CHEM 1305 Química Introdutória

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 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 formará um ânion ou um cátion, e você pode frequentemente 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 se 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.

Os íons que discutimos até agora são chamados de íons monatômicos, ou seja, são íons formados a partir de apenas um átomo. Também encontramos muitos íons poliatômicos. Estes iões, que actuam como unidades discretas, são moléculas carregadas electricamente (um grupo de átomos ligados com uma carga total). Alguns dos iões poliatómicos mais importantes estão listados na Tabela 1. Os oxianiões são iões poliatómicos que contêm um ou mais átomos de oxigénio. Neste ponto do seu estudo de química, você deve memorizar os nomes, fórmulas e cargas dos íons poliatômicos mais comuns. Como você irá usá-los repetidamente, eles logo se tornarão familiares.

Note que existe um sistema para nomear alguns íons poliatômicos; -ate e -ite são sufixos que designam íons poliatômicos contendo mais ou menos átomos de oxigênio. Per- (abreviatura de “hyper”) e hipo (que significa “under”) são prefixos que significam mais átomos de oxigénio do que -ate e menos átomos de oxigénio do que -ite, respectivamente. Por exemplo, perclorato é {\\i1}_{4}{\i}{\i1}, clorato é {\i}_{3}{\i}{\i1}{\i1}, clorito é {\i}{\i1}_{2}{\i}{\i1}{\i1} e hipoclorito é ClO-. Infelizmente, o número de átomos de oxigénio correspondente a um determinado sufixo ou prefixo não é consistente; por exemplo, o nitrato é {\i1}_{3}{}^{-} enquanto o sulfato é {\i}_{4}{}^{2-}. Isto será coberto com mais detalhes no próximo módulo em nomenclatura.

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 metálico), uma transferência de elétrons geralmente ocorre, 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. 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 fundido. (crédito: modificação do trabalho por Mark Blaser e Matt Evans)

Em cada composto iónico, o número total de cargas positivas dos catiões é igual ao número total de cargas negativas dos ânions. Assim, os compostos iônicos são eletricamente neutros em geral, mesmo que contenham íons positivos e negativos. Podemos usar esta observação para nos ajudar a escrever a fórmula de um composto iônico. A fórmula de um composto iônico deve ter uma razão de íons tal que os números de cargas positivas e negativas sejam iguais.

Exemplo 3: Previsão da fórmula de um composto iônico

A safira de pedra preciosa (Figura 4) é principalmente um composto de alumínio e oxigênio que contém cátions de alumínio, Al3+, e ânions de oxigênio, O2-. Qual é a fórmula deste composto?

Figure 4. Embora o óxido de alumínio puro seja incolor, vestígios de ferro e titânio dão à safira azul a sua cor característica. (crédito: modificação do trabalho de Stanislav Doronenko)

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Porque o composto iônico deve ser eletricamente neutro, deve ter o mesmo número de cargas positivas e negativas. Dois iões de alumínio, cada um com uma carga de 3+, dar-nos-iam seis cargas positivas, e três iões de óxido, cada um com uma carga de 2, dar-nos-iam seis cargas negativas. A fórmula seria Al2O3.

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Prever a fórmula do composto iônico formado entre o cátion de sódio, Na+, e o ânion de sulfeto, S2-.

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Na2S

Muitos compostos iônicos contêm íons poliatômicos (Tabela 1) como o cátion, o ânion, ou ambos. Assim como os compostos iônicos simples, estes compostos também devem ser eletricamente neutros, de modo que suas fórmulas podem ser previstas tratando os íons poliatômicos como unidades discretas. Usamos parênteses em uma fórmula para indicar um grupo de átomos que se comportam como uma unidade. Por exemplo, a fórmula do fosfato de cálcio, um dos minerais dos nossos ossos, é Ca3(PO4)2. Esta fórmula indica que existem três iões de cálcio (Ca2+) para cada dois grupos de fosfato {{\PO}_{4}^{3-}direita}. Os grupos de {{PO}_{4}_{3-} são unidades discretas, cada uma consistindo de um átomo de fósforo e quatro átomos de oxigênio, e tendo uma carga total de 3. O composto é eletricamente neutro, e sua fórmula mostra uma contagem total de três Ca, dois P, e oito átomos O.

Porque um composto iônico não é composto de moléculas únicas e discretas, ele pode não ser adequadamente simbolizado usando uma fórmula molecular. Em vez disso, os compostos iônicos devem ser simbolizados por uma fórmula que indique os números relativos de seus cátions constituintes. Para compostos contendo apenas íons monatômicos (como NaCl) e para muitos compostos contendo íons poliatômicos (como CaSO4), estas fórmulas são apenas as fórmulas empíricas introduzidas anteriormente neste capítulo. Entretanto, as fórmulas para alguns compostos iônicos que contêm íons poliatômicos não são fórmulas empíricas. Por exemplo, o composto iônico oxalato de sódio é composto de Na+ e {\texto{C}}_{2}{\texto{O}}_{4}{}^{2-} íons combinados em uma proporção 2:1, e sua fórmula é escrita como Na2C2O4. Os subscritos nesta fórmula não são os menores números inteiros possíveis, pois cada um pode ser dividido por 2 para produzir a fórmula empírica, NaCO2. Esta não é a fórmula aceita para oxalato de sódio, no entanto, pois não representa precisamente o ânion poliatômico do composto, {\texto{C}}_{2}{\texto{O}}_{4}{}^{2-}.

Compostos Moleculares

Muitos compostos não contêm íons, mas consistem apenas de 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

íonmonatómico: íon composto por um único átomo

oxião: íon poliatómico composto por um átomo central ligado a átomos de oxigénio

íon poliatómico: íon composto por mais de um átomo