Ligações iônicas

Relembrando:
Se você leu as aulas anteriores sobre estrutura atômica dos elementos e configuração eletrônica dos átomos, você deve saber que quando um elemento tem o número de prótons igual ao número de elétrons, ele é chamado de átomo e este átomo tem carga neutra, pois temos quantidades de cargas positivas (prótons) igual as quantidades de cargas negativas (elétrons).
Isso significa que, por exemplo, o Lítio (família IA ou 1 na tabela periódica) tem como número atômico 3:

Tendo como número atômico o 3, ele possui 3 prótons (cargas positivas) em seu núcleo. Se ele é um átomo de lítio, isso quer dizer que ele deve possuir 3 elétrons também, para que este seja um elemento com carga neutra (mesma quantidade de elétrons e prótons).

Pois bem, então em resumo podemos saber quantos elétrons determinado átomo possui, apenas verificando seu número atômico na tabela periódica, e isto é uma dica super importante para darmos inicio a nossa aula.

Os gases nobres no estudo das ligações iônicas:

Dito isto, podemos observar que os elementos da família 18 na tabela periódica, os chamados ''gases nobres'', são muito difíceis de reagir com outros elementos:

Com base desta observação, foi constatado que os elementos desta família estão estáveis, tem seu átomo estabilizado, e por isso não havia a necessidade de reagir com outros elementos.

Mas o que cada um destes elementos tem em comum que não seja a sua forma gasosa? Ora, com exceção do Hélio, todos os demais elementos desta família possuíam 8 elétrons em sua camada de valência.

Foi com este pensamento que crio-se então a ''Regra do Octeto'', onde ela diz que para um átomo se estabilizar, o mesmo tende a ficar com exatos 8 elétrons na camada de valência.

Obviamente que iremos encontrar as exceções, como o caso do Hélio (e do Hidrogênio) que ficam estáveis com apenas 2 elétrons na camada de valência, mas a regra do octeto é muito importante para o estudo das ligações iônicas.

O que é a ligação iônica?

As ligações iônicas acontecem entre um cátion e um ânion, mais precisadamente entre um metal e um ametal.

Partindo do princípio que os átomos tendem a querer ter 8 elétrons na última camada da eletrosfera para se estabilizarem, vamos então tomar como exemplo um átomo de Potássio, por exemplo.

Verifique na sua tabela periódica que o potássio (K) tem como número atômico o 19, sendo assim, ele possui 19 prótons em seu átomo, e consequentemente, 19 elétrons:

Mas quantos elétrons ele possui na sua camada de valência?

Vamos fazer a distribuição eletrônica do mesmo: 

Perceba que sua última camada é justamente 4s1,ou seja, o potássio possui apenas 1 elétron em sua camada de valência.

Lembrando que para ficar estável, o átomo deseja ficar com 8 elétrons na camada de valência, e no caso do potássio, ele possui apenas 1 elétron por ali. Tendo isto em mente, podemos então concluir que para o potássio ter seu átomo estável, ele deva ganhar mais 7 elétrons para completar os 8, não?

Sim até que sim, mas observe atentamente a configuração eletrônica deste átomo: 

A sua penúltima camada (3) possui o seguinte: 3s2 e 3p6, que somados são exatos 8 elétrons (6+2).

Ou seja, você não concorda que seria muito mais simples o potássio se livrar de sua última camada (4) que possui um elétron apenas, e deixar como sendo sua última camada, a camada 3 que já possui os 8 elétrons? Claro que sim, não?

Com isto, ele 'doa' seu único elétron da camada 4, e então a camada 3 agora fica como sendo sua camada de valência que tem 8 elétrons, pronto, o potássio está estável.

Se o potássio se livrou de um elétron (carga negativa), ele tende então a ter mais quantidade de carga positiva: Tinha 19 prótons (positivo) e 19 elétrons (negativo), a carga era até então neutra, ou seja, temos aqui um átomo. Se ele livrou-se de um elétron que é a carga negativa, o potássio ficou com: 19 prótons e 18 elétrons, ou seja, agora este íon tem mais carga positiva, ele é um cátion:

Sendo o número 1 representado na fórmula do cátion de potássio, a quantidade de elétrons que ele perdeu.

Outra dica que tenho a dar a você aqui nesta aula é que: Você não precisa necessariamente sempre realizar a distribuição eletrônica de cada elemento para saber quantos elétrons o mesmo possui em sua última camada, para isto, basta verificar onde ele está na tabela periódica, em que família ele se encontra. (Isso não se aplica aos elementos das famílias com sufixo 'b': IB, IIB, IIIB, VIB, e etc...).

O potássio pertence a família 1 na tabela, ou seja, ele tem 1 elétron na sua camada de valência, assim como os demais elementos desta família: Hidrogênio, Lítio, Sódio, Potássio, Rubídio, Césio e Frâncio.

Então por exemplo, os elementos da família IIA da tabela periódica (O Cálcio, por exemplo) possui 2 elétrons na camada de valência, e para tornar sua penúltima camada a última, ele irá doar seus 2 elétrons desta camada, ou seja, no caso do Cálcio, sua cátion é:

Observe a configuração eletrônica do Cálcio:

Note que sua última camada (4) possui exatos 2 elétrons, ao se livrar desta camada (doando seus 2 elétrons para algum elemento) a camada 3 passa a ser sua camada de valência, que consequentemente possui 8 elétrons: 2+6.

Pois bem, observando este fato podemos afirmar que uma das características dos metais então é perder seus elétrons da camada de valência, ficando com cargas positivas, tornando-se então cátions.

Agora vamos observar um ametal... O flúor, por exemplo.

Ao notar a tabela periódica percebemos que por este pertencer a família VIIA, o flúor tem 7 elétrons em sua camada de valência.

Utilizando a regra do octeto, o que seria mais vantagem pro flúor para se estabilizar? Perder 7 elétrons, ou ganhar mais um para completar os 8? Ganhar, claro!

Então, ao ganhar carga negativa (um elétron) o flúor que tinha 9 prótons e 9 elétrons, passou a ter 9 prótons e 10 elétrons, ou seja, ele se torna um íon negativo, um ânion:

A característica dos ametais é que eles recebem elétrons para se estabilizar, ao contrário dos metais que doam estes elétrons, o que torna os ametais íons negativos, ânions.

Então vamos supor que o potássio (K) doe seu elétron da camada de valência para o flúor (F), então teremos o seguinte:

Veja que ambos possuem cargas opostas, e isto irá causar uma atração entre esses dois íons, pois o negativo irá atrair o positivo, e vice-versa...

Por conta desta atração, o cátion de potássio irá se ligar ao ânion de flúor, e ambos então irão realizar a ligação iônica, formando um composto chamando de Fluoreto de potássio que é um sal:

Vamos ver mais um exemplo?

O átomo de metal de Sódio, como está na família IA da tabela, irá doar um elétron e se tornará um cátion de sódio:

O cloro está na família VIIA, então por possuir 7 elétron em sua camada de valência, vai receber mais 1 elétron para se estabilizar, então com isso, se tornará um ânion de cloro:

Agora temos íons com cargas opostas:

Logo, teremos uma atração entre estas cargas, e finalmente a ligação iônica que irá formar o composto NaCl, o cloreto de sódio, mas conhecido como 'sal para cozinhar':

Vejamos outro exemplo:

O magnésio está na família IIA da tabela, ou seja, ele irá doar 2 elétrons para se estabilizar. 

Já no caso do oxigênio, ele por estar na família VI da tabela, conclui-se que ele possui 6 elétrons na camada de valência.

Ou seja, o magnésio precisa doar 2 elétrons, e o oxigênio deseja receber exatos 2 elétrons:

A ligação iônica entre estes elementos irá resultar no óxido de magnésio:

Um outro jeito de representar as ligações iônicas é através da representação de Lewis:

Notação de Lewis:

Esta notação é bem útil caso queiramos visualizar melhor os átomos dos elementos envolvidos na ligação iônica, e seus elétrons da camada de valência:

Aqui está um exemplo do modelo da representação de Lewis, onde no centro escrevemos o símbolo químico do elemento, e em volta do mesmo, as quantidades de elétrons de sua camada de valência.

Exemplo:

O estrôncio (Sr) na família IIA na tabela, possui dos elétrons em sua camada de valência, portanto, na representação de Lewis ele é escrito como:

Sendo esses pontos azuis, os seus elétrons da última camada.

E o enxofre (S) da família VIA da tabela, possui 6 elétrons em sua camada de valência, sua representação fica como sendo:

A ligação iônica desses elementos, faz com que o estrôncio libere seus dois elétrons para o enxofre, fazendo com que sua última camada agora passe a ter os oito elétrons, e esses mesmos 2 elétrons doados pelo estrôncio ao enxofre, fazem com que o enxofre complete 8 elétrons na camada de valência:

Note que através da representação de Lewis, esta troca de elétrons é visível mais facilmente.

Portanto, o estrôncio passa a ser um cátion com carga 2+, e o enxofre um ânion com carga 2-, onde realizam a ligação iônica formando o Sulfeto de estrôncio:

Vamos ver um exemplo diferente agora:

Imaginemos um átomo de sódio (Na) e outro de oxigênio (O):

De acordo com seus respectivos lugares na tabela periódica, eis aqui, ambos elementos descritos com base da representação de Lewis:

Segundo a lei do octeto, o sódio como metal irá doar seu elétron da camada de valência para se estabilizar, e o oxigênio como ametal receberá este elétron.

O oxigênio possui 6 elétrons na sua camada de valência, e o sódio apenas um, se o sódio doar este elétron para o oxigênio, o oxigênio irá ficar com 7 elétrons na camada de valência:

O sódio ira se estabilizar, mas o oxigênio não, pois ele agora possui 7 elétrons na camada de valência, sendo que necessita de 8.

O que fazer? Simples! Basta utilizar outro átomo de sódio para estabilizar o oxigênio:

Agora com a presença de mais um átomo de sódio, ele poderá doar seu elétron para o oxigênio, e no total o oxigênio irá ter os 8 elétrons na camada de valência que precisa para ficar estável.

A fórmula deste composto iônico então é escrita assim:

Pois foram 'utilizados' dois átomos de sódio para estabilizar o átomo de oxigênio, formando o óxido de sódio.

Algo similar que você ser feito é você escrever as cargas dos elementos, por exemplo, no caso do óxido de sódio temos o seguinte:

Lembre-se que as cargas dos elementos são descritas através da quantidade de elétrons que estes átomos irão perder ou receber.

Para encontrar a fórmula do óxido de sódio, basta inserir a carga do ânion como índice atômico do cátion, e a carga do cátion transformar em índice atômico do ânion, assim:

E novamente você vai encontrar a seguinte fórmula:

Vamos ver mais um exemplo para encerrar o assunto:

O alumínio (Al) e o Enxofre (S) segundo a notação de Lewis:

O alumínio tem 3 elétrons na camada de valência, enquanto o enxofre tem 6.

Se o alumínio perder apenas 2 dos seus 3 elétrons da sua última camada para o enxofre, o enxofre ja ficará com 8 elétrons, pois ele precisa apenas de 2 elétrons na camada de valência, e não de três:

Porém o alumínio não ficará estável pois ele ainda tem um elétron na camada de valência.

Para resolver isto, basta 'utilizar' outro enxofre:

Veja que agora o alumínio fica estável, mas o segundo enxofre não, pois ele recebeu apenas um elétron sendo que precisava de 2 na verdade. Então utiliza-se outro alumínio e dele retira-se apenas um elétron para estabilizar o enxofre com 8 elétrons:

Mas perceba que sobraram exatos 2 elétrons neste segundo alumínio, o que pode suprir mais um átomo de enxofre, e todos esses átomos ficarem estáveis:

Nisso tudo foram requisitados 2 átomos de alumínio e 3 de enxofre para a ligação iônica ocorrer corretamente, ou seja, a fórmula deste composto químico é:

O Sulfeto de alumínio. 

Lembrando que se quiser, ao invés de utilizar a representação de Lewis, você pode utilizar o método de trocar as cargas dos elementos por seus índices atômicos:

E chegamos a mais um fim de aula, espero que tenham gostado do conteúdo, acompanhe as aulas posteriores para estudar mais sobre o assunto.

Bons estudos!

Símbolos químicos diferenciados

Ao ler a tabela periódica você se depara com diversos símbolos de elementos contidos na mesma, onde você pode encontrar, por exemplo, ''C'' de carbono ou ''Fe'' de ferro.
Este símbolos químicos são muito úteis nas nossas aulas de química pois eles representam o nome do elemento em apenas uma ou duas letras.
C de carbono, Fe de ferro e Br de bromo faz todo o sentindo, mas e no caso desses 12 símbolos de elementos abaixo:

Na
K
Cu
Ag
Au
Hg
W
Pb
P
S
Sb
Tm

Vamos ver seus nomes em português?

Na: Sódio
K: Potássio
Cu: Cobre
Ag: Prata
Au: Ouro
Hg: Mercúrio
W: Tungstênio
Pb: Chumbo
P: Fósforo
S: Enxofre
Sb: Antimônio
Tm: Túlio

O que seus respectivos nomes tem a ver com seus símbolos? O que tem a ver o antimônio ter como símbolo químico 'Sb'? 
Estes 12 elementos talvez sejam os mais difíceis para os alunos decorarem de início, pois seus símbolos químicos não tem nada a ver com seus respectivos nomes.
Vamos descobrir nesta postagem do porquê destes 12 elementos terem seus símbolos tão diferente de seus nomes:

Na (Sódio) vem de Natrium em latim;
K (Potássio) vem de Kallium em latim;
Cu (Cobre) vem de Cuprum em latim;
Ag (Prata) vem de Argento ou do latim: 'Argentum';
Au (Ouro) vem de Aurum que em latim significa ''brilhante'';
Hg (Mercúrio) vem de Hidrargírio do grego latinizado 'Hidrargyrum' que significa ''prata líquida'';
W (Tungstênio) vem de Wolfrânio em línguas germânicas (lê-se o ''w'' com som de ''v'');
Pb (Chumbo) vem de Plumbum em latim;
P (Fósforo) vem de Phosphorus em grego que significa ''portador de luz'';
S (Enxofre) vem de Sulphur em latim;
Sb (Antimônio) vem de Estíbio ou em latim 'Stibium';
Tm (Túlio) vem de Thules em grego.

A maioria dos elementos químicos foram nomeados em grego ou em latim, e por conta disso alguns elementos tem símbolos diferentes de seus nomes em português, como visto mais acima.

Número de oxidação (NOX) e balanceamento por oxirredução

O que é Número de Oxidação (NOX) e Oxirredução? 
Quando falamos de número de oxidação (NOX) referente a compostos iônicos estamos nos referindo às cargas dos mesmos.
Oxirredução é a reação da distribuição de elétrons entre compostos iônicos.
Quando um elemento está em seu estado neutro, ele contém carga (NOX) igual a zero.
Um átomo pode estar em seu estado neutro quando este possui o número de prótons igual ao número de elétrons, ou seja, o átomo não será nem positivo nem negativo, pois as cargas opostas numa mesma quantidade se anulam.
Caso o átomo tenha um número diferente entre os elétrons e prótons, ele passa a ser um íon.
Sendo o íon positivo (mais prótons do que elétrons) um cátion, enquanto o íon negativo (mais elétrons do que prótons), um ânion.
O átomo que transfere seus elétrons aumenta sua carga positiva pois ele se livra de cargas negativas, por tanto, dizemos que ele oxidou, aumentou seu NOX.
Por exemplo, no caso do Cálcio: Como ele pertence a família IIA na tabela periódica, conclui-se que ele possui 2 elétrons em sua camada de valência, e como metal ele irá transferir seus elétrons da camada de valência para de estabilizar.
Seu átomo neutro, ou seja, o Cálcio no estado metálico, ao oxidar fica com carga positiva, pois ele ficou com 2 prótons (carga positiva) a mais que a quantidade de elétrons (carga negativa) em seu núcleo. 
A reação química pode ser escrita da seguinte forma:




O cálcio ao oxidar em meio aquoso (Aq) se torna um cátion com carga +2 e perde 2 elétrons (2e-).


Um átomo que recebe elétrons diminui sua carga positiva, por tanto, quando algum átomo passa a receber elétrons podemos dizer que ele reduziu seu NOX.
Para demonstrar a reação de redução, vamos tomar como exemplo o cloro (Cl).
Ao receber elétrons por ser um ametal, ele passa de estado neutro e se torna um ânion, pois recebeu carga negativa.
O cloro como halogênio pertence a família VIIA na tabela periódica, portanto, para ficar estável ele precisa receber apenas 1 elétron:



Por fim, oxidação é a perda de carga negativa e redução é o aumento de cargas negativas (elétrons).

Em compostos iônicos é muito simples encontrar suas respectivas cargas, como por exemplo, no caso do óxido de alumínio:



O que você deve simplesmente fazer para encontrar suas cargas (NOX) é inverter seus índices atômicos.
No caso do alumínio, ele tem índice atômico 2. Passe este índice como número de oxidação para o oxigênio, com o sinal de negativo.
No caso do oxigênio, seu índice atômico é 3. Faça o mesmo, passe este índice como NOX do alumínio com o sinal de positivo. (Isso porque as cargas dos cátions vem na frente).
Fazendo isso, você logo descobre as cargas dos elementos na ligações iônicas:



Veja mais um exemplo, o seleneto de sódio:



Basta inverter seus índices atômicos, lembrando que o cátion (carga positiva) vem na frente:



Pois bem, você constatou que encontrar as cargas (NOX) dos elementos numa ligação iônica não é tão difícil assim, certo? É só inverter seus índices atômicos, passando-os como expoentes de oxidação para o elemento ao lado, mas isso no caso de compostos iônicos com apenas dois elementos na fórmula, porém, como faríamos para encontrar as cargas de todos os elementos de uma substância composta, como por exemplo:



Como faríamos? Veja abaixo:


NOX Fixos dos elementos:
Alguns elementos já possuem seus números de oxidação (NOX) fixos, veja:

Elementos pertencentes ao grupo dos metais alcalinos + a prata, possuem sempre o NOX +1:

Metais alcalinos: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr => NOX: +1
Prata (Ag) => NOX: +1

Os elementos pertencentes ao grupo dos metais alcalinos terrosos + o zinco possuem o NOX +2:

Metais alcalinos terrosos: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra => NOX: +2
Zinco (Zn) => NOX: +2

O alumínio (Al) tem NOX: +3

Os elementos do grupo dos calcogênios quando estão na extremidade direita da fórmula possuirão NOX -2

Calcogênios: S, Se, Te, Po => NOX: -2

Os elementos do grupo dos halogênios possuem nox -1 quando se encontram na extremidade direita da fórmula:

Halogênios: F, Cl, Br, I, At => NOX: -1

O hidrogênio (H) também terá NOX +1 na maioria dos casos. Este elemento só não terá seu NOX igual a +1 quando ele estiver acompanhado de um único metal, alcalino ou terroso (hidretos metálicos), exemplo:



Nesse caso em particular, o NOX do sódio será +1 e do hidrogênio -1.

Outro exemplo?



Nesta ligação iônica, o magnésio terá NOX +2 e o hidrogênio -2.
Logo, em hidretos metálicos, o hidrogênio terá a carga inversa do metal alcalino ou alcalino terroso que ele está ligado.

Portanto:
Hidrogênio (H) => NOX: +1 (exceto nos casos dos hidretos metálicos)

O oxigênio por pertencer ao grupo dos calcogênios normalmente terá seu NOX -2, onde quer que ele esteja na reação.
Com apenas três exceções:

Ligações com o flúor, por exemplo:



E em presença dos peróxidos e superóxidos.
Nestes casos, o NOX do oxigênio será respectivamente: -1 e -1/2.

Por fim:
Oxigênio (O) => NOX: -2 (exceto nas reações com flúor, peróxidos e superóxidos) 


Número de oxidações variáveis:
Você conheceu os NOXs fixos de vários elementos, porém ainda existem alguns elementos que dependem da reação química para estabelecerem seu número de oxidação, ou seja, estes elementos não possuem um NOX fixo, dependendo da reação seu número de oxidação pode variar.
Para encontrarmos os NOXs de alguns elementos em determinadas reações, devemos seguir alguns critérios:

1. Elementos no estado neutro possuem NOX 0;
2. Substâncias compostas possuem o somatório de todos os NOXs dos elementos igual a zero;
3. Íons compostos possuem o somatório dos NOXs igual a carga do íon;
4. Íons simples possuem o NOX igual sua carga.

Seguindo essas regras podemos descobrir o NOX de qualquer elemento numa reação ou o de um átomo de uma substância em específico, vejamos alguns exemplos:



Preste atenção: Nesta substância temos três elementos, sendo eles: Potássio, Bromo e Oxigênio.
Como é uma substância composta, sabemos que o somatório dos NOXs destes elementos será = 0, ou seja:

NOX_K + NOX_Br + NOX_O = 0

Como o potássio pertence ao grupo dos alcalinos, ele possui NOX fixo +1.

1 + NOX_Br + NOX_O = 0

O Bromo é um halogênio e teria NOX -1, mas ele não se encontra na extremidade direita da fórmula, portanto seu NOX vai depender desta substância, então chamaremos seu NOX de ''x'':

1 + x + NOX_O = 0

O Oxigênio por sua vez não está entre suas exceções, portanto terá seu NOX como sendo -2:

1 + x + (-2) = 0

Não se esqueça que não temos apenas um átomo de potássio, mas sim 2! O que você deve fazer em casos como este é multiplicar o índice atômico do elemento, pelo seu NOX:

(2*1) + x - (-2) = 0

E isso vale para o Oxigênio também, pois temos 7 átomos do mesmo nesta substância:

(2*1) + x + 7(-2) = 0

Agora basta resolver a equação do primeiro grau:

2 + x - 14 = 0
x - 12 = 0
x = 12

Portanto o NOX do Bromo nesta reação é igual a +12.
O NOX do potássio é 2*1 = 2
O NOX do oxigênio é 7*-2 = -14.

Ou seja, as cargas ficarão da seguinte forma:




Quer ver mais? E no caso do ácido fosfórico:



Não é um hidreto metálico então o hidrogênio tem NOX +1, multiplicando pelo seu índice atômico, teremos:

3(1) +

O fósforo não tem NOX fixo, como não sabemos seu valor, chamaremos de x:

3(1) + x +

O NOX do oxigênio será -2 pois ele não está entre suas exceções, multiplique seu NOX pelo seu índice atômico e tenha:

3(1) + x + 4(-2)

Tudo isso igual a zero:

3(1) + x + 4(-2) = 0

Agora é só resolver:

3(1) + x + 4(-2) = 0
3 + x - 8 = 0
x - 5 = 0
x = 5

O NOX do fósforo na substância do ácido fosfórico é +5.
Os NOXs do hidrogênio e oxigênio nesta substância serão respectivamente:
+3 e - 8, logo as cargas ficam assim:





Veremos outro exemplo:




Sabemos que o NOX do alumínio é +3 e do oxigênio -2, então não sabemos o NOX do enxofre:

(3*2) + 3x + 12(-2) = 0

6 + 3x - 24 = 0
3x - 18 = 0
3x = 18
x = 18/3
x = 6

NOX do enxofre nesta substância: +6

NOX do enxofre: 6*3 = + 18
NOX do alumínio: 3*2 = + 6
NOX do oxigênio: 12*-2 = -24

As cargas na substância:





Variação de oxidação:
A variação de oxidação (representada pela letra grega delta: Δ)acontece quando um determinado elemento aumenta ou diminui seu NOX. Estes casos ocorrem geralmente em função a uma reação química, veja um exemplo:

Calcule a variação de oxidação do cloro na reação abaixo:



Vamos calcular primeiramente os NOXs de todos os elementos que contenham o cloro: Uma substância por vez:

KClO3:

1 + x + 3(-2) = 0
1 + x - 6 = 0
x - 5 = 0
x = 5

O NOX do Cloro nesta substância é +5

Vejamos agora na próxima substância:

KCl:

Temos o cloro na extremidade direita da fórmula, portanto seu NOX é -1:

Isso significa que o Cloro tinha no início da reação NOX +5 e passou a ter NOX -1.
Para calcular sua variação de oxidação basta subtrair seu NOX inicial pelo seu NOX final:

Δ = 5 - (-1) = 6

Como no final das contas ele acabou com mais cargas negativas, ele sofreu uma variação de redução, esta redução foi de 6.

Continua...