ciência dos materiais-cap2 - retificado - profª Cláudia

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Ligação Química
 Força de Ligação
 Energia de Ligação
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Ligações Químicas Nos Materiais
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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Curvas de Força e de Energia de Ligação
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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).
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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.
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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.
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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
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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