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Soluções sólidas podem ser classificadas como substitucionais ou intersticiais. Soluções sólidas substitucionais: É uma solução na qual os átomos do metal soluto ocupam algumas localizações dos átomos do metal solvente. Átomos dos Metais: 1, 2 e 3 elétrons na última Camada Eletrônica (Camada de Valência) Normalmente afastada do núcleo Elétrons, pouco atraídos, “escapam” facilmente do átomo “nuvem” ou “mar” de elétrons LIGAÇÃO METÁLICA Todos os pontos reticulares no cristal estão ocupados por átomos do mesmo metal. Em um metal os elétrons ligantes estão espalhados (ou deslocalizados) sobre todo o cristal. Os átomos metálicos em um cristal é visto como um arranjo ordenado por íons positivos imersos em um mar de elétrons de valência deslocalizados. LIGAÇÃO METÁLICA A ligação metálica ocorre entre dois átomos de metais. Nessa ligação todos os átomos envolvidos perdem elétrons de suas camadas mais externas, que se deslocam mais ou menos livremente entre eles, formando uma nuvem eletrônica (também conhecida como "mar de elétrons"). LIGAÇÃO METÁLICA Ponto de Fusão dos metais O sódio “Na” funde a 97,5 ºC – tem 1 elétron de valência; O cromo Cr funde a 1890 ºC – tem 6 elétrons de valência. SÓLIDOS METÁLICOS Os metais são constituídos por um retículo de esferas rígidas (cátions) “imersas” num “mar de elétrons” de valência que podem se mover através dos interstícios existentes no retículo. Teoria dos Elétrons Livres É uma mistura de metais preparada por meio de fusão de componentes e depois resfriada. As ligas podem ser soluções sólidas homogêneas, na qual os átomos de um metal são distribuídos ao acaso entre os átomos do outro, ou podem ser compostos com uma composição e estrutura interna definidas. Ligas Soluções sólidas intersticiais: É uma solução sólida na qual os átomos do soluto ocupam os interstícios (os sítios) entre os átomos do solvente. Estas são formadas quando três critérios são satisfeitos: Os elementos não podem diferir em mais de 15%, em raio, um do outro; As estruturas cristalinas dos dois metais puros são as mesmas; Caráter eletropositivo dos dois componentes são similares. Soluções sólidas substitucionais São formadas por solutos não metálicos (ex. boro ou carbono), que possuem átomos pequenos o suficiente para habitar os interstícios na estrutura do solvente. Estes átomos pequenos não alteram a estrutura cristalina do metal original. Soluções sólidas intersticiais A rede metálica torna-se mais dura, mais forte e menos dúctil Soluções sólidas intersticiais Latão – até 40% de zinco em cobre; Bronze – um outro metal que não o zinco ou o níquel em cobre – o bronze fundido contém até 10% de estanho e 5% de chumbo; Aço inoxidável – contém acima de 12% de cromo em ferro. Exemplos de ligas Propriedades Gerais dos Metais BRILHO • Brilho característico devido à mobilidade de seus elétrons. • Metais refletem a luz incidente sob qualquer ângulo. • Elétrons “livres”, absorvem energia da luz e a re-emitem quando o elétron retorna do estado excitado ao seu nível energético normal. Elétrons oscilantes Ondas incidentes Ondas refletidas Atkins, Peter. Princípios de Química. Ed. Bookman Quando a luz de uma cor particular atinge a superfície de um metal, os elétrons oscilam. Este movimento de oscilação dá origem a uma onda eletromagnética que nós percebemos como a reflexão de uma fonte. MALEABILIDADE E DUCTIBILIDADE É explicada devido a mobilidade dos elétrons no metal. Como os cátions estão cercados por um grande número de elétrons há um caráter direcional muito pequeno na ligação. Um grande número de cátions podem ser deslocados de suas posições iniciais sem muito esforço. O mar de elétrons rapidamente se ajusta a fim de manter os átomos unidos conservando assim a ligação entre eles. Maleável: deformável Dúctil: pode ser esticado até formar um fio. cátions Mar de elétrons móveis Quando os cátions são deslocados pela batida de um martelo, os elétrons móveis podem imediatamente responder e seguir o cátion na sua nova posição. Atkins, Peter. Princípios de Química. Ed. Bookman Condutividade Elétrica Todos os metais são condutores excepcionalmente eficientes de eletricidade e calor. A condução elétrica surge com o movimento dos elétrons. Condutores e Semicondutores Em ambos os casos a corrente elétrica é transportada através do material pelos elétrons deslocalizados. Condutor metálico condutividade elétrica diminui com o aumento da temperatura. Semicondutor condutividade elétrica aumenta com o aumento da temperatura. Isolante não conduz corrente elétrica. Supercondutor é um sólido com resistência zero á corrente elétrica. - alguns metais tornam-se supercondutores à T 20K; - alguns compostos tornam-se supercondutores à T relativamente altas; ( 100K) (aplicação na transmissão de energia e transporte por levitação magnética). Condutividade Elétrica dos Metais, Não-Metais e Semi-Metais TEORIA DAS BANDAS ELETRÔNICAS Explica: Ligação metálica Condutividade elétrica Exemplo: 11Na23 (sódio) 1s2 2s2 2p6 3s1 Cada átomo contribui com 1 orbital de valência e um elétron de valência. 1 vaga Metais – Condutores de eletricidade Para N átomos de sódio, então N átomos se fundem para formar uma banda . Como cada um dos N átomos fornece um elétron de valência, N elétrons deverão se acomodar nos orbitais - formando banda de valência (= Banda ocupada). A banda de valência é a última banda de energia ocupada pelos elétrons. Como dois elétrons podem ocupar cada orbital os N elétrons ocupam os ½ N orbitais de mais baixa energia. Uma região de orbitais moleculares ficará vazia ou incompleta formando a banda de condução (= Banda vazia). A banda de condução é o próximo nível energético permitido, acima da banda de valência. Nesta região, os elétrons são considerados elétrons livres, podendo, portanto, se movimentar no material formando a corrente elétrica. 3s1 3so energia Banda de Condução Banda de Valência (vaga desocupada) (vaga ocupada) 3s1 3so Como os orbitais vizinhos têm energias muito próximas, necessitam apenas de pequena energia adicional para excitar um elétron do orbital de mais baixa energia para o orbital vazio localizado logo acima. energia Quando se liga o metal aos terminais de uma fonte elétrica, alguns elétrons da metade inferior (Banda de Valência) saltam para a metade superior Os elétrons podem mover-se livremente através do sólido, de modo que podem carregar corrente elétrica. Não-Metais – maus condutores de eletricidade (Isolantes) Exemplo: 16S32 (enxofre) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 3p4 4so energia Lotado Quase cheio; saltos eletrônicos para este mesmo subnível são difíceis Banda de Condução Banda de Valência (vaga ocupada) (vaga desocupada) Intervalo proibido muito amplo Semimetais – distribuição eletrônica intermediária entre metais e não-metais Exemplo: 14Si28 (silício) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Não está cheio; pode armazenar mais elétrons, resultantes dos saltos eletrônicos no mesmo subnível. 3p2 px py pz Banda de Condução Banda de Valência (vaga ocupada) (vaga desocupada) Intervalo proibido é pequeno Perturbação Aquecimento Corrente elétrica Elétrons passam para os níveis desocupados e têm liberdade para se deslocarem por toda a rede A temperatura influencia na condutividade elétrica dos metais e semi-metais A resistência dos metais aumenta com a temperatura porque, quando aquecidos, os átomos vibram mais vigorosamente. Os elétrons em movimento colidem com os átomos em vibração, dificultando sua movimentação através do sólido. A resistência de um semicondutor diminui com o aumento da temperatura. Em um semicondutor, uma banda de condução vazia tem energia próxima a energia de uma banda de valência completa. Assim quando um sólido é aquecido, elétrons podem ser excitados da banda de valência para a banda de condução onde poderão se deslocar através do sólido. Dopagem de Semicondutores Com a finalidade de aumentar a condutividade dos semicondutores, substitui-se alguns átomos do semicondutor por átomos de outro elemento que tenha aproximadamente o mesmo tamanho mas valência diferente. Obtém-se um efeito significativo com apenas um átomo de impureza por milhão de átomos do semicondutor. Dopagem de Semicondutores Exemplos de adição controlada: Adição de um átomo de fósforo ao silício Adição de um átomo de alumínio ao silício P151s22s22p63s23p3 Al131s22s22p63s23p1 Si Si x P x Si Si x x x O elétron assinalado está a mais na estrutura. Sob a ação de um campo elétrico ele vai se mover por toda a estrutura cristalina do silício transformando o material em condutor de eletricidade. Dopagem ocorre por excesso de elétrons; chamada de dopagem negativa (n). O semicondutor é chamado semicondutor do tipo-n. As impurezas são doadoras de elétrons Um átomo de P para cada 108 átomos de silício P ou As = 5 elétrons de valência Si Si x B x Si Si x B ou Al = 3 elétrons de valência A estrutura do semicondutor dopado , ficará com um “buraco”ou “lacuna” devido a falta de um elétron. As lacunas servirão de trânsito para elétrons vindos de uma corrente elétrica externa. Dopagem por falta de elétrons; chamada dopagem positiva (p). O semicondutor é chamado de tipo-p. As impurezas são receptoras de elétrons Isolante Energia Banda de valência Banda de Condução Intervalo de bandas Uma banda de valência completa está separada por um intervalo grande de energia da banda de condução. Energia Banda de valência Banda de Condução Intervalo de bandas Semicondutor do tipo-n: os elétrons adicionais fornecidos pelos átomos dopantes, ricos em elétrons; entram na banda de condução e agem como transportadores de corrente Banda de valência Banda de Condução Energia Intervalo de bandas Elétrons dopantes Semicondutor do tipo-p: os átomos dopantes, pobres em elétrons, removem eficientemente elétrons da banda de valência e os “buracos”permitem que os elétrons remanescentes se tornem móveis e conduzam eletricidade. Buracos Atkins, Peter. Princípios de Química. Ed. Bookman Exemplo Diodo semicondutor é um dispositivo ou componente eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio. O diodo é um componente elétrico que permite que a corrente atravesse-o num sentido (anodo – cátodo) com muito mais facilidade do que no outro. Diodos de junção E uma simples junção de um semicondutor tipo P com outro tipo N; No semicondutor tipo P, os portadores de carga elétrica são positivos (buracos) e, no tipo N, são negativos (elétrons).
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