Ligação covalente: exemplos e tipos de classificação

O que é ligação covalente?

A ligação covalente é uma interação química caracterizada pelo compartilhamento de um ou mais pares de elétrons entre átomos, geralmente ametais ou o hidrogênio. Esse tipo de união ocorre para que os átomos envolvidos alcancem a estabilidade eletrônica, preenchendo sua camada de valência de acordo com a teoria do octeto.

Esse conceito é um dos pilares da química geral, pois explica a formação da maioria das substâncias presentes no universo, desde moléculas simples como o gás oxigênio e a água até estruturas biológicas complexas, como o DNA e os carboidratos.

Compreender o mecanismo de compartilhamento eletrônico permite prever a geometria espacial das moléculas, o comportamento de solubilidade, as forças intermoleculares e as reações orgânicas e inorgânicas fundamentais para a ciência dos materiais e para os processos biológicos.

Pontos-chave sobre ligação covalente

• Ocorre predominantemente entre átomos de ametais, semimetais e o hidrogênio, elementos com eletronegatividade moderada a elevada.
• Baseia-se no compartilhamento de pares eletrônicos da camada de valência, sem haver transferência definitiva de elétrons.
• Pode ser classificada como simples, dupla ou tripla, dependendo da quantidade de pares de elétrons compartilhados entre dois núcleos.
• Divide-se em apolar (quando a diferença de eletronegatividade entre os átomos é nula) e polar (quando há diferença de eletronegatividade e formação de dipolos).
• Dá origem a compostos moleculares, que geralmente apresentam pontos de fusão e ebulição inferiores aos dos compostos iônicos.

Como ocorre a formação da ligação covalente

Os átomos ligam-se para atingir um estado de menor energia potencial e maior estabilidade. De acordo com a Regra do Octeto, associada aos trabalhos de Gilbert N. Lewis, a maioria dos elementos representativos atinge estabilidade química quando possui 8 elétrons na camada de valência, assemelhando-se à configuração dos gases nobres. O hidrogênio é a principal exceção clássica dessa regra, estabilizando-se com apenas 2 elétrons, como o gás hélio.

Diferente da ligação iônica — em que um metal doa elétrons para um ametal devido à grande diferença de eletronegatividade —, na ligação covalente os átomos envolvidos também precisam completar sua camada de valência. Por apresentarem eletronegatividades próximas e elevadas, nenhum dos átomos consegue remover totalmente o elétron do outro. A alternativa energeticamente favorável é a sobreposição de orbitais atômicos e a formação de orbitais moleculares, em que os elétrons passam a orbitar simultaneamente os dois núcleos atômicos.

A representação desse processo é descrita por três fórmulas principais:

1. Fórmula Eletrônica (ou de Lewis): indica os símbolos dos elementos químicos cercados por pontos ou cruzes que representam os elétrons da camada de valência, destacando os pares compartilhados.
2. Fórmula Estrutural Plana: substitui cada par de elétrons compartilhado por um traço simples (–), duplo (=) ou triplo (≡).
3. Fórmula Molecular: expressa apenas a quantidade real de átomos de cada elemento presente na molécula, como H₂O, CO₂ e CH₄.

O estudo prévio de tópicos como a distribuição eletrônica facilita a identificação de quantos elétrons cada elemento possui na última camada e quantas ligações precisa realizar para se estabilizar.

Classificação das ligações covalentes

As ligações covalentes podem ser analisadas sob diferentes critérios químicos: o número de pares compartilhados, a diferença de eletronegatividade entre os ligantes e a origem dos elétrons que compõem o par compartilhado.

Classificação quanto ao número de pares de elétrons

Dependendo do número de elétrons que cada átomo precisa para completar seu octeto, podem ser compartilhados um, dois ou três pares eletrônicos entre os mesmos dois átomos:

• Ligação Simples: compartilhamento de apenas 1 par de elétrons (2 elétrons no total), representada por um traço (–). Exemplo: H–H na molécula de gás hidrogênio.
• Ligação Dupla: compartilhamento de 2 pares de elétrons (4 elétrons no total), representada por dois traços paralelos (=). Exemplo: O=O na molécula de gás oxigênio.
• Ligação Tripla: compartilhamento de 3 pares de elétrons (6 elétrons no total), representada por três traços (≡). Exemplo: N≡N na molécula de gás nitrogênio.

Quanto maior o número de pares compartilhados entre dois átomos, menor é o comprimento da ligação e maior é a energia necessária para rompê-la.

Classificação quanto à polaridade

A eletronegatividade é a tendência que um átomo possui de atrair elétrons para si em uma ligação química. Com base nisso, as ligações podem ser:

• Ligação Covalente Apolar: ocorre entre átomos de mesma eletronegatividade (geralmente átomos do mesmo elemento químico, como Cl₂ e O₂). Como a atração sobre o par eletrônico é idêntica nos dois lados, a densidade eletrônica distribui-se uniformemente, sem formação de polos.
• Ligação Covalente Polar: ocorre entre átomos com diferentes eletronegatividades (como no HCl ou na água). O átomo mais eletronegativo atrai a nuvem eletrônica com maior intensidade, gerando uma carga parcial negativa (δ⁻), enquanto o átomo menos eletronegativo adquire uma carga parcial positiva (δ⁺), criando um dipolo elétrico.

A presença de ligações polares é um fator determinante para compreender a estrutura molecular da matéria e prever se a molécula resultante será polar ou apolar no espaço tridimensional.

Ligação covalente coordenada (dativa)

A ligação coordenada ocorre quando o par de elétrons compartilhado é fornecido exclusivamente por um dos átomos envolvidos. Para que ela ocorra, o átomo doador já deve ter atingido sua estabilidade eletrônica e possuir ao menos um par de elétrons livres (não ligantes), enquanto o átomo receptor deve possuir um orbital vazio necessitando de dois elétrons para se estabilizar.

Tradicionalmente, essa ligação é representada por uma seta (→) apontando do átomo doador para o átomo receptor. No entanto, como após a formação a ligação coordenada passa a ter as mesmas propriedades físicas e químicas de qualquer outra ligação covalente, também é comum representá-la apenas pelo traço padrão.

Exemplos práticos de ligação covalente passo a passo

Para visualizar a formação das ligações covalentes, veja a análise de substâncias comuns no cotidiano e em laboratórios.

1. Gás Hidrogênio (H₂)

O átomo de hidrogênio (H) possui número atômico 1, contando apenas com 1 elétron em sua única camada (K). Para atingir a configuração estável semelhante à do hélio, cada átomo precisa de mais 1 elétron.

• Processo: Dois átomos de hidrogênio aproximam-se e compartilham seus elétrons individuais.
• Fórmula de Lewis: H · + · H → H : H
• Fórmula Estrutural: H–H
• Tipo: Ligação covalente simples e apolar.

2. Gás Cloro (Cl₂)

O cloro pertence à família dos halogênios (grupo 17) e possui 7 elétrons na camada de valência. Para completar o octeto com 8 elétrons, cada átomo precisa compartilhar 1 elétron.

• Processo: Cada átomo entra com 1 elétron no compartilhamento, mantendo outros 3 pares de elétrons não ligantes ao seu redor.
• Fórmula Estrutural: Cl–Cl
• Tipo: Ligação covalente simples e apolar.

3. Água (H₂O)

O oxigênio possui 6 elétrons na camada de valência (precisa de 2 elétrons para atingir 8), enquanto cada hidrogênio possui 1 elétron (precisa de 1 elétron para atingir 2).

• Processo: O oxigênio compartilha 1 elétron com um átomo de hidrogênio e outro elétron com um segundo átomo de hidrogênio. Sobram 2 pares de elétrons não ligantes sobre o oxigênio.
• Fórmula Estrutural: H–O–H (com geometria angular devido à repulsão dos pares livres).
• Tipo: Duas ligações covalentes simples e polares.

4. Gás Carbônico (CO₂)

O carbono possui 4 elétrons de valência (precisa de 4 ligações) e o oxigênio possui 6 elétrons de valência (precisa de 2 ligações cada).

• Processo: O carbono posiciona-se no centro e compartilha 2 pares de elétrons com o primeiro oxigênio e 2 pares com o segundo oxigênio.
• Fórmula Estrutural: O=C=O
• Tipo: Duas ligações covalentes duplas polares (embora a molécula final seja apolar devido à sua geometria linear).

5. Gás Metano (CH₄)

O carbono possui 4 elétrons na camada de valência e liga-se a 4 átomos de hidrogênio.

• Processo: O átomo de carbono compartilha 1 elétron com cada um dos 4 átomos de hidrogênio, preenchendo seu octeto e estabilizando todos os ligantes com geometria tetraédrica.
• Fórmula Estrutural: 4 ligações C–H simples partindo do carbono central.
• Tipo: Quatro ligações covalentes simples.

A distribuição e a interação dessas partículas subatômicas dependem da organização básica de prótons, elétrons e nêutrons na eletrosfera de cada átomo.

Diferença entre ligação covalente e ligação iônica

As ligações interatômicas determinam grande parte das propriedades químicas da matéria e do comportamento físico das substâncias. A tabela a seguir resume as principais diferenças entre compostos formados por ligações covalentes e compostos formados por ligações iônicas:

Erros comuns sobre ligações covalentes

• Confundir ligação polar com molécula polar: Uma molécula pode possuir ligações covalentes altamente polares e, ainda assim, ser uma molécula totalmente apolar. Isso ocorre quando a geometria molecular é simétrica e os vetores de momento dipolar se anulam mutuamente, como no CO₂ e no CCl₄.
• Achar que todo elemento sempre segue a regra do octeto: Existem contrações e expansões de octeto consolidadas na química. Por exemplo, o berílio se estabiliza com 4 elétrons (BeCl₂), o boro com 6 elétrons (BF₃), e elementos do terceiro período em diante, como o enxofre no SF₆ e o fósforo no PCl₅, podem expandir a camada de valência para 10 ou 12 elétrons.
• Acreditar que compostos covalentes nunca conduzem eletricidade: Embora a maioria dos compostos moleculares seja isolante, os ácidos (como o HCl) sofrem ionização quando dissolvidos em água, gerando íons livres capazes de conduzir corrente elétrica. Substâncias como o grafite (uma forma alotrópica do carbono com ligações covalentes) também conduzem eletricidade devido à presença de elétrons pi deslocalizados.
• Tratar a ligação dativa como uma ligação mais fraca: A ligação coordenada difere da ligação covalente comum apenas na origem dos elétrons antes da ligação. Uma vez compartilhados, os elétrons tornam-se indistinguíveis e a ligação tem a mesma força e comprimento de uma ligação simples comum.

Como as ligações covalentes aparecem no ENEM e nos vestibulares

Em exames vestibulares e no ENEM, o tema das ligações covalentes raramente é cobrado de forma isolada e puramente mnemônica. As questões costumam integrar esse conhecimento com temas interdisciplinares e aplicações cotidianas:

• Relação entre ligações e propriedades macroscópicas: Questões frequentes pedem que o estudante correlacione o tipo de ligação e a polaridade molecular com o ponto de ebulição, a volatilidade e a solubilidade de substâncias (como a miscibilidade de combustíveis ou a ação de surfactantes).
• Geometria Molecular e Forças Intermoleculares: A identificação do número de pares de elétrons ligantes e não ligantes no átomo central é o ponto de partida para prever a geometria (linear, angular, trigonal plana, piramidal ou tetraédrica) e, a partir dela, identificar forças como dipolo induzido, dipolo permanente e ligações de hidrogênio.
• Química Orgânica e Biologia: A análise de macromoléculas biológicas (proteínas, lipídios e ácidos nucleicos) e fármacos baseia-se diretamente na leitura de cadeias carbônicas sustentadas por ligações covalentes simples, duplas e triplas.

Para obter um bom desempenho, pratique a escrita das estruturas de Lewis, treine a identificação da eletronegatividade dos elementos na tabela periódica e relacione sempre a fórmula estrutural com a polaridade resultante da molécula.

Perguntas frequentes sobre ligação covalente

Qual é a diferença entre ligação covalente simples, dupla e tripla?

A diferença reside no número de pares de elétrons compartilhados entre dois átomos. A ligação simples compartilha 1 par (2 elétrons), a dupla compartilha 2 pares (4 elétrons) e a tripla compartilha 3 pares (6 elétrons). Conforme o número de pares aumenta, a ligação torna-se mais curta, mais forte e exige maior quantidade de energia para ser rompida.

Como saber se uma ligação é covalente ou iônica?

A identificação é feita analisando os elementos envolvidos e a diferença de eletronegatividade entre eles. Se a união ocorre entre ametais, semimetais ou hidrogênio (elementos com baixa diferença de eletronegatividade), a ligação é covalente. Se ocorre entre um metal e um ametal com grande diferença de eletronegatividade, a ligação é iônica.

Por que a molécula de água tem geometria angular e não linear?

A água possui geometria angular porque o átomo central de oxigênio possui 6 elétrons de valência, usando 2 para ligar-se aos hidrogênios e mantendo 2 pares de elétrons livres. Segundo a teoria de repulsão dos pares eletrônicos, esses pares livres repelem fortemente as ligações químicas, empurrando as ligações O–H para baixo e gerando um ângulo aproximado de 104,5°.

Todos os compostos formados por ligações covalentes são gases ou líquidos?

Não. Embora muitos compostos moleculares sejam gases ou líquidos em temperatura ambiente devido às suas forças intermoleculares moderadas, existem diversos sólidos covalentes. O açúcar comum (sacarose) e o gelo são exemplos de sólidos moleculares, enquanto o diamante e a sílica (areia) formam redes covalentes gigantes com pontos de fusão extremamente elevados.