Ligações químicas

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Ligações químicas
Para compreender as propriedades dos materiais, precisamos conhecer as forças interatômicas que unem os átomos entre si.
A grandes distâncias, as interações entre átomos são desprezíveis, porém, na medida em que os átomos se aproximam, cada um exerce forças sobre o outro.
Essas forças atrativas dependem do tipo específico de ligação e as forças repulsivas são devido à sobreposição das camadas eletrônicas mais externas dos átomos envolvidos.
Quando os átomos assumem uma distância de separação ideal, as forças de atração (FA) e repulsão (FR) se igualam e não existe qualquer força resultante. Assim, assume-se um estado de equilíbrio onde os átomos estão separados por uma distância r0. Uma vez na situação de equilíbrio, as forças repulsivas irão contrabalancear qualquer tentativa de aproximação dos átomos e forças atrativas irão contrabalancear qualquer tentativa de separação destes.
Agora, ao invés de tratar de força, vamos trabalhar com energias potenciais entre dois átomos. O gráfico a seguir mostra as energias potenciais atrativas, repulsivas e total em função da separação interatômica para dois átomos.
A curva para a energia resultante é igual à soma das outras duas, apresentando um poço de energia potencial ao redor do seu mínimo em r0. A energia de ligação, E0, corresponde à energia potencial no ponto de mínimo em r0 e representa a energia necessária para afastar dois átomos até uma distância infinita.
A magnitude da energia de ligação e a forma da curva de energia potencial em função da separação interatômica variam de material para material e dependem do tipo de ligação química.
Além disso, inúmeras propriedades dependem de E0, do formato da curva e do tipo de ligação. Geralmente, materiais com energias de ligação altas também possuem elevadas temperaturas de fusão. Um poço íngreme de energia potencial também pode indicar um material com módulo de elasticidade alto. A assimetria da curva pode estar associada à maiores coeficientes de dilatação térmica, etc.
Três tipos de ligações químicas primárias são encontradas nos sólidos: ligação iônica, covalente e metálica. Em todos os tipos de ligação há a tendência dos átomos em adquirir estruturas eletrônicas estáveis pelo preenchimento completo da camada eletrônica mais externa.
Ligação iônica:
- Consiste na ligação entre átomos com eletronegatividade distinta, como elementos metálicos e não metálicos de diferentes extremidades da tabela periódica. Os metais, por exemplo, perdem com facilidade seus elétrons para os não-metais. Nesse processo, todos os átomos adquirem configurações eletrônicas estáveis e, além disso, uma carga elétrica.
Ex: NaCl Na+ Cl-
A ligação iônica é não direcional, isto é, a magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor do íon. Sendo assim, para que um arranjo tridimensional se mantenha estável, todos os íons positivos devem ter como vizinhos íons carregados negativamente e vice versa.
As energias de ligação iônica variam de 600 a 1500 kJ/mol. Esses valores são relativamente altos, o que se refletem em temperaturas de fusão elevadas. Além disso, matérias iônicos são caracteristicamente duros e frágeis e, além disso, isolantes elétricos e térmicos.
Ligação covalente: 
- Na ligação covalente, configurações eletrônicas estáveis são adquiridas por meio do compartilhamento de elétrons entre os átomos. Neste tipo de ligação, os elétrons compartilhados podem ser considerados pertencentes à ambos os átomos.
Ex: Metano CH4
A ligação covalente é direcional, isto é, ela ocorre entre átomos específicos e pode existir apenas na direção entre um átomo e o outro que participa do compartilhamento de elétrons.
Esse tipo de ligação é encontrado em sólidos elementares como o diamante e o grafite (carbono), o silício e o germânio.
As ligações covalentes podem ser muito fortes, como no caso do diamante, que é muito duro e tam temperatura de fusão muito elevada (>3550 °C), ou elas podem ser muito fracas, como acontece com o bismuto, que se funde a aproximadamente 270 °C.
É possível a existência de ligações que sejam parcialmente iônicas e parcialmente covalentes. Na prática, poucos compostos apresentam ligações exclusivamente iônicas ou covalentes. O grau de cada tipo de ligação depende das posições relativas dos seus átomos constituintes na tabela periódica ou da diferença de suas eletronegatividades.
Ligação metálica: 
Na tabela periódica, a grande maioria dos elementos possui caráter metálico predominante. Os materiais metálicos podem ser formados por apenas um elemento químico metálico, mas são frequentemente formados pela combinação em solução sólida de elementos metálicos, ou seja, ligas. 
Os elementos químicos metálicos possuem 1, 2 ou 3 elétrons de valência e, por isso, tendem a formar íons positivos. No modelo proposto para as ligações metálicas, os elétrons de valência não estão ligados a nenhum átomo particular, formando uma “nuvem de elétrons” em que os elétrons pertencem ao metal como um todo.
Na prática, a “nuvem de elétrons” atua como uma proteção às forças eletrostáticas repulsivas entre estes núcleos iônicos, atuando como uma “cola” que mantém a estrutura íntegra e atribuindo um caráter não direcional à ligação metálica.
As ligações metálicas podem ser fortes ou fracas. Desde 68 kJ/mol para o mercúrio (Hg) até 850 kJ/mol para o tungstênio (W). Isso tem influência direta na temperatura de fusão desses metais.
Tm Hg = -39 °C				Tm W = 3410 °C
Alguns comportamentos dos metais podem ser justificados pelo modelo proposto para as ligações metálicas. Devido aos elétrons livres, pode-se justificar a boa condutividade elétrica e térmica dos metais. Materiais iônicos e covalentes são, normalmente, isolantes elétricos e térmicos, devido à ausência desses elétrons livres.
- O comportamento dúctil dos metais pode também ser associado às características da ligação metálica, visto que esta, por si só, não dificulta a movimentação de discordâncias, como é o caso da ligação iônica, por exemplo.
Ligações secundárias:
Além das ditas ligações primárias, temos as ligações secundárias, que são ligações tipicamente fracas, da ordem de 10 kJ/mol. Normalmente, as ligações secundárias ficam em segundo plano quando existem ligações primárias, contudo, estas são extremamente importantes em materiais que possuem estruturas moleculares ligadas covalentemente.
As ligações secundárias se originam a partir de dipolos elétricos, onde há uma atração entre as extremidades de um dipolo positivo e de outro dipolo negativo. As ligações secundárias são divididas em:
Ligações entre dipolos induzidos flutuantes:
Devido aos movimentos constantes de vibração das moléculas, é possível que distorções de curta duração na simetria elétrica ocorram, formando dipolos elétricos flutuantes ao longo do tempo. Isso é especialmente aplicável à moléculas apolares, visto que estas não apresentam dipolos permanentes.
Esses dipolos flutuantes, por consequência, podem produzir um deslocamento na distribuição eletrônica da molécula adjacente, induzindo-a a também formar um dipolo e, por consequência, forças atrativas entre elas.
Essas forças podem existir entre um grande número de átomos e moléculas e são temporárias, mantendo-se enquanto durar a assimetria da distribuição dos elétrons.
Esse tipo de ligação secundária é comum quando há a liquefação de gases inertes e outras moléculas eletricamente neutras e simétricas (H2 e Cl2, por exemplo). Por ser a energia de ligação com os valores mais baixos, os pontos de fusão e ebulição são extremamente baixos para essas moléculas.
Ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos:
Quando temos moléculas com arranjos assimétricos de eletronegatividade entre seus átomos, temos moléculas polares com momentos dipolos permanentes. Um exemplo é a molécula do HCl. Como é possível ver na figura, um momento dipolar permanente surge das cargas positiva e negativa do H e do Cl, respectivamente.
Moléculas polares como essa, podem induzir dipolos elétricos em outras moléculas apolares adjacentes, formando umaligação química secundária mais forte do que aquelas formadas entre os dipolos induzidos flutuantes.
Ligações entre dipolos permanentes:
Esse tipo de ligação ocorre quando existem duas moléculas polares adjacentes, onde o polo positivo de uma liga-se ao polo negativo da outra. Esse é o tipo mais forte de ligação secundária.
Dentro desse tipo de ligação existe um caso específico que é ligação de hidrogênio (conhecida também como ponte de hidrogênio). Ela ocorre quando um átomo de hidrogênio está ligado covalentemente ao flúor, oxigênio ou nitrogênio. Como nesses casos o único elétron do hidrogênio é compartilhado com esses elementos altamente eletronegativos, o átomo de hidrogênio configura-se, essencialmente, como um próton isolado. Por consequência, a molécula torna-se um dipolo permanente com alta capacidade de exercer forças atrativas sobre outros dipolos adjacentes.
A força de ligação das ligações de hidrogênio é maior do que aquela observada para outras ligações secundárias, e pode ser de até 51 kJ/mol, como observado no H2O. Por esse motivo, a temperatura de ebulição da água e do HF são anormalmente elevadas para moléculas como estas, de baixo peso molecular.