1.3 Elétrons, Ligações e Estruturas de Lewis

O que São Ligações?

Como foi mencionado, os átomos estão conectados uns aos outros por

ligações. Ou seja, as ligações são a “cola” que mantém os átomos juntos.

Mas, o que é esta misteriosa cola e como ela funciona? Para responder a

essa pergunta, devemos concentrar nossa atenção nos elétrons.

A existência do elétron foi proposta pela primeira vez em 1874 por

George Johnstone Stoney (National University of Ireland), que tentou

explicar a eletroquímica sugerindo a existência de uma partícula possuindo

uma carga unitária. Stones cunhou o termo elétron para descrever essa

partícula. Em 1897, J. J. Thomson (Cambridge University) mostrou

experimentalmente resultados que suportavam a existência do misterioso

elétron de Stoney e é creditada a ele a descoberta do elétron. Em 1916,

Gilbert Lewis (University of California, Berkeley) definiu uma ligação

covalente como resultado de dois átomos compartilharem um par de

elétrons. Como um exemplo simples, considere a formação de uma ligação

entre dois átomos de hidrogênio:

 

Cada átomo de hidrogênio tem um elétron. Quando esses elétrons são

compartilhados para formar uma ligação, existe uma diminuição de energia,

indicada pelo valor negativo de ΔH. O diagrama de energia na Figura 1.2

mostra graficamente a energia total dos dois átomos de hidrogênio como

uma função da distância entre eles. O lado direito do diagrama representa os

átomos de hidrogênio separados por uma grande distância. Movendo-se

para a esquerda no diagrama, os átomos de hidrogênio se aproximam um do

outro, e há várias forças que devem ser levadas em conta: (1) a força de

repulsão entre os dois elétrons carregados negativamente, (2) a força de

repulsão entre os dois núcleos carregados positivamente e (3) as forças de atração entre os núcleos carregados positivamente e os elétrons carregados

negativamente. À medida que os átomos de hidrogênio se aproximam um

do outro, todas essas forças tornam-se mais fortes. Sob essas circunstâncias,

os elétrons são capazes de mover-se de tal maneira que as forças de

repulsão entre eles são minizadas enquanto as forças atrativas entre eles e

os núcleos são maximizadas. Isso fornece uma força de atração líquida, o

que reduz a energia do sistema. À medida que os átomos de hidrogênio se

aproximam ainda mais, a energia continua a ser reduzida até que os núcleos

alcançam uma separação (distância internuclear) de 0,74 angstrom (Å).

Nesse ponto, a força de repulsão entre os núcleos começa a sobrepujar as

forças de atração, fazendo com que a energia do sistema aumente. O ponto

mais baixo da curva representa o estado de menor energia (o estado mais

estável). Este estado determina tanto o comprimento da ligação (0,74 Å)

quanto a força de ligação (436 kJ/mol).

 

FIGURA 1.2

Um diagrama de energia mostrando a energia total como uma função da distância internuclear entre dois átomos de hidrogênio.

 

A PROPÓSITO

1 Å = 10 −10 metros.

 

Representando a Estrutura de Lewis de um Átomo

Tendo em mente a ideia de que uma ligação representa o compartilhamento

de um par de elétrons, Lewis, em seguida, desenvolveu um método para

representar estruturas. Em suas representações, chamadas estruturas de

Lewis, os elétrons ocupam o ponto central. Vamos começar representando

os átomos individuais, e depois vamos representar estruturas de Lewis para

moléculas pequenas. Primeiro, precisamos rever alguns conceitos simples

de estrutura atômica:

 

• O núcleo de um átomo é constituído de prótons e nêutrons. Cada

próton tem uma carga +1, e cada nêutron é eletricamente neutro.

 

• Para um átomo neutro, o número de prótons é equilibrado por um

número igual de elétrons, que têm uma carga −1 e existem em

camadas. A primeira camada, a que está mais próxima do núcleo,

pode conter dois elétrons, e a segunda camada pode conter até oito

elétrons.

 

• Os elétrons na camada mais externa de um átomo são chamados de

elétrons de valência. O número de elétrons de valência em um

átomo é identificado pelo número do seu grupo na tabela periódica

(Figura 1.3).

 

A estrutura de pontos de Lewis de um átomo individual indica o número de

elétrons de valência, que são colocados como pontos em torno do símbolo

do átomo (C para o carbono, O para oxigênio, etc.). A colocação desses

pontos é ilustrada na seção Desenvolvendo a Aprendizagem seguinte.

FIGURA 1.3

Uma tabela periódica mostrando os números dos grupos.

 

DESENVOLVENDO A APRENDIZAGEM

 

1.2 REPRESENTAÇÃO DA ESTRUTURA DE PONTOS DE LEWIS DE UM ÁTOMO

APRENDIZAGEM

Desenhe a estrutura de pontos de Lewis de (a) um átomo de boro e (b) um átomo de nitrogênio.

 

SOLUÇÃO

 

(a) Em uma estrutura de pontos de Lewis, somente os elétrons de valência são

representados, por isso é preciso primeiro determinar o número de elétrons de valência. O

boro pertence ao grupo 3A da tabela periódica, e, portanto, tem três elétrons de valência.

O símbolo do átomo de boro (B) é escrito, e cada elétron é colocado isoladamente (não

emparelhado) em cada um dos lados de B, como é visto a seguir:

 

ETAPA 1

Determinação do número de elétrons de valência.

(b) O átomo de nitrogênio pertence ao grupo 5A da tabela periódica e, portanto, tem cinco

elétrons de valência. O símbolo do átomo de nitrogênio (N) é escrito, e cada elétron é

colocado isoladamente (desemparelhado) em cada um dos lados de N até que todos os

quatro lados são ocupados:

 

ETAPA 2

Colocação de um elétron de valência isoladamente em cada um dos lados do átomo.

 

Quaisquer elétrons restantes devem ser emparelhados com os elétrons já representados.

No caso do nitrogênio, há apenas um elétron a mais para colocar, de modo que devemos

emparelhá-lo com um dos quatro elétrons desemparelhados (não importa qual deles é

escolhido):

 

ETAPA 3

Se o átomo tem mais do que quatro elétrons de valência, os elétrons restantes são

emparelhados com os elétrons que já estão representados.

 

PRATICANDO

o que você aprendeu

 

1.5 Desenhe uma estrutura de pontos de Lewis para cada um dos seguintes átomos:

 

(a) Carbono

 

(b) Oxigênio

 

(c) Flúor

 

(d) Hidrogênio

(e) Bromo

 

(f) Enxofre

 

(g) Cloro

 

(h) Iodo

 

APLICANDO

o que você aprendeu

 

1.6 Compare a estrutura de pontos de Lewis do nitrogênio e do fósforo e explique por que se

pode esperar que esses dois átomos apresentem propriedades de ligação semelhantes.

 

1.7 Dê o nome do elemento que você espera que apresente propriedades de ligação

semelhantes ao boro. Explique.

 

1.8 Desenhe uma estrutura de Lewis de um átomo de carbono em que está faltando um

elétron de valência (e, portanto, tem uma carga positiva). Que elemento da segunda linha se

assemelha ao átomo de carbono em termos de número de elétrons de valência?

 

1.9 Desenhe uma estrutura de Lewis de um átomo de carbono que tem um elétron de valência

adicional (e, portanto, tem uma carga negativa). Que elemento da segunda linha se assemelha

ao átomo de carbono em termos de número de elétrons de valência?

 

Representação da Estrutura de Lewis de uma Molécula

Pequena

As estruturas de pontos de Lewis de átomos individuais são combinadas

para produzir estruturas de pontos de Lewis de moléculas pequenas. Essas

representações são construídas com base na observação de que os átomos

tendem a se ligar de maneira a alcançarem a configuração eletrônica de um

gás nobre. Por exemplo, o hidrogênio formará uma ligação para alcançar a

configuração eletrônica do hélio (dois elétrons de valência), enquanto os

elementos da segunda linha (C, N, O e F) irão formar o número necessário de ligações de modo a conseguirem a configuração eletrônica do Neônio

(oito elétrons de valência).

 

Essa observação, chamada regra do octeto, explica porque o carbono é

tetravalente. Como foi mostrado, o carbono pode atingir um octeto de

elétrons usando cada um dos seus quatro elétrons de valência para formar

uma ligação. A regra do octeto também explica por que o nitrogênio é

trivalente. Especificamente, ele tem cinco elétrons de valência e requer três

ligações a fim de alcançar um octeto de elétrons. Observe que o átomo de

nitrogênio contém um par de elétrons não compartilhado (ou elétrons não

ligantes) chamado de par isolado.

 

No próximo capítulo, vamos discutir a regra do octeto em mais detalhes,

em particular, vamos explorar quando ela pode ser violada e quando ela não

pode ser violada. Por agora, vamos praticar desenhando as estruturas de

Lewis.

 

DESENVOLVENDO A APRENDIZAGEM

 

1.3 REPRESENTAÇÃO DA ESTRUTURA DE LEWIS DE UMA MOLÉCULA PEQUENA

APRENDIZAGEM

Desenhe a estrutura de Lewis do CH2O

SOLUÇÃO

 

Existem quatro etapas discretas quando se desenha uma estrutura de Lewis: Primeiro

determinamos o número de elétrons de valência para cada átomo.

 

ETAPA 1

Desenhar todos os átomos individuais.

 

Então, conecte todos os átomos que formam mais de uma ligação. Os átomos de hidrogênio

formam apenas uma ligação cada um deles, de modo que eles são deixados para o nal. Neste

caso, conectamos o C e o O.

 

ETAPA 2

Conectar os átomos que formam mais do que uma ligação.

 

Em seguida, conecte todos os átomos de hidrogênio. Colocamos os átomos de hidrogênio ao

lado do carbono, porque o carbono tem mais elétrons desemparelhados do que o oxigênio.

 

ETAPA 3

Conectar os átomos de hidrogênio.

 

Finalmente, veri que se cada átomo (exceto o hidrogênio) tem um octeto. Na verdade, nem o

carbono nem o oxigênio tem um octeto, portanto, em uma situação como esta, os elétrons

desemparelhados são compartilhados como uma ligação dupla entre o carbono e o oxigênio.

 

ETAPA 4

Emparelhar quaisquer elétrons desemparelhados, de modo que cada átomo atinja um octeto.

Agora todos os átomos alcançaram um octeto. Quando estiver desenhando estruturas de Lewis,

lembre-se de que não se pode simplesmente adicionar mais elétrons ao desenho. Para cada

átomo atingir um octeto os elétrons existentes têm que ser emparelhados. O número total de

elétrons de valência deve estar correto quando você tiver terminado. Neste exemplo, havia um

átomo de carbono, dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio dando um total de 12

elétrons de valência (4 + 2 + 6). O desenho anterior TEM que ter 12 elétrons de valência, nem

mais nem menos.

 

PRATICANDO

o que você aprendeu

 

1.10 Desenhe uma estrutura de Lewis para cada uma das seguintes substâncias:

 

(a) C 2H6

 

(b) C 2H4

 

(c) C 2H2

 

(d) C 3H8

 

(e) C 3H6

 

(f) CH3OH

APLICANDO

o que você aprendeu

 

1.11 O borano (BH3) é muito instável e bastante reativo. Desenhe uma estrutura de Lewis do

borano e explique a fonte de instabilidade.

 

1.12 Existem quatro isômeros constitucionais com a fórmula molecular C 3H9N. Desenhe uma

estrutura de Lewis para cada isômero e determine o número de pares de elétrons isolados no

átomo de nitrogênio em cada caso.