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Poder Polarizante

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Teoria

Polaridade das Ligações

A gente já conversou um pouco sobre ligações iônicas e sobre ligações covalentes.

Mas só de olhar pra fórmula de um composto, a gente sabe dizer se ele é iônico ou covalente?

Eu não to falando de NaCl!!! Eu to falando de um Ga2O3, PbI2, SiO2...

Dá pra saber?

Dá! E é isso que a gente vai ver agora.

Num capítulo muito distante, a gente falou um pouco sobre eletronegatividade. A gente disse que ela é a tendência que um átomo tem em atrair para si os elétrons envolvidos numa ligação.

E seu Linus Pauling mediu a eletronegatividade dos elementos e lançou uma tabela com esses valores. (Químicos adoram tabelas).

E o que que isso tem a ver com a polaridade das ligações?

Seguinte: a gente sabe que a ligação é feita por elétrons. Vamos considerar que esses elétrons estão ali entre os átomos envolvidos na ligação.

  • Se os dois átomos envolvidos na ligação tem a mesma eletronegatividade, eles atraem os elétrons da ligação de forma semelhante.
  • Se um deles tem mais eletronegatividade que o outro, ele puxa os elétrons mais pra si, e a gente diz que ele “deslocaliza a nuvem de elétrons” na direção dele.
  • Se a diferença de eletronegatividade for, realmente, bem grande, a nuvem de elétrons fica tão concentrada num único átomo, que a gente considera que o outro átomo doou/perdeu os elétrons pra ele.

Se você fizer as contas para a diferença de eletronegatividade desses caras ai de cima, que a gente usou como exemplo, vai achar 0 pro H 2   ( 2,1 - 2,1 = 0 ), 0,7 pro HBr ( 2,1 - 2,8 = 0,7 ) e 1,9 para o NaBr ( 0,9 - 2,8 = 1,9 ).

Não existe um suuuper consenso, mas de um modo geral a galera classifica uma ligação como iônica, quando a diferença de eletronegatividade entre os átomos envolvidos na ligação é maior do que 1,7.

Quando a nuvem eletrônica está deslocada, automaticamente a gente vai ter um pólo negativo onde a nuvem está mais concentrada e um pólo positivo onde a gente tem uma maior ausência de elétrons.

Por isso, sempre que existir diferença de eletronegatividade entre os átomos, a ligação é chamada polar.

O pólo positivo é representado por δ + e o pólo negativo, por δ - .

Pra representar a polaridade de uma ligação, usamos um vetor momento dipolo. Esse vetor parte do polo positivo para o pólo negativo da molécula (acompanhando o sentido de deslocamento da nuvem eletrônica) e o tamanho dele indica a intensidade da polaridade.

Atenção!

Muitas vezes as ligações são polares, mas a molécula é apolar.

Isso ocorre, por exemplo, para a molécula de C O 2 .

A ligação C = O é polar e a diferença de eletronegatividade entre C e O é de 1,0.

Mas um momento dipolo anula o outro, numa soma de vetores iguais com sentidos contrários. E a molécula é apolar, embora as ligações sejam polares.

Pra prever isso aí, a gente precisa saber a geometria da molécula. E isso é assunto pra outro capítulo.

Atenção de novo!

O composto HF, embora a diferença de eletronegatividade fique maior que 1,7 ( 2,1 - 4,0 = 1,9 ), é classificado como covalente. É aquela história né.. nada é 100% iônico ou 100% covalente.

Sem dúvidas esse cara tem características intermediárias. Mas uma teoria pra explicar o porquê do comportamento dele se “mais covalente que iônico” é o fato de que H e F são muito pequenos. Mesmo que o flúor super atraia os elétrons pra si, eles ainda estão muito próximos do H e a ligação segue com caráter covalente!

Regra de Fajans: Poder Polarizante e Polarizabilidade

Se tem íon, a ligação é iônica certo?

É.. mas a gente ainda pode discutir “o quão iônica essa ligação é”.

A gente acabou de ver que uma das formas de avaliar isso é pela eletronegatividade.

Mas seu Fajans resolveu ver as coisas de outra forma: a partir do poder polarizante e da polarizabilidade dos íons.

Pensa aí numa nuvem de elétrons. Se ela for muito “dura”, tiver muito presa num núcleo, é difícil de polarizar ela, de puxar ela em alguma direção. Já se ela for mais solta, mais mole, polarizar ela fica mais fácil. Isso é a polarizabilidade: a facilidade que a nuvem de elétrons de um átomo é movida/puxada.

O poder polarizante, por sua vez, tem a ver com quem tá tentando “puxar a nuvem”. Um cara super positivo, com eletrosfera pequena, puxa a nuvem mais fácil do que um que tem uma carga positiva pequena. A gente diz que ele tem poder polarizante maior.

Embora ambos os termos se apliquem tanto para cátions como para ânions, normalmente falamos do poder polarizante de cátions e da polarizabilidade de ânions.

Então um ânion muito polarizável, tem sua eletrosfera mais solta. A nuvem de elétrons ao redor dele é bem flexível.

E um cátion com alto poder polarizante, tem alta capacidade de puxar essa nuvem mucho loka do ânion.

E por que isso é importante?

Na ligação iônica mais pura, a nuvem eletrônica tá toda com o ânion. Ele pegou os elétrons de um outro átomo (que virou um cátion) pra si e pronto.

Mas se o ânion for muito polarizável e o cátion muito polarizante, essa nuvem começa a ser puxada em direção ao cátion, e a ligação vai ficando parecida com uma ligação covalente, afinal a nuvem eletrônica fica mais espalhada entre os dois átomos, como num compartilhamento.

O poder polarizante e a polarizabilidade são indicadores do grau de covalência de uma ligação iônica.

Tanto o poder polarizante quanto a polarizabilidade dependem do raio iônico e da carga iônica.

Por exemplo: pensa em dois cátions com a mesma carga +2, um com raio grandão e outro com raio pequenininho. No cara de raio pequeno, essa carga nuclear está mais “exposta”, a eletrosfera é menor, o núcleo desse cátion fica mais perto do ânion. Por isso, o cátion de raio pequeno tem poder polarizante maior. É mais fácil pra ele puxar os elétrons de um ânion próximo.

Agora pensa aí num ânion de carga -1 e num ânion de carga -3. Vamos supor que eles tem o mesmo raio. Um ânion com carga -3 tem 3 elétrons em excesso. Naturalmente os elétrons dele tendem a ficar mais soltos, ou seja, ele é mais polarizável.

Fajans não é um cara tão mau assim. Ele não largou essa e saiu correndo, não. O cara tentou deixar as coisas mais simples pra gente e lançou 4 regrinhas básicas pra nos ajudar:

  1. Um cátion pequeno favorece a covalência.
  2. Um ânion grande favorece a covalência.
  3. Carga elevada (em módulo), em qualquer um dos íons, favorece a covalência.
  4. O poder polarizante de cátions sem a configuração de gases nobres favorece a covalência.

E a gente também não vai largar as regras e sair correndo. Bora entender cada regrinha juntos:

1) Um cátion pequeno favorece a covalência porque no cátion pequeno essa carga positiva tá mais concentrada, mais forte. Se ele é pequeno, significa que ele tem menos camadas na eletrosfera, portanto o núcleo dele consegue se aproximar mais da nuvem eletrônica e puxar mais ela. Se o cátion tá puxando mais a nuvem, o caráter covalente da ligação ta crescendo.

2) Ânions grandes favorecem a covalência porque eles são altamente polarizáveis. Nesses caras os elétrons da periferia ficam tão afastados do próprio núcleo que acabam sendo facilmente atraídos por outros núcleos. Nuvem eletrônica saindo do ânion aumenta o caráter covalente.

3) A carga elevada deixa o cátion mais polarizante e o ânion mais polarizável e, por isso, aumenta a covalência.

4) A quarta regrinha é um pouco mais complicada. Os cátions sem configuração de gás nobre são os metais de transição. Esse caras estão em períodos mais baixos da tabela periódica, onde existem muitos orbitais do tipo d e f ocupados. Orbitais do tipo d e f não são bons em blindar a carga nuclear. Por isso a carga nuclear desses caras, menos blindada, se torna mais “efetiva”. É como se o cátion fosse mais forte, puxando mais os elétrons de ânions vizinhos que fiquem de bobeira.

Se tá tudo confuso, se acalma! Vem com a gente resolver uns exercícios que vai ficar tudo mais tranquilo 😊

Regra de Fajans: Poder Polarizante e Polarizabilidade

E por que isso é importante?

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Um tipo de ligação química pode ser classificada de acordo com a diferença de eletronegatividade dos componentes que a formam. Com base nisto, classifique as seguintes ligações em iônicas, covalente polares ou covalentes apolares.

a) N a - C l

b) B r - B r

c) H - B r

d) C l - C a - C l     ( C a C l 2 )

e) C H 4

f) N 2

g) H 3 C - C H 2 - C H 2 - C H 3

h) L i - F

i) I - I

j) O 2

k)   H 2 O

l) H - F

Passo 1

A gente vai precisar da tabela com os valores de eletronegatividade dos elementos e calcular a diferença de eletronegatividade entre os átomos envolvidos na ligação.

Se a diferença (em módulo) de eletronegatividade entre os átomos da ligação for igual a zero, a ligação é covalente apolar, se estiver entre 0 e 1,7 ela é covalente polar e se for maior que 1,7, ela será iônica.

Vamos usar χ pra falar de eletronegatividade, valeu?

Passo 2

a) χ N a - χ C l = 0,9 - 3,0 = 2,1 Ligação iônica

b) χ B r - χ B r = 2,8 - 2,8 = 0 Ligação covalente apolar

c) χ H - χ B r = 2,1 - 2,8 = 0,7 Ligação covalente polar

d) χ C l - χ C a = 3,0 - 1,0 = 2,0 Ligação iônica

e) A molécula tem 4 ligações do tipo C-H

χ C - χ H = 2,5 - 2,1 = 0,4 Ligação covalente polar

f) χ N - χ N = 3,0 - 3,0 = 0 Ligação covalente apolar

g) Ligações C-H

χ C - χ H = 2,5 - 2,1 = 0,4 Ligação covalente polar

Ligações C-C

χ C - χ C = 2,5 - 2,5 = 0 Ligação covalente apolar

h) χ L i - χ F = 1,0 - 4,0 = 3,0 Ligação iônica

i) χ I - χ I = 2,5 - 2,5 = 0 Ligação covalente apolar

j) χ O - χ O = 3,5 - 3,5 = 0 Ligação covalente apolar

k) A molécula tem 2 ligações do tipo O-H

χ O - χ H = 3,5 - 2,1 = 1,4 Ligação covalente polar

l) χ H - χ F = 2,1 - 4,0 = 1,9 Ligação covalente polar (exceção)

Resposta

a) Ligação iônica

b) Ligação covalente apolar

c) Ligação covalente polar

d) Ligação iônica

e) Ligação covalente polar

f) Ligação covalente apolar

g) Ligação covalente polar (C-H) e apolar (C-C)

h) Ligação iônica

i) Ligação covalente apolar

j) Ligação covalente apolar

k) Ligação covalente polar

l) Ligação covalente polar (exceção)

Exercício Resolvido #2

Quem é mais iônico, NaCl ou KCl? Utilize as diferenças de eletronegatividade para justificar sua resposta.

Passo 1

Ele quer saber “quem é mais iônico” entre NaCl e o   KCl .

O que a gente sabe é que, quanto maior a diferença de eletronegatividade entre os dois átomos envolvidos na ligação, mais os elétrons estarão concentrados em um átomo. Mais semelhante com um ânion esse cara cheio dos elétrons vai ficar e mais catiônico o outro será = maior o caráter iônico da ligação, certo?

Vamos ver aí a eletronegatividade do Na, do K e do Cl:

χ N a = 0,9

χ K = 0,8

χ C l = 3,0

Passo 2

Beleza, vamos ver as diferenças de eletronegatividade agora:

χ N a - χ C l = 0,9 - 3,0 = 2,1

χ K - χ C l = 0,8 - 3,0 = 2,2

Passo 3

E o que que a gente pode concluir?

Como, no KCl a diferença de eletronegatividade é maior, os elétrons estarão “menos compartilhados”. A nuvem eletrônica está muito deslocada no sentido do cloro (cloreto) e a ligação tem alto caráter iônico.

Na prática, a diferença entre o NaCl e o KCl é muito pequena. Mas, apenas pelo estudo das eletronegatividades, a ligação existente no KCl é mais iônica que a ligação existente no NaCl.

Resposta

KCl

Exercício Resolvido #3

Quem é mais iônico, NaCl ou KCl? Utilize as regras de Fajans para justificar sua resposta.

Passo 1

O primeiro passo é dar uma olhada nas regras de Fajans né.

  1. Um cátion pequeno favorece a covalência.
  2. Um ânion grande favorece a covalência.
  3. Carga elevada (em módulo), em qualquer um dos íons, favorece a covalência.
  4. O poder polarizante de cátions sem a configuração de gases nobres favorece a covalência.

Passo 2

O segundo passo é entender quais regras vão ser importantes pra nós.

Olha só.

  1. Um cátion pequeno favorece a covalência.
  2. Você ainda lembra de como o raio atômico/iônico muda ao longo da tabela periódica?

    Bem, Na e K estão na mesma família (a dos metais alcalinos). Na no terceiro período e K no quarto.

    Como o K tá no quarto período da mesma família, ele tem um nível preenchido a mais na eletrosfera, então ele é maior (maior raio).

    Como a regra diz que cátion pequeno favorece a covalência, o Na (que é menor) vai favorecer a covalência mais do que o K.

  3. Um ânion grande favorece a covalência.
  4. Tá bom, é verdade. Mas os dois compostos que a gente tá analisando tem o mesmo ânion. Então se o cloreto favorece a covalência, ele vai favorecer nos dois. Se ele desfavorece, ele vai desfavorecer nos dois.

    Essa regra não é importante para essa análise.

  5. Carga elevada (em módulo) favorece a covalência.
  6. Pois é, mas nos dois compostos que estamos analisando, todo mundo tem carga ± 1 . Então não existe diferença, nesse quesito, entre KCl e NaCl.

  7. O poder polarizante de cátions sem a configuração de gases nobres favorece a covalência.

Também não estamos interessados. Tanto o Na+ quanto o K+ são cátions com a configuração de gás nobre. Quer ver?

N a + : 1 s 2   2 s 2   2 p 6     11  

K + : 1 s 2   2 s 2   2 p 6   3 s 2   3 p 6   19  

N e   : 1 s 2   2 s 2   2 p 6 10  

A r   : 1 s 2   2 s 2   2 p 6   3 s 2   3 p 6   18  

Passo 3

Bem, parece que a única regra que realmente nos importa pra esse caso é a 1ª.

E por ela a gente concluiu que o KCl é mais iônico que o NaCl.

Resposta

KCl

Exercício Resolvido #4

A distância inter-nuclear na molécula de H C l é de 1,275   Å e o momento de dipolo elétrico medido é de 1,03   D e b y e . Com base nesta informação, determine o caráter iônico da ligação covalente H - C l .

Passo 1

Para calcular o caráter iônico de uma ligação covalente, a gente compara o momento dipolo elétrico real com aquele que ela teria caso fosse iônica.

Para o H C l , foi dado no enunciado que:

μ r e a l = 1,03   D e b y e

O cálculo do momento dipolo elétrico iônico é dado por:

μ i ô n i c o = Z . e . d

Esse Z e d aí será a carga elétrica de 1 elétron que teria sido deslocado do hidrogênio para o cloro, pela distância d i ô n i c o = 1,275   Å = 1,275 . 10 - 10 m , que é a distância entre os átomos.

Passo 2

Bora calcular o μ i ô n i c o então:

μ i ô n i c o = Z . e . d i ô n i c o

μ i ô n i c o = 1   .   1,602.1 0 - 19   .   1,275 . 10 - 10

μ i ô n i c o = 2,04 . 10 - 29   C . m

μ i ô n i c o = 2,04 . 10 - 29   C . m   .   1   D e b y e 3,336 . 10 - 30 C . m = 6,12   D e b y e

Passo 3

E agora só falta calcular o caráter iônico da ligação, que é dado por:

μ r e a l μ i ô n i c o = 1,03 6,12 = 16,8 %

Logo, a ligação entre H e C l no H C l tem caráter 16,8 % iônico.

Resposta

16,8 %

Exercício Resolvido #5

A distância inter-nuclear na molécula HBr é de 1,413 Å e o momento de dipolo elétrico medido é de 0,78 Debye. Determine:

a) O pólo positivo e o polo negativo da molécula.

b) A localização do centro de carga positiva da molécula.

c) A localização do centro de carga negativa da molécula.

d) O caráter iônico da ligação covalente H-Br.

Passo 1

a) Onde estão os pólos positivo e negativos da molécula?

Vamos ver a eletronegatividade do H e do B r :

χ H = 2,1

χ B r = 2,8

Como o bromo é mais eletronegativo que o hidrogênio, a nuvem eletrônica (negativa) vai ser mais puxada na direção do B r , fazendo com que o polo positivo da molécula fique no H .

O polo negativo, então, vai ser o B r , né? Onde a nuvem eletrônica vai estar mais concentrada.

E a representação do dipolo é dada por:

Passo 2

b) Para o estudo do centro de carga positiva a gente vai estudar apenas as cargas positivas presentes na molécula: as cargas nucleares.

Olha só, a carga nuclear ( Z ) do hidrogênio é 1 e a do B r é 35.

Achar o centro de carga positiva é achar em que ponto da ligação a gente consegue separar 50% da carga positiva para cada lado:

Como a carga nuclear total é 36 e:

1 36 . 100 = 2,78 %               35 36 . 100 = 97,22 %

A gente diz que o centro da carga positiva está a 97,22% de distância do H. Ou seja, se a ligação tivessem 100 cm de distância, o centro da carga positiva seria no ponto 97,22 cm, contando a partir do H.

Como a ligação tem 1,413 Å de distância:

97,22 100 . 1,413 = 1,374   Å

O centro da carga positiva está 1,374 Å distante do H.

Passo 3

c) Para calcular o centro positivo foi OK porque a gente sabe exatamente onde a carga positiva está. O mesmo não acontece com a carga negativa (os elétrons).

Caso a ligação fosse completamente covalente, o hidrogênio estaria compartilhando seu único elétron (e ficando com zero elétrons “nele”) e o B r estaria compartilhando 1 elétron (e ficando com 34 elétrons nele.

A nossa representação seria assim:

Com aquele - 2 (dos dois elétrons compartilhados), bem no meio da ligação.

Mas essa nuvem de elétrons (-2) está sendo puxada em direção ao B r , que é mais eletronegativo.

Para saber onde fica o centro da carga positiva, então, a gente vai precisar da seguinte fórmula:

μ = Z . e . d

Onde μ é o valor do dipolo da molécula, que foi dado no enunciado como 0,78   D e b y e (sendo 1   D e b y e = 3,336.10 - 30 C . m ), Z é a carga nuclear total da molécula (36), e é a carga do elétron, dada por 1,602.10 - 19   C e d é a distância entre o centro de carga positiva e o centro de carga negativa.

Como sabemos a posição do centro de carga positiva, sabendo d , podemos descobrir a posição do centro de carga negativa!

Passo 4

Vamos calcular d então:

μ = Z . e . d

d = μ Z . e = 0,78   .   3,336 . 10 - 30 36   .   1,602 . 10 - 19 = 4,512 . 10 - 13   m = 0,0045   Å

Como a gente determinou que o centro da carga positiva estava a 1,374 Å do hidrogênio, o centro de carga negativa estará a:

1,374 + 0,004 = 1,378   Å

1,378 Å de distância do hidrogênio.

Passo 5

d) Pra determinar o caráter iônico da ligação H B r , a gente compara o momento dipolar real da molécula, com aquele que ela teria caso fosse puramente iônica.

Se ela fosse completamente iônica, o centro da carga positiva estaria exatamente no H e o centro da carga negativa estaria exatamente no B r . Logo, a distância entre os centros seria a distância entre os átomos:

d i ô n i c o = 1,413   Å = 1,413 . 10 - 10   m

E o Z utilizado é Z = 1 pois estamos considerando que apenas 1 elétron foi deslocado do hidrogênio para o B r .

Assim, para o momento dipolo:

μ i ô n i c o = Z . e . d i ô n i c o

μ i ô n i c o = 1   .   1,602.1 0 - 19   .   1,413 . 10 - 10

μ i ô n i c o = 2,264 . 10 - 29   C . m

μ i ô n i c o = 2,264 . 10 - 29   C . m   .   1   D e b y e 3,336 . 10 - 30 C . m = 6,78   D e b y e

E o caráter iônico da ligação é dado por:

μ r e a l μ i ô n i c o = 0,78 6,78 = 11,5 %

Logo, a ligação entre H e B r no H B r tem caráter 11,5% iônico.

Resposta

a) Polo positivo: H; pólo negativo: Br.

b) Centro da carga positiva: 1,374 Å do H

c) Centro da carga negativa: 1,378 Å do H

d) 11,5 %

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