Ligações Químicas e as Propriedades dos Materiais

Mortimer, E. F.; Machado, A. H. Química para o Ensino Médio. São Paulo: Scipione, 2002.

Que informação podemos obter com a temperatura de fusão sobre a natureza das ligações químicas?

         Analisando o comportamento das substâncias sob aquecimento, verificamos que algumas mudam de estado físico a temperaturas elevadas, como o cobre, cloreto de sódio e diamante. Já o açúcar (sacarose) e a naftalina fundem-se a temperaturas razoavelmente baixas. Há outras substâncias que se decompõem antes da fusão.

         Que evidências esses fatos revelam sobre as ligações químicas presentes nas substâncias?

         Um modelo de ligação química é usado para explicar essas e outras propriedades das substâncias. No caso do cobre, diamante e cloreto de sódio, quando a substância muda de estado físico, rompem-se interações entre as partículas que constituem a substância.         Como a temperatura para efetuar essas mudanças é elevada, podemos imaginar que essas interações sejam muito fortes. No caso do diamante, temos um tipo de ligação conhecida como ligação covalente, que é o mesmo tipo de ligação presente nas moléculas de hidrogênio, oxigênio, naftalina, sacarose, gasolina, álcool, água, entre outros.

         Essas últimas substâncias, no entanto, mudam de estado físico ou transformam-se em líquidos a temperaturas relativamente baixas, quando comparadas com o diamante.

         Como explicar essa diferença?

         Em todas essas substâncias (hidrogênio, oxigênio, naftalina, sacarose, gasolina, álcool, água), a ligação covalente é responsável pela formação da molécula. A agregação das moléculas para formar quantidades macroscópicas dessas substâncias se dá, no entanto, por interações entre moléculas, que são relativamente fracas. Portanto, há nessas substâncias dois tipos de interação: uma entre os átomos para formar as moléculas (ligação covalente) e outra entre as moléculas para formar o material (interação intermolecular). Essas substâncias são chamadas de substâncias moleculares. Como as interações entre moléculas são fracas, as substâncias moleculares geralmente têm temperatura de fusão e de ebulição relativamente baixas. Aquelas formadas por moléculas pequenas, como nitrogênio (N₂), oxigênio (O₂), gás carbônico (CO₂), cloro (Cl₂) e metano (CH₄), geralmente são gasosas à temperatura ambiente, o que indica que suas temperaturas de ebulição são menores que a temperatura ambiente. As interações intermoleculares nessas substâncias devem ser muito fracas.

         No diamante, não há formação de moléculas individuais. A agregação das partículas para formar o material é realizada pela ligação covalente entre átomos de carbono, muito forte, o que explica a alta temperatura necessária para quebrá-la e fundir o diamante. Poderíamos pensar que, no caso do diamante, os átomos de carbono ligam-se para formar uma molécula gigante.

          No caso do cobre e do cloreto de sódio, temos uma situação semelhante à do diamante, só que as ligações envolvidas são de outra natureza. No caso do cobre, também não se formam moléculas, uma vez que átomos ligam-se por meio de ligações metálicas para formar o material. Podemos imaginar que esse tipo de ligação também é forte, uma vez que a maioria dos metais funde-se a temperaturas elevadas.

         Já em relação ao cloreto de sódio, a ligação não é entre átomos mas entre íons, que são partículas eletricamente carregadas. O cloreto de sódio também não forma moléculas, uma vez que os íons sódio e cloreto ligam-se por meio de ligações iônicas para formar o material, um sólido iônico.

Mortimer, E. F.; Machado, A. H. Química para o Ensino Médio. São Paulo: Scipione, 2002.

Que informação podemos obter pela solubilidade sobre a natureza das ligações químicas?

         O modelo de ligações químicas também é útil para explicar as diferenças de solubilidade. A solubilidade depende da interação entre as partículas do soluto e do solvente.

O cobre e o diamante são substâncias insolúveis nos dois tipos de solvente que foram usados. Esse fato é observado na maioria dos metais como também nos sólidos covalentes, como grafite, diamante, sílica (um componente da areia), mica etc.

O cobre e o diamante mudam de estado físico a temperaturas muito elevadas. Como já foi visto, isso evidencia que as ligações entre suas partículas são muito fortes. Para que ocorra dissolução, essas ligações também terão que ser quebradas por meio de interação com o solvente, com formação de um novo tipo de interação: soluto-solvente. No caso do cobre e do diamante, não há a formação dessas interações porque a energia necessária para quebrar a interação soluto-soluto é muito alta quando comparada com a liberação de energia que ocorreria na formação da interação soluto-solvente.

A temperatura de fusão do cloreto de sódio também é elevada, no entanto, ele é solúvel em água.

Como explicar esse fato?

O que favorece a dissolução do cloreto de sódio em água é a interação dos íons sódio e cloreto com as moléculas de água. A formação dessas interações entre as partículas do soluto e do solvente leva à quebra da ligação entre as partículas do cloreto de sódio. Os íons sódio e cloreto ficam solvatados pelas moléculas de água. Por meio do processo de solvatação, os íons ficam envoltos, interagindo com várias moléculas de água. Ela só é possível por meio de interação soluto-solvente.

A temperatura de fusão da naftalina é relativamente baixa e, no entanto, é uma substância que não é solúvel na água, mas sim em solventes orgânicos como aqueles contidos no querosene.

Como explicar essa diferença?

Podemos imaginar, usando os mesmos argumentos anteriores, que não se estabelece interação soluto-solvente entre as partículas de naftalina e água; isso ocorre apenas entre as partículas de naftalina e do querosene. Para explicar essa diferença, temos que pensar na natureza das partículas que formam a água, o solvente contido no querosene e a naftalina.

Que informação podemos obter pela condutividade elétrica sobre a natureza das ligações químicas?

A condutividade elétrica pode ser explicada, geralmente, pela presença de cargas que podem se movimentar ao longo do material.

Por exemplo, a condutividade elétrica da solução de cloreto de sódio em água deve-se à mobilidade dos íons (partículas carregadas) na solução aquosa. No caso do cristal de cloreto de sódio, os íons não têm essa mesma mobilidade, pois se encontram fixos em posições definidas num retículo cristalino. O que mantém esses íons fixos na estrutura do cristal é a força atrativa – ligação iônica.

No caso dos metais, como o cobre, e de algumas substâncias não metálicas condutoras, como a grafite, a condutividade elétrica não é explicada pela presença de íons móveis, mas pela existência de elétrons móveis. Os elétrons na região mais externa da eletrosfera não estão fortemente presos aos núcleos, o que possibilita sua mobilidade. Eles são, portanto, as partículas responsáveis pela condutividade elétrica no caso do cobre e da grafite.

Mortimer, E. F.; Machado, A. H. Química para o Ensino Médio. São Paulo: Scipione, 2002.

Sprace Game: entenda a estrutura atômica jogando!

O modelo atômico discutido nas aulas de Química do ensino médio está muito distante do que os cientistas já descobriram atualmente. Além de prótons, nêutrons e elétrons, o átomo é constituído por outras partículas subatômicas, como quarks, mésons, fótons, neutrinos, léptons, taus e bárions.

Um grupo de pesquisadores da UNESP criou um jogo de ensino onde o jogador entende a composição da matéria construindo partículas subatômicas a partir  de seus constituintes fundamentais. 

O jogo foi desenvolvido no Brasil, patrocinado pelo SPRACE e com o apoio financeiro do CNPq.

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Propriedades Observadas nos Metais: Breve Abordagem

Rita Maria S. Pereira 
Profa. de Química da ETENS

As ligações químicas e o arranjo geométrico das partículas existentes nos materiais são responsáveis pelas propriedades que eles exibem.

A ligação química realizada entre metais é denominada ligação metálica. O modelo da ligação metálica foi construído pelos cientistas a partir da observação das propriedades dos metais.

O Modelo da Ligação Metálica

1) Os átomos dos metais “perdem” seus elétrons mais externos e formam os cátions;

Vamos analisar, de maneira simplificada, a ligação metálica no metal sódio [Na_(s)]:

O elétron mais externo do átomo de sódio neutro está no orbital 3s¹. A perda deste elétron gera o cátion Na⁺.

2) Os cátions formados se organizam numa estrutura cristalina estabilizada por elétrons em movimento, que formam uma nuvem eletrônica denominada elétrons livres.

No metal sódio, os cátions se organizam num retículo cristalino cúbico de corpo centrado:

Figura 1: Modelo da ligação metálica no metal sódio.

Um metal é constituído por um número infinito de estruturas cristalinas, porém na sua representação escreve-se apenas o seu símbolo.

O metal sódio, por exemplo, é representado pelo símbolo Na_(s).

Relação entre as Propriedades dos Metais e o Modelo da Ligação Metálica:

Brilho: os elétrons livres absorvem e irradiam a luz que incide na superfície metálica.

Temperatura de Fusão: a temperatura de fusão dos metais varia de valores baixos, como o mercúrio, -38,4^oC, até valores elevados, como o tungstênio, 3410^oC, porém a maioria dos metais apresenta temperatura de fusão elevada.

A temperatura de fusão elevada comprova que a atração entre os elétrons livres e os cátions do metal é muito forte, especialmente no caso do tungstênio e de outros metais de transição.

A estrutura cristalina dos metais é estabilizada pelos elétrons livres de tal forma que mesmo sofrendo algum tipo de distorção não se rompe. Assim, é possível justificar as seguintes propriedades dos metais:

Tenacidade: os metais são resistentes a impactos e alongamentos.

Maleabilidade: os metais são facilmente transformados em lâminas.

Ductibilidade: os metais são facilmente transformados em fios.

Densidade: a estrutura cristalina dos metais é bastante compacta, logo a densidade dos metais apresenta valores maiores do que a densidade dos outros materiais.  Vale ressaltar, que a densidade depende da massa do átomo, então os metais de átomos de massa elevada são mais densos do que os metais de átomos de menor massa.

Dureza: resistência que o material apresenta para ser riscado por outros materiais.

A dureza elevada de alguns metais, como o crômio e o tungstênio, é explicada pelo fato da ligação metálica ser especialmente mais forte nesses casos, quando comparada a maioria dos metais que são sólidos moles e o mercúrio que é líquido a temperatura ambiente.

A condutibilidade elétrica e a condutibilidade térmica são explicadas pela presença dos elétrons livres que transmitem rapidamente a energia de uma extremidade a outra do metal.

Bibliografia:

RUSSEL, J. B. Química Geral:vol. 1. São Paulo: Makron Books, 1994

MORTIMER, E.F.; MACHADO, A.H.  Química para o Ensino Médio: vol. único Série Parâmetros. São Paulo: Scipione, 2002.

FONSECA, M. R. M.; Completamente Química: vol. 1. São Paulo:FTD, 2001

Quinteto de Metais

O que seria do Quinteto sem os Metais?

O que seria da humanidade se todos os minérios e metais da terra desaparecessem?

Comente e relate uma atividade impossível de ser realizada sem a existêcia dos metais.