Estado Sólido 2

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ESTADO SÓLIDO
Profª. Loraine Jacobs
lorainejacobs@utfpr.edu.br
paginapessoal.utfpr.edu.br/lorainejacobs
Ligações Metálicas
 Os metais são materiais formados por apenas um
elemento e apresentam uma estrutura geométrica
bem definida.
 Maleáveis, dúcteis, bons condutores de eletricidade
e calor.
 Podem formar uma grande quantidade de ligas
combinando-os com outros metais ou outros elementos da
tabela periódica.
Ligações Metálicas
 Exemplos de Ligas Metálicas
Ligações Metálicas
TEORIA DA “NUVEM DE ELÉTRONS” 
OU 
“MAR DE ELÉTRONS”
 Os átomos que perdem os elétrons se tornam
cátions, mas eles podem logo receber elétrons e
voltar a se tornar átomos neutros.
 Esse processo continua indefinidamente e, com isso,
o metal se torna um aglomerado de átomos neutros
e cátions mergulhados em uma nuvem ou mar de
elétrons livres, essa nuvem que mantém os metais
unidos, formando a ligação metálica.
Teoria da Nuvem ou Mar de Elétrons
Ligações Metálicas
 Os átomos dos metais se unem originando os
denominados retículos ou reticulados cristalinos, que
são redes ou grades nos quais cada átomo do metal
está circundado por 8 a 12 outros átomos do mesmo
elemento, sendo, portanto, as atrações iguais em
todas as direções.
 Retículos mais comuns
Ligações Metálicas
Sólidos Metálicos
 Unidades que ocupam os pontos reticulares são íons
positivos.
 Exemplo: metal sódio (íons Na+ ocupam os pontos
de um retículo cúbico)
 Cada Na+ pode ser considerado como sendo o resultado da
perda de um elétron por átomo de sódio, e os elétrons de
todos os átomos de sódio formam uma nuvem gigante de
elétrons que se espalha por todo o retículo.
 Estes elétrons não estão ligados a qualquer átomo, mas
estão deslocalizados sobre o cristal, sendo chamados de
elétrons livres. No sódio e em outros metais típicos existe um
atração mútua entre os elétrons livres e os cátions 
estabiliza a estrutura e permite que sofra distorção sem
esfarelar. Assim, o sódio e outros metais são moles e
facilmente deformáveis.
Sólidos Metálicos
 Outros metais são duros  ligação metálica
complementada por ligações covalentes entre
cátions adjacentes no retículo (Cr, W).
 Estas ligações covalentes tendem a manter estes
íons presos no lugar, prevenindo assim deformação
do retículo.
 PF varia consideravelmente devido às diferenças no
grau da ligação covalente complementar.
 Os elétrons livres num metal são responsáveis por
suas características condutividades elétrica e
térmica.
Na
W Cr
Sn
Sólidos Metálicos
 Em princípio podemos imaginar uma molécula
constituída de alguns elementos metálicos onde
outros elementos do metal vão sendo adicionados
para formar o metal.
 O que aconteceria com os orbitais moleculares?
 Como seriam os orbitais moleculares no limite da
formação do metal?
TEORIA DOS ORBITAIS MOLECULARES
Teoria dos Orbitais Moleculares
 Segundo a Teoria dos Orbitais Moleculares, a
sobreposição de dois orbitais atômicos leva à
formação de dois orbitais moleculares: um orbital
molecular ligante, de menor energia, e um orbital
molecular antiligante, de maior energia.
Portanto: n OAs geram n Oms
 O segundo ponto importante é que o princípio da
exclusão de Pauli implica em que cada OM pode ser
ocupado por, no máximo, dois elétrons com seus
spins emparelhados
Teoria dos Orbitais Moleculares
 ORBITAL LIGANTE (+)  A energia do OM é menor
que a energia dos OAs. O elétron que ocupa um
orbital ligante tem uma probabilidade aumentada
de ser encontrado na região internuclear, podendo
interagir fortemente com ambos os núcleos.
 ORBITAL ANTILIGANTE (-)  Quando a energia do
OM é maior que a energia dos OAs temos um orbital
antiligante. O elétron que ocupa um orbital
antiligante tem uma probabilidade praticamente
nula de ser encontrado na região internuclear.
Diagrama de Orbitais Moleculares
 Diagrama de níveis de
energia para orbitais
moleculares ligante e
antiligante que podem
ser obtidos a partir de
dois orbitais s.
Sólidos Metálicos
Como visualizar cada orbital sendo que, pertencendo 
ao mesmo elemento, as energias são muito próximas?
 Para os metais os orbitais moleculares serão
considerados agrupados, chamando-se bandas.
 Orbitais ligantes  Banda de Valência (BV)
 Orbitais antiligantes Banda de Condução (BC)
Sólidos Metálicos
Sólidos Metálicos
 Nível de Fermi  Considerado o ZERO de energia
para o estado sólido. Próximo a BV
 Bandgap  Diferença de energia entre a BV e BC
 Energia necessária para que os elétrons pulem da BV para a BC
Sólidos e Condutibilidade
 Nível de Fermi  Considerado o ZERO de energia
para o estado sólido
Banda de condução 
completa ou 
parcialmente cheia 
ou superposta
Banda de valência 
completa
Metais
Banda de condução 
vazia
Banda de valência 
completa
> 4 eV
Isolantes
Banda de condução 
vazia
Banda de valência 
completa
Semicondutores
~ 4 eV
 Materiais nos quais não há facilidade de
movimentação de cargas elétricas
 Ex: isopor, borracha, vidro
Isolantes
Banda de condução 
vazia
Banda de valência 
completa
> 4 eV
Isolantes
Semicondutores
 Podem ser classificados como defeitos puntuais
(centros de impurezas)  átomos, íons ou moléculas
estranhos em pontos do retículo  origina em alguns
sólidos o fenômeno da semicondutividade.
Um semicondutor é uma substância cuja 
condutividade elétrica aumenta como o
aumento da temperatura.
Semicondutores
Os semicondutores provocaram uma verdadeira 
revolução na tecnologia da eletrônica. Nenhum 
aparelho eletrônico atual, desde um simples relógio 
digital ao mais avançado dos computadores, seria 
possível sem os mesmos.
Semicondutores
 Metal normal aumento da temperatura:
 aumento na amplitude da vibração dos íons no cristal,
limitando a liberdade de movimento dos elétrons
deslocalizados  condutividade do metal decresce.
 Metal semicondutor  diminuição da temperatura:
 maioria dos elétrons ligados a átomos específicos  fraco
condutor de eletricidade.
 Metal semicondutor  aumento da temperatura:
 Liberação de alguns elétrons que se movimentam 
aumento da condutividade elétrica (semicondutor
intrínseco).
Semicondutores
 Formação de bandas separadas por Lacunas
(Banda de Condução ‘BC’ e Banda de Valênica
‘BV’).
 Na temperatura 0 Kelvin  BC totalmente vazia e a BV
totalmente preenchida.
 Material sofre aquecimento  elétrons saem da BV e passam
para a BC.
Semicondutores
Semicondutores - Dopagem
 O fenômeno da semicondução pode ser provocado
ou acentuado pela técnica da dopagem, isto é,
adicionando traços de uma certa substância em
outra.
 Exemplo: dopagem do Silício
Semicondutores - Dopagem
 Tipos de dopagem:
 Tipo N adição de impurezas doadoras (5 e- CV/
pentavalentes)  formação e- livre (P, Sb, As, Bi) 
Formação de cristais de Si tipo N
 proporção de átomos de impureza: 1 parte em 10 milhões
 Adição de impurezas  ocorrência de elétrons que não
fazem parte da ligação covalente, possuindo maior
liberdade para se movimentar.
 Tipo P  adição de impurezas aceitadoras (3 e- CV) 
formação de lacunas (B, Al, Ga, In, Tl) Formação de
cristais de Si tipo P
 ausência de carga negativa se comporta como
carga positiva (portador de carga)  conduz
corrente elétrica.
Semicondutores - Dopagem
Semicondutores - Dopagem
Tanto um cristal "P" quanto um cristal "N" se 
comportam como condutores, pois ambos 
possuem portadores de carga livre.