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Ci ênc ia do s M ate ria is Ligação Química Força de Ligação Energia de Ligação Ci ênc ia do s M ate ria is Introdução Tipos de Ligações Primárias Metálica Iônica Covalente Secundárias Ligações de van der Waals Objetivo Relacionar os tipos de ligação química com as principais propriedades dos materiais. Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Ligações Químicas – Primárias e Secundárias Primárias Metálica: Os elétrons de valência têm liberdade de se mover por todo o cristal (modelo simples). Iônica: Envolve transferência completa de um ou mais elétrons de um átomo para outro. Formação de íons de sinais contrários. Forças atrativas de Coulomb. Covalente: Envolve um compartilhamento de um par de elétrons entre dois átomos adjacentes. Pares de elétrons ocupam orbitais, e como orbitais ocupados se repelem mutuamente, eles devem situar-se no espaço o mais afastado possível um dos outros. Se for possível prever a distribuição de orbitais em torno do átomo central, também será possível prever a forma da molécula e o valor dos ângulos de ligação. Secundárias São de natureza físicas. São fracas em comparação às ligações primárias (químicas). Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Ligações Químicas - Direcionalidade Direcionalidade das Ligações Não-direcionais Metálica Iônica Direcionais Covalente Secundárias Átomos ligados por ligações não-direcionais comportam-se, em geral, como esferas compactamente empilhadas e obedecem a certas regras geométricas ditadas pelas suas diferenças de tamanho. Os átomos ligados por ligações direcionais são empilhados de modo a que satisfaçam aos ângulos de ligação Deve ser lembrado que, embora os dois tipos sejam aqui discutidos separadamente por conveniências didáticas em materiais reais, as ligações são, frequentemente, uma mistura de tipos de ligação. Ao se tentar compreender por que os átomos são arranjados de determinado modo num sólido, é conveniente dividir as ligações em duas categorias: direcionais e não-direcionais. Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Direcionalidade das Ligações Químicas Ligações não-direcionais Metálica: Os elétrons não estão ligados a qualquer átomo particular no sólido e se encontram mais ou menos livres para se movimentar por todo o metal. Iônica: A magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor de um íon. Ligações direcionais Covalente: Ocorre entre átomos específicos e pode existir apenas na direção entre um átomo e o outro que participa do compartilhamento dos elétrons. Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Ligações Químicas Estes tipos de ligação são representações extremas, ou idealizadas, e na maior parte das substâncias as ligações químicas situam-se entre estas formas extremas, embora uma desta formas predomine no composto. Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Ligações Químicas Nos Materiais Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Ligações Químicas – Caráter Iônico Para um composto influenciado pelas ligações iônicas e covalentes, o grau de cada tipo de ligação depende das posições relativas dos seus átomos constituintes na Tabela Periódica, ou da diferença nas suas eletronegatividade. Quanto maior for a diferença de eletronegatividade mais influência das ligações iônicas. Quanto menor for a diferença de eletronegatividade mais influência das ligações covalentes. O percentual do caráter iônico de uma ligação entre dois elementos A e B (onde A é o elemento mais eletronegativo) pode ser aproximado pela expressão % caráter iônico = {1-exp[-(0,25)(XA – XB)2]}x100 Onde XA e XB representam as eletronegatividades dos respectivos elementos Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Ligações Químicas – Caráter Iônico Exemplo O termo sílica refere-se aos compostos de dióxido de silício, SiO2, nas suas várias formas incluindo sílicas cristalinas; sílicas vítreas e sílicas amorfas. Comercialmente, a sílica é fonte do elemento silício e é usada em grande quantidade como um constituinte de materiais de construção. A sílica também possui numerosas aplicações especializadas, como cristais piezoelétricos. Na sua forma amorfa é utilizada como dessecante, adsorvente, carga e componente catalisador. Na sua forma vítrea é muito utilizada na indústria de vidro e como componentes óticos. Sílica é um material básico na indústria de vidro, cerâmicas e refratários. Calcule o percentual de caráter iônico das ligações interatômicas deste material cerâmico. Solução: No composto SiO2 o oxigênio é o mais eletronegativo. Então, (XA – XB) = (3,5-1,8) = 1,7 % caráter iônico = {1-exp[-(0,25)(XA – XB)2]}x100 % caráter iônico = {1-exp[-(0,25)(1,7)2]}x100 % caráter iônico = 51 Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo e a turmalina que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. Piezoeletricidade ("eletricidade de pressão“) define-se pela capacidade de alguns materiais se tornarem eletricamente polarizados quando sujeitos a algum tipo de stress. Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Ligações Químicas – Influência do Caráter Iônico Compostos cerâmicos de alto % de caráter iônico exibem estrutura que depende do tamanho relativo dos íons e da necessidade de balanço eletrostático. Compostos cerâmicos de alto % de caráter covalente exibem estrutura que depende da direcionalidade das ligações. As cerâmicas ligadas predominantemente por ligações covalentes são tipicamente duras e de alta resistência apresentando altos pontos de fusão. Como essas ligações são direcionais, apresentam em geral: Menores densidades (para pesos moleculares equivalentes aos dos compostos iônicos) e Menores expansões térmicas que os compostos iônicos, para energias entre as ligações semelhantes. Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Ligação Química – Influência nas Propriedades Exemplos de algumas propriedades dos materiais que dependem do tipo e da força da ligação: Dureza Maleabilidade Condutividade (térmica e elétrica) Ponto de fusão Coeficiente de expansão térmica Dureza é a resistência de um material à penetração. Maleabilidade é a capacidade de moldar os metais em lâminas finas, por martelar o metal aquecido ou passá-lo por cilindros laminadores Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Força de Ligação - Formação Dois átomos distantes: A força de interação é praticamente nula. À medida que eles se aproximam: Cada átomo exerce uma força sobre o outro. Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Ligação Química - Força de Ligação Quando dois átomos se aproximam, eles exercem uma força um no outro: FN = FA + FR onde: FA ≡ força de atração FR ≡ força de repulsão FN ≡ força resultante Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Curvas de Força e de Energia de Ligação Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Relação entre algumas propriedades e as curvas de força e de energia de ligação Módulo de elasticidade O módulo de elasticidade depende da forma da curva F(r). Derivada da curva F(r) no ponto r = r0 com valor elevado indica maior módulo de elasticidade (material a). Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Relação entre algumas propriedades e as curvas de força e de energia de ligação Coeficiente de expansão térmica Um “poço”profundo e estreito (elevadas energias de ligação) está relacionado a um baixocoeficiente de expansão térmica. Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Relação entre algumas propriedades e as curvas de força e de energia de ligação Quanto maior o “poço” de potencial, maior será a energia de ligação e consequentemente maior a resistência à separação de átomos adjacentes. Resistência mecânica: aumenta com a força máxima e com a profundidade do “poço” da curva de energia de ligação. Pontos de fusão e de ebulição: aumentam com a profundidade do “poço” da curva de energia de ligação. Coeficiente de expansão térmica: diminui com a profundidade do “poço” da curva de energia de ligação. Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Energias de Ligação e Temperaturas de Fusão Tipo de ligação Substância Energia de ligação (kJ/mol) Temp. Fusão (°C) Iônica NaCl 640 801 MgO 1000 2800 Covalente Si 450 1410 C (diamante) 713 > 3550 Metálica Hg 68 - 39 Al 324 660 Fe 406 1538 W 849 3410 Van der Waals Ar 7,7 - 189 Cl2 31 - 101 Hidrogênio NH3 35 - 78 H2O 51 0 Ci ênc ia do s M ate ria is Márcia Rocha Exercícios 1 - Por que materiais que apresentam elevados ponto de fusão têm elevados módulo de elasticidade e baixa dilatação térmica? 2 - Em um material onde as ligações iônicas são predominantes é mais ou é menos provável a formação de um sólido de natureza não cristalina? Compare com outro material onde as ligações covalentes predominam. 3 - Dê uma explicação para a razão pela qual os materiais ligados covalentemente são, em geral, menos densos do que aqueles ligados por meio de ligação iônica ou metálica. 4- O carbeto de silício (SiC) é uma importante cerâmica estrutural, por sua combinação de propriedades, como excelente resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas, resistência ao desgaste, alta condutividade térmica e boa resistência ao choque térmico. Graças a sua dureza e alto ponto de fusão, o carbeto de silício tem ganho grande importância industrial com um abrasivo e composto de refratários. Calcule o percentual de caráter covalente das ligações interatômicas deste material cerâmico. Ligação Química Introdução Ligações Químicas – Primárias e Secundárias Ligações Químicas - Direcionalidade Direcionalidade das Ligações Químicas Ligações Químicas Ligações Químicas Nos Materiais Ligações Químicas – Caráter Iônico Ligações Químicas – Caráter Iônico Ligações Químicas – Influência do Caráter Iônico Ligação Química – Influência nas Propriedades Força de Ligação - Formação Ligação Química - Força de Ligação Curvas de Força e de Energia de Ligação Relação entre algumas propriedades e as curvas de força e de energia de ligação Relação entre algumas propriedades e as curvas de força e de energia de ligação Relação entre algumas propriedades e as curvas de força e de energia de ligação Energias de Ligação e Temperaturas de Fusão Exercícios
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