LIGAÇÃO QUIMICA

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ESTRUTURA ATÔMICA 
E 
LIGAÇÃO INTERATÔMICA
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
Termodinâmica - Van Wiley, Borna, Sontag - Capítulo 1
Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns – Hubertus Colpaert
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INTRODUÇÃO
A ESTRUTURA ATÔMICA DOS MATERIAIS
Os materiais são formados por átomos, mas como?
 Existem apenas cerca de 100 tipos de átomos em todo o universo. Dependendo de como eles estejam arranjados uns em relação aos outros, podem formar árvores ou pneus, cinzas ou animais, água ou o ar que respiramos, etc. 
A estrutura determina não apenas a aparência dos materiais, mas também suas propriedades. Quando um isolante elétrico pode tornar-se um supercondutor, um lápis em um diamante, uma simples gripe uma tremenda virose, começamos a compreender como é importante conhecer a estrutura dos materiais. 
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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INTRODUÇÃO
Por que estudar a estrutura interatômica?
	As propriedades dos materiais sólidos dependem dos arranjos geométricos dos átomos e também das interações existentes entre átomos ou moléculas constituintes. 
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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O tipo de ligação interatômica geralmente explica a propriedade do material.
 Exemplo: 
 O carbono pode existir na forma de grafite que é um material mole, escuro e lubrificante, ou na forma de diamante que é extremamente duro, claro e brilhante.
 	Estas diferenças nas propriedades são atribuídas ao tipo de ligação química que é encontrada no grafite e no diamante.
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TABELA PERIÓDICA - 	Mendeleyev (1869)
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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		electrons – 9,11 x 10-31 kg
Átomos 	protons 	 	neutrons 
Número atômico (Z) = número de protons no núcleo 		 = número de elétrons (em elementos 				 neutros)
 
Massa atômica (A) =  Z + N (N= número de neutrons) 
} 1,67 x 10-27 kg
ESTRUTURA ATÔMICA
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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Os elementos químicos se ligam e formam diversos materiais (sólidos, líquidos e gasosos).
A ligação química é formada pela interação dos elétrons de valência por meio de um dos seguintes mecanismos:
	- Ganho de elétrons
	- Perda de elétrons
	- Compartilhamento de elétrons
LIGAÇÕES QUÍMICAS
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TABELA PERIÓDICA – Estrutura de valência similar
Elementos eletronegativos :
Aceitam eletrons para se tornarem ions.
Elementos eletropositivos:
Cedem eletrons para se tornarem ions
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TIPOS DE LIGAÇÕES QUÍMICAS
 IÔNICA
 COVALENTE
 METÁLICA
 VAN DER WAALS
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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LIGAÇÕES INTERATÔMICAS PRIMÁRIAS
LIGAÇÕES IÔNICAS: átomos de um elemento metálico perde seus elétrons para o elemento não-metálico 
LIGAÇÃO PREDOMINANTE EM MATERAIS CERÂMICOS
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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LIGAÇÕES INTERATÔMICAS PRIMÁRIAS
LIGAÇÕES IÔNICAS: átomos de um elemento metálico perde seus elétrons para o elemento não-metálico 
LIGAÇÃO PREDOMINANTE EM MATERAIS CERÂMICOS
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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EXEMPLOS DE LIGAÇÕES IÔNICAS
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LIGAÇÃO COVALENTE: configurações eletrônicas são obtidas pelo compartilhamento de elétrons entre átomos adjacentes.
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LIGAÇÃO METÁLICA: os elétrons protegem os núcleos iônicos carregados positivamente, das forças de repulsão, mantendo juntos estes núcleos. 
 LIGAÇÃO PREDOMINANTE EM METAIS 
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Arises from interaction between dipoles
• Permanent dipoles-molecule induced
-general case:
-ex: liquid HCl
-ex: polymer
Adapted from Fig. 2.14,
 Callister 7e. 
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU LIGAÇÕES DE VAN der WAALS
secondary 
bonding
secondary 
bonding
secondary bonding
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Arises from interaction between dipoles
• Fluctuating dipoles
Adapted from Fig. 2.13, Callister 7e. 
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU LIGAÇÕES DE VAN der WAALS
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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Podemos classificar um material quanto a ligação atômica?
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Tipo
Ionica
Covalente
Metalica
Secundaria
Energia de união 
 elevada 
 variavel
  - diamante
  - bismuto
 variável
 - tungstênio
 - mercúrio
 menor
Comentários
sem direção
 (ceramicas)
direcionada
(semicondutores, 
ceramicas e polimeros)
sem direção 
(metals)
direcionada
 (polímeros)
RESUMO: Ligações Químicas
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 Energia de atração e repulsão para dois átomos isolados
ENERGIA DE LIGAÇÃO
E = energia potencial entre dois átomos
EA = energia de atração, ER = energia de repulsão, EN = energia líquida
E0 = energia necessária para separar dois átomos até uma distância infinita
O valor de E0 depende do material e do tipo de ligação atômica encontrada nos sólidos (iônica, covalente e metálica)
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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A distância entre 2 átomos é determinada pelo balanço das forças atrativas e repulsivas
Quanto mais próximos os átomos maior a força atrativa entre eles, mas maior ainda são as forças repulsivas devido a sobreposição das camadas mais internas 
Quando a soma das forças atrativas e repulsivas é zero, os átomos estão na chamada distância de equilíbrio.
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• Distância interatômica (r)
• Energia de ligação, Eo
• Temperature de fusão, Tm
Tm é maior se Eo é maior.
Propriedades : Temperatura de fusão (Tm)
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• Coefficient of thermal expansion, a
• a ~ symmetry at ro
a é maior se Eo é menor.
Propriedades: Coeficiente de expansão térmica (a)
= 
a 
(
T
2
-
T
1
)
D
L
L
o
Coeficiente de expansão térmica
 
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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A inclinação da curva no ponto de equilíbrio (F = 0) está relacionada à força necessária para separar os átomos sem promover a quebra da ligação. 
Os materiais que apresentam uma inclinação grande são considerados materiais rígidos. Os materiais que apresentam uma inclinação menor são mais flexíveis
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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Ceramicas
(Ionica & covalente ):
Metais
(Metalica ):
Polimeros
(Covalente & Secondaria):
 energia de ligação
	 Tm
	 E
	  a
Variable bond energy
	moderada Tm
	moderado E
	moderado a
 Directional Properties
Secondary bonding dominates
	 Tm
	  E
	  a
Resumo: Ligações Primárias
CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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Ergonomia – Projeto e Produção – Itiro Iida
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