2.6: Compostos moleculares e iônicos

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Objetivos de

Definir compostos iônicos e moleculares (covalentes)
Preveja o tipo de composto formado a partir de elementos com base em sua localização na tabela periódica
Determine fórmulas para compostos iônicos simples

Nas reações químicas comuns, o núcleo de cada átomo (e, portanto, a identidade do elemento) permanece inalterado. Os elétrons, no entanto, podem ser adicionados aos átomos por transferência de outros átomos, perdidos por transferência para outros átomos ou compartilhados com outros átomos. A transferência e o compartilhamento de elétrons entre os átomos governam a química dos elementos. Durante a formação de alguns compostos, os átomos ganham ou perdem elétrons e formam partículas eletricamente carregadas chamadas íons (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): (a) Um átomo de sódio (Na) tem números iguais de prótons e elétrons (11) e não está carregado. (b) Um cátion de sódio (Na ⁺) perdeu um elétron, então ele tem mais um próton (11) do que elétrons (10), dando a ele uma carga positiva geral, representada por um sinal de mais sobrescrito.

Você pode usar a tabela periódica para prever se um átomo formará um ânion ou um cátion, e muitas vezes você pode prever a carga do íon resultante. Os átomos de muitos metais do grupo principal perdem elétrons suficientes para deixá-los com o mesmo número de elétrons que um átomo do gás nobre anterior. Para ilustrar, um átomo de um metal alcalino (grupo 1) perde um elétron e forma um cátion com uma carga 1+; um metal alcalino-terroso (grupo 2) perde dois elétrons e forma um cátion com uma carga 2+, e assim por diante. Por exemplo, um átomo de cálcio neutro, com 20 prótons e 20 elétrons, perde rapidamente dois elétrons. Isso resulta em um cátion com 20 prótons, 18 elétrons e uma carga de 2 ou mais. Tem o mesmo número de elétrons que os átomos do gás nobre anterior, argônio, e é simbolizado por Ca ² ⁺. O nome de um íon metálico é o mesmo do átomo de metal do qual ele se forma, então Ca ² ⁺ é chamado de íon cálcio.

Quando átomos de elementos não metálicos formam íons, eles geralmente ganham elétrons suficientes para lhes dar o mesmo número de elétrons que um átomo do próximo gás nobre na tabela periódica. Os átomos do grupo 17 ganham um elétron e formam ânions com uma carga 1−; átomos do grupo 16 ganham dois elétrons e formam íons com uma carga 2−, e assim por diante. Por exemplo, o átomo de bromo neutro, com 35 prótons e 35 elétrons, pode ganhar um elétron para fornecer 36 elétrons. Isso resulta em um ânion com 35 prótons, 36 elétrons e uma carga de 1. Tem o mesmo número de elétrons que os átomos do próximo gás nobre, criptônio, e é simbolizado por Br ⁻. (Uma discussão sobre a teoria que apóia o status preferido dos números de elétrons de gases nobres refletidos nessas regras preditivas para a formação de íons é fornecida em um capítulo posterior deste texto.)

Observe a utilidade da tabela periódica para prever a provável formação e carga de íons (Figura\(\PageIndex{2}\)). Movendo-se da extrema esquerda para a direita na tabela periódica, os elementos do grupo principal tendem a formar cátions com uma carga igual ao número do grupo. Ou seja, os elementos do grupo 1 formam 1+ íons; os elementos do grupo 2 formam 2+ íons e assim por diante. Movendo-se da extrema direita para a esquerda na tabela periódica, os elementos geralmente formam ânions com uma carga negativa igual ao número de grupos movidos para a esquerda dos gases nobres. Por exemplo, os elementos do grupo 17 (um grupo à esquerda dos gases nobres) formam 1− íons; o grupo 16 elementos (dois grupos restantes) formam 2− íons, e assim por diante. Essa tendência pode ser usada como guia em muitos casos, mas seu valor preditivo diminui quando se move em direção ao centro da tabela periódica. Na verdade, metais de transição e alguns outros metais geralmente apresentam cargas variáveis que não são previsíveis por sua localização na tabela. Por exemplo, o cobre pode formar íons com uma carga 1+ ou 2+, e o ferro pode formar íons com uma carga 2+ ou 3+.

Figura\(\PageIndex{2}\): Alguns elementos exibem um padrão regular de carga iônica quando formam íons.

Exemplo\(\PageIndex{1}\): Composition of Ions

Um íon encontrado em alguns compostos usados como antitranspirantes contém 13 prótons e 10 elétrons. Qual é seu símbolo?

Solução

Como o número de prótons permanece inalterado quando um átomo forma um íon, o número atômico do elemento deve ser 13. Saber disso nos permite usar a tabela periódica para identificar o elemento como Al (alumínio). O átomo de Al perdeu três elétrons e, portanto, tem três cargas positivas a mais (13) do que elétrons (10). Este é o cátion de alumínio, Al ³ ⁺.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Dê o símbolo e o nome do íon com 34 prótons e 36 elétrons.

Responda: Se ² ⁻, o íon seleneto

Exemplo\(\PageIndex{2}\): Formation of Ions

Magnésio e nitrogênio reagem para formar um composto iônico. Preveja o que forma um ânion, qual forma um cátion e as cargas de cada íon. Escreva o símbolo de cada íon e nomeie-o.

Solução

A posição do magnésio na tabela periódica (grupo 2) nos diz que é um metal. Os metais formam íons positivos (cátions). Um átomo de magnésio deve perder dois elétrons para ter o mesmo número de elétrons que um átomo do gás nobre anterior, o néon. Assim, um átomo de magnésio formará um cátion com dois elétrons a menos que prótons e uma carga de 2+. O símbolo do íon é Mg ² ⁺ e é chamado de íon magnésio.

A posição do nitrogênio na tabela periódica (grupo 15) revela que ele não é metálico. Os não-metais formam íons negativos (ânions). Um átomo de nitrogênio deve ganhar três elétrons para ter o mesmo número de elétrons que um átomo do seguinte gás nobre, o néon. Assim, um átomo de nitrogênio formará um ânion com três elétrons a mais do que prótons e uma carga de 3−. O símbolo do íon é N ³⁻ e é chamado de íon nitreto.

Exercício\(\PageIndex{2}\)

O alumínio e o carbono reagem para formar um composto iônico. Preveja o que forma um ânion, qual forma um cátion e as cargas de cada íon. Escreva o símbolo de cada íon e nomeie-o.

Responda: Al formará um cátion com uma carga de 3+: Al ³ ⁺, um íon de alumínio. O carbono formará um ânion com uma carga de 4−: C ⁴⁻, um íon de carboneto.

Os íons que discutimos até agora são chamados de íons monoatômicos, ou seja, são íons formados a partir de apenas um átomo. Também encontramos muitos íons poliatômicos. Esses íons, que atuam como unidades discretas, são moléculas eletricamente carregadas (um grupo de átomos ligados com uma carga geral). Alguns dos íons poliatômicos mais importantes estão listados na Tabela\(\PageIndex{1}\). Os oxiânions são íons poliatômicos que contêm um ou mais átomos de oxigênio. Neste ponto de seu estudo da química, você deve memorizar os nomes, fórmulas e cargas dos íons poliatômicos mais comuns. Como você os usará repetidamente, eles logo se tornarão familiares.

Tabela\(\PageIndex{1}\): Íons poliatômicos comuns
Nome	Fórmula	Ácido relacionado	Fórmula
amônio	\(\ce{NH4+}\)
hidrônio	\(\ce{H_3O^+}\)
óxido	\(\ce{O^{2-}}\)
peróxido	\(\ce{O_2^{2-}}\)
hidróxido	\(\ce{OH^-}\)
acetato	\(\ce{CH_3COO^-}\)	ácido acético	\(\ce{CH_3COOH}\)
cianeto	\(\ce{CN^-}\)	ácido cianídrico	\(\ce{HCN}\)
azida	\(\ce{N_3^-}\)	ácido hidrazóico	\(\ce{HN_3}\)
carbonato	\(\ce{CO_3^{2-}}\)	ácido carbônico	\(\ce{H_2CO_3}\)
bicarbonato	\(\ce{HCO_3^-}\)
nitrato	\(\ce{NO_3^-}\)	ácido nítrico	\(\ce{HNO_3}\)
nitrito	\(\ce{NO_2^-}\)	ácido nitroso	\(\ce{HNO_2}\)
sulfato	\(\ce{SO_4^{2-}}\)	ácido sulfúrico	\(\ce{H_2SO_4}\)
sulfato de hidrogênio	\(\ce{HSO_4^-}\)
sulfito	\(\ce{SO_3^{2-}}\)	ácido sulfuroso	\(\ce{H_2SO_3}\)
sulfito de hidrogênio	\(\ce{HSO_3^-}\)
fosfato	\(\ce{PO_4^{3-}}\)	ácido fosfórico	\(\ce{H_3PO_4}\)
fosfato de hidrogênio	\(\ce{HPO_4^{2-}}\)
dihidrogenofosfato	\(\ce{H_2PO_4^-}\)
perclorato	\(\ce{ClO_4^-}\)	ácido perclórico	\(\ce{HClO_4}\)
clorato	\(\ce{ClO_3^-}\)	ácido clórico	\(\ce{HClO_3}\)
clorito	\(\ce{ClO_2^-}\)	ácido cloroso	\(\ce{HClO_2}\)
hipoclorito	\(\ce{ClO^-}\)	ácido hipocloroso	\(\ce{HClO}\)
cromato	\(\ce{CrO_4^{2-}}\)	ácido crômico	\(\ce{H_2CrO_4}\)
dicromato	\(\ce{Cr_2O_7^{2-}}\)	ácido dicrômico	\(\ce{H_2Cr_2O7}\)
permanganato	\(\ce{MnO_4^-}\)	ácido permangânico	\(\ce{HMnO_4}\)

Observe que existe um sistema para nomear alguns íons poliatômicos; -ate e -ite são sufixos que designam íons poliatômicos contendo mais ou menos átomos de oxigênio. Per- (abreviação de “hiper”) e hipo- (que significa “abaixo”) são prefixos que significam mais átomos de oxigênio do que -ate e menos átomos de oxigênio do que -ite, respectivamente. Por exemplo, perclorato é\(\ce{ClO4-}\), clorato é\(\ce{ClO3-}\), clorito é\(\ce{ClO2-}\) e hipoclorito é ClO ⁻. Infelizmente, o número de átomos de oxigênio correspondentes a um determinado sufixo ou prefixo não é consistente; por exemplo, nitrato é\(\ce{NO3-}\) enquanto sulfato é\(\ce{SO4^{2-}}\). Isso será abordado com mais detalhes no próximo módulo sobre nomenclatura.

A natureza das forças de atração que mantêm átomos ou íons juntos dentro de um composto é a base para classificar a ligação química. Quando os elétrons são transferidos e os íons se formam, surgem ligações iônicas. Ligações iônicas são forças eletrostáticas de atração, ou seja, as forças de atração experimentadas entre objetos de carga elétrica oposta (neste caso, cátions e ânions). Quando os elétrons são “compartilhados” e as moléculas se formam, surgem ligações covalentes. Ligações covalentes são as forças atrativas entre os núcleos carregados positivamente dos átomos ligados e um ou mais pares de elétrons localizados entre os átomos. Os compostos são classificados como iônicos ou moleculares (covalentes) com base nas ligações presentes neles.

Compostos iônicos

Quando um elemento composto por átomos que rapidamente perdem elétrons (um metal) reage com um elemento composto por átomos que rapidamente ganham elétrons (um não metal), geralmente ocorre uma transferência de elétrons, produzindo íons. O composto formado por essa transferência é estabilizado pelas atrações eletrostáticas (ligações iônicas) entre os íons de carga oposta presentes no composto. Por exemplo, quando cada átomo de sódio em uma amostra de metal sódico (grupo 1) libera um elétron para formar um cátion sódio, Na ⁺, e cada átomo de cloro em uma amostra de gás cloro (grupo 17) aceita um elétron para formar um ânion cloreto, Cl ⁻, o composto resultante, NaCl, é composto por íons sódio e íons cloreto na proporção de um íon Na ⁺ para cada íon Cl ⁻. Da mesma forma, cada átomo de cálcio (grupo 2) pode liberar dois elétrons e transferir um para cada um dos dois átomos de cloro para formar CaCl ₂, que é composto de íons Ca ² ⁺ e Cl ⁻ na proporção de um íon Ca ² ⁺ para dois íons Cl ⁻.

Um composto que contém íons e é mantido unido por ligações iônicas é chamado de composto iônico. A tabela periódica pode nos ajudar a reconhecer muitos dos compostos que são iônicos: quando um metal é combinado com um ou mais não metais, o composto geralmente é iônico. Essa diretriz funciona bem para prever a formação de compostos iônicos para a maioria dos compostos normalmente encontrados em um curso introdutório de química. No entanto, nem sempre é verdade (por exemplo, cloreto de alumínio, AlCl ₃, não é iônico).

Muitas vezes, você pode reconhecer compostos iônicos por causa de suas propriedades. Os compostos iônicos são sólidos que normalmente derretem em altas temperaturas e fervem em temperaturas ainda mais altas. Por exemplo, o cloreto de sódio derrete a 801° C e ferve a 1413° C (como comparação, o composto molecular água derrete a 0° C e ferve a 100° C). Na forma sólida, um composto iônico não é eletricamente condutor porque seus íons são incapazes de fluir (“eletricidade” é o fluxo de partículas carregadas). Quando derretido, no entanto, ele pode conduzir eletricidade porque seus íons são capazes de se mover livremente pelo líquido (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): O cloreto de sódio derrete a 801° C e conduz eletricidade quando derretido. (crédito: modificação do trabalho de Mark Blaser e Matt Evans)

Em cada composto iônico, o número total de cargas positivas dos cátions é igual ao número total de cargas negativas dos ânions. Assim, os compostos iônicos são eletricamente neutros em geral, embora contenham íons positivos e negativos. Podemos usar essa observação para nos ajudar a escrever a fórmula de um composto iônico. A fórmula de um composto iônico deve ter uma proporção de íons de forma que os números de cargas positivas e negativas sejam iguais.

Exemplo\(\PageIndex{3}\): Predicting the Formula of an Ionic Compound

A pedra preciosa safira (Figura\(\PageIndex{4}\)) é principalmente um composto de alumínio e oxigênio que contém cátions de alumínio, Al ³ ⁺, e ânions de oxigênio, O ²⁻. Qual é a fórmula desse composto?

Esta é a fotografia de um anel com uma safira incrustada nele. — Figura\(\PageIndex{4}\): Embora o óxido de alumínio puro seja incolor, pequenas quantidades de ferro e titânio dão à safira azul sua cor característica. (crédito: modificação da obra de Stanislav Doronenko)

Solução Como o composto iônico deve ser eletricamente neutro, ele deve ter o mesmo número de cargas positivas e negativas. Dois íons de alumínio, cada um com uma carga de 3+, nos dariam seis cargas positivas, e três íons de óxido, cada um com uma carga de 2−, nos dariam seis cargas negativas. A fórmula seria Al ₂ O ₃.

Exercício\(\PageIndex{3}\)

Preveja a fórmula do composto iônico formado entre o cátion sódio, Na ⁺, e o ânion sulfeto, S ²⁻.

Responda: Na ₂ S

Muitos compostos iônicos contêm íons poliatômicos (Tabela\(\PageIndex{1}\)) como cátion, ânion ou ambos. Assim como os compostos iônicos simples, esses compostos também devem ser eletricamente neutros, para que suas fórmulas possam ser previstas tratando os íons poliatômicos como unidades discretas. Usamos parênteses em uma fórmula para indicar um grupo de átomos que se comportam como uma unidade. Por exemplo, a fórmula do fosfato de cálcio, um dos minerais em nossos ossos, é Ca ₃ (PO ₄) ₂. Essa fórmula indica que existem três íons de cálcio (Ca ² ⁺) para cada dois\(\left(\ce{PO4^{3-}}\right)\) grupos de fosfato. Os\(\ce{PO4^{3-}}\) grupos são unidades discretas, cada uma consistindo de um átomo de fósforo e quatro átomos de oxigênio, e com uma carga geral de 3−. O composto é eletricamente neutro e sua fórmula mostra uma contagem total de três átomos de Ca, dois P e oito de O.

Exemplo\(\PageIndex{4}\): Predicting the Formula of a Compound with a Polyatomic Anion

O fermento em pó contém dihidrogenofosfato de cálcio, um composto iônico composto pelos íons Ca ² ⁺\(\ce{H2PO4-}\) e. Qual é a fórmula desse composto?

Solução

As cargas positivas e negativas devem se equilibrar, e esse composto iônico deve ser eletricamente neutro. Portanto, precisamos ter duas cargas negativas para equilibrar a carga 2+ do íon cálcio. Isso requer uma proporção de um íon Ca ² ⁺ para dois\(\ce{H2PO4-}\) íons. Designamos isso colocando a fórmula do íon dihidrogenofosfato entre parênteses e adicionando um subscrito 2. A fórmula é Ca (H ₂ PO ₄) ₂.

Exercício\(\PageIndex{4}\)

Preveja a fórmula do composto iônico formado entre o íon lítio e o íon peróxido\(\ce{O2^2-}\) (Dica: use a tabela periódica para prever o sinal e a carga no íon lítio.)

Responda: _{Leite 2} ou ₂

Como um composto iônico não é composto de moléculas únicas e discretas, ele pode não ser simbolizado adequadamente usando uma fórmula molecular. Em vez disso, os compostos iônicos devem ser simbolizados por uma fórmula indicando os números relativos de seus íons constituintes. Para compostos contendo apenas íons monoatômicos (como NaCl) e para muitos compostos contendo íons poliatômicos (como CaSO ₄), essas fórmulas são apenas as fórmulas empíricas introduzidas anteriormente neste capítulo. No entanto, as fórmulas para alguns compostos iônicos contendo íons poliatômicos não são fórmulas empíricas. Por exemplo, o composto iônico oxalato de sódio é composto de Na ⁺ e\(\ce{C2O4^2-}\) íons combinados em uma proporção de 2:1, e sua fórmula é escrita como Na ₂ C ₂ O ₄. Os subscritos nesta fórmula não são os menores números inteiros possíveis, pois cada um pode ser dividido por 2 para produzir a fórmula empírica, NaCO ₂. Essa não é a fórmula aceita para o oxalato de sódio, no entanto, pois não representa com precisão o ânion poliatômico do composto,\(\ce{C2O4^2-}\).

Compostos moleculares

Muitos compostos não contêm íons, mas consistem apenas em moléculas discretas e neutras. Esses compostos moleculares (compostos covalentes) resultam quando os átomos compartilham, em vez de transferir (ganhar ou perder) elétrons. A ligação covalente é um conceito importante e extenso em química e será tratada com detalhes consideráveis em um capítulo posterior deste texto. Muitas vezes, podemos identificar compostos moleculares com base em suas propriedades físicas. Em condições normais, os compostos moleculares geralmente existem como gases, líquidos com baixo ponto de ebulição e sólidos de baixo ponto de fusão, embora existam muitas exceções importantes.

Enquanto os compostos iônicos geralmente são formados quando um metal e um não metal se combinam, os compostos covalentes geralmente são formados por uma combinação de não metais. Assim, a tabela periódica pode nos ajudar a reconhecer muitos dos compostos que são covalentes. Embora possamos usar as posições dos elementos de um composto na tabela periódica para prever se ele é iônico ou covalente neste momento de nosso estudo de química, você deve estar ciente de que essa é uma abordagem muito simplista que não leva em conta várias exceções interessantes. Existem tons de cinza entre compostos iônicos e moleculares, e você aprenderá mais sobre eles posteriormente.

Exemplo\(\PageIndex{5}\): Predicting the Type of Bonding in Compounds

Preveja se os seguintes compostos são iônicos ou moleculares:

KI, o composto usado como fonte de iodo no sal de mesa
H ₂ O ₂, o alvejante e o desinfetante peróxido de hidrogênio
CHCl ₃, o anestésico clorofórmio
Li ₂ CO ₃, uma fonte de lítio em antidepressivos

Solução

O potássio (grupo 1) é um metal e o iodo (grupo 17) é um não metal; prevê-se que o KI seja iônico.
O hidrogênio (grupo 1) não é um metal e o oxigênio (grupo 16) é um não metal; prevê-se que H ₂ _{O 2} seja molecular.
O carbono (grupo 14) é um não metal, o hidrogênio (grupo 1) é um não metal e o cloro (grupo 17) é um não metal; prevê-se que o CHCl ₃ seja molecular.
O lítio (grupo 1) é um metal e o carbonato é um íon poliatômico; prevê-se que o Li ₂ CO ₃ seja iônico.

Exercício\(\PageIndex{5}\)

Usando a tabela periódica, preveja se os seguintes compostos são iônicos ou covalentes:

SO ₂
CaF ₂
N ₂ H ₄
Todos ₂ (_{ISO ₄₃})

Responda a: molecular
Resposta b: iônico
Resposta c: molecular
Resposta d: iônico

Resumo

Metais (particularmente aqueles nos grupos 1 e 2) tendem a perder o número de elétrons que os deixariam com o mesmo número de elétrons do gás nobre anterior na tabela periódica. Por esse meio, um íon carregado positivamente é formado. Da mesma forma, os não metais (especialmente aqueles dos grupos 16 e 17 e, em menor grau, os do Grupo 15) podem obter o número de elétrons necessários para fornecer aos átomos o mesmo número de elétrons do próximo gás nobre na tabela periódica. Assim, os não metais tendem a formar íons negativos. Íons carregados positivamente são chamados de cátions, e íons carregados negativamente são chamados de ânions. Os íons podem ser monoatômicos (contendo apenas um átomo) ou poliatômicos (contendo mais de um átomo).

Os compostos que contêm íons são chamados de compostos iônicos. Os compostos iônicos geralmente se formam a partir de metais e não metais. Compostos que não contêm íons, mas consistem em átomos fortemente unidos em moléculas (grupos de átomos não carregados que se comportam como uma única unidade), são chamados de compostos covalentes. Compostos covalentes geralmente se formam a partir de dois ou mais não metais.

Glossário

ligação covalente: força atrativa entre os núcleos dos átomos de uma molécula e pares de elétrons entre os átomos

composto covalente: (também, composto molecular) composto por moléculas formadas por átomos de dois ou mais elementos diferentes

ligação iônica: forças eletrostáticas de atração entre os íons de carga oposta de um composto iônico

composto iônico: composto de cátions e ânions combinados em proporções, produzindo uma substância eletricamente neutra

composto molecular: (também, composto covalente) composto por moléculas formadas por átomos de dois ou mais elementos diferentes

íon monoatômico: íon composto por um único átomo

íon poliatômico: íon composto por mais de um átomo

oxiânion: ânion poliatômico composto por um átomo central ligado a átomos de oxigênio