A ligação química é um conceito que se refere às forças de atração que se manifestam nos níveis molecular e atômico . Uma distinção é geralmente feita entre ligações químicas intramoleculares e ligações químicas intermoleculares:

  • Ligação química intramolecular : são as forças de atração entre átomos e íons que os mantêm unidos para formar moléculas. Eles são produzidos com a troca de elétrons entre os átomos ligados. Por exemplo, a ligação covalente e a ligação iônica . Eles são mais fortes do que as ligações intermoleculares.
  • Ligações químicas intermoleculares : são as forças de atração entre as moléculas . Devem-se principalmente a forças eletrostáticas. Por exemplo, ligações de hidrogênio ou forças de dispersão de London.

Modelos de ligação química

O conceito de ligação química é muito complexo e existem várias teorias que tentam explicar sua formação e características. É muito comum falar sobre a regra do octeto para explicar por que ocorre a ligação química. Segundo esta regra, a formação da ligação química ocorre segundo um princípio básico da química segundo o qual todo sistema tende a evoluir para uma situação de menor energia e mais estável. Essa situação nos átomos ocorreria quando cada átomo tivesse 8 elétrons em seu orbital externo, assim como os gases nobres, elementos cujos átomos são tão estáveis que não reagem entre si e átomos isolados podem ser encontrados existindo naturalmente.

Embora a regra do octeto possa ajudar a prever a formação de uma ligação química, ela é, na verdade, uma aproximação ou simplificação teórica , assim como a teoria da repulsão do par de elétrons da camada de valência (TREPEV).

As qualidades da ligação e os efeitos na matéria são geralmente explicados através da eletrostática, enquanto a formação de ligações intramoleculares são explicadas principalmente pela teoria da ligação de valência e a teoria dos orbitais moleculares sem que nenhuma delas tenha sido dada definitivamente.

Teoria da ligação de valência

Essa teoria foi formulada em 1927 por Heitler e London com base na ideia proposta por Lewis em 1916 segundo a qual uma ligação química é formada pela interação conjunta de dois elétrons compartilhados por dois núcleos atômicos . Heitler e London propuseram a ideia de que os elétrons que participam das ligações são os elétrons de valência , ou seja, os elétrons do último nível de energia. Existem elementos que podem existir com diferentes números de elétrons de valência, o que é explicado por diferentes estados de oxidação , pois no final o número de oxidação representaria o mesmo que a valência atômica.

A ligação química seria um processo no qual dois átomos compartilham elétrons de valência para completar seu último nível de energia e assim alcançar uma situação mais estável . Os elétrons são compartilhados por orbitais atômicos sobrepostos, e a hibridização e ressonância desses orbitais podem ocorrer. Os gases nobres têm valência zero porque têm seu último nível de energia completo e, portanto, sua reatividade praticamente zero, e são os únicos elementos que existem naturalmente como átomos isolados.

A chamada teoria moderna de ligação de valência substitui a sobreposição de orbitais atômicos pela sobreposição de orbitais de ligação de valência , orbitais que se espalham pela molécula e geralmente são vistas como uma teoria complementar à teoria orbital molecular; cada um pode explicar e prever mais diretamente algumas propriedades e características das ligações químicas. Por exemplo, a teoria da ligação de valência prediz o comportamento de moléculas diatômicas homonucleares (H 2 , O 2 , F 2 , etc.) de uma maneira muito mais exata do que a teoria orbital molecular.

A teoria dos orbitais moleculares

Na teoria dos orbitais moleculares, a sobreposição de orbitais entre dois átomos é substituída por sua combinação linear para formar orbitais que cobrem toda a molécula e nos quais estariam localizados os elétrons que participam da ligação. Segundo essa teoria, tantos orbitais moleculares são formados quanto orbitais atômicos são combinados e cada um inclui vários núcleos, geralmente apenas 2.

A teoria orbital molecular prediz melhor o comportamento espectroscópico, magnético e de ionização das moléculas em geral. Também descreve melhor as moléculas pentavalentes, ligações metálicas e sistemas deficientes de elétrons.

Atualmente as duas teorias são consideradas aproximações de uma teoria melhor, a interação de configurações completas . Esta teoria combina de forma linear todas as configurações eletrônicas possíveis do sistema; quer seja aplicada à teoria das ligações de valência, quer seja aplicada à teoria dos orbitais moleculares, a mesma função de onda é alcançada, portanto as duas teorias são consideradas aproximações dessa função de onda. A teoria da ligação de valência é considerada uma aproximação de ligação localizada e a teoria orbital molecular é uma aproximação deslocalizada.

Tipos de ligação química

As ligações químicas podem ser classificadas em dois grandes grupos, ligações químicas intramoleculares e ligações químicas intermoleculares, cada uma com vários subtipos.

Ligações químicas intramoleculares

Essas ligações são o que mantém os átomos juntos dentro de uma molécula . Os três tipos principais são a ligação covalente, a ligação iônica e a ligação metálica.

Ligação covalente

Hidrogênio – ligação covalente de carbono

A ligação covalente é formada quando os elétrons são compartilhados entre dois núcleos . Geralmente, participa um número par de elétrons, freqüentemente 2, 4 ou 6, uma vez que a energia molecular costuma ser menor quando em um orbital há dois elétrons emparelhados com spin oposto. A ligação covalente pode ser simples, dupla, tripla, quádrupla, … dependendo da participação de 2, 4, 6, … elétrons. Nenhum dos átomos dá elétrons ao outro átomo, a carga líquida de cada átomo e da molécula como um todo é neutra .

Se os elétrons são atraídos igualmente pelos dois núcleos, as cargas são distribuídas uniformemente na molécula. Porém, quando um dos átomos tem maior eletronegatividade , ele atrai mais os elétrons da ligação para si, desviando o centro da carga; o resultado é uma molécula eletricamente neutra, mas com uma distribuição de carga não simétrica que é medida pelo momento de dipolo.

As ligações covalentes entre átomos com uma diferença de eletronegatividade maior que 0,4 são frequentemente chamadas de ligações covalentes polares porque produzem uma distribuição não homogênea de cargas. Na realidade, todas as ligações covalentes são polares, exceto se ocorrerem entre átomos iguais que, tendo uma eletronegatividade semelhante, formam uma ligação covalente apolar com distribuição de carga homogênea.

Um tipo especial de ligação covalente é a ligação dativa ou covalente coordenada , na qual o par de elétrons envolvidos na ligação vem de um único átomo. Outros tipos de ligação covalente são ligações aromáticas, ligações de um e três elétrons, ligações flexíveis ou ligações deficientes de elétrons (ligação 2-centro-3-elétron (2c-3e) e ligação 3-centro-4-elétron (3c-4e) )

Ligação iônica

Ligação iônica NaF (sódio – flúor)

A ligação iônica é devida à atração eletrostática entre dois átomos que possuem uma grande diferença na eletronegatividade, como dois íons de carga oposta . Um valor exato da diferença de eletronegatividade que produz uma ligação iônica não é conhecido, mas uma diferença maior que 2 é geralmente citada como o limite além do qual as ligações iônicas são formadas; abaixo de 1,7 ligações covalentes polares se formariam.

As características da ligação iônica podem ser explicadas através da formação de um ânion (íon carregado negativamente) e um cátion (íon carregado positivamente) ou como se fosse uma ligação covalente entre dois átomos com uma diferença de eletronegatividade tão alta que um átomo desiste um elétron para o átomo mais eletronegativo.

Ligação metálica

A ligação metálica ocorre quando um conjunto de átomos compartilha elétrons deslocalizados entre todos eles. Se a ligação metálica for comparada com a ligação iônica, na ligação iônica a localização das cargas é estática, enquanto na ligação metálica não, que é responsável pela condutividade elétrica de muitos metais.

Vínculo vibracional

A ligação vibracional é um tipo de ligação que foi proposta no início da década de 1980 e que ocorre quando um átomo muito leve vibra rapidamente entre dois outros de massa muito superior e sua existência tem sido muito discutida, mas ainda não aceita. Recentemente, em estudo publicado em 10 de 2014, foram obtidos dados que podem confirmar sua existência conforme observado na reação entre Muônio e Bromo .

Muônio é um átomo exótico que consiste em um núcleo formado por uma única partícula de antimuon (carga positiva, é a antipartícula do muon) orbitada por um elétron. Isso torna o muônio ainda mais leve que o prótio , o isótopo mais leve do hidrogênio. Quando o muônio está entre dois átomos de bromo muito mais pesados, o muônio transcende entre os dois vibrando rapidamente, reduzindo a energia total do sistema e ligando os átomos de bromo (BrMuBr). Essa ligação peculiar explicaria por que a reatividade dessa molécula diminui com o aumento da temperatura. Mais estudos sobre o elo vibracional são necessários para corroborar sua existência e verificar se também poderia ocorrer entre outros elementos distintos.

Ligações químicas intermoleculares

As ligações intermoleculares são formadas por forças de atração entre duas moléculas . Os quatro tipos principais são dipolo-dipolo e seus tipos, a ligação de hidrogênio, as forças de dispersão de London e a interação cátion-pi. Essas ligações são responsáveis ​​por muitas das características das substâncias, por exemplo, o ponto de fusão.

Dipolo-dipolo

Quando dois átomos são unidos com uma grande diferença na eletronegatividade, a carga na molécula é distribuída de forma assimétrica. Os elétrons que participam da ligação ficarão mais próximos do átomo mais eletronegativo, produzindo uma carga parcial negativa da molécula nesta área e uma carga parcial positiva na área oposta. Esta molécula com uma carga líquida neutra, mas uma distribuição de carga assimétrica, é conhecida como dipolo . Duas ou mais dessas moléculas podem interagir entre si por meio de forças eletrostáticas; por exemplo, dois dipolos atrairão um ao outro como áreas com abordagem de carga parcial oposta. Essas forças eletrostáticas também podem ocorrer entre um dipolo e outras partículas carregadas, por exemplo, íons.

Um tipo de interação dipolo-dipolo é a interação entre um dipolo permanente e o que é conhecido como dipolo induzido . Algumas moléculas não apresentam características de dipolo por si mesmas, mas a força eletrostática exercida por um dipolo (dipolo permanente) pode gerar uma distribuição de carga assimétrica na outra molécula, formando o dipolo induzido.

Ligação de hidrogênio

Aumente o hidrogênio na molécula de água

A chamada ponte ou ponte de hidrogênio é, na verdade, uma forte interação dipolo-dipolo . Ocorre em moléculas formadas pela união de hidrogênio e oxigênio, nitrogênio ou flúor. Entre o hidrogênio e qualquer um desses elementos, há uma grande diferença de eletronegatividade que causa um alto momento de dipolo responsável por fortes interações eletrostáticas entre as moléculas. Por exemplo, a ligação de hidrogênio é responsável pelo alto ponto de ebulição da água em relação às moléculas análogas mais pesadas, uma vez que mais energia é necessária para superar a ligação de hidrogênio e separar as moléculas de água de modo que se tornem vapor.

Forças de dispersão de Londres

Como a distribuição da carga dos elétrons não é uniforme em todos os momentos em relação ao núcleo, há sempre uma certa distribuição assimétrica das cargas em torno de um átomo, formando dipolos instantâneos que podem induzir um dipolo nas moléculas vizinhas, daí as forças de dispersão de Londres também são conhecidas como forças dipolo induzidas por dipolo instantâneas . Esses tipos de interação são muito fracos em comparação com outras interações intermoleculares e se manifestam até mesmo em moléculas apolares. Quanto maior o tamanho da molécula, as forças de dispersão de London se tornam mais intensas, pois é possível formar dipolos instantâneos com mais facilidade. Eles são considerados um tipo de forças var der Waals.

Interação cátion-pi

Interação cátion-pi entre benzeno e sódio

A interação cátion-pi (pode ser vista como cátion-π) é a interação que aparece entre moléculas ricas em elétrons localizadas nos orbitais pi e um cátion (íon carregado positivamente). Por exemplo, benzeno e hidrocarbonetos aromáticos em geral são sistemas ricos em elétrons em orbitais pi que podem interagir com íons positivos como Li + ou Na +. A intensidade dessas interações pode se tornar semelhante a uma ligação de hidrogênio e, como a ligação de hidrogênio, têm um papel muito importante na natureza, por exemplo, a interação cátion-pi é muito importante na estrutura das proteínas e na atividade enzimática.