Ligação Metálica

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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
P151s22s22p63s23p3
Al131s22s22p63s23p1
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).