Ligações Atomicas

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Ligação AtômicaLigação Atômica
Florianópolis, 26 de agosto de 2013
Ciência e Tecnologia dos 
Materiais
Antonio Augusto Morini
antonio.morini@ifsc.edu.br
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Ligação AtômicaLigação Atômica
Por quê estudar as ligações atômicas?
O tipo de ligação interatômica dá suporte para 
o conhecimento das propriedades do material.
Exemplo: o carbono pode existir na forma de gra-
fite que é mole, escuro e “gorduroso” ou na forma 
de diamante que é extremamente duro e brilhante
Essa diferença nas propriedades é diretamente 
atribuída ao tipo de ligação química que é
encontrada no grafite e no diamante.
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Ligação AtômicaLigação Atômica
Grafite:
- Anéis hexagonais formando uma 
lâmina em um mesmo plano;
- Sobrepõem-se e permitem desli –
zamento;
- Utilizado como lubrificante.
Diamante:
- Cada átomo de carbono está
ligado a outros quatro átomos 
não contidos em um mesmo 
plano.
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(número de prótons)
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��Massa atômica:Massa atômica: massa de um átomo é a somatória 
de todas as partículas do átomo, calculada como a 
média ponderada de seus vários isótopos (Ex. C12; C14
cuja média é 12,01 u), em Unidade de Massa Atômica (u). 
�Esses valores encontram-se na tabela periódica, 
também erroneamente definida como peso atômico;
�Unidade de massa atômica (u.m.a.) ou (u) é igual a 
1/12 da massa do carbono 12 (1,66 x 10-24 g);
�Por convenção estabeleceu-se que a massa 
atômica do C12 é igual a 12 u, e é o padrão para a 
medida de massas atômicas de outros elementos. 
DefiniDefiniççõesões
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��Mol:Mol: Unidade de medida da quantidade de matéria. 
Contém tantas entidades elementares (moléculas 
átomos, ou outros elementos) quanto são os átomos 
contidos em 12 gramasgramas de C12, cuja quantidade é de 
6,023 x 1023atomos, que é a Constante de Avogrado.
�Ex. Um mol de NaCl contém 6,023 x 1023 átomos 
de sódio (Na) e 6,023 x 1023 átomos de cloro (Cl).
��Massa molecular:Massa molecular: Soma das massa atômicas dos 
átomos que compõem a molécula.
�Ex. H2O H = 1,00794 u.m.a. O = 15,9994 u.m.a.
�H2O = 18,02 u.m.a.
DefiniDefiniççõesões
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��Constante de Avogrado:Constante de Avogrado: É o número de átomos de 
C12 em 12 gramas de C12, seu valor numérico é de: 
6,023 x 1023 (áátomos ou moltomos ou molééculas)/culas)/mol
�Para um composto, o termo correspondente é mol.
�Ex. Calcular a massa, em gramas, de 1 átomo de 
ouro, cuja massa atômica é 196,966 u.
�Da estequiometria: n = m/MM onde:
�n = número de mol (quantidade de matéria),
�m = massa (em gramas)
�MM = massa molar (g/mol) ou massa atômica (g/mol)
�Logo: massa = 196,966 g/mol
�Então: m(gramas/átomo) = 196,966 / 6,02 x 1023 = 3,27 x 10-22
DefiniDefiniççõesões
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�01 – Calcule o n° de átomos em uma amostra cilíndrica 
de 1µm de diâmetro por 1 µm de profundidade do cobre
sólido. (d = 8,93 g/cm3; massa atômica do cobre = 63,55 
u; n° de Avogrado = 6,023 x 1023 u)
RespostaResposta = 6,64 x 10= 6,64 x 101010 áátomostomos
�02 – Um mol de MgO sólido ocupa um cubo de 22,37 
mm de lado (cada aresta). Calcule a densidade do MgO
(g/cm3). (massa atômica do Mg = 24,31g; massa atômica
do O = 16,00g)
RespostaResposta = 3,60 g/cm= 3,60 g/cm33
ExercExercíícios em salacios em sala
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�Exercício 01
�massa cobre = d x v onde v = ¶ x r2 x h = ¶ x (1/2)2 x 1 = 0,785 µ3
sendo 1µ = 10-4 cm tem-se: vcobre = 0,785 x 10-12 cm3
mcobre = 0,785 x 10-12 x 8,93 = 7,01 x 10-12 g
Mátomocobre (em gramas) = 63,55 / 6,023 x 1023 = 1,056 x 10-22 g
Regra de três: 1átomocobre = 1,056 x 10-22 g
Xatomos = 7,01 x 10-12 g
Xátomos = 6,64 x 1010 átomos
ExercExercíícios em salacios em sala
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�Exercício 02
m1mol MgO = massa atômica do Mg + massa atômica do O
M1mol MgO = 24,31 g + 16,00 g = 40,31 g
23,7 mm = 2,37 cm
d = m/v = 40,31 / (2,37)3
d1molMgO = 3,60 g / cm3
ExercExercíícios em salacios em sala
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�A estrutura atômica pode ser comparada ao 
sistema planetário, onde os elétrons (planetas) 
giram em torno de um núcleo (sol);
�Para o presente estudo o núcleo será
composto por apenas prótons e nêutrons;
�Nas ligações químicas em materiais sólidos, os 
elementos se ligam a fim de atingir uma 
configuração mais estável (oito elétrons na 
última camada).
Estrutura AtômicaEstrutura Atômica
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�A ligação química é formada pela interação dos 
elétrons de valência, através de um dos 
seguintes mecanismos:
� Ganho de elétrons
� Perda de elétrons
� Compartilhamento de elétrons
LigaLigaçções Quões Quíímicasmicas
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�A ligação atômica nos materiais pode ser dividida 
em duas categorias gerais, as ligações primárias e 
as ligações secundárias, onde:
� Primárias: Ligação forte com transferência ou 
compartilhamento de elétrons. São as ligações: 
Iônica, covalente e metálica.
� Secundária: Ligações fracas que contribuem 
para a coesão da matéria, sendo chamadas de 
forças de Van der Waals (polarização molecular, 
ponte de hidrogênio e outras).
� Cada um dos quatro tipos fundamentais de 
materiais (metais, cerâmicas, polímeros e 
semicondutores) está associado a certo tipo (ou 
todos) de ligação atômica.
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�A ligação iônica se dá por transferência de 
elétrons, onde um elétron de sódio (Na) vai para a 
órbita do Cloro (Cl), tornando-as estáveis, tendo 
ambas oito(8) elétrons na última camada;
�Ao aceitar o elétron de sódio, o cloro torna-se um 
íon negativo Cl- (ânion), consequentemente, o sódio 
se transforma num íon positivo Na+ (cátion), 
originando a ligação iônica;
�A ligação iônica é não direcional. Um Na+ atrairá
um Cl- da vizinhança, de qualquer direção, como 
apresentado nas figuras a seguir;
��Predomina nos materiais cerâmicos.Predomina nos materiais cerâmicos.
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônica
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Ligação AtômicaLigação Atômica
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônica
Massa atômica do cloro: 35,453 u
Massa atômica do sódio: 22,989 u
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Ligação AtômicaLigação Atômica
ForForçça de Ligaa de Ligaçção ão -- IônicaIônica
�A distância entre dois (2) 
átomos é determinada pelo 
equilíbrio entre as forças de 
atração e repulsão;
�Quanto mais próximo o 
átomo, maior a força atrativa 
entre eles, mas ainda maior 
são as forças repulsivas, 
devido à sobreposição dos 
elétrons;
�Quando as forças atrativas 
e repulsivas se equivalem, os 
átomos estão na chamada 
distância de equilíbrio.
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Ligação AtômicaLigação Atômica
ForForçça de Ligaa de Ligaçção ão –– IônicaIônica
�Quando energia térmica é
fornecida a um material, a 
vibração térmica faz com que os 
átomos oscilem próximos ao 
estado de equilíbrio;
�Devido a assimetria da curva 
de “energia de ligação X distância 
interatômica” a distância média 
entre os átomos aumenta com o 
aumento da temperatura, 
ocorrendo a dilatação
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Ligação AtômicaLigação Atômica
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+ 11+ 11 + 17+ 17
Exemplo1 : NaClNaCl
Sódio (Na) →→→→ 11 elétrons: 1s2, 2s2 2p6, 3s1. Como tem apenas 1 elétron 
na última camada este é facilmente cedido a outro átomo (transforma-seem íon positivo).
Cloro (Cl) →→→→ 17 elétrons: 1s2, 2s2 2p6, 3s2 3p5. Recebe facilmente um 
elétron (transforma-se em íon negativo).
--
Na+ Cl-
--
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônica
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Ligação AtômicaLigação Atômica
Cl ¯
Na+
Cl ¯
Na+
++
++++
++ ++ ++
++
---- --
-- --
-- -- --
Composto Composto NaClNaCl
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônicaão Iônica
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Ligação AtômicaLigação Atômica
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ––––––––
ForForForForForForForForçççççççça de ligaa de ligaa de ligaa de ligaa de ligaa de ligaa de ligaa de ligaççççççççãoãoãoãoãoãoãoão
Note que a dis–
tância de equi-
líbrio é de 0,28 
nm para o Clo-
reto de Sódio.
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�O nnúúmero de coordenamero de coordenaççãoão (NC) é o número de íons 
(ou átomos) adjacentes que cercam um íon (ou átomo) 
de referência;
�Para compostos iônicoscompostos iônicos, esse número depende 
diretamente do tamanho relativo dos íons carregados 
com cargas opostas;
�Esse tamanho relativo é caracterizado pela razão dos 
raios (r/R), onde r é o raio do íon menor e R é o raio do 
maior;
�Acima do limite, a ligação torna-se instável, como 
mostra a figura a seguir.
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica –––––––– NNNNNNNNúúúúúúúúmero de coordenamero de coordenamero de coordenamero de coordenamero de coordenamero de coordenamero de coordenamero de coordenaççççççççãoãoãoãoãoãoãoão
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Ligação AtômicaLigação Atômica
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica –––––––– NNNNNNNNúúúúúúúúmero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenaççççççççãoãoãoãoãoãoãoão
Razão r/R = 0,2/1,0 = 0,2
Relação mínima 
de raios para 
NC = 3
Shackelford, J. F., Ciência dos Materiais, 6.ed. São Paulo, Pearson
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Ligação AtômicaLigação Atômica
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica ão Iônica –––––––– NNNNNNNNúúúúúúúúmero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenaççççççççãoãoãoãoãoãoãoão
Note que para a 
razão de raios 
(r/R) = 1 é pos-
sível um NC=12
Shackelford, J. F., Ciência dos Materiais, 6.ed. São Paulo, Pearson
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�Exercício 03
�Estime o número de coordenação (NC) para o cátion em cada um 
dos seguintes óxidos de cerâmica: Al2O3, B2O3, CaO, MgO, SiO2 e 
TiO2
Sabendo-se que o raio dos elementos acima são:
Al = 0,057 nm B = 0,02 nm Ca = 0,106 nm
Mg = 0,078 nm Si = 0,039 nm Ti = 0,064 nm
O = 0,132 nm
Obs: Utilizar a tabela 2.1, do slide anterior, para estimar o NC
6_2_8_6_4_6
ExercExercíícios em salacios em sala
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�A ligação covalente é direcional, sendo 
formada pelo compartilhamento cooperativo dos 
elétrons da camada de valência entre dois 
átomos adjacentes;
A ligação covalente pode produzir números de 
coordenação (NC) bem menores que os 
previstos nas ligações iônicas;
��Predomina nos materiais polimPredomina nos materiais polimééricos.ricos.
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção covalenteão covalenteão covalenteão covalenteão covalenteão covalenteão covalenteão covalente
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Ligação AtômicaLigação Atômica
Os elétrons de valência 
são compartilhados, 
isto é, formam um par 
eletrônico que pertence 
ao mesmo tempo a dois 
átomos vizinhos.
O par de elétrons 
compartilhados mantém 
os átomos fortemente 
ligados.
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Covalenteão Covalenteão Covalenteão Covalenteão Covalenteão Covalenteão Covalenteão Covalente
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Ligação AtômicaLigação Atômica
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Covalente ão Covalente ão Covalente ão Covalente ão Covalente ão Covalente ão Covalente ão Covalente –––––––– NNNNNNNNúúúúúúúúmero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenamero de Coordenaççççççççãoãoãoãoãoãoãoão
�Para o diamante r/R = 1, entretanto seu NC = 4, 
diferente da tabela 2.1 que indica NC = 12.
�Isso acontece devido a que os quatro (4) elétrons 
da camada externa do átomo de carbono são com-
partilhados com átomos adjacentes igualmente 
espaçados.
�Tal ligação dá ao diamante alta dureza e ponto de 
fusão superior à 3.500 °C
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�A figura a seguir representa a ligação de uma molécula 
covalente, o etileno (C2H4). A linha dupla entre os dois 
carbonos significa um compartilhamento covalente de dois 
pares de elétrons de valência.
�Convertendo a ligação dupla em duas ligações simples, 
as moléculas adjacentes de etileno podem ser ligadas 
covalentemente em uma longa cadeia de moléculas de 
polietileno.
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em políííííííímerosmerosmerosmerosmerosmerosmerosmeros
C C C C C C 
HH H H H H
H H H H H H
nn C 
H
H
C 
H
H
mero
etileno polietileno
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Ligação AtômicaLigação Atômica
A figura ao lado mostra um es-
quema bidimensional dessa 
estrutura. As ligações CC e CH 
são fortes, covalentes.
Porém, as ligações secundárias 
são fracas e ocorrem entre as 
seções adjacentes das cadeias 
moleculares longas.
Essas ligações são o elo fraco 
que leva os polímeros à baixa 
resistência mecânica e baixo 
ponto de fusão.
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em políííííííímerosmerosmerosmerosmerosmerosmerosmeros
�Essas cadeias poliméricas (uma unidade C2H4 é
um mero) são a base dos polímeros
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Ligação AtômicaLigação Atômica
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em polão Covalente em políííííííímerosmerosmerosmerosmerosmerosmerosmeros
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�Exercício 04
Esboce o processo de polimerização para o 
policloreto de vinila (PVC). A molécula de cloreto 
de vinila é C2H3Cl.
�Exercício 05
Calcule a energia de reação para a 
polimerização do policloreto de vinila.
ExercExercíícios em salacios em sala
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�Exercício 04
�Exercício 05
�C = C 2(C – C)
Da tabela 2.2 a energia associada a essa reação é:
680 KJ/mol (C = C) – quebra da ligação
2 x 370 KJ/mol 2(C – C) = 740 KJ/mol – duas ligações
Energia de Reação = (740 – 680) = 60 KJ/mol.
ExercExercíícios em salacios em sala
H H
H
C C
Cl
H H
H
C C
Cl
H H
H
C C
Cl
H H
H
C C
Cl n
C
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Ligação AtômicaLigação Atômica
��São materiais inorgânicos formados por São materiais inorgânicos formados por 
elementos metelementos metáálicos da tabela perilicos da tabela perióódica. dica. 
��Em decorrência do Em decorrência do tipo de ligatipo de ligaççãoão ququíímica, os mica, os 
metais possuem:metais possuem:
�� elevada condutividade elelevada condutividade eléétrica e ttricae téérmica e,rmica e,
�� plasticidade a frio plasticidade a frio →→ capacidade de sofrer capacidade de sofrer 
deformadeformaçção permanente (ou plão permanente (ou pláástica) sem se stica) sem se 
romper.romper.
Materiais MetMateriais Metáálicoslicos
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�A ligação metálica envolve o compartilhamento de 
elétrons e é direcional;
�Os elétrons de valência são considerados elétrons 
deslocalizados, ou seja, têm uma probabilidade 
igual de estarem associados a qualquer um dos 
átomos adjacentes;
�Nos metais, essa deslocalização está em todo o 
material, levando a uma nuvem de elétrons, que é a 
base para a boa condutividade elétrica dos metais;
�Os números de coordenação (NC) tendem a ser 
altos (8 a 12)
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Metão Metão Metão Metão Metão Metão Metão Metáááááááálicalicalicalicalicalicalicalica
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Ligação AtômicaLigação Atômica
+ +
++ +
+
+
+
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+ +
++ +
+
+
+
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+
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LigaLigaçção Metão Metáálicalica
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Ligação AtômicaLigação Atômica
+ +
++ +
+
+
+
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++++ ++
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∆∆∆∆V
Corrente elétrica
ConduConduçção de eletricidadeão de eletricidade
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�Uma das maneiras de se medir a energia 
associada aos materiais com ligação metálica é
através do calor de sublimação;
�O calor de sublimação representa a quantidade de 
energia térmica necessária para transformar 1 mol 
de sólido diretamente em vapor em uma temperatura 
fixa;
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Metão Metão Metão Metão Metão Metão Metão Metáááááááálicalicalicalicalicalicalicalica
�Essa é uma 
boa indicação da 
intensidade 
relativa da 
ligação no sólido. 
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�As ligações secundárias ou de Van der Waals são 
ligações relativamente fracas (por volta de 1 KJ/mol), 
cujo mecanismo é parecido com a ligação iônica 
(atração de cargas opostas), porém sem a 
transferência de elétron;
�A atração depende de distribuições assimétricas 
de cargas positivas e negativas dentro de cada 
átomo ou unidade molecular que está sendo ligada;
�Essa assimetria de carga é denominada dipolodipolo;
�Um bom exemplo para demonstrar esse tipo de 
ligação é o argônio (Ar).
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Secundão Secundão Secundão Secundão Secundão Secundão Secundão Secundáááááááária ria ria ria ria ria ria ria –––––––– VanVanVanVanVanVanVanVan der der der der der der der der WaalsWaalsWaalsWaalsWaalsWaalsWaalsWaals
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Ligação AtômicaLigação Atômica
�O argônio (Ar) é um gás nobre que não tende a 
formar ligações primárias, pois sua camada orbital 
externa é preenchida e estável;
�Entretanto, quando outro átomo de argônio se 
aproxima, a carga negativa é ligeiramente atraída 
em direção ao núcleo positivo do átomo adjacente;
�Essa distorção ocorre nos dois átomos adjacentes;
�O resultado é um dipolodipolo induzido;
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Secundão Secundão Secundão Secundão Secundão Secundão Secundão Secundáááááááária ria ria ria ria ria ria ria –––––––– VanVanVanVanVanVanVanVan der der der der der der der der WaalsWaalsWaalsWaalsWaalsWaalsWaalsWaals
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Ligação AtômicaLigação Atômica
LigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaLigaçççççççção Secundão Secundão Secundão Secundão Secundão Secundão Secundão Secundáááááááária ria ria ria ria ria ria ria –––––––– VanVanVanVanVanVanVanVan der der der der der der der der WaalsWaalsWaalsWaalsWaalsWaalsWaalsWaals
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Ligação AtômicaLigação Atômica
Tabelas Tabelas Tabelas Tabelas Tabelas Tabelas Tabelas Tabelas 
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FIM