br>R.C. Smith
Esta foi uma das minhas perguntas favoritas quando aprendi a física da química pela primeira vez. A resposta é que existem várias razões para o cloreto de sódio (NaCl) se dissolver na água mas não no dióxido de silício.
- i) Cloreto de sódio
Comecemos por pensar primeiro no cloreto de sódio (NaCl), mais conhecido como sal, ou sal de mesa.
NaCl é um composto iónico. Na verdade, podemos descrevê-lo em termos da sua estrutura iónica gigante. A estrutura iónica do NaCl é tão grande, que não sabemos exactamente quantos iões existem. Tais compostos iónicos gigantes como no NaCl consistem potencialmente em biliões ou mesmo triliões de iões de sódio e iões de cloreto comprimidos ou compactados em conjunto. Por esta razão, alguns descrevem-no como uma malha infinita, ou infinitamente repetitiva, de iões, de tal forma que o número de iões depende do tamanho do cristal.
Outras vezes, a estrutura iónica gigante de NaCl pode ser considerada como bastante diferente das moléculas mais comummente estruturadas, que contêm uma receita exacta de átomos. É por isso que o NaCl é considerado como um caso clássico de ligação iónica, em que os átomos transferem ou partilham electrões de valência. Isto pode ser visualizado usando um Diagrama de Lewis:
Cloreto de sódio tem um composto iónico forte. Para invocar a física, podemos dizer que isto se deve à existência de uma forte força electrostática entre os iões com cargas opostas (catiões e ânions). Isto é geralmente verdade quando os metais (neste caso, o sódio) reagem com os não metais (neste caso, o cloreto).
Podemos explicar estas forças electrostáticas, bem como a força do composto iónico de cloreto de sódio, citando a Lei de Coulomb. Esta lei da física descreve a força da força entre duas partículas estáticas carregadas electricamente.
Embora o seu composto iónico forte, NaCl dissolve-se em H2O. A reacção é semelhante a esta:
NaCl(sólido) + H2O -> Na+(aquoso) + Cl-(aquoso) + H2O
Notificação de que há dissociação. A razão pela qual o sódio e o cloreto se desassociam tem a ver com uma série de factores:
P>Primeiro, a água é uma molécula polar. Na realidade, é muito polar. Isto significa que uma molécula de água tem uma disposição assimétrica de cargas parcialmente positivas e parcialmente negativas que formam ligações polares (abaixo está um diagrama que esbocei para fins ilustrativos).
Como sabemos, a água é constituída por dois átomos de hidrogénio e um átomo de oxigénio. As ligações atómicas em H2O são ligações covalentes, o que significa que os electrões são partilhados. Isto faz com que os electrões que ficam mais próximos do átomo de oxigénio recebam uma carga negativa, enquanto que o átomo de hidrogénio tende a ter uma carga positiva.
NaCl, por outro lado, é composto por iões de sódio positivos e iões de cloreto negativos. Assim, as extremidades polares da molécula da água atraem as suas partes de carga opostas de NaCl. Mais concisamente, as moléculas de água carregadas positivamente atraem os iões cloreto negativos e as moléculas de água carregadas negativamente atraem os iões sódio positivos.
A razão pela qual o sal se dissolve na água deve-se, portanto, à forma como, os iões sódio carregados positivamente são atraídos para a área polar negativa da molécula da água. Da mesma forma, os iões cloreto carregados negativamente são atraídos para a área polar positiva da molécula da água. Estas forças atractivas com a molécula da água sobrecarregam as forças entre os iões de sódio positivos e os iões de cloreto negativos, assim a dissociação ocorre e o composto iónico de NaCl vai para a solução.
- ii) Dióxido de silício
Mas e o dióxido de silício (SiO2)?
Dióxido de silício tem uma estrutura covalente gigante. Esta estrutura covalente, ou macromoléculas, é composta por oxigénio e átomos de silício.
O composto composto de silício e oxigénio para formar SiO2 tem uma proporção de dois átomos de oxigénio para cada átomo de silício. Mais concisamente, cada átomo de silício liga-se covalentemente a quatro átomos de oxigénio, enquanto que cada átomo de oxigénio liga-se covalentemente a dois átomos de silício. Em geral, as ligações covalentes formam-se quando o elemento partilha os seus quatro electrões de valência, ns2np2, resultando na formação de quatro ligações covalentes (Clugston e Flemming, 2015).
Dióxido de silício, ou sílica, é muito duro. Daí a sua estrutura diamantífera. Isto tem a ver com a resistência das ligações covalentes, com átomos de oxigénio entre cada par de átomos de silício. Esta força depende em grande parte da electronegatividade dos átomos na medida em que a electronegatividade é a força entre os electrões partilhados na ligação covalente entre os átomos de silício e oxigénio.
Outras vezes, o SiO2 não é uma molécula. É um sólido atómico covalente em rede. Esta malha gigante de átomos ligados covalentemente pode ser ilustrada para se assemelhar a uma rede covalente 3D:
Na medida em que o SiO2 é um sólido atómico covalente em rede (em condições normais), esta estrutura covalente gigante tem ligações covalentes muito fortes. Estas ligações são difusas ou espalhadas por toda a estrutura.
A razão de haver uma forte electronegatividade tem a ver com os átomos de oxigénio, que fornecem uma força atractiva mais forte sobre os electrões do que os átomos de silício, adquirindo uma carga parcialmente negativa. Os electrões são também muito compactos, o que significa que o SiO2 não é condutor (a menos que a temperatura derretida). Por outro lado, o SiO2 tem uma elevada energia da malha.
Tudo isto joga com a razão pela qual o dióxido de silício não é solúvel na água. Em relação à ligação em particular, o SiO2, ou areia siliciosa, é insolúvel porque as forças atractivas das moléculas de água não são suficientemente fortes para quebrar as ligações covalentes entre os átomos de silício e oxigénio. Em termos mais precisos, não há atracção entre as moléculas polares de água e os átomos de silício ou oxigénio devido à não polaridade do SiO2. Isto porque, apesar das ligações silício-oxigénio serem muito polares, a geometria da molécula – existem quatro ligações silício-oxigénio que cancelam o dipolo – significa que os momentos dipolo cancelam resultando em não-polaridade.
Em conclusão, enquanto o cloreto de sódio (NaCl) se dissolve na água devido às forças atractivas com as moléculas polares da água que sobrecarregam as forças entre os iões sódio positivos e os iões cloreto negativos, resultando em desassociação; o dióxido de silício (SiO2) não se dissolve devido a ser uma estrutura covalente gigante na qual os momentos dipolo cancelam resultando em não polaridade.
Atkins, P., e De Paula, J. (2013). Elementos da Física Química. Imprensa da Universidade de Oxford. Oxford, UK.
Chemguide: http://www.chemguide.co.uk/atoms/structures/giantcov.html
Clayden, J. Greeves, N., Warren, S. (2012). Química Orgânica. Imprensa da Universidade de Oxford. Oxford, UK.
Clugston, M., e Flemming, R. (2015). Química Avançada. Oxford University Press. Oxford, UK.
Hyperphysics: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/molecule/NaCl.html#c1
Lister, T. e Renshaw, J… (2015). AQA Chemistry. Oxford University Press. Oxford, UK.
Weller, M., Overton, T., Rourke, J., e Armstrong, F. (2014). Química Inorgânica. Oxford University Press. Oxford, UK.