O bloco p: semimetais, halogênios e gases nobres

As seis colunas à direita da tabela periódica, dos grupos 13 a 18, formam o bloco p, onde o último elétron entra num orbital p. Os blocos s e d contêm apenas metais, mas o bloco p reúne lado a lado metais, semimetais e não metais. Carbono, nitrogênio e oxigênio, que formam os seres vivos, o silício da eletrônica e o argônio do ar moram todos aqui, o que faz desta a parte mais variada da tabela.

O panorama geral

As propriedades ao longo do bloco p mudam em duas direções.

• Da esquerda para a direita: os átomos tendem cada vez mais a ganhar elétrons em vez de perdê-los, de modo que o caráter metálico diminui e o não metálico aumenta.
• De cima para baixo: os átomos ficam maiores e perdem seus elétrons externos com mais facilidade, de modo que o caráter metálico aumenta.

É por isso que o canto inferior esquerdo do bloco p (alumínio, estanho, chumbo, bismuto) é metálico, o canto superior direito (nitrogênio, oxigênio, flúor) é não metálico, e uma faixa diagonal de semimetais corre entre eles, do boro em direção ao astato.

O número de elétrons da camada externa decorre do número do grupo: três no grupo 13 (s²p¹), quatro no grupo 14, cinco no grupo 15, seis no grupo 16, sete no grupo 17 e oito no grupo 18 (o hélio tem dois).

Grupo 13: o grupo do boro

O boro é um semimetal; alumínio, gálio, índio e tálio são metais. O alumínio é o metal mais abundante da crosta terrestre. É leve, e uma película de óxido fina e compacta o protege da corrosão. O gálio funde a cerca de 30 °C, temperatura baixa o bastante para derreter na mão, e o nitreto de gálio é o material-chave dos LEDs azuis. O índio é usado no óxido de índio e estanho, o condutor transparente das telas sensíveis ao toque.

Descendo o grupo 13, o estado de oxidação +1 se torna mais estável em relação ao +3, e o tálio forma comumente compostos +1. Isso acontece porque, em átomos pesados, o par de elétrons s mais externo reluta em participar das ligações, efeito conhecido como efeito do par inerte.

Grupo 14: o grupo do carbono

O carbono é um não metal, o silício e o germânio são semimetais, e o estanho e o chumbo são metais. É um dos exemplos mais claros de um único grupo que abrange toda a gama de não metal a metal.

O carbono pode se ligar a si mesmo em longas cadeias e anéis, formando o esqueleto de milhões de compostos orgânicos. Dependendo de como os átomos se ligam, o carbono puro pode ser diamante, grafite, grafeno ou fulerenos, alótropos de propriedades surpreendentemente diferentes. O silício é o segundo elemento mais abundante da crosta, depois do oxigênio, encontrado principalmente como dióxido de silício na areia e nas rochas. Cristais de silício ultrapuro são a base dos chips de computador e das células solares. O chumbo, por causa do efeito do par inerte, é mais estável no estado +2.

Grupo 15: o grupo do nitrogênio

O nitrogênio compõe cerca de 78% do ar em volume, mas os dois átomos de uma molécula de N₂ estão presos por uma ligação tripla tão forte que o gás é bastante pouco reativo. O fósforo tem vários alótropos, incluindo o fósforo branco, o vermelho e o preto; o fósforo branco é reativo o bastante para se inflamar espontaneamente ao ar. Nitrogênio e fósforo são essenciais ao DNA e ao ATP e são os principais nutrientes dos fertilizantes. O arsênio e o antimônio são semimetais, e o bismuto é um metal. O arsênio é famoso como veneno, mas também aparece em materiais eletrônicos como o arseneto de gálio.

Grupo 16: o grupo do oxigênio (calcogênios)

O oxigênio é o elemento mais abundante em massa tanto na crosta terrestre quanto no corpo humano. Além do O₂, forma o ozônio, O₃, que absorve a luz ultravioleta na estratosfera. O enxofre é um sólido amarelo encontrado em torno de vulcões e é a matéria-prima do ácido sulfúrico. O selênio e o telúrio mostram comportamento semimetálico, e o polônio é um metal radioativo. O nome do grupo, calcogênios, vem de palavras gregas que significam “formadores de minérios”.

Grupo 17: os halogênios

Flúor, cloro, bromo, iodo, astato e tenesso formam o grupo 17. “Halogênio” significa “formador de sal”, porque esses elementos se combinam facilmente com metais formando sais como o cloreto de sódio.

Um átomo de halogênio tem sete elétrons externos e precisa de apenas mais um para atingir o arranjo estável de um gás nobre, por isso atrai elétrons com força. A aparência dos elementos muda de forma gradual ao descer o grupo.

As moléculas ficam maiores ao descer o grupo, por isso as forças entre elas crescem e os pontos de fusão e ebulição sobem.

A reatividade aumenta em direção ao topo. O flúor tem a maior eletronegatividade de todos os elementos e reage violentamente até com vidro e água. As reações de deslocamento mostram a ordem com clareza. Borbulhar cloro numa solução de brometo de potássio libera bromo, e a solução fica alaranjada:

Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂

O bromo não consegue deslocar o cloreto no sentido inverso. A sequência F > Cl > Br > I reflete a força com que cada elemento atrai um elétron extra.

Os halogênios estão por toda parte: o cloro desinfeta a água da torneira e as piscinas, o fluoreto do creme dental ajuda a prevenir cáries, e o iodo é usado como antisséptico e é necessário para os hormônios da tireoide. Os gases e líquidos elementares em si, porém, são tóxicos e corrosivos.

Grupo 18: os gases nobres

Hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio, radônio e oganessônio formam o grupo 18. Suas camadas externas estão completas e, por muito tempo, acreditou-se que não formassem composto algum; eram frequentemente chamados de “gases inertes”.

Essa crença acabou em 1962. Neil Bartlett, um químico britânico que trabalhava no Canadá, havia descoberto que o hexafluoreto de platina (PtF₆) é um oxidante forte o bastante para arrancar um elétron de uma molécula de oxigênio. Notando que a primeira energia de ionização do xenônio é quase igual à do O₂, ele fez o xenônio reagir com PtF₆ e obteve um sólido amarelo-alaranjado, o primeiro composto de gás nobre. No mesmo ano, outra equipe produziu tetrafluoreto de xenônio (XeF₄) diretamente a partir de xenônio e flúor. Muitos outros compostos de xenônio se seguiram, incluindo XeF₂, XeF₆ e o óxido XeO₃, e mais tarde se mostrou que o criptônio forma compostos como o KrF₂.

Os gases nobres mais pesados têm átomos maiores, cujos elétrons externos ficam mais longe do núcleo, por isso suas energias de ionização são menores e a formação de compostos se torna possível. Não se conhecem compostos neutros estáveis de hélio ou neônio. Desde essas descobertas, o grupo é descrito como “nobre” (muito pouco reativo), e não “inerte” (completamente não reativo).

Seus usos exploram todos essa baixa reatividade:

• Hélio: balões e dirigíveis e resfriamento dos ímãs supercondutores dos aparelhos de ressonância magnética.
• Neônio: o brilho vermelho-alaranjado dos letreiros de neon.
• Argônio: gás de proteção na soldagem e gás de enchimento de lâmpadas incandescentes. Com cerca de 0,93% do ar, é o gás nobre mais comum.
• Criptônio e xenônio: lâmpadas de alta intensidade, alguns faróis de carros e propelente de motores iônicos de espaçonaves.
• Radônio: um gás radioativo que emana do solo e das rochas e pode se acumular em porões, aumentando o risco de câncer de pulmão.

Os semimetais revisitados

Os semimetais do bloco p — boro, silício, germânio, arsênio, antimônio e telúrio — misturam traços metálicos e não metálicos. Mais importante, sua condutividade elétrica depende fortemente da temperatura e de quantidades mínimas de impurezas. Acrescentar um pouco de fósforo ao silício produz um semicondutor tipo n, com elétrons extras; acrescentar boro produz um semicondutor tipo p, com falta de elétrons. Essa técnica, a dopagem de um elemento do grupo 14 com átomos do grupo 13 ou do grupo 15, está por trás de todo dispositivo eletrônico moderno. Os números dos grupos na tabela periódica se traduzem diretamente nas regras de projeto da engenharia de semicondutores.