Estrutura atômica e ligação interatômica

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Fundamentos dos materiais de construção
2 – Estrutura atômica e ligação interatômica
Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
Departamento de Engenharia de Produção e Sistemas
Curso de Engenharia de Produção
Prof. Cristiano J. Scheuer
ONDE ESTAMOS?
 Introdução à ciência dos materiais.
• 1ª Avaliação:
 Estrutura e ligações atômicas.
 Estrutura dos sólidos cristalinos.
 Imperfeições nos sólidos cristalinos.
 Solidificação dos metais e ligas.
 Difusão em sólidos.
 Propriedades mecânicas dos materiais.
 Discordância e mecanismos de aumento de resistência.
ROTEIRO DA AULA
• Introdução.
• Estrutura atômica.
• Ligações atômicas nos átomos.
O QUE LEMBRAR DA AULA 1?
• Materiais estão intimamente ligados a nossa vida.
• Propriedades dos materiais dependem da composição e estrutura.
• Correlação propriedade-estrutura-processamento-desempenho.
OBJETIVOS DA AULA 2
• Identificar os dois modelos atômicos apresentados e entender
suas diferenças.
• Descrever o princípio quântico-mecânico que está relacionado
às energias dos elétrons.
• Descrever de forma sucinta as ligações iônica, covalente,
metálica, e de van der Waals.
• Identificar quais materiais exibem cada um dos tipos de ligações
citadas anteriormente.
INTRODUÇÃO
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 16. 
• Exemplo: diamante x grafite
INTRODUÇÃO
ESTRUTURA ATÔMICA
• Conceitos fundamentais – o átomo:
 Número atômico (Z): número de prótons (neutralidade = número de elétrons).
 Massa atômica (A)  soma da massa de prótons e nêutrons (A  Z + N).
 Isótopos: diferentes massas atômicas.
 Peso atômico: média ponderada da massa dos isótopos. Elétrons (-)
-1,6 x 10-19 C
9,11 x 10-31 kg
Nêutrons (N) 
1,67 x 10-27 kg
Prótons (+)
+1,6 x 10-19 C
1,67 x 10-27 kg
• Conceitos fundamentais – modelos atômicos:
 Modelo de Bohr.
− Energia dos elétrons é quantizada (valores específicos).
ESTRUTURA ATÔMICA
Modelo planetário
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 18 . 
− Níveis ou estados de energia.
− Salto quântico → mudança da energia do elétron.
− Não explica alguns fenômenos.
• Conceitos fundamentais – modelos atômicos:
 Modelo mecânico-ondulatório → probabilidade do átomo estar na posição.
ESTRUTURA ATÔMICA
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 20. 
 n, l, ml, ms → determina o tamanho a forma e a orientação da nuvem.
ESTRUTURA ATÔMICA
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 20. 
Momento de spin
Princípio da exclusão de Pauli• Números quânticos:
• Nem todos os átomos tem os níveis energéticos completos.
• Estado fundamental.
• Transições eletrônicas para estados de maior energia.
ESTRUTURA ATÔMICA
• Configuração eletrônica (ocupação dos estados energético).
• Elétrons de valência (ocupam a camada mais externa).
• Configuração eletrônicas estáveis (ganha ou perde e-).
ESTRUTURA ATÔMICA
Fonte: https://www.slideshare.net/DeividPrates/cincia-eengenhariadosmateriais, slide 19.
ESTRUTURA ATÔMICA
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 22 e 23. 
ESTRUTURA ATÔMICA
• A tabela periódica:
 Colunas relacionadas com a Valência (propriedades semelhantes).
Elementos eletropositivos:
Doam elétrons para se tornar íons +.
Elementos eletronegativos:
Recebem elétrons para se tornar íons -
D
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1
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BaCs
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CaK Sc
SrRb Y
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 24. 
• A tabela periódica: eletronegatividade.
 Gama de 0,7 a 4.
 Valores elevados: Tendência de receber elétrons.
Menor eletronegatividade. Maior eletronegatividade
Metal → eletropositivo → cede elétrons
ESTRUTURA ATÔMICA
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 24. 
• A tabela periódica: eletronegatividade.
ESTRUTURA ATÔMICA
Fonte: http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=2&top=209 . 
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
• Forças de energias de ligação:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 25. 
 Propriedades → forças interatômicas.
 Aproximação → forças atrativas e repulsivas.
 Equilíbrio com F=0 ou E=min.
Energia de ligação entre os átomos
• Tipos (ligações primárias – químicas):
 Iônicas.
 Covalentes
 Metálicas.
• A ligação envolve os elétrons de valência.
• Depende da estrutura eletrônica dos elementos.
• Ligações secundárias (físicas – mais fracas).
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
• Ligações primárias (ligações iônicas):
 Um átomo sede um elétron e o outro recebe.
 É a ligação predominante nos cerâmicos.
 Energia de ligação elevada (600 a 1500 kJ/mol).
 Temperaturas de fusão elevadas.
 Materiais duros e quebradiços.
 Isolante térmico e elétrico.
 Não direcional.
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
 Exemplo do NaCl.
Na (metal) 
Instável
Cl (não metal) 
Instável
elétron 
+ -
Atração
Columbiana
Na (cátion) 
Estável
Cl (ânion) 
Estável
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 27. 
• Ligações primárias (ligações iônicas):
• Ligações primárias (ligações covalentes):
 Um átomo compartilha elétrons com outro átomo adjacente.
 Ex: H2O, HCl, Cl2, H2, diamante, Si, etc.
 Podem ser forte (diamante: 713 kJ/mol) ou fracas (bismuto: 450 kJ/mol).
 Número de ligações covalentes (8-N’).
 Nenhuma ligação é 100% iônica ou covalente (posição e eletronegatividade).
 Direcional.
 Principal tipo de ligação entre os materiais poliméricos.
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
• Ligações primárias (ligações covalentes):
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 28. 
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
• Ligações primárias (ligações iônicas vs ligações covalentes):
Fonte: http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=2&top=203. 
• Ligações primárias (ligações metálicas):
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 29. 
 Elétrons de valência não se ligam à elétrons de outros átomos.
 Núcleos iônicos.
 Ligação pode ser fraca (Hg, Sn) ou forte (W) (68 a 849 kJ/mol).
 Elétrons livres mantém os núcleos iônicos colados.
 Não direcional.
 Ligação existente nos materiais metálicos.
• Ligações primárias (ligações metálicas):
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=2&top=213. 
• Ligações secundárias ou ligações de Van der Waals.
 Fracas comparadas as ligações primárias (10 kJ/mol). Existe em todo átomo ou molécula (pequena quando comparada às primárias).
 Força de ligação surge a partir de um dipolo elétrico.
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 29. 
• Ligações secundárias ou ligações de Van der Waals.
 Dipolo Induzido Flutuante:
(ex: gases raros, H2 e Cl2)
 Dipolo Induzido – moléculas polares:
(mais intensa que a flutuante)
 Dipolo permanente:
Mais forte (ponte de Hidrogênio)
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 31. 
• Ligações secundárias:
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=2&top=33. 
• Ligações (exemplos):
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 28. 
• Ligações e os materiais:
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: Shackelford, J. F.. Ciência dos materiais. 6ª ed. São Paulo: Editora Pearson, 2008, Pág. 38. 
• Estudos de caso:
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 32. 
LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS 
SÓLIDOS
Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=molecula-individual-fotografada&
O QUE É IMPORTANTE 
LEMBRAR?
• Tipo de ligação atômica influencia nas propriedades.
• Elétrons de valência são fundamentais para formação de ligações.
• Os três tipos de ligações e suas características.
• Existência das ligações secundárias e sua importância.
REFERÊNCIAS 
• CALISTER, W.D.; RETHWISCH, D.G. Ciência e
engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed.
São Paulo: Editora LTC, 2012.
► Capítulo 2 – Estrutura atômica e ligação interatômica
→ Páginas: 16 – 32.