Aula 04- Ligação iônica

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Profa. Dra. Evania Andrade 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Disciplina: Química Inorgânica 
Curso: Engenharia Química 
Turma: 9848 / 9849 
Período: 2º Créditos: 02 Carga horária: 40 h 
Horários: Terça-feira – 20:30 - 22:30 
Ligação iônica 
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Ligação iônica: 
1. Estrutura dos sólidos iônicos e 
Energia reticular; 
2. Defeitos estequiométricos; 
3. Defeitos não-estequiométricos; 
4. Semicondutores e transistores; 
5. Célula fotovoltaica. 
Sumário 
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1. Estruturas dos sólidos iônicos e Energia reticular 
- Sais - Óxidos - Hidróxidos 
- Sulfetos - Compostos inorgânicos 
Os compostos iônicos incluem: 
Sólidos iônicos são mantidos pela força eletrostática 
entre os íons positivos e negativos. d
QQ
El
21
 é uma constante (8,99 x 109 J m/C2). 
Q1 e Q2 são as cargas nas partículas. 
d é a distância entre seus centros. 
 Forças de repulsão quando os íons adjacentes tiverem a mesma carga. 
 Forças de atração se os íons positivos estiverem rodeados por íons 
negativos e vice-versa. 
- Essa força de atração será máxima quando cada íon for circundado pelo 
maior número possível de íons de carga oposta. 
- O número de íons que circunda determinado íon é chamado de número 
de coordenação, NC. 
 
 Ex: NaCl: NC = 1 para Na+ e Cl- - CaCl2: NC = 2 para (Ca
2+) e 1 para (Cl-) 
 * NC será diferente para íons positivos e negativos. 
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A estrutura de muitos sólidos iônicos pode ser explicada considerando-se o 
tamanho relativo dos íons positivos e negativos. 
• Cálculos geométrico simples 
• Tamanho relativo dos íons (prever!) 
 
AX NC = 3 
 
𝑟
+
𝑟 −
= 0,155 
Limite inferior para o NC = 3 
 
𝑟
+
𝑟 −
= 0,155 < 
Íon positivo não estará em contato com os íons 
negativos 
É instável e o íon positivo “oscila” 
dentro da cavidade formada pelos 
íons negativos 
 
𝑟
+
𝑟 −
= 0,155 > → 3 X- em torno de cada íon A+ 
• A medida que o tamanho relativo do cátion aumenta, a relação de raios também aumenta. 
• Quando a relação de raios dos íons for maior que 0,225 tense a razão 4 :1. 
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Tipos de arranjos nas cavidades 
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Relação de raios limites e estruturas 
Relação de raios limites r+/r- NC Forma 
 0,155 2 Linear 
0,155 → 0,255 3 Trigonal planar 
0,255 → 0,414 4 Tetraédrica 
0,414 → 0,732 4 Quadrada planar 
0,414 → 0,732 6 Octaédrica 
0,732 → 0,999 8 Cúbica de corpo centrada 
NC 3, 4, 6 e 8 são comuns, e as correspondentes relações limites 
entre os raios podem ser determinadas a partir de considerações geométricas. 
Logo, se os raios iônicos forem conhecidos, pode-se calcular a relação 
entre eles e prever o NC e a estrutura. 
Num arranjo de empacotamento compacto de esferas, apenas 74 % do 
espaço estarão preenchidas. Assim 26 % do espaço estão desocupados e 
podem ser considerados como “buracos” presentes no retículo cristalino. 
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Classificação das estruturas iônicas AX, AX2, AX3 AX ou MX 
ZnS 
 
𝒓
+
𝒓 −
= 𝟎,40 
Tetraédrico 
Zn2+ 
S2- 
S2- 
S2- S2- 
NC = 4 para ambos os íons 4 : 4 
𝒓
+
𝒓 −
= 𝟎,52 Octaédrico 
NC = 4 para ambos os íons 6 : 6 
Cúbica compacta de íons Cl- 
Empacotamento compacto de íons S2- 
NaCl 
 O FeO, MgO, LiF e o MnS são 
cerâmicas com estruturas 
comuns como a do NaCl. 
 O ZnS, ZnTe e o carbeto de silício forma 
uma estruturas do tipo blenda de 
zinco. 
Wurtzita Blenda 
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AX2 ou MX2 
• Estrutura do fluoreto de cálcio CaF2 com 
íons Ca2+ nas posições da rede e os íons F- 
nos interstícios tetraédricos; 
• Outros compostos são o ZrO2, PuO2 e 
ThO2; 
• Número de coordenação de 8. 
 
𝒓
+
𝒓 −
= 𝒐𝒖 > 𝟎, 𝟕𝟑 Tetraédrico 
Relação: 1Ca2+ : 8F- 
Cubica de corpo centrado de íons F- em 
torno de cada íon Ca2+ 
O número de F- é o dobro de íons Ca2+ 
NC → 8Ca2+ e 4F- 
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Embora a relação de raios indique a estrutura correta em muitos casos, 
há um número significativo de exceções, onde a estrutura prevista é 
incorreta. 
Pressupostos que levam a estruturas corretas 
1. Os raios iônicos devem ser conhecidos com exatidão. 
 
1. Os íons se comportam como esferas rígidas e inelásticas. 
 
2. Arranjos estáveis somente são possíveis quando os íons 
positivos e negativos se tocam. 
 
3. Os íons apresentam forma esférica. 
 
4. Os íons sempre apresentam o maior NC possível. 
 
5. A ligação é 100% iônica. 
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Energia reticular (U) de um cristal é a energia liberada quando se forma 
uma molécula-grama do cristal a partir dos íons gasosos 
As energias reticulares não podem ser medidas diretamente, mas valores 
experimentais podem ser obtidos a partir de dados termodinâmicos. 
Na+(g)
 + ½ Cl2
-
(g) → NaCl(cristla) U = -782 kj mol
-1
 
 
E = - 
𝑧
+
𝑧
−
𝑒2
𝑟 
Z+ e Z- → são cargas dos íons positivos 
e negativos. 
e → é a carga do elétrons. 
r → é a distância entre os íons. 
Como calcular teoricamente valores das energias reticulares? 
 
E = - 
𝑁𝑜 
𝐴 𝑧
+
𝑧
−
𝑒2
𝑟 
No → é o constante de Avogadro – n° 
de moléculas existentes em um mol 
ou seja 6,023 x 1023 mol-1. 
A → é a constante de Madelung, que 
depende da geometria do cristal. 
Sistemas com 
um par de íons 
Sistemas com 
mais de 2 íons 
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e0 → é a permissibilidade no vácuo = 8,854 x 10-12 F m 
-1. 
A → é a constante de Madelung, que depende da geometria do cristal. 
Equação de Born-Landé 
e0 → é a permissibilidade no vácuo = 8,854 x 10-12 F m 
-1. 
A → é a constante de Madelung, que depende da geometria do cristal. 
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Cite os aspectos importantes que decorrem da equação de Born- Landé? 
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Características dos sólidos 
 Arranjo tridimensional totalmente regular das moléculas, 
átomos ou íons que os constituem. 
 
 Muitas das propriedades mais importantes dos sólidos estão 
relacionadas com as vibrações térmicas dos átomos, com a 
presença de impurezas com a existência de defeitos. 
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Compostos estequiométricos obedecem à lei das proporções constantes*. 
* Um dado composto sempre contém os mesmos elementos com as mesmas proporções em massa. 
2. Defeitos Estequiométricos 
 
Cl- Na+ 
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Formado por uma par de 
“vacâncias” no retículo cristalino. 
Estão ausentes um íon positivo e 
um íon negativo. 
Ocorre em compostos altamente 
iônicos, em que os íons (+ e -) 
apresentem tamanhos 
semelhantes. 
NC = 8 ou 6 
Ex: NaCl, CsI, KI e KBr 
Sítio reticular desocupado (um 
“buraco” no retículo), estando o 
íon que deveria ocupar este sítio 
em uma posição intersticial. 
Este defeito é favorecido quando 
hà uma grande diferença de 
tamanho entre os íons (+ e -) . 
NC = 4 ou 6 
* Caráter covalente considerável. 
Ex: Zn, AgCl, AgBr e AgI 
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3. Defeitos Não Estequiométricos 
 
Compostos não estequiométricos podem existir em uma faixa de 
composição química. 
A relação entre o número de átomos de um tipo e o n°de átomos do outro 
tipo não é exatamente a relação de n° inteiros expressa pela fórmula 
química. Esses compostos não obedecem à lei das proporções definidas. 
Ex: FeO, FeS ou CuS 
 
- A relação difere de 1:1 
- Por excesso ou por 
deficiência de M. 
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Semicondutores são sólidos, nos 
quais a diferença de energia entre 
a banda de valência, BV 
(preenchida) e a banda de 
condução, BC é pequena. 
Essa diferença é denominado 
intervalo entre bandas – band gap 
 
Condutividade observada situa-se 
entre a dos isolantes e a de um 
metal, e depende do número de 
elétrons na banda de BC. 
4. Semicondutores e transistores 
 
 
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Pesquise e explique as duas maneiras de excesso de metal que pode ocorrer 
em compostos com defeitos não-estequiométricos? 
Pesquise e explique os defeitos causados no caso de defeitos por deficiência 
de metal? 
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 Estrutura Cristalina dos Semicondutores 
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Estrutura Cristalina dos Semicondutores 
A estrutura cristalina só é conseguida 
quando o cristal de Silício é submetido à 
temperatura de zero graus absolutos (ou -
273ºC). A essa temperatura, todas as 
ligações covalentes estão completas e, 
consequentemente, o material comporta-
se como isolante. 
À 20ºC, por exemplo), a energia térmica 
(calor) provoca o rompimento de algumas 
ligações covalentes. 
 
Com a quebra das ligações covalentes, no local onde havia um elétron de 
valência (e), passa existir uma região com carga positiva +1, uma vez que o 
átomo de Silício era neutro e um elétron o abandonou. Essa região positiva que, 
em outras palavras, é uma ligação covalente incompleta, recebe o nome de 
LACUNA, sendo conhecida também como BURACO, CAVIDADE ou VAZIO. 
Quando os átomos se unem para formar as moléculas de uma substância, a 
distribuição desses átomos no espaço pode ou não ser feita organizada e 
definidamente. As substâncias cujos átomos se agrupam formando uma estrutura 
ordenada são denominadas substâncias cristalinas, e a disposição de seus átomos 
formam a chamada estrutura cristalina. 
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Movimento dos elétrons e das lacunas 
Para compreender melhor esse movimento das lacunas, consideremos alguns átomos de um 
cristal semicondutor (Silício ou Germânio), supondo que esteja ligado aos pólos de uma pilha. Se 
no átomo 1 for rompida uma ligação covalente, aparecerá um elétron, que será rapidamente 
atraído pelo pólo positivo (+) da pilha, ficando no lugar desse átomo uma lacuna. 
Um elétron de qualquer ligação covalente do 
átomo 2 poderá preencher a lacuna deixada 
pelo primeiro elétron do átomo 1. 
Entretanto, quando o elétron abandona a ligação 
covalente do átomo 2, surgirá uma nova lacuna 
que, por sua vez, poderá ser preenchida por 
qualquer elétron de uma ligação covalente do 
átomo 3. e assim sucessivamente. 
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Retificadores 
p n 
p n 
Um diodo 
Lacunas positivas 
Conduz 
elétrons 
p n 
Não conduz 
Retificador: só permite a passagem de 
corrente elétrica em uma única 
direção, isso é imprescindível para a 
conversão de corrente alternada em 
corrente continua, sendo comum a 
utilização de um quadrado constituído 
por 4 diodos num circuito para efetuar 
essa transformação. 
Diodo: é um transistor com duas 
regiões, uma do tipo p e outra do tipo 
n, com uma junção p-n entre elas. 
+ - 
+ - 
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Princípio de funcionamento de uma célula fotovoltaica (efeito fotovoltaico) 
Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons que a integram chocam-se 
com os elétrons da estrutura do silício dando-lhes energia e transformando-os 
em condutores. Devido ao campo elétrico gerado na união PN, os elétrons são 
orientados e fluem da camada "P" para a camada "N". 
Por meio de um condutor externo, liga-se a camada negativa à positiva. 
Gera-se assim um fluxo de elétrons (corrente eléctrica) na conexão. Enquanto 
a luz continua a incidir na célula, o fluxo de elétrons manter-se-á. A 
intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a 
intensidade da luz incidente. 
5. Célula fotovoltaica 
 
 
 
Referências 
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Prof. Dra. Evania Andrade 
http://www.meta-synthesis.com/webbook/37_ak/triangles.html 
• Material complementar: ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO 
PAULO - Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (pptx).