Ex: a gua
82
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42
2.2 - Ligao Covalente
Forma molecular e polaridade molecular
83
2.2 - Ligao Covalente
Forma molecular e polaridade molecular
- A polaridade como um todo de uma molcula depende de sua
geometria molecular.
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