Slide - Aula 16 - Ligação Iônica Pt1 - Química Geral - 2023-1

Disciplina: Química Geral 2020 Universidade Federal de Minas Gerais Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Ligações químicas: a ligação iônica (parte I) Aula 16 Propriedades dos materiais 2 Forno com revestimento refratário. Fontes: https://www.pexels.com/pt-br/ e https://pt.freeimages.com/ Diamante lapidado. A água é um exemplo de composto molecular. Moedas são feitas de ligas metálicas. Ex.: CaO Ex.: Diamante Ex.: H2O Ex.: Níquel Temp. fusão: 1455 oC Temp. fusão: 0 oC Temp. fusão: 4440 oC Temp. fusão: 2613 oC Não conduz eletricidade (sólido) Não conduz eletricidade Não conduz eletricidade Conduz eletricidade Alta dureza Baixa dureza Dureza intermediária Baixa dureza (gelo) Compostos iônicos Compostos covalentes Compostos moleculares Compostos metálicos Íons e suas interações ▪ Íons são resultantes da adição ou remoção de elétrons nos átomos neutros. Formação do cátion sódio (Na+) e do ânion cloreto (Cl−). 3 Cátion Ânion Interação entre as linhas de campo elétrico entre íons de cargas opostas e de mesma carga . ▪ Íons de cargas opostas se atraem. ▪ Íons de mesma carga se repelem. Fontes: Brown et al., 2016 e Young et al., 2016. As cargas dos íons 4 ▪ Alguns átomos formam íons com carga previsível pela posição na tabela periódica. ▪ Outros elementos, porém, podem perder um número variável de elétrons. Ex.: Ferro (Fe2+ e Fe3+) e estanho (Sn2+ e Sn4+). Fonte: Brown et al., 2016 . Cargas previstas para os íons de alguns elementos da tabela periódica. A linha vermelha separa metais de ametais. Ligação iônica 5 Cloreto de sódio, o sal de cozinha. Sólido iônico NaCl Todos os cátions interagem com todos os ânions (atração) Todos os cátions interagem entre si (repulsão) Todos os ânions interagem entre si (repulsão) Ligação iônica Fonte: Brown et al., 2016. é uma ligação não direcional! Energia potencial elétrica de duas cargas 6 M+(g) + X−(g) → MX(g) 𝐸𝑃 = (𝑧+𝑒)(𝑧−𝑒) 4𝜋0𝑑 Energia potencial de Coulomb para dois íons isolados: 𝑧+ e 𝑧− = número de cargas do cátion e do ânion 𝑒 = carga do elétron 0 = permissividade do vácuo 𝑑 = distância entre o centro dos íons 𝑑 Energia potencial elétrica – quadrado iônico 7 𝐸𝑃 = 𝑧+𝑧−𝑒2 4𝜋0 4 1 𝑑 − 2 1 𝑑 2 Energia potencial de Coulomb para quatro íons: a2= 2 d2 a = d 2 𝑑 𝑑 Quatro atrações Duas repulsões 𝐸𝑃 = 𝑧+𝑧−𝑒2 4𝜋0𝑑 4 − 2 2 𝐸𝑃 = 𝑧+𝑧−𝑒2 4𝜋0𝑑 6 − 12 2 … Constante de Madelung (A) Ex.: NaCl Energia potencial elétrica de duas cargas e energia de rede 8 M+(g) + X−(g) → MX(g) 𝐸𝑃 = (𝑧+𝑒)(𝑧−𝑒) 4𝜋0𝑑 Energia potencial de Coulomb para dois íons isolados: 𝑧+ e 𝑧− = número de cargas do cátion e do ânion 𝑒 = carga do elétron 0 = permissividade do vácuo 𝑑 = distância entre o centro dos íons Energia rede de um sólido iônico: 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 = A 𝑧+𝑧−𝑁𝐴𝑒2 4𝜋0𝑑 1 − 1 𝑛 NA = constante de Avogadro M+(g) + X−(g) → MX(s) A = constante de Madelung 𝑛 = expoente de Born Arranjos dos íons em sólidos iônicos 9 Número de coordenação: número de íons de carga oposta que circundam um íon. Cela unitária: Menor unidade do cristal que contém suas caraterísticas e se repete tridimensionalmente no retículo. No de coordenação Na+: 6 No de coordenação Zn2+: 4 Arranjo dos íons na estrutura do NaCl. Estrutura do sulfeto de zinco (ZnS). Fonte: Atkins et al., 2018. Arranjos dos íons em sólidos iônicos 10 NaCl NC (+) = 6 NC (−) = 6 CsCl NC (+) = 8 NC (−) = 8 CaF2 (fluorita) NC (+) = 8 NC (−) = 4 Blenda de zinco (ZnS cúbico) NC (+) = 4 NC (−) = 4 Wurtizita (ZnS hexagonal) NC (+) = 4 NC (−) = 4 TiO2 (rutilo) NC (+) = 6 NC (−) = 3 Fonte: Weller et al., 2017. Energia de rede – equação de Born-Landé 11 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 = A 𝑧+𝑧−𝑁𝐴𝑒2 4𝜋0𝑑 1 − 1 𝑛 Estrutura Número de coordenação Constante de Madelung (A) Cloreto de sódio 6:6 1,74756 Cloreto de césio 8:8 1,76267 Sulfeto de zinco 4:4 1,63806 Wurtzita 4:4 1,64132 Fluorita 8:4 2,51939 TiO2 (rutilo) 6:3 2,408 Fonte: Huheey et al., 1993. Constante de Madelung para alguns sólidos iônicos. ▪ A energia de rede (Erede) pode ser calculada pela equação de Born-Landé: Somatória de todas as interações atrativas e repulsivas entre os íons no retículo Constante de Madelung (A) 12 Fonte: Huheey et al., 1993. Configuração do íon Expoente de Born (n) He 5 Ne 7 Ar, Cu+ 9 Kr, Ag+ 10 Xe, Au+ 12 Constante de Madelung para alguns sólidos iônicos. Termo que deriva da energia de repulsão entre os elétrons de dois íons muito próximos. 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 = A 𝑧+𝑧−𝑁𝐴𝑒2 4𝜋0𝑑 1 − 1 𝑛 ▪ A energia de rede (Erede) pode ser calculada pela equação de Born-Landé: Exemplo: Qual é o expoente de Born para o NaCl? Config. eletrônica Na+ = Ne → n = 7 Config. eletrônica Cl− = Ar → n = 9 7 + 9 2 = 8 Energia de rede – equação de Born-Landé 𝑛 = 𝑛+ + 𝑛− 2 Na (Z = 11): 1s2 2s2 2p6 3s1 Cl (Z = 17): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Ne (Z = 10): 1s2 2s2 2p6 Ar (Z = 18): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 13 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 = A 𝑧+𝑧−𝑁𝐴𝑒2 4𝜋0𝑑 1 − 1 𝑛 ▪ A energia de rede (Erede) pode ser calculada pela equação de Born-Landé: Energia de rede – equação de Born-Landé A carga do ânion é sempre negativa, portanto o valor de Erede será negativo também. M+(g) + X−(g) → MX(s) MX(s) → M+(g) + X−(g) Erede < 0 Quanto mais negativo for o valor de Erede maior é o estabilização dos íons no sólido iônico formado. Erede > 0 É necessário fornecer energia para separar os íons de uma rede cristalina. Cálculo da energia de rede para o NaCl ▪ Calcule a energia de rede do cloreto de sódio, sabendo que o raio do Na+ é 116 pm e o raio do Cl− é 167 pm. 14 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 = 1,74756 1 −1 6,022 x 1023mol−1(1,6022 x 10−19C)2 4𝜋 8,854 x 10−12C2.J−1.m−1 283 x 10−12m 1 − 1 8 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 = −751 kJ mol-1 ▪ Calcule a energia de rede do CaO, sabendo que ele possui estrutura cristalina semelhante a do cloreto de sódio e os raios do Ca2+ e do O2− são 114 pm e 126 pm, respectivamente. 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 = 1,74756 2 −2 6,022 x 1023mol−1(1,6022 x 10−19C)2 4𝜋 8,854 x 10−12C2.J−1.m−1 240 x 10−12m 1 − 1 8 Ca2+ = Ar → n = 9 O2− = Ne → n = 7 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 = −3541 kJ mol-1 𝑑 = 𝑟+ + 𝑟− 𝑑 = 116 + 167 = 283 pm 283 pm = 283 x 10−12 m Tendências nos valores de Erede 15 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 = A 𝑧+𝑧−𝑁𝐴𝑒2 4𝜋0𝑑 1 − 1 𝑛 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 ∝ 𝑧+𝑧− 𝑑 Composto Energia de rede (kJ mol-1) Temperatura de fusão (oC) LiF − 1.030 845 LiI −730 446 MgF2 − 2.926 1.266 CaO − 3.414 2.570 ScN − 7.547 2.900 Valores de Erede e temperatura de fusão para alguns sólidos iônicos. As tendências nas Erede para os diversos sólidos iônicos pode ser racionalizada em termos das cargas dos íons e da distância entre eles. Fonte: Atkins et al., 2018. Equação de Kapustinskii ▪ A. F. Kapustinskii propôs uma expressão geral para prever valores da energia de rede: 16 𝐸𝑟𝑒𝑑𝑒 = 𝑧+𝑧−n (1,202 x 105) 𝑑 1 − 34,5 𝑑 𝑧+ e 𝑧− = número de cargas do cátion e do ânion n = número de íons por fórmula unitária (Ex.: 2 para o NaCl, 3 para o CaF2, ...) 𝑑 = soma do raio do cátion mais raio do ânion Resumindo... 17 ▪ Vimos nessa aula que: ➢ Íons de carga oposta se atraem e os de mesma carga se repelem ➢ Erede (energia liberada na formação da rede cristalina) pode ser calculada pela equação de Born-Landé. ➢ A ligação iônica é a somatória de todas as interações no sólido iônico, portanto, não é direcional. ➢ Os íons se arranjam de maneira ordenada em um sólido iônico ▪ Próxima aula: ➢ Como obter o valor de Erede experimentalmente? ➢ Propriedades dos sólidos iônicos Referências bibliográficas 18 ▪ BROWN , T. L. et al. Química. A Ciência Central. 13. ed. São Paulo: Pearson, 2016. 1216 p. ▪ ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018. 1094 p. ▪ HUHEEY, J. E.; KEITER, E. A.; KEITER, R. L. Inorganic Chemistry. 4. ed. New York: HarperCollins College Publishers, 1993. 964 p. ▪ WELLER, M.; et. al. Química Inorgânica. 6. ed. São Paulo: Bookman, 2017. 900 p. ▪ YOUNG, H. D.; et. al. Física III: Eletromagnetismo. 14. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015. 448 p.