Ligações covalentes

A ligação tripla do N₂ mede 110 pm; a ligação simples do etano mede 154 pm. Mais pares compartilhados aproximam os átomos.

Quando dois átomos de não metal se encontram, nenhum deles quer entregar elétrons por completo. Os dois puxam com força, então, em vez de transferir, eles compartilham. Cada átomo põe um elétron num par que fica entre os dois núcleos, e os dois núcleos são atraídos por esse par. O par compartilhado é a ligação covalente. É ela que mantém unida quase toda substância de um ser vivo, da água ao DNA.

Contando pares compartilhados

Pegue o metano, CH₄. O carbono tem 4 elétrons externos e precisa de mais 4. Cada hidrogênio tem 1 e precisa de mais 1. O carbono compartilha um par com cada um dos quatro hidrogênios. Agora o carbono conta 8 elétrons em volta e cada hidrogênio conta 2. Todos ficam com a camada completa, e a molécula tem quatro ligações simples. O número de ligações que um átomo costuma formar se chama valência: hidrogênio 1, oxigênio 2, nitrogênio 3, carbono 4. Esses quatro números permitem montar à mão a maioria das moléculas pequenas.

Para qualquer molécula pequena, dá para conferir uma estrutura contando elétrons. Some os elétrons externos de todos os átomos: a água tem 1 + 1 + 6 = 8. Cada ligação usa 2 deles, e o que sobra fica em pares não ligantes. A água tem duas ligações O-H, que usam 4 elétrons, o que deixa 4 elétrons como dois pares não ligantes no oxigênio. O oxigênio então conta 8 em volta e cada hidrogênio conta 2. A amônia funciona do mesmo jeito: 5 + 3 = 8 elétrons, três ligações N-H e um par não ligante. Esses pares não ligantes acabam decidindo as formas das moléculas na próxima unidade.

Ligações duplas e triplas

Às vezes um par compartilhado não basta. Numa molécula de oxigênio, O₂, cada átomo tem 6 elétrons externos e precisa de mais 2, então os dois átomos compartilham dois pares: uma ligação dupla, O=O. No nitrogênio, N₂, cada átomo precisa de 3, e eles compartilham três pares: uma ligação tripla, N≡N. O modelo desenha cada par compartilhado como uma vareta separada, para você poder contá-los. O carbono consegue fazer as três. O etano, C₂H₆, tem uma ligação simples C-C, o eteno, C₂H₄, uma ligação dupla C=C, e o etino (acetileno), C₂H₂, uma ligação tripla C≡C.

Mais pares compartilhados prendem os átomos mais perto e com mais força. As distâncias carbono-carbono medidas no banco de dados do NIST mostram isso com clareza: 153.6 pm no etano, 133.9 pm no eteno e 120.3 pm no etino. A ligação tripla do nitrogênio, 109.8 pm, é tão forte que o gás nitrogênio quase não reage, embora forme a maior parte do ar que respiramos. As plantas não conseguem usá-lo diretamente; dependem de bactérias e de raios para quebrá-la.

Moléculas, não retículos

As ligações covalentes unem um número fixo de átomos numa molécula com forma definida. As ligações dentro de uma molécula de água são fortes, mas as forças entre uma molécula de água e a seguinte são bem mais fracas. Por isso muitas substâncias covalentes são gases ou líquidos à temperatura ambiente e derretem ou fervem a temperaturas baixas: basta separar as moléculas, sem quebrá-las. O metano ferve a cerca de −161.5 °C. Algumas substâncias covalentes, como o diamante e o quartzo, são redes gigantes de ligações sem moléculas separadas, e estão entre os materiais mais duros que se conhecem.