Ligações, estrutura e propriedades da matéria

• Três tipos de ligações químicas fortes mantêm átomos ou íons unidos: iônica (atração entre íons de cargas opostas), covalente (pares de elétrons compartilhados) e metálica (elétrons deslocalizados).
• A estrutura segue a ligação: retículos iônicos gigantes, moléculas pequenas, polímeros, redes de estrutura covalente gigante e retículos metálicos — cada um prevê ponto de fusão e condutividade.
• O carbono mostra todas as variações: diamante, grafite, grafeno, fullerenos; nanopartículas (apenas química) transformam área superficial em propriedades.

Três tipos fortes de ligações químicas, todos explicados por forças eletrostáticas:

• Iônico — a ligação é atração eletrostática entre íons de cargas opostas. Durante a formação, um átomo metálico transfere elétrons externos para um não-metal: átomos metálicos perdem elétrons para se tornarem íons positivos; átomos não-metálicos ganham-nos para se tornarem íons negativos; Metais dos Grupos 1/2 e Não-metais dos Grupos 6/7 formam íons com estruturas eletrônicas de gases nobres. Desenhe a transferência de elétrons com diagramas de pontos e cruzes; deduzir as cargas iônicas a partir do número do grupo (Grupo 1 → +1, Grupo 2 → +2, Grupo 6 → −2, Grupo 7 → −1).
• Covalente — átomos não metálicos compartilham pares de elétrons. Conheça os diagramas de pontos e cruzes para H₂, Cl₂, O₂, N₂, HCl, H₂O, NH₃, CH₄, e representações lineares para moléculas pequenas, unidades repetitivas de polímeros e estruturas covalentes gigantes.
• Metálica — uma estrutura regular gigante de íons metálicos positivos com elétrons externos deslocalizados livres para se mover por toda a estrutura; o compartilhamento desses elétrons confere forte ligação metálica.

Conheça as limitações dos modelos: pontos e cruzes, bola e pau, diagramas 2D e 3D simplificam — forças não são desenhadas, paus sugerem espaços entre partículas tocantes, um desenho plano não mostra completamente a disposição 3D, e uma estrutura gigante é representada apenas por um fragmento. Deduza fórmulas empíricas a partir de modelos de rede; fórmulas moleculares a partir de diagramas de moléculas.

Construa um diagrama eletrônico e, em seguida, verifique-o

Para uma molécula pequena, adicione os elétrons externos de cada átomo. Escolha pares compartilhados para que o hidrogênio tenha dois elétrons ao redor e os outros átomos nomeados tenham oito. Adicione os elétrons restantes como pares de elétrons soltos. Pontos e cruzes registram a origem dos elétrons; os próprios elétrons são idênticos. Uma ligação simples compartilha dois elétrons, uma dupla quatro, uma tripla seis.

Método resolvido: água. O oxigênio fornece seis elétrons de valência e dois átomos de hidrogênio fornecem um cada: total oito. Dois pares compartilhados O–H usam quatro elétrons. Os outros quatro formam dois pares de elétrons livres no oxigênio. Todo hidrogênio tem dois elétrons ao seu redor; o oxigênio tem oito. O desenho plano dos elétrons não estabelece a forma espacial 3D da molécula.

Método resolvido: cloreto de magnésio. O Mg começa com 2,8,2 e perde dois elétrons, tornando-se Mg²⁺ com configuração 2,8. Dois átomos de cloro começam com 2,8,7 e ganham um elétron cada, formando dois íons Cl⁻ com configuração 2,8,8. Desenhe colchetes e cargas ao redor de cada íon. Cada cloreto tem sete elétrons originais e um elétron ganhado. Um diagrama de elétrons de valência pode deixar a terceira camada anterior do Mg vazia; isso não significa que o íon não contém elétrons.

A fórmula segue o equilíbrio de carga: um Mg²⁺ precisa de dois íons Cl⁻, logo MgCl₂. Um fragmento de rede com 6 íons positivos para cada 12 íons negativos tem razão mais simples 1:2. Não leia Mg₆Cl₁₂ como a fórmula de uma molécula individual: a estrutura iônica é gigante. Uma aresta finita de um desenho também pode distorcer contagens aparentes; use o padrão repetitivo e as cargas.

Uma representação linear substitui cada par compartilhado por uma linha. A água é H–O–H, o oxigênio é O=O e o nitrogênio N≡N. Pares de elétrons livres são omitidos nessas fórmulas lineares. Em um polímero, uma unidade repetitiva entre colchetes representa uma pequena seção de uma cadeia muito longa ligada covalentemente; ligações de continuação atravessam os colchetes. Em um diagrama de rede covalente gigante, as ligações continuam além do fragmento em uma rede, em vez de parar em uma molécula individual.

Estados da matéria: sólido, líquido, gasoso; fusão/congelação no ponto de fusão, ebulição/condensação no ponto de ebulição. A teoria das partículas (pequenas esferas sólidas) explica as mudanças; quanto mais fortes as forças entre partículas, maiores os pontos de fusão/ebulição. (HT) Limitações do modelo simples: nenhuma força mostrada, todas as esferas, partículas sólidas. Símbolos de estado: (s), (l), (g), (aq).

Moléculas maiores → forças intermoleculares mais fortes → pontos de fusão/ebulição mais altos. Ligas metálicas são mais duras que metais puros porque átomos de tamanhos diferentes distorcem as camadas, impedindo que deslizem.

Prever um estado e explicar uma mudança

Na pressão especificada, uma substância pura é sólida abaixo do ponto de fusão, líquida entre os pontos de fusão e ebulição, e gasosa acima do ponto de ebulição. Em uma temperatura de transição, dois estados podem coexistir. Exemplo resolvido: X funde-se a −15 °C e ferve a 65 °C. É sólido a −30 °C, líquido a 20 °C e gasoso a 90 °C. Um número de temperatura sozinho não é suficiente sem os dados de transição do material.

Em um sólido, as partículas vibram em torno de posições fixas. Durante a fusão, elas ganham energia suficiente para passar umas pelas outras, mas permanecem próximas. Durante a ebulição, as partículas se separam muito mais à medida que as atrações são superadas. O resfriamento inverte essas mudanças e transfere energia para o ambiente. As partículas não expandem para formar átomos maiores ao aquecer. Um átomo individual não possui ponto de fusão, dureza ou condutividade de uma amostra macroscópica: essas propriedades dependem de um conjunto de partículas e sua estrutura.

Use uma explicação causal: estrutura → força ou portador de carga → propriedade. Um portador de carga em movimento transporta corrente elétrica. Para o NaCl sólido, íons com cargas opostas atraem-se fortemente em todas as direções, exigindo muita energia para fundir. Seus íons estão fixos, portanto não conduzem. O NaCl fundido mantém íons carregados, mas estes se movem e transportam carga. Em um metal, elétrons deslocalizados móveis transportam carga no estado sólido; em um líquido molecular pequeno, moléculas neutras em movimento sozinhas não transportam corrente elétrica.

Comparação resolvida: uma cadeia polimérica tem fortes ligações covalentes ao longo dela. Atrações intermoleculares relativamente fortes entre as grandes cadeias tornam os polímeros comuns sólidos à temperatura ambiente. Amolecer o polímero não exige quebrar todas as ligações covalentes ao longo de cada cadeia. Em uma rede covalente gigante como a sílica, fortes ligações covalentes se estendem por toda a estrutura, assim muitas ligações devem ser superadas para fundi-la. Estas são estruturas diferentes, embora ambas contenham ligações covalentes.

Camadas de metal puro podem deslizar enquanto a atração metálica permanece. Átomos de tamanhos diferentes em uma liga distorcem as camadas regulares, tornando o deslizamento mais difícil. Isso explica o aumento da dureza; não significa que todos os metais puros são facilmente riscados ou que uma liga não possui elétrons móveis.

• Diamante — estrutura covalente gigante na qual cada carbono forma quatro ligações covalentes: muito duro, ponto de fusão muito alto, não conduz.
• Grafite — cada carbono forma três ligações, camadas de anéis hexagonais com nenhuma ligação covalente entre camadas (macio, escorregadio — lubrificante); um elétron deslocalizado por átomo → conduz eletricidade como um metal.
• Grafeno — uma camada única de grafite: um átomo de espessura, resistente, condutor — eletrônicos e compósitos.
• Fullerenos — moléculas ocas de hexágonos de carbono (mais 5- ou 7-membered rings); Buckminsterfullereno C₆₀ é esférico. Nanotubos de carbono — fullerenos cilíndricos com grandes razões de comprimento/diâmetro: nanotecnologia, eletrônicos, materiais.

Nanociência = estruturas 1–100 nm; as menores têm ordem de grandeza de algumas centenas de átomos. Tamanho da partícula e número de átomos são quantidades diferentes. Nanopartículas são menores que partículas finas (PM2.5, 100–2500 nm), que são menores que partículas grossas/poeira (PM10 nesta especificação, 2.5 × 10⁻⁶–1 × 10⁻⁵ m).

Área superficial : volume: quando o lado de um cubo diminui 10×, a AS:V aumenta 10×. Nanopartículas podem ter propriedades diferentes do material macroscópico devido a essa alta razão — catalisadores (menores quantidades funcionam), entrega de medicamentos, cosméticos, eletrônicos. Preocupações: efeitos no corpo humano e no ambiente ainda não são totalmente conhecidos.

Compare quantidades iguais, não apenas uma partícula

Para um cubo modelo de lado $l$, área de superfície $A=6l^2$ e volume $V=l^3$, logo $A/V=6/l$. O quociente tem unidade de comprimento inverso. Exemplo resolvido: um cubo de 100 nm tem $A=60\,000\ \mathrm{nm^2}$, $V=1\,000\,000\ \mathrm{nm^3}$ e $A/V=0.06\ \mathrm{nm^{-1}}$. Um cubo de 10 nm tem $A=600\ \mathrm{nm^2}$, $V=1000\ \mathrm{nm^3}$ e $A/V=0.6\ \mathrm{nm^{-1}}$: dez vezes maior. O cubo individual menor tem menos área, mas o mesmo volume total dividido em cubos menores tem mais área exposta total.

Um nanômetro equivale a $10^{-9}$ m. Uma partícula de 20 nm tem $2.0\times10^{-8}$ m de diâmetro, cerca de 100 vezes o diâmetro de 0.2 nm de um átomo típico (raio cerca de 0.1 nm). Não é um único átomo grande. Um cubo de 0.2 nm ficaria abaixo da faixa de nanopartículas especificada, logo não é um exemplo adequado de nanopartícula.

Avalie as informações fornecidas. Suponha que massas iguais de um material removem o mesmo poluente em 12 minutos como nanopartículas e 40 minutos na forma bruta. A forma nano testada atua mais rápido; maior área exposta por massa é uma explicação plausível. Este resultado sozinho não prova que um produto para pele é seguro, barato ou ambientalmente inofensivo. Pese o benefício declarado contra a exposição, possíveis efeitos à saúde/ambientais e os limites das evidências. Pergunte quais medições adicionais resolveriam a incerteza particular. Não afirme que todas as nanopartículas penetram na pele ou que todas são nocivas.

• As três ligações em termos de elétrons e forças eletrostáticas; cargas iônicas baseadas nos grupos da tabela periódica.
• Diagramas de pontos e cruzes para as oito moléculas nomeadas; limitações dos modelos citadas.
• A tabela de propriedades acima reconstruída de memória — quais forças são superadas na fusão.
• Diamante vs grafite vs grafeno vs fullerenos, ligação para propriedade; aplique este raciocínio a um uso desconhecido.
• (Química) Regra do fator de AS:V por 10; as três faixas de tamanho de partícula e usos e preocupações com nanopartículas.