Por que os átomos estabelecem ligações químicas? Esta é uma boa pergunta para começar a explicar a formação do cloreto de sódio. De maneira geral, para que uma ligação química se estabeleça entre dois átomos, deverá ocorrer um nítido decréscimo na energia do sistema, isto é, para que ocorra a reação geral A_(g) + B_(g) ® AB_(g), deve haver liberação de energia. Contudo, nem sempre as reações ocorrem desta forma. Há casos em que mesmo havendo uma absorção de energia, ao invés de uma liberação, a reação química acontece de forma espontânea em função da maior entropia[3] do sistema. Mas isto será visto com mais detalhes a seguir.

A matéria é, em última análise, constituída por entidades que apresentam atrações ou repulsões mútuas, ou seja, núcleos e elétrons. Os núcleos têm carga relativa positiva, pois neles estão localizados os prótons; os elétrons, distribuídos ao redor do núcleo, têm carga relativa negativa. Logo, compostos constituídos por dois ou mais núcleos e elétrons apresentam uma estrutura que está sob a ação de forças atrativas e repulsivas.

Vemos assim que a força resultante sobre os núcleos e elétrons nos compostos deve ser, como resultado de um balanço entre as atrações e repulsões, nula. No entanto, se as partículas forem levemente deslocadas de suas posições de equilíbrio, devem aparecer forças atrativas que restauram o equilíbrio. Deste modo, o composto se mantém estável. A expressão “ligação química” é simplesmente o nome dado a esta força atrativa que aparece quando tentamos afastar as partículas de sua posição de equilíbrio.

Figura 3 – Elementos que constituem o cloreto de sódio

Os termos “cloreto de sódio” e “sal” estão sendo utilizados indistintamente neste artigo, conforme foi destacado na introdução. Neste ponto, reconheço a necessidade de explicar esta distinção. O termo “sal” na química diz respeito aos compostos capazes de se dissociarem na água liberando íons, mesmo que em pequena porcentagem, dos quais pelo menos um cátion é diferente de H₃O⁺ e pelo menos um ânion é diferente de OH^-. Com base nesta definição, o cloreto de sódio é um sal. Contudo, o sal de cozinha não é um “sal”. Por quê? Pois o sal de cozinha não é constituído apenas por cloreto de sódio, mas também, segundo a lei brasileira, deve ter um teor igual ou superior a 40 miligramas até o limite máximo de 100 miligramas de iodo por quilograma de cloreto de sódio.

O sal é um composto constituído pelos elementos sódio e cloro. O primeiro pertence à família dos metais alcalinos da tabela periódica, já o segundo pertence à família dos halogênios (veja Figura 3). Em termos de eletronegatividade, temos os valores de 3,19 e 0,93 para o cloro e o sódio, respectivamente, com base na tabela elabora pelo químico Linus Pauling. Devido à diferença de eletronegatividade ser maior que 1,7 (3,19 – 0,93 = 2,26), a ligação química entre o sódio e o cloro assume um caráter predominantemente iônico, isto é, um elétron do átomo sódio é ‘transferido’ para o átomo de cloro, e ambos assumem uma configuração eletrônica estável semelhante a de um gás nobre (veja Figura 4).

Cada elemento tem um determinado valor de eletronegatividade, propriedade que podemos relacionar com a tendência que um átomo possui de atrair elétrons para perto de si quando se encontra ‘ligado’ a outro átomo de elemento químico diferente, em uma substância composta. Não há sentido falar no efeito da eletronegatividade em substâncias simples, como o gás cloro (Cl_2(g)) por exemplo, visto que ambos os átomos de cloro possuem a mesma eletronegatividade, não havendo deslocamento da ligação para um átomo em detrimento do outro.

Figura 4 – O sódio e o cloro estabelecem uma ligação iônica e formam o cloreto de sódio

 

Ao proporcionarmos o contato entre os dois elementos no seu estado fundamental, ocorre uma reação espontânea de formação do cloreto de sódio. Por que isto ocorre? A termodinâmica[4] explica.

Por evento espontâneo entende-se aquele que ocorre independentemente, sem uma assistência externa. Contudo, ser espontâneo não significa que o evento é instantâneo. Além disso, há também eventos não-espontâneos. Como exemplo, citarei o caso da parede de tijolos. Um monte de tijolos se tornar uma parede não é um evento espontâneo. Podemos passar pelo monte de tijolos pela manhã e, na tarde do mesmo dia, ao passarmos novamente por ele, estará imóvel. Para que o monte de tijolos se torne uma parede há a necessidade da intervenção de um pedreiro, ou seja, é preciso um fornecimento de energia externa ao sistema.

Mas, o que tudo isso tem a ver com a formação do cloreto de sódio? Não é objetivo fazer aqui uma revisão sobre a termodinâmica. Contudo, de maneira bastante sintética, tentarei explicar porque a reação de sódio metálico com cloro gasoso produzindo cloreto de sódio é espontânea, conforme representado na Figura 4.

Para que um evento seja espontâneo o valor da energia livre (energia livre de Gibbs) do sistema tem que ser negativa. Essa energia é calculada segundo a equação termodinâmica:

ΔG = ΔH - T.ΔS   (1)

A energia livre é resultado da interação da variação da entalpia (ΔH) com a variação da entropia (ΔS), sob efeito da temperatura (T). No caso do cloreto de sódio, há uma diminuição da entropia, isto é, há uma organização maior do produto em comparação aos reagentes. Este aspecto não colabora para um processo espontâneo. Por quê? Perceba na equação (1) que quanto menor for o valor de ΔS, maior será a tendência do valor de ΔG ser positivo. Essa diminuição da entropia pode ser notada pela soma dos mols dos reagentes em comparação a do produto.

1 Na_(s) + ½ Cl_2(g) ® 1 NaCl_(s)   (2)

Como podemos ver na equação (2), um mol de sódio somado a um mol de cloro resulta em um mol de cloreto de sódio. Nota-se uma organização do sistema, onde dois mols de reagentes produziram um mol de produto. Não obstante, a liberação de energia (ΔH) é relativamente grande, garantindo o valor negativo de ΔG e explicando o caráter espontâneo da reação.

Existem diversas entalpias a serem consideradas na formação do cloreto de sódio, quando os elementos sódio e cloro estão em seus estados fundamentais. O ciclo de Born-Haber é um modelo que procura prever o valor da energia liberada ou absorvida na reação. Para conhecer os detalhes do ciclo de Born-Haber, clique aqui.

Figura 5 – Formação do cloreto de sódio – um processo espontâneo.

 

A reação de formação do cloreto de sódio é exotérmica, ou seja, libera energia durante a reação. Isso nos permite inferir que a energia dos produtos é menor que a dos reagentes e, mesmo havendo uma maior organização (menor entropia), a reação se dá de forma espontânea devido ao processo ser relativamente muito exotérmico. Detalhes da reação com as estruturas de Lewis podem ser observados na Figura 5.

O cloreto de sódio é um sólido iônico. Portanto, há interações de atração e repulsão entre as cargas dos íons. Existe uma propriedade nos sólidos chamada “número de coordenação”, a qual representa o número de íons que circunda um outro íon. No caso do NaCl_(s), o número de coordenação do íon Na⁺ é igual ao o íon Cl^-, visto que há uma relação de 1:1 entre eles.

Figura 6 – Configuração octaédrica do cloreto de sódio

 

A estrutura dos sólidos iônicos pode ser explicada considerando-se os tamanhos (raios) relativos dos íons positivos e negativos. Cálculos geométricos simples permitem determinar quantos íons de um dado tamanho podem se arranjar em torno de outro íon.

No cloreto de sódio, a relação de raios iônicos é igual a 0,52 e sugere um arranjo octaédrico[5], conforme pode ser visto na Figura 6. Note que cada íon está rodeado por outros seis íons de carga oposta. Contudo, para fazer estes cálculos, é necessário admitirmos algumas idealizações. Por exemplo, consideram-se os íons como esferas rígidas e elásticas; a ligação entre os íons seriam 100 % iônicas; os raios dos íons são exatos, dentre outras. Não obstante, mesmo sabendo que essas propriedades não são exatas dessa forma, idealizações são necessárias para obtermos resultados relativamente próximos ao real.

Outro aspecto que permite que o sal esteja presente na cozinha é a sua solubilidade no considerado solvente universal: a água. A solubilização do sal gera os íons Na⁺ e Cl^-, conforme representado na Figura 7.

Figura 7 – Solubilidade do cloreto de sódio em água

 

A solubilidade de substâncias, de maneira geral, se dá em função de uma afinidade eletrônica existente entre as espécies em um sistema. Esta afinidade pode ser expressa na famosa frase: "Semelhante dissolve semelhante". A questão é: Semelhante em que aspecto? Para responder a esta pergunta devemos fazer uma análise da estrutura molecular das substâncias envolvidas.

Um cubo de açúcar contém muitas moléculas e elas são mantidas unidas pelas ligações de hidrogênio[6]. Quando um cubo de açúcar dissolve, cada molécula permanece intacta. A molécula estabelece ligações intermoleculares com as moléculas de água e desfaz as ligações de hidrogênio com as outras moléculas de açúcar. Por outro lado, o sal em solução transforma-se em íons, como o cátion Na⁺ e o ânion Cl^-. A solubilidade do cloreto de sódio só é possível devido a afinidade eletrônica existente entre o soluto (sal) e o solvente (água).

Figura 8 – Experimento que mostra a ionização do sal em água.

 

Uma experiência possível de ser realizada até em sala de aula é a representada pela Figura 8. A água destilada é um mal condutor de eletricidade. Porém, ao adicionarmos cloreto de sódio (preferivelmente em água quente ou morna para aumentar a solubilidade do sal), ocorre a solubilização do mesmo e a conseqüente condução elétrica. O fenômeno macroscópico que nos indica isto é o acendimento da lâmpada de incandescência. Por que a lâmpada acende? Devido aos íons presentes na solução, os quais servem como uma espécie de ‘ponte’ que leva os elétrons a se moverem na solução e chegarem aos pólos positivo e negativo.