Química Introdutiva

Em reacções químicas normais, o núcleo de cada átomo (e portanto a identidade do elemento) permanece inalterado. Os electrões, contudo, podem ser adicionados aos átomos por transferência de outros átomos, perdidos por transferência para outros átomos, ou partilhados com outros átomos. A transferência e partilha de electrões entre os átomos governa a química dos elementos. Durante a formação de alguns compostos, os átomos ganham ou perdem elétrons e formam partículas carregadas eletricamente chamadas íons (Figura 1).

Figure 1. (a) Um átomo de sódio (Na) tem igual número de prótons e elétrons (11) e está sem carga. (b) Um cátion de sódio (Na+) perdeu um elétron, então ele tem mais um próton (11) que os elétrons (10), dando-lhe uma carga geral positiva, significada por um sinal mais super-crítico.

Você pode usar a tabela periódica para prever se um átomo irá formar um ânion ou um cátion, e você pode muitas vezes prever a carga do íon resultante. Átomos de muitos metais do grupo principal perdem elétrons suficientes para deixá-los com o mesmo número de elétrons que um átomo do gás nobre precedente. Para ilustrar, um átomo de um metal alcalino (grupo 1) perde um elétron e forma um cátion com uma carga de 1+; um metal alcalino terrestre (grupo 2) perde dois elétrons e forma um cátion com uma carga de 2+, e assim por diante. Por exemplo, um átomo de cálcio neutro, com 20 prótons e 20 elétrons, perde prontamente dois elétrons. Isto resulta em um cátion com 20 prótons, 18 elétrons, e uma carga de 2+. Ele tem o mesmo número de elétrons que os átomos do gás nobre anterior, argônio, e é simbolizado por Ca2+. O nome de um íon metálico é o mesmo que o nome do átomo metálico a partir do qual ele forma, então Ca2+ é chamado de íon cálcio.

Quando átomos de elementos não metálicos formam íons, eles geralmente ganham elétrons suficientes para dar-lhes o mesmo número de elétrons que um átomo do próximo gás nobre na tabela periódica. Os átomos do grupo 17 ganham um elétron e formam ânions com 1 carga; os átomos do grupo 16 ganham dois elétrons e formam íons com 2 cargas, e assim por diante. Por exemplo, o átomo de bromo neutro, com 35 prótons e 35 elétrons, pode ganhar um elétron para fornecê-lo com 36 elétrons. Isto resulta em um ânion com 35 prótons, 36 elétrons, e uma carga de 1. Ele tem o mesmo número de elétrons que os átomos do próximo gás nobre, crípton, e é simbolizado por Br-. (Uma discussão da teoria que sustenta o estado favorável dos números de elétrons de gás nobre refletido nestas regras preditivas para a formação de íons é fornecida em um capítulo posterior deste texto.)

Note a utilidade da tabela periódica na previsão da provável formação de íons e carga (Figura 2). Movendo-se da extrema esquerda para a direita na tabela periódica, os elementos do grupo principal tendem a formar cátions com uma carga igual ao número do grupo. Ou seja, os elementos do grupo 1 formam iões 1+; os elementos do grupo 2 formam iões 2+, e assim por diante. Movendo-se da extrema direita para a esquerda na tabela periódica, elementos muitas vezes formam ânions com uma carga negativa igual ao número de grupos movidos para a esquerda a partir dos gases nobres. Por exemplo, o grupo 17 elementos (um grupo à esquerda dos gases nobres) formam íons 1; o grupo 16 elementos (dois grupos à esquerda) formam íons 2, e assim por diante. Esta tendência pode ser usada como um guia em muitos casos, mas seu valor preditivo diminui ao mover-se em direção ao centro da tabela periódica. Na verdade, os metais de transição e alguns outros metais frequentemente exibem cargas variáveis que não são previsíveis pela sua localização na tabela. Por exemplo, o cobre pode formar íons com uma carga 1+ ou 2+, e o ferro pode formar íons com uma carga 2+ ou 3+.

Figure 2. Alguns elementos apresentam um padrão regular de carga iônica quando formam íons.

A natureza das forças atrativas que mantêm os átomos ou íons juntos dentro de um composto é a base para classificar a ligação química. Quando os elétrons são transferidos e os íons se formam, as ligações iônicas resultam. Ligações iônicas são forças eletrostáticas de atração, ou seja, as forças de atração experimentadas entre objetos de carga elétrica oposta (neste caso, cátions e ânions). Quando os elétrons são “compartilhados” e as moléculas se formam, resultam ligações covalentes. As ligações covalentes são as forças atrativas entre os núcleos de carga positiva dos átomos ligados e um ou mais pares de elétrons que estão localizados entre os átomos. Os compostos são classificados como iônicos ou moleculares (covalentes) com base nas ligações presentes neles.

Compostos iônicos

Quando um elemento composto de átomos que rapidamente perdem elétrons (um metal) reage com um elemento composto de átomos que prontamente ganham elétrons (um não-metal), geralmente ocorre uma transferência de elétrons, produzindo íons. O composto formado por essa transferência é estabilizado pelas atrações eletrostáticas (ligações iônicas) entre os íons de carga oposta presentes no composto. Por exemplo, quando cada átomo de sódio em uma amostra de metal sódico (grupo 1) desiste de um elétron para formar um cátion sódico, Na+, e cada átomo de cloro em uma amostra de gás cloro (grupo 17) aceita um elétron para formar um ânion cloreto, Cl-, o composto resultante, NaCl, é composto de íons sódio e íons cloreto na proporção de um íon Na+ para cada íon Cl-. Da mesma forma, cada átomo de cálcio (grupo 2) pode desistir de dois elétrons e transferir um para cada um dos dois átomos de cloro para formar CaCl2, que é composto de Ca2+ e íons Cl- na razão de um íon Ca2+ para dois íons Cl-.

Um composto que contém íons e é mantido junto por ligações iônicas é chamado de composto iônico. A tabela periódica pode nos ajudar a reconhecer muitos dos compostos que são iônicos: Quando um metal é combinado com um ou mais não-metálicos, o composto é normalmente iónico. Esta diretriz funciona bem para prever a formação de compostos iônicos para a maioria dos compostos tipicamente encontrados em um curso de química introdutória. No entanto, nem sempre é verdade (por exemplo, cloreto de alumínio, AlCl3, não é iônico).

Você pode frequentemente reconhecer compostos iônicos por causa de suas propriedades. Os compostos iônicos são sólidos que normalmente derretem a altas temperaturas e ferver a temperaturas ainda mais altas. Por exemplo, o cloreto de sódio derrete a 801 °C e fervura a 1413 °C. (Como comparação, a água do composto molecular derrete a 0 °C e ferve a 100 °C). Na forma sólida, um composto iônico não é condutor de eletricidade porque seus íons são incapazes de fluir (“eletricidade” é o fluxo de partículas carregadas). Quando fundido, porém, ele pode conduzir eletricidade porque seus íons são capazes de se mover livremente através do líquido (Figura 3).

Figure 3. O cloreto de sódio derrete a 801 °C e conduz electricidade quando derretido. (crédito: modificação do trabalho por Mark Blaser e Matt Evans)

Compostos Moleculares

Muitos compostos não contêm iões mas consistem apenas em moléculas discretas e neutras. Estes compostos moleculares (compostos covalentes) resultam quando os átomos compartilham, ao invés de transferir (ganhar ou perder), elétrons. A ligação covalente é um conceito importante e extenso em química, e será tratado em detalhes consideráveis em um capítulo posterior deste texto. Muitas vezes podemos identificar compostos moleculares com base nas suas propriedades físicas. Em condições normais, os compostos moleculares muitas vezes existem como gases, líquidos com baixo ponto de fusão e sólidos com baixo ponto de fusão, embora existam muitas exceções importantes.

Quando compostos iônicos são geralmente formados quando um metal e um não-metal se combinam, compostos covalentes são geralmente formados por uma combinação de não-metálicos. Assim, a tabela periódica pode nos ajudar a reconhecer muitos dos compostos que são covalentes. Embora possamos usar as posições dos elementos de um composto na tabela periódica para prever se ele é iônico ou covalente neste ponto do nosso estudo de química, você deve estar ciente de que esta é uma abordagem muito simplista que não leva em conta uma série de exceções interessantes. Existem sombras de cinza entre compostos iônicos e moleculares, e você aprenderá mais sobre isso mais tarde.

Glossary

Ligaçãocovalente: força atrativa entre os núcleos dos átomos de uma molécula e pares de elétrons entre os átomos

compostocovalente: (também, composto molecular) composto de moléculas formadas por átomos de dois ou mais elementos diferentes

ligação iônica: forças eletrostáticas de atração entre os íons de carga oposta de um composto iônico

composto iônico: composto composto composto de cátions e ânions combinados em proporções, produzindo uma substância eletricamente neutra

composto molecular: (também, composto covalente) composto de moléculas formadas por átomos de dois ou mais elementos diferentes

íon-monatômico: íon composto de um único átomo