Ligações iônicas e a lei de Coulomb

RKA7GM Ligações iônicas são ligações que seguram compostos iônicos. Basicamente, aquilo que segura os cátions e os ânions. Um exemplo de um composto que é ligado por ligações iônicas é o cloreto de sódio. Vou marcar aqui em cima NaCl. O cloreto de sódio também é conhecido como o sal de cozinha ou sal comum. Aqui, a gente tem um fato bem legal sobre os cristais de cloreto de sódio. E isso é uma coisa que você pode tentar ver em casa, você pode pegar qualquer sal de cozinha que você tenha, você vai dissolver em um pouco de água, e daí você vai deixar essa água evaporar lentamente. Se você estiver com sorte, você vai ter lindos cristais simétricos como estes que eu tenho. Pelo menos, eles são lindos para mim. Esses cristais são umas das coisas mais legais da química. Você pode ver quando a gente olha mais de perto, mais atentamente, que esses cristais têm uma simetria muito bonita. Essa simetria conta um pouco sobre a estrutura desses compostos no nível molecular. Se nós dermos um "zoom" nesses cristais que a gente tem aqui, a gente pode imaginar... na realidade, a gente nem precisa imaginar, a gente pode olhar isto com diferentes instrumentos. Por exemplo, uma cristalografia de raios-X. Você pode ver a estrutura de cristal. Vou marcar aqui "estrutura de cristal". E olhando a estrutura de cristal, a gente pode pegar a informação sobre como os diferentes íons são arranjados nos sólidos. O jeito que os íons são arranjados determina um monte de coisas sobre a propriedade desses compostos. Estas ligações iônicas e como os íons são arranjados diz muita coisa sobre, por exemplo, a solubilidade do composto. Vou marcar aqui em cima "solubilidade". E também diz coisas sobre o ponto de fusão e o ponto de ebulição. Então, solubilidade, eu vou marcar aqui: ou sobre o ponto de fusão, ou/e o ponto de ebulição. Isso também pode ser relacionado com coisas, por exemplo, o quão forte pode ser um sólido iônico em particular. As ligações iônicas, o cloreto de sódio que a gente tem aqui, são aquelas que seguram os íons de sódio e os íons Cl⁻. Então, os íons Na⁺ e Cl⁻. A força de uma ligação iônica é relacionada com a força eletrostática. Vou marcar aqui em uma outra cor. Então, com a minha força eletrostática. Eu vou abreviar força eletrostática com "Fe". Então, "F" e um "e" minúsculo. Essa é a força entre duas espécies carregadas, isso vai ser igual a uma constante "k", e a gente vai ter isso vezes as cargas que a gente tem. Então, as cargas que estão interagindo, ou seja, vou chamar aqui de "q₁" e q₂". Além disso, eu tenho que dividir "q₁" e q₂" pela distância entre essas duas cargas, você pode encontrar como "d²" ou "r²". Então, a distância ao quadrado entre essas duas cargas. No caso do cloreto de sódio, "q₁" seria a carga do sódio. Eu teria 1⁺, vou marcar aqui entre parênteses que esta é a carga do meu íon de sódio, e "q₂" seria a carga do meu íon de cloro. Então, seria 1⁻. E aqui, Cl⁻. A gente pode dizer também que o íon de cloro é o "q₁" e o íon de sódio é "q₂". Isso não vai mudar o que a gente teria na nossa equação. Agora, "r²" é a distância entre os íons, e a gente geralmente diz que é, aproximadamente, a soma dos raios atômicos. Eu vou fazer em uma outra cor, vou fazer em rosa. Eu vou puxar aqui, eu vou dizer que isto é, aproximadamente, a soma dos raios atômicos. Eu vou marcar aqui em cima que é aproximadamente. A gente pode usar a Lei de Coulomb para explicar algumas propriedades que são relacionadas à força, ou às forças das ligações iônicas. O exemplo que a gente vai fazer vai ser com o ponto de fusão. Vou marcar aqui em uma cor diferente. Exemplo: ponto de fusão. A gente vai ver algumas tendências de ponto de fusão e a gente vai tentar relacionar com as diferentes variáveis da Lei de Coulomb. A primeira coisa que nós vamos ver são dois compostos, a gente vai comparar. Eu vou pegar o fluoreto de sódio, vou fazer aqui NaF, e eu vou fazer isso versus o óxido de magnésio, MgO. O fluoreto de sódio vai ter o ponto de fusão em 993°C. E o óxido de magnésio vai ter o ponto de fusão em 2.852°C. Outra informação que nós sabemos sobre esses dois compostos e, se você olhar o raio iônico, você pode ver que a distância dos íons no fluoreto de sódio é praticamente a mesma que a distância dos íons no óxido de magnésio. Então, se a gente for falar de "r²", ou a distância entre os nossos íons, a gente pode dizer que é, aproximadamente, a mesma coisa para esses dois. Então, a gente pode explicar a diferença nos pontos de fusão usando as cargas. O ponto de fusão é uma medida de, basicamente, o quanto de energia você precisa adicionar a esses compostos para separar as ligações iônicas. A gente espera que o ponto de fusão aumente conforme Fe aumente. Então, eu vou marcar isso, vou fazer aqui embaixo. A gente espera que o ponto de fusão aumente, vou representar com uma flechinha para cima, conforme Fe aumenta. Conforme a força entre os íons aumenta, a gente espera ter que adicionar mais energia para separar os íons. A gente pode ver isso no nosso primeiro exemplo, a gente pode ver isso com o óxido de magnésio. Se a gente olhar as cargas nos nossos átomos, a gente tem que o magnésio é 2⁺, vou marcar aqui, e o oxigênio vai ser 2⁻. E no fluoreto de sódio a gente vai ter 1⁺ para o sódio, e para o flúor, a gente vai ter 1⁻. Essas vão ser as nossas cargas. Assumindo que "r", ou a distância, é praticamente a mesma, "q₁" vezes "q₂" é 4 vezes maior no óxido de magnésio. O produto das nossas cargas no óxido de magnésio é maior. E é por isso que a gente espera que o ponto de fusão seja maior também. Vou marcar aqui do lado. Vamos fazer em azul. "q₁" vezes "q₂" é maior aqui no caso do óxido de magnésio. A gente também pode pensar no cloreto de sódio versus o fluoreto de sódio, NaCl e NaF. E eu vou marcar as minhas cargas já. Então, eu tenho que ir para o cloreto de sódio. O sódio vai ser 1⁺. O cloro vai ser 1⁻. Aqui eu tenho de novo 1⁺ e 1⁻ de carga para o flúor. Neste caso, a gente vai olhar o ponto de fusão novamente. O ponto de fusão do cloreto de sódio é de 801°C. Vou marcar aqui. E o NaF a gente já viu que é de 993°C. Desta vez, as cargas são as mesmas dos nossos íons. A gente tem aqui "q₁" e "q₂". A gente tem 1⁺ para o sódio e 1⁻ para o cloro e para o flúor. A gente percebe que o produto de "q₁" e "q₂" não mudou para esses dois compostos. Mas como a gente mudou o ânion, o flúor, a gente mudou do flúor para o cloro, a gente aumentou a nossa distância, a gente aumentou o nosso "r". E aumentar o "r", aumentar o denominador, faz com que a força eletrostática caia. Ou uma outra maneira de pensar nisso é que se a distância diminuir conforme a gente vai do NaCl para o NaF, o ponto de fusão vai aumentar. Então, o nosso "r" diminui. Vou marcar em azul que, neste caso, a gente tem o "r" diminuindo. Em cada um destes pares, o composto que tem o maior ponto de fusão é aquele que tem a maior força eletrostática. Então, a gente pode observar isso aqui neste caso, a gente tem o óxido de magnésio e a gente tem o NaF nesses exemplos que a gente fez. Vou marcar aqui em rosa. E isso acontece porque as cargas são maiores. "q₁" e "q₂" são maiores porque a distância entre os íons diminuiu. Esses são alguns exemplos de como a gente pode relacionar as propriedades dos compostos iônicos com a força eletrostática usando a Lei de Coulomb entre o cátion e o ânion.