International Baccalaureate · IB Diploma · Chemistry · SL · Tópico 6
Este material didático aborda Estrutura 2.1, o modelo iônico, para o curso avaliado pela primeira vez em 2025. Todo o conteúdo é SL e HL.
Pré-requisitos: configurações eletrônicas e grupos da tabela periódica de Estrutura 1.3. Você usará valores de entalpia reticular do caderno de dados.
Inserir eletrodos em sal de mesa sólido não gera corrente. Fundir o sal ou dissolvê-lo em água permite a condução imediata. Nada foi adicionado: as mesmas partículas estão presentes. O modelo iônico explica isso com uma ideia: o sal é composto por partículas carregadas presas no sólido e livres no líquido.
Um íon é um átomo ou grupo de átomos com carga elétrica. Átomos formam íons perdendo ou ganhando elétrons até alcançar configuração estável, geralmente a de um gás nobre.
Em um composto iônico, os elétrons perdidos pelo metal são os ganhos pelo não metal, de modo que a carga total é zero.
Para elementos dos grupos principais, o número do grupo indica a carga:
| Grupo | 1 | 2 | 13 | 15 | 16 | 17 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Elétrons perdidos ou ganhos | perde 1 | perde 2 | perde 3 | ganha 3 | ganha 2 | ganha 1 |
| Carga do íon | $+1$ | $+2$ | $+3$ | $-3$ | $-2$ | $-1$ |
| Exemplo | $\text{Li}^{+}$ | $\text{Mg}^{2+}$ | $\text{Al}^{3+}$ | $\text{N}^{3-}$ | $\text{O}^{2-}$ | $\text{F}^{-}$ |
Elementos de transição podem formar íons com cargas diferentes, portanto o nome indica a carga em algarismo romano: ferro(II) é $\text{Fe}^{2+}$ e ferro(III) é $\text{Fe}^{3+}$; cobre(I) é $\text{Cu}^{+}$ e cobre(II) é $\text{Cu}^{2+}$.
Um íon poliatômico é um conjunto de átomos ligados covalentemente que possui uma carga líquida. Aprenda estes:
| Íon | Fórmula | Íon | Fórmula |
|---|---|---|---|
| amônio | $\text{NH}_4^{+}$ | carbonato | $\text{CO}_3^{2-}$ |
| hidróxido | $\text{OH}^{-}$ | bicarbonato | $\text{HCO}_3^{-}$ |
| nitrato | $\text{NO}_3^{-}$ | sulfato | $\text{SO}_4^{2-}$ |
| fosfato | $\text{PO}_4^{3-}$ |
| English | Português |
|---|---|
| ionic model/aɪˈɒnɪk ˈmɒdl/ | modelo iônico |
| ion/ˈaɪɒn/ | íon |
| cation/ˈkætaɪən/ | cátion |
| anion/ˈænaɪən/ | ânion |
| transition element/trænˈsɪʃn ˈelɪmənt/ | elemento de transição |
| polyatomic ion | íon poliatômico |
| ionic bond/aɪˈɒnɪk bɒnd/ | ligação iônica |
| electrostatic attraction/ɪˌlektrəʊˈstætɪk əˈtrækʃn/ | atração eletrostática |
| electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ | eletronegatividade |
Uma ligação iônica é a atração eletrostática entre íons de cargas opostas. A atração atua em todas as direções, de modo que cada íon atrai todos os íons de carga oposta ao seu redor, não apenas um único parceiro.
A ligação iônica ocorre entre elementos com grande diferença de eletronegatividade: tipicamente um metal à esquerda da tabela periódica e um não metal à direita. Quanto maior a diferença, mais iônica é a ligação. (Estrutura 2.4 mostra a ligação como uma escala, não três caixas separadas.)
A fórmula mostra a razão mais simples de íons que resulta em carga total zero.
| Íons | Balanceamento | Fórmula | Nome |
|---|---|---|---|
| $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$ | $1 \times (+1) + 1 \times (-1) = 0$ | NaCl | cloreto de sódio |
| $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Cl}^{-}$ | $1 \times (+2) + 2 \times (-1) = 0$ | $\text{MgCl}_2$ | cloreto de magnésio |
| $\text{Al}^{3+}$, $\text{O}^{2-}$ | $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ | $\text{Al}_2\text{O}_3$ | óxido de alumínio |
| $\text{Ca}^{2+}$, $\text{NO}_3^{-}$ | $1 \times (+2) + 2 \times (-1) = 0$ | $\text{Ca(NO}_3)_2$ | nitrato de cálcio |
| $\text{NH}_4^{+}$, $\text{SO}_4^{2-}$ | $2 \times (+1) + 1 \times (-2) = 0$ | $(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$ | sulfato de amônio |
Nomeie o cátion primeiro, depois o ânion. Um ânion simples termina em -eto: cloreto, óxido, nitreteto, sulfeto. Um íon poliatômico mantém seu próprio nome: sulfato, nitrato. Indique a carga de um metal de transição com algarismo romano: $\text{FeCl}_3$ é cloreto de ferro(III).
Compostos iônicos não formam moléculas. Os íons se empacotam em uma disposição regular e repetitiva tridimensional chamada rede. A fórmula NaCl fornece apenas a razão de íons, 1 : 1, não uma molécula.
No cloreto de sódio, cada íon $\text{Na}^{+}$ é circundado por seis íons $\text{Cl}^{-}$, e cada íon $\text{Cl}^{-}$ por seis íons $\text{Na}^{+}$.
A entalpia reticular é a variação de entalpia quando um mol de um composto iônico sólido é separado em seus íons gasosos:
Quebrar as atrações sempre exige energia, portanto a entalpia reticular é sempre positiva (endotérmica). Um valor maior indica ligação iônica mais forte.
Dois fatores determinam seu tamanho, pois a atração entre dois íons é maior quando as cargas são maiores e os íons estão mais próximos:
| Composto | Íons | Entalpia reticular / $\text{kJ mol}^{-1}$ | Motivo |
|---|---|---|---|
| KCl | $\text{K}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$ | 720 | $\text{K}^{+}$ é maior que $\text{Na}^{+}$ |
| NaCl | $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$ | 790 | referência |
| NaF | $\text{Na}^{+}$, $\text{F}^{-}$ | 930 | $\text{F}^{-}$ é menor que $\text{Cl}^{-}$ |
| MgO | $\text{Mg}^{2+}$, $\text{O}^{2-}$ | 3791 | ambas as cargas dobram |
Exemplo resolvido. Explique por que o óxido de magnésio funde em $2852\ ^{\circ}\text{C}$ mas o cloreto de sódio funde em $801\ ^{\circ}\text{C}$.
Ambos são retículos iônicos gigantes, então fundir significa superar as atrações eletrostáticas entre íons. $\text{Mg}^{2+}$ e $\text{O}^{2-}$ têm o dobro das cargas de $\text{Na}^{+}$ e $\text{Cl}^{-}$, além de serem menores. Assim, a atração entre os íons é muito mais forte, a entalpia reticular é muito maior (3791 contra $790\ \text{kJ mol}^{-1}$), e mais energia é necessária para separar os íons.
| English | Português |
|---|---|
| lattice/ˈlætɪs/ | rede cristalina |
| lattice enthalpy | entalpia reticular |
| volatility/ˌvɒləˈtɪlɪti/ | volatilidade |
Para explicar qualquer propriedade, nomeie a estrutura, as partículas, as forças entre elas e se há partículas carregadas móveis.
| Propriedade | Comportamento típico | Explicação |
|---|---|---|
| ponto de fusão e ebulição | alto; baixa volatilidade | muitas atrações eletrostáticas fortes em um retículo gigante devem ser superadas |
| condutividade elétrica | nenhuma no estado sólido; conduz quando fundido ou em solução | íons estão fixos no sólido; podem mover-se e transportar carga quando fundidos ou dissolvidos |
| solubilidade | geralmente solúvel em água, insolúvel em solventes apolares como hexano | moléculas polares de água atraem e circundam os íons; moléculas apolares não conseguem |
| fragilidade | estilhaça ao ser atingido | um impacto desloca uma camada fazendo com que cargas iguais fiquem alinhadas e se repelam |
Observe que um composto iônico conduz eletricidade através do movimento de íons, não de elétrons. A eletrólise de um sal fundido demonstra isso: os íons migram para os eletrodos e são descarregados ali.
Uma propriedade isolada raramente prova uma estrutura. Um sólido covalente gigante como o dióxido de silício também tem ponto de fusão muito alto, e algumas substâncias moleculares simples dissolvem-se em água. Procure pelo padrão completo: ponto de fusão alto, e não condução no estado sólido, e condução quando fundido.
Exemplo resolvido. A Substância X funde-se a $801\ ^{\circ}\text{C}$, não conduz no estado sólido, conduz quando fundida e dissolve-se em água. A Substância Y funde-se a $60\ ^{\circ}\text{C}$ e não conduz nem no estado sólido nem no líquido. Qual é iônica?
X encaixa em todas as partes do padrão iônico: ponto de fusão alto devido a fortes atrações na rede, e condução apenas quando os íons estão livres para se mover. Y não: seu baixo ponto de fusão e falta de condução sugerem uma substância molecular simples com forças fracas entre moléculas neutras.
Compare solid, molten and dissolved NaCl. The same ions can be held at lattice sites or mobile; reversing the field changes their drift, not their charge.
Respostas.
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