Princípios de Ciências dos Materiais

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Princípios de Ciências dos 
Materiais
EET310
2
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Profª. Adriana da Cunha Rocha
adrirocha@metalmat.ufrj.br
Cap. 2 Estrutura Atômica
•Modelos Atômicos
•Números Quânticos
•Força e Energia de Ligação
•Ligação Iônica•Ligação Iônica
•Ligação Covalente
•Ligação Metálica
•Propriedades das Ligações
3
Grafite x Diamante
Estrutura Cristalina 
Ligação fraca de van der 
Walls
Estrutura Cristalina
Ligação Covalente
Walls
4
Propriedades bem diferentes do grafite 
e do diamante devido as ligações 
interatômicas.
Conceitos Fundamentais
Modelo de Bohr
Núcleo
Elétron 
orbital
•Orbitais discretos•Orbitais discretos
•Níveis quantizados de 
energia
Conceitos Fundamentais
Modelo mecânico-ondulatório
O elétron não é mais tratado como uma
partícula que se move em um orbital
discreto, a posição do elétron é a
distribuição de probabilidade ao redor dodistribuição de probabilidade ao redor do
núcleo.
Dualidade onda-partícula.
Conceitos Fundamentais
(a) Modelo de Bohr
(b) Modelo mecânico-ondulatório
P
r
o
b
a
b
i
l
i
d
a
d
e
Cada elétron em um 
átomo é caracterizado 
NúcleoElétron orbital
Distância do núcleo
átomo é caracterizado 
por quatro parâmetros 
conhecidos como 
números quânticos.
Conceitos Fundamentais
Sub-órbita por sub-órbitas por órbita
1 K s 1 2 2
Número de estados eletrônicos disponíveis em algumas 
órbitas e sub-órbitas
Número 
quântico 
principal
Designação 
da órbita
Número de 
estados
Número de eletrons
1 K s 1 2 2
2 L s 1 2 8
p 3 6
3 M s 1 2 18
p 3 6
d 5 10
4 N s 1 2 32
p 3 6
d 5 8
f 7 14
Conceitos Fundamentais
Representação 
esquemática da 
energia relativa dos 
elétrons para vários 
Energia menor 
para arrancar é
elétrons para vários 
orbitais e suborbitais
E
n
e
r
g
i
a
Número quântico principal, n
Lista das Configurações Eletrônicas Esperadas para Alguns Elementos Comuns
Elemento Símbolo Elemento Símbolo Configuração Eletrônica
Hidrogênio H 1 Potássio K 19
Hélio 2 Cálcio 20
Lítio Li 3 Escândio 21
Berílio 4 Titânio Ti 22
Boro B 5 Vanádio V 23
Número 
Atômico
Configuração 
Eletrônica
Número 
Atômico
1s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
He 1s2 Ca 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
1s2 2s1 Sc 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2
Be 1s2 2s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2
1s2 2s2 2p1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2
Conceitos Fundamentais
Boro B 5 Vanádio V 23
Carbono C 6 Crômio Cr 24
Nitrogênio N 7 Manganês 25
Oxigênio O 8 Ferro 26
Flúor F 9 Cobalto Co 27
Neônio 10 Níquel Ni 28
Sódio Na 11 Cobre Cu 29
Magnésio Mg 12 Zinco 30
Alumínio 13 Gálio 31
Silício Si 14 Germânio 32
Fósforo P 15 Arsênio As 33
Enxofre S 16 Selênio Se 34
Cloro 17 Bromo 35
Argônio Ar 18 Criptônio 36
1s 2s 2p 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s
1s2 2s2 2p2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1
1s2 2s2 2p3 Mn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2
1s2 2s2 2p4 Fe 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
1s2 2s2 1p5 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2
Ne 1s2 2s2 1p6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2
1s2 2s2 2p6 3s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1
1s2 2s2 2p6 3s2 Zn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2
Al 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Ga 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p1
1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Ge 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3
1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p4
Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Br 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Kr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6
Conceitos Fundamentais
O átomo de Sódio: 
níveis de energia 
preenchidos
E
n
e
r
g
i
a
 
c
r
e
s
c
e
n
t
e
facilidade de 
perder é.
E
n
e
r
g
i
a
 
c
r
e
s
c
e
n
t
e
Princípio de exclusão 
de Pauli: cada estado 
eletrônico pode 
comportar no máximo 
2 é que devem possuir 
spin opostos
A Tabela Periódica Metal
Não metal
Intermediário
Número atômico
Símbolo
Número atômico
Classificação de acordo 
com a configuração 
eletrônica
Terras raras
Actinídios
A Tabela PeriódicaA Tabela PeriódicaA Tabela PeriódicaA Tabela Periódica
A Eletronegatividade dos elementos
A
 
L
i
g
a
ç
ã
o
 
A
t
ô
m
i
c
a
Atração x Repulsão
Força de atração, FA
Separação interatômica, r
Força de repulsão, FR
Força resultante, F
R
e
p
u
l
s
ã
o
F
o
r
ç
a
,
 
F
A
t
r
a
ç
ã
o
~1/r2 ~1/r9
A
 
L
i
g
a
ç
ã
o
 
A
t
ô
m
i
c
a
Distância interatômica
Separação interatômica, r
Energia resultante, F
Energia de repulsão, FR
Energia de atração, FA
R
e
p
u
l
s
ã
o
A
t
r
a
ç
ã
o
E
n
e
r
g
i
a
 
p
o
t
e
n
c
i
a
l
,
 
E
A Ligação Iônica
• Ocorre entre íons + e -
• Requer transferência de elétrons
• Grande diferença de eletronegatividade é necessária
• Exemplo: NaCl
Lei de Coulomb
Na (metal) 
instável
Cl (não metal) 
instável
elétron 
+ -
Atração
Coulômbica
Na (cátion) 
estável
Cl (ânion) 
estável
Exemplos de Ligação Iônica
• Ligação predominante dos materiais Cerâmicos
He 
-
Ne FLi
H 
2.1
Be CsCl
MgO
CaF2
NaCl
O
Fornecem elétrons Recebem elétrons
Ne 
-
Ar
-
Kr
-
Xe
-
Rn
-
F
4.0
Cl
3.0
Br 
2.8
I
2.5
At
2.2
Li
1.0
Na
0.9
K
0.8
Rb
0.8
Cs
0.7
Fr
0.7
Be
1.5
Mg
1.2
Ca
1.0
Sr
1.0
Ba
0.9
Ra
0.9
Ti
1.5
Cr
1.6
Fe
1.8
Ni
1.8
Zn
1.8
As
2.0
CsCl O3.5
A Ligação Iônica
Força de ligação coulômbica
adirecional
Surge uma ordem, 
pq Na+ atrai Cl- e pq Na+ atrai Cl- e 
Cl- repele Cl-.
A Ligação Covalente
• Requer: elétrons partilhados – típica do orbital p
• Exemplo: CH4
C: tem 4 e de valência
necessita mais 4
Elétrons partilhados
do átomo de CHCH4
H: tem um e de valência,
necessita mais 1
Electronegatividades
são de mesma ordem
Adaptado da Fig. 2.10, Callister 6ed.
Elétrons partilhados
Dos átomos de H 
HH
H
C
O que acontece se as 
eletronegatividades não 
são tão próximas?
Exemplos de Ligação Covalente
He 
-
Ne 
-
Ar
F
4.0
Cl
Li
1.0
Na
H 
2.1
Be
1.5
Mg
SiC
C(diamante)
H2O
C 
2.5
H2
Cl2
F2
Si
O
2.0
c
o
l
u
m
n
 
I
V
A
Ar
-
Kr
-
Xe
-
Rn
-
Cl
3.0
Br 
2.8
I
2.5
At
2.2
Na
0.9
K
0.8
Rb
0.8
Cs
0.7
Fr
0.7
Mg
1.2
Ca
1.0
Sr
1.0
Ba
0.9
Ra
0.9
Ti
1.5
Cr
1.6
Fe
1.8
Ni
1.8
Zn
1.8
As
2.0
Si
1.8
Ga
1.6
GaAs
Ge
1.8
Sn
1.8
Pb
1.8
• Moléculas de não metais
• Moléculas com metais e não metais
A Ligação Metálica
• Resulta de uma nuvem de elétrons de valência doados
(1, 2, ou 3 de cada átomo).
Núcleos dos íons
• Ligação primária em metais e suas ligas
Adaptado da Fig. 2.11, Callister 7ed.
Nuvem de elétrons de valência
Ligação Atômica: Sumário
Tipo
Iônica
Covalente
Energia
Grande
Variável
grande-Diamante
pequena-Bismuto
Comentários
Não direcional (cerâmicas)
Direcional
Semicondutores, cerâmicas
cadeias poliméricas)
Metálica
Secundária
pequena-Bismuto
Variable
grande-Tungstênio
pequena-Mercúrio
a menor
cadeias poliméricas)
Não direcional (metais)
Direcional
inter-cadeias (polímeros)
inter-molecular
Propriedades das Ligações
• Distância, r
• Energia, Eo
F 
F 
r 
• Temperaturade fusão, Tf
Energia (r)
Energia (r)
r
Eo
“energia de ligação”
Energia (r)
r
Distância sem 
tensões
r
grande Tf
pequena Tf
r
Tm é maior se Eo é maior
Estrutura Atômica
Microscopia de força 
atômica de uma 
amostra de ouro
23
atômica de uma 
amostra de ouro
Adaptado de Callister 6ed.