Estrutura dos Materiais - Átomos e Ligações

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Aula 2 
Estrutura dos Materiais
• Átomos;
• Ligações Primárias;
• Ligações Secundárias.
EGP109 – Ciência dos Materiais 1
Prof. Alan Garcia Santos
Estrutura
• Associada ao arranjo dos componentes internos do material;
• Deve ser analisada em diferentes escalas:
Átomo: modelo de Bohr 
• Núcleo composto por prótons e nêutrons 
(nº de prótons é o número atômico (z) e 
soma de prótons + nêutrons é a massa 
atômica);
• Carga do elétron: -1,6x10-19C;
• Carga do próton: 1,6x10-19C;
• Z=1 para H e 94 para o plutônio;
Átomo: modelo Mecânico Ondulatório
Átomo: modelo Mecânico Ondulatório
Classificação periódica 
• Os elementos são organizados na horizontal sequencialmente conforme seus números atômicos;
• Colunas verticais, chamadas grupos ou famílias, possuem átomos de características químicas similares;
Átomo: elétrons
• “Orbitam” em torno do núcleo dos átomos em níveis de energia discretos (quantizados) e 
específicos;
• Quanto mais próximo do núcleo, menor a energia;
Ligações: Forças de Ligação
• Importância: muitas das 
propriedades físicas dos materiais 
estão ligadas à intensidade das 
forças interatômicas.
• As forças de ligação aumentam
quanto mais próximos estão os 
átomos;
FL=FA+FR
FL: Força de Ligação; FA: Força de 
Atração; FR: Força de Repulsão.
Ligações: Energia de Ligação
• É a menor energia potencial necessária para separar dois átomos.
Ligações: Energia de Ligação
Ligações: Como afetam as propriedades
As propriedades dos materiais são influenciadas pelo tipo de ligação e pela curva da 
energia potencial de ligação
• Quanto maior a energia de ligação:
❑ Maior o ponto de fusão do composto;
❑ Maior a resistência mecânica;
❑ Maior a dureza;
❑ Maior o módulo de elasticidade;
❑ Maior a estabilidade química;
❑ Menor a dilatação térmica.
Ligações Primárias
Considerações:
• Os átomos tendem a buscar ficar em seu estado mais estável, ou de menor 
energia (configuração eletrônica de gases nobres);
• Os átomos se ligam para reduzir a energia potencial de ambos, resultando em 
um estado mais estável;
• Essas ligações possuem força interatômica intensa e são chamadas de ligações 
primárias;
• O comportamento e as propriedades de uma substância dependem diretamente 
do tipo e da intensidade das ligações entre seus átomos.
Ligações Primárias
• Classificação dos elementos químicos: Metais, não metais e metalóides
(têm características de metais e não metais);
• Tipos de ligações Primárias:
▪ Metal – não metal – Iônica;
▪ Não metal – não metal – Covalente;
▪ Metal – Metal – Ligação Metálica.
Ligações Iônicas
• Ocorre entre metais e não metais com grande diferença de eletronegatividade, por 
meio de transferência de elétrons entre íons.
• Os metais cedem seus elétrons de valência para os não metais, e ambos ficam com 
a configuração de um gás inerte e se tornam íons.
Ligações Iônicas
Ligações Iônicas
• Predominantes nos materiais cerâmicos;
• As energias de ligação são grandes (600 e 
1500 kJ/mol);
• Temperaturas de fusão são elevadas;
• Materiais são duros e frágeis;
• Materiais são bons isolantes elétricos e 
térmicos.
Ligações Covalentes
• Ocorre entre átomos com pequenas 
diferenças na eletronegatividade, sobretudo 
entre não metais;
• Ligações ocorrem por compartilhamento 
localizado de elétrons;
• São ligações fortes;
• Ocorre com maior frequência na natureza 
(hidrogênio diatômico, materiais biológicos, 
etc.);
Ligações Covalentes
Ligações Covalentes
• Os átomos formam tantos pares compartilhados quanto necessários para 
completar sua camada de valência (oito elétrons no total);
• A robustez da ligação depende da magnitude da força de atração ente os 
núcleos dos átomos e os pares compartilhados de elétrons;
• As ligações são direcionais;
• Formam gases, líquidos e sólidos de baixo ponto de fusão (materiais 
moleculares – ligação entre as moléculas é fraca);
• Ligação covalente entre átomos é forte entre moléculas pode ser rompida 
facilmente.
Ligações Covalentes
• Exemplos de sólidos covalentes (Sólido de rede covalente 3D): quartzo e diamante;
• Quartzo:
▪ Muito duro e se funde à temperatura de 1550oC;
▪ Mal condutor de eletricidade (não há íons para o transporte de carga).
Ligação Metálica
Como os átomos de metais sólidos se mantêm unidos?
• Metais ou ligas metálicas fundidas, quando solidificam, se arranjam em um 
denso empacotamento, de maneira organizada e repetitiva, criando uma 
estrutura estável;
• Átomos metálicos possuem 1 a 3 elétrons de valência;
• Estes átomos não ficam ligados em um átomo em particular no sólido, ficam 
livres para se movimentar em todo o material;
• Formam uma “nuvem de elétrons” e podem ser considerados como 
pertencentes ao metal como um todo.
Ligação Metálica
• Elétrons restantes, juntamente com os núcleos atômicos formam “núcleos 
iônicos” com carga positiva igual ao número dos elétrons de valência;
• Elétrons livres protegem os núcleos iônicos positivos das forças mutualmente 
repulsivas que um exerce sobre os outros;
• A ligação metálica não é direcional.
Ligação Metálica
• Elétrons livres atuam como adesivo que mantém os núcleos iônicos unidos;
• Elétrons livres tornam os metais bons condutores de calor e de eletricidade;
• A grande maioria dos metais é dúctil (se deformam plasticamente).
Ligação Metálica
Ligações vs Temperatura de Fusão
Ligações Mistas
• Grande parte dos íons e átomos podem se ligar quimicamente através 
de mais de um tipo de ligação primária e pode também envolver 
ligações secundárias de dipolos;
• As ligações mistas podem ser (em respeito a ligações primárias):
Ligações Mistas
Ligações mistas iônicas-covalentes:
• A maioria das moléculas ligadas covalentemente possui ligações iônicas. O 
contrário também é válido;
• Isso ocorre devido à diferença de eletronegatividade entre os elementos;
• Quanto maior a diferença de eletronegatividade, maior o caráter iônico da 
ligação;
• Ocorre em muitos compostos semicondutores.
Ligações Mistas
Ligações mistas metálicas-covalentes:
• Ocorrem com grande frequência, principalmente com os metais de transição;
• Faz com que os materiais apresentem pontos de fusão mais elevados.
Ligações mistas metálicas-iônicas:
• Ocorrem quando há diferença significativa na eletronegatividade dos elementos 
que formam o composto intermetálico;
• Dessa forma pode ocorrer transferências de elétrons (ligações iônicas) no 
composto.
Ligações Secundárias
• Também são conhecidas como ligações de Van der Waals ou física;
• São muito fracas quando comparadas com as ligações primárias (em torno 
de 10 kJ/mol de energia);
• São evidentes nos gases inertes, que possuem estruturas eletrônicas 
estáveis;
• Ocorrem também entre as moléculas ligadas covalentemente;
• As forças de ligação surgem a partir de dipolos (surge sempre que há 
alguma separação entre as partes positiva e negativa) atômicos ou 
moleculares;
• A ligação resulta da atração de Coulomb entre a extremidade positiva e a 
região negativa em dipolos adjacentes.
Ligações Secundárias
Ligações Secundárias
Ligações de hidrogênio:
• É uma ligação secundária mais forte e aparece em moléculas que possuem 
hidrogênio como elemento constituinte;
• Ocorre quando as ligações O-H e N-H interagem com os átomos 
eletronegativos O, N, F ou Cl.
Ligações vs Materiais
Ligações químicas em relação aos tipos de materiais:
Ligações vs Materiais
Ligações químicas em relação aos tipos de materiais:
• Elementos não-metálicos que compartilham elétrons formam materiais orgânicos 
que constituem polímeros – ligações covalentes predominantes;
• Materiais cerâmicos contêm compostos de elementos metálicos e não metálicos –
estes materiais podem ser provenientes tanto de ligações iônicas como covalentes;
• Alguns materiais não se enquadram em uma das três classificações principais, por 
exemplo o GaAs (semicondutor), que pode ser considerado um metal ou um material 
cerâmico;
• O grafite não se enquadra em nenhuma das classificações,pois tem propriedades em 
comum com as três.
Materiais sólidos: estrutura
Roteiro de Estudo
1. Como a força das ligações influencia nas propriedades nos materiais sólidos? Cite 
exemplos.
2. O que são ligações primárias? Cite e explique cada uma delas.
3. Explique as razões pelas quais os metais são bons condutores de calor e os 
polímeros não o são.
4. Associe os tipos de ligações primárias aos tipos de materiais. 
Fim!
Obrigado!