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Teoria Eletrônica de Valência
Prof. Fernando R. Xavier
UDESC 2013
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Por quê os elementos químicos tendem a agrupar-se de formas
específicas formando variados compostos?
Ligações Químicas
N2O4
NaCl
CuSO4
K2Cr2O7
Mg
C
H2O
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A busca pela
estabilidade energética...
Ligações Químicas
• Gases Nobres
- Mais elevados potenciais de ionização;
- Nenhuma afinidade eletrônica;
- Nenhuma eletronegatividade;
- Nenhuma eletropositividade;
Átomos estáveis
(Inércia química)
Não formam
ligações químicas
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Ligações Químicas
Os gases nobres: Possuem camadas eletrônicas completamente
preenchidas - ns2np6
Os gases nobres sob
corrente elétrica
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Ligações Químicas
• Regra do Octeto (Lewis – 1916)
Sugerida após o estudo das configuração eletrônicas e reatividade dos
gases nobres.
“Átomos ligam ligam-se entre si, cedendo, recebendo ou
compartilhando elétrons, na tentativa de adquirir uma
configuração eletrônica estável como a de um gás nobre: 8
e- na camada de valência ou 2 e-, se esta for a K.”
Porém...
- Serve apenas como guia;
- Funciona para um grupo restrito de compostos;
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Ligações Químicas
• Classificação das ligações químicas
Iônica
Covalente
Coordenada
ou dativa
Metálica
N2O4 NaCl
CuSO4 K2Cr2O7
Mg
C
H2O
X X
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Ligações Químicas
• Classificação das ligações químicas
N2O4 NaCl
CuSO4 K2Cr2O7
Mg
C
H2O
Iônica Covalente
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Ligações Químicas
• Ligação Iônica
“Interações puramente eletrostáticas entre íons de cargas
opostas (cátions e ânions).”
- Ocorrem geralmente entre metais e não metais;
- Característica dos elementos representativos;
Metais (eletropositivos)
Formam cátions!
Não-metais (eletronegativos)
Formam ânions!
Transferência de elétrons...
Cátions + ânions = compostos iônicos
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Ligações Químicas
• Ligação Iônica
Exemplo 1: Formação do NaCl
11Na – 1s2 2s2 2p6 3s1 17Cl – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
Camadas de valência
incompletas! 3s1 3p5
11Na+ – 1s2 2s2 2p6 17Cl- – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
2s2 2p6
10Ne
3p6 3s2
18Ar NaCl
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Ligações Químicas
• Ligação Iônica
Exemplo 2: Formação do MgCl2
12Mg – 1s2 2s2 2p6 3s2 17Cl – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
Camada de valência
completa
Camada de valência
incompleta 3s2
3p5
3p5
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Ligações Químicas
• Ligação Iônica
Exemplo 2: Formação do MgCl2
12Mg2+ – 1s2 2s2 2p6 17Cl- – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
10Ne
2s2 2p6
18Ar
3p6 3s2
3p6 3s2
MgCl2
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Ligações Químicas
• Arranjo Cristalino
- Temos um número grande de íons agrupados alternadamente;
- A forma geométrica dessa organização é dita arranjo cristalino;
Exemplo 1: Estrutura cristalina NaCl
- Arranjo cúbico;
- Número de coordenação: 6 (Na+) e 6 (Cl-);
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Ligações Químicas
• Arranjo Cristalino
Exemplo 2: Estrutura cristalina MgCl2
- Arranjo romboédrico;
- Número de coordenação: 6 (Mg2+) e 3 (Cl-);
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Ligações Químicas
• Estrutura Cristalina – como encontrá-la?!
- Técnica de difração de raios X em monocristal;
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Ligações Químicas
• Estrutura Cristalina – como encontrá-la?!
- Difratômetro de raios X
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Ligações Químicas
• Estrutura Cristalina
- Técnica de difração de raios X em monocristal;
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Ligações Químicas
• Íon-Fórmula
É fórmula de um composto iônico. Obedece as seguintes diretrizes:
- Símbolo do cátion deve ser escrito na frente do símbolo do ânion;
- A soma das cargas do cátion e do ânion deve ser igual a zero;
- Deve mostrar a menor proporção (cátion-ânion), em números inteiros;
- Esses números são ditos índices e são subscritos a direita do elemento;
NaCl MgCl2
Exemplos
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Ligações Químicas
• Fórmula eletrônica ou de Lewis
Representa os elétrons da camada de valência dos átomos.
Exemplos:
Na + Cl Na+ Cl -
Mg + Cl 2 Mg2+ Cl -
2
Observações:
- A fórmula indica apenas a menor proporção;
- A soma das cargas do cátion e do ânion deve ser igual a zero;
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Ligações Químicas
• Fórmula eletrônica ou de Lewis
O hidrogênio também faz ligações iônicas com metais.
1H – 1s1
Mg
H Mg2+
-
2 H
H
12Mg2+ – 1s2 2s2 2p6
10Ne
1H- – 1s2
2He
Perde 2 e- Ganha 2 e-
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Ligações Químicas
• Fórmula eletrônica ou de Lewis
E quando temos 4 e- na camada de valência? (Grupo 14)
C – 2º período (duas camadas eletrônicas);
Si – 3º período (três camadas eletrônicas);
Ge – 4º período (quatro camadas eletrônicas);
Sn – 5º período (cinco camadas eletrônicas);
Pb – 6º período (seis camadas eletrônicas);
Au
men
to d
o
raio
iô
nic
o
Maior efeito de
blindagem Menor a Zef
Maior tendência
de doar e-
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Ligações Químicas
• Ligações químicas iônicas entre metais
Alta
eletropositivade Doam elétrons Formam cátions
Ocorre a liberação parcial dos elétrons de suas camadas de valência e
forma-se então íons postivos (cátions).
Ligações iônicas
(M+A-)
e- localizados (ânions)
Ligações iônicas
(M+)
e- deslocalizados
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Ligações Químicas
• Ligações químicas entre metais
Arranjos Cristalinos
- Cúbico de corpo centrado;
- Número de coordenação: 8;
Ex.: Li , Na, K, Rb, Cs, Ba
- Cúbico de face centrada;
- Número de coordenação: 12;
Ex.: Ca, Sr
- Hexagonal;
- Número de coordenação: 12;
Ex.: Be, Mg
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Ligações Químicas
• Ligações químicas entre metais
Condutividade elétrica
Pode ser explicada pela teoria das bandas eletrônicas, ou seja, os
elétrons podem movimentar-se livremente dentro de sua estrutura
cristalina devido à fusão de seus orbitais atômicos mais externos e semi-
preenchidos (bandas de condução).
Exemplo: Na
11Na – 1s2 2s2 2p6 3s1 11Na+ – 1s2 2s2 2p6 3s0 Fusão
... ...
3s
3s
Na+ Na+ Na+ Na+ Na+
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Ligações Químicas
• Ligações químicas entre metais
Se o elemento possui seus orbitais mais externos totalmente preenchidos
não há formação de bandas de condução e o material é dito isolante.
Problema: Mg – bom condutor elétrico
12Mg – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p0
3s2 3p0
3s + 3p
... ... Mg2+ Mg2+ Mg2+ Mg2+
A fusão de orbitais é admitida quando estes
possuem 2 ou 3 e- de valência.
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Ligações Químicas
• Os semi-condutores
O Si e o Ge são semi-metais, possuindo 4 elétrons na camada de
valência e comportam-se como isolantes.
Processo de dopagem Semi-condutores
Aplicação: Produção de componentes eletrônicos (chips e processadores)
Os chips são eficientes e rápidos
porque a corrente elétrica precisa
percorrer pequenas distâncias em seu
interior.
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Ligações Químicas
• Os semi-condutores
Processa a 22 nm
4 núcleos de 3,7 GHz
i7-3770T
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente
“Baseia-se em um compartilhamento de 1 ou mais pares eletrônicos
entre dois átomos, em vista de adquirirem estabilidade.”
Ocorrem quando a diferença de eletronegatividade entre os átomos
não é muito acentuada (ametais–ametais, ametais-hidrogênio e H–H.
Ligações covalentes Formação de moléculas
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de H2
1H – 1s1 1H – 1s1 +
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de H2 – Funções de onda
YA YB
YA - YB
|YA - YB|2
YA YB
YA + YB
|YA + YB|2
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de H2 – Orbitais moleculares
Calcular a ordem de ligação do H2 e do He2 ...
xs-s
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de H2 - Representações
Fórmula eletrônica de Lewis
H H H + H ou H H
Fórmula estrutural
H H
Fórmula molecular
H2
Polaridade
Não há diferença de eletronegatividade Ligação apolar
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de HCl
1H – 1s1 17Cl – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
px py pz
x
y
z
+
x
y
z
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de HCl - Representações
Fórmula eletrônica de Lewis
Fórmula estrutural
H Cl
Fórmula molecular
HCl
Polaridade
Há diferença de eletronegatividade Ligação polar
H + H Cl Cl H ou Cl
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de N2
px py pz
7N – 1s2 2s2 2p3 7N – 1s2 2s2 2p3
px py pz
x
y
z
x
y
z
+
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de N2
x
z
x
y
z
p-p
x
z
x
y
z
p-p
p
p
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente
A molécula de N2 - Representações
Fórmula eletrônica de Lewis
Polaridade
N + N ou N N N N
Fórmula estrutural
N N
Fórmula molecular
N2
Não há diferença de eletronegatividade Ligação apolar
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente – Conclusões
Sejam dois átomos A e B, quaisquer, iguais ou diferentes.
Se os átomos fizerem uma única ligação entre eles, a
ligação será do tipo sigma (). A B
Se os átomos fizerem duas ligações entre eles,
teremos uma ligação será do tipo sigma () e outra
do tipo pi (p)..
A B
p
Se os átomos fizerem três ligações entre eles,
teremos uma ligação será do tipo sigma () e duas
do tipo pi (p)..
A B
p
p
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente – Casos especiais
A falha da regra do octeto
Existem casos em que a regra do octeto não se aplica, pois outros
fenômenos estão envolvidos na distribuição eletrônica das camadas
de valência.
Expansão da camada de valência
Exemplos de átomos que sofrem este fenômeno:
N e P com 5 e- na camada de valência;
O e S com 6 e- na camada de valência;
F, Cl, Br e I com 7 e- na camada de valência;
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Ligações Químicas
• Ligação Covalente – Casos especiais
Exemplos de moléculas:
P O
O
O
O
H
H
H
S
OO
O
O
H
H
Cl
O
OO
OH
15P – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
16S - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
17Cl – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
3p 3d 3s