CIEN0004 Estrutura atômica e ligações sol (2018.1)

Prévia do material em texto

CIÊN0004 - CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO 
 COLEGIADO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
Docente: Prof. Nelson Cárdenas Olivier 
email: nelson.cardenas@univasf.edu.br 
TEMA – ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÕES 
NOS SÓLIDOS 
2 
OBJETIVOS 
Que uma vez concluída a aula o aluno deve ser capaz de: 
 
• Conhecer a Estrutura Atômica dos Sólidos. 
 
• Identificar os Modelos Atômicos. 
 
• Entender as Forças e Energias das Ligações Atômicas. 
 
• Saber os Tipos de Ligações Atômicas e suas característica. 
3 
SUMARIO 
1. Introdução à estrutura atômica nos sólidos. 
1.1. Conceitos Fundamentais. 
 
2. Modelos Atômicos. 
 
3. Ligações Atômicas nos Sólidos. 
3.1. Forças e Energias de Ligação. 
3.2. Tipos de ligações. 
3.2.1. Ligações Primárias. 
3.2.2. Ligações Secundárias. 
4 
1.INTRODUÇÃO À ESTRUTURA ATÔMICA DOS SÓLIDOS 
 
Muitas das propriedades mais importantes dos materiais sólidos 
dependem dos Arranjos Geométricos dos átomos e do Tipo de 
Ligação interatômica. 
 
 
EXEMPLO: 
 
O carbono pode existir na formas de: 
 
GRAFITE – mole e escuro 
 
DIAMANTE - extremamente duro e brilhante 
 
Essa diferença nas propriedades é diretamente atribuída ao tipo 
de ligação que é encontrada no GRAFITE e NÃO no DIAMANTE. 
CONCEITOS 
5 
1. INTRODUÇÃO À ESTRUTURA ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 
 
ÁTOMO 
Formado por um núcleo muito pequeno composto de PRÓTONS e 
NÊUTRONS, e circundado por elétrons em movimento. 
Núcleo (prótons e nêutrons) 
Elétrons em Orbitas 
6 
1. INTRODUÇÃO À ESTRUTURA ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 
 
NÚMERO ATÔMICO (Z) 
Número de PRÓTONS no núcleo de um elemento químico. 
Ex: 1 para o hidrogênio e 94 para o plutônio. 
 
MASSA ATÔMICA (A) 
Soma das massas de PRÓTONS e NÊUTRONS no interior do 
núcleo de um átomo. 
A ≈ Z + N 
Onde: N - número de nêutrons no núcleo do átomo. 
7 
1. INTRODUÇÃO À ESTRUTURA ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
MODELOS 
Núcleo (prótons e nêutrons) 
Elétrons em Orbitas 
M próton = M nêutron = 1,66x10-24g 
A ≈ Z + N 
M próton = 1822 M elétron 
praticamente toda a massa do átomo está 
no núcleo 
8 
2. MODELOS ATÔMICOS 
 
 
- Modelo Atômico de Bohr 
 
 
- Modelo Mecânico-Ondulatório 
9 
2. MODELOS ATÔMICOS 
 
MODELO ATÔMICO DE BOHR 
 
Os elétrons orbitam ao redor do núcleo atômico em orbitais 
distintos, onde a posição de qualquer elétron em particular é 
mais ou menos bem definida em termos do seu orbital. 
MECÃNICA-ONDULÁTORIA 
10 
2. MODELOS ATÔMICOS 
 
MODELO MECÃNICA-ONDULÁTORIA 
 
Considera-se que o elétron exibe características tanto de uma 
onda como de uma partícula. 
 
Um elétron não é mais tratado como uma partícula que se move 
em um orbital distinto. 
11 
2. MODELOS ATÔMICOS 
 
MODELO MECÃNICA-ONDULÁTORIA 
 
A posição do elétron é considerada como sendo a probabilidade 
de um elétron estar em vários locais ao redor do núcleo (a 
posição é descrita por uma distribuição de probabilidades ou 
uma nuvem eletrônica). 
ESTÁVEL 
12 
2. MODELOS ATÔMICOS 
 
Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingir uma 
configuração mais estável: oito elétrons na camada mais 
externa. 
13 
2. MODELOS ATÔMICOS 
 
A ligação química é formada pela interação dos elétrons de 
valência através de um dos seguintes mecanismos: 
 
- ganho de elétrons; 
 
- perda de elétrons; 
 
- compartilhamento de elétrons. 
Força LIGAÇÃO 
14 
3. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
 
FORÇAS INTERATÔMICAS 
Responsáveis pela união de átomos, ditam muitas 
propriedades físicas dos materiais. 
 
À medida que os átomos se aproximam, cada um exerce 
forças sobre o outro. Essas forças são de dois tipos: 
- forças atrativa (Fa); 
- forças repulsiva (Fr); 
15 
3. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
16 
3. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A Força líquida (Fl) entre os dois átomos é exatamente a soma 
dos componentes de atração e de repulsão: 
 Fl=Fa+Fr 
17 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
A distância entre 2 átomos é 
determinada pelo balanço das 
Forças Atrativas e Repulsivas. 
 
Quanto mais próximos os 
átomos maior a Força Atrativa 
entre eles, mas maior ainda são 
as Forças Repulsivas devido a 
sobreposição das camadas 
mais internas. 
 
Quando a soma das Forças 
Atrativas e Repulsivas é ZERO, 
os átomos estão na chamada 
distância de equilíbrio (ro). 
18 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
 A inclinação da curva no ponto de 
equilíbrio dá a força necessária 
para separar os átomos sem 
promover a quebra da ligação. 
 Os materiais que apresentam uma 
inclinação grande são 
considerados materiais RÍGIDOS. 
Ao contrário, materiais que 
apresentam uma inclinação mais 
tênue são bastante FLEXÍVEIS. 
 A RIGIDEZ e a FLEXIBILIDADE 
também estão associadas com 
módulo de elasticidade (E) que é 
determinado da inclinação da curva 
tensão x deformação obtida no 
ensaio mecânico de resistência à 
tração. 
Deformação medida () 
Inclinação 
fornece 
Módulo E 
CURVAS 
19 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 EAço = 210 GPa E Ligas de alumínio = 70 GPa 
20 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
TABELA 
21 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
ENERGIA 
22 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
 
Às vezes é melhor trabalhar com a Energia (potencial) entre 
dois átomos em vez das Forças entre eles. 
 
Matematicamente, Energia (E) e Força de ligações (F) estão 
relacionadas por : 
 
 E= F.dr 
23 
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
24 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
 
- Quanto mais profundo o poço de energia potencial maior a 
temperatura de fusão do material. 
- Devido as forcas de repulsão aumentarem muito mais com a 
aproximação dos átomos a curva não é simétrica. Por isso, a 
maioria dos materiais tendem a se expandir quando aquecidos. 
25 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
• Quando energia é fornecida a um material, a vibração 
térmica faz com que os átomos oscilem próximos ao estado 
de equilíbrio. 
 
• Devido a assimetria da curva de Energia de 
LigaçãoxDistância Interatômica, a distância média entre os 
átomos aumenta com o aumento da temperatura. 
26 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
Material Tfusão (°C) 
C (diamante) ≈3550 
Cu 1085 
Polietileno ≈120 
TIPOS 
27 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
TIPOS DE LIGAÇÕES INTERATÔMICAS 
 
- Ligações Primárias 
 
- Ligações Secundárias 
 
 
28 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
LIGAÇÕES PRIMÁRIAS 
 
- Metálicas 
 
- Covalentes 
 
- Iônicas 
 
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 
 
- Van der Waals 
 
29 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
METÁLICA 
 
• Encontradas em metais e suas ligas. 
 
• Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade (apresentam 
no máximo 3 elétrons de valência). 
Elétrons de valência 
Átomo+elétrons das camadas mais internas 
30 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
METÁLICA 
 
• Os elétrons de valência são divididos com todos os átomos 
(não estão ligados a nenhum átomo em particular) e assim elesestão livres para conduzir. 
Elétrons de valência 
Átomo+elétrons das camadas mais internas 
31 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
METÁLICA 
 
• A ligação metálica tem caráter NÃO-DIRECIONAL. 
 
• A ligação metálica é geralmente forte (um pouco menos que a 
iônica e covalente) E= 20-200 kcal/mol. 
Elétrons de valência 
Átomo+elétrons das camadas mais internas 
32 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
METÁLICA 
 
Características dos METAIS ocasionados pelo tipo de ligação: 
- bons condutores de calor; 
- bons condutores eletricidade; 
Elétrons de valência 
Átomo+elétrons das camadas mais internas 
COVALENTE 
33 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
COVALENTE 
 
• As configurações eletrônicas estáveis são adquiridas pelo 
COMPARTILHAMENTO de elétrons de valência entre átomos 
adjacentes. 
 
• Forma-se com átomos de alta eletronegatividade. 
34 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
COVALENTE 
 
• A ligação covalente é DIRECIONAL e forma ângulos bem 
definidos. 
 
• A ligação covalente é forte. E = 125-300 kcal/mol. 
35 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
COVALENTE 
 
Tipo de ligação comum em compostos orgânicos, por exemplo 
em Materiais Poliméricos e Diamante. 
IÔNICA 
36 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
IÔNICA 
 
• Encontrada em compostos cuja composição envolve tanto 
elementos METÁLICOS como NÃO-METÁLICOS. 
 
• Os átomos de um elemento metálico perdem facilmente os 
seus elétrons de valência para os átomos não-metálicos. 
Adquirem assim configurações estáveis além de uma carga 
elétrica; isto é, eles se tornam íons. 
37 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
IÔNICA 
38 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
IÔNICA 
 
• A ligação iônica é NÃO-DIRECIONAL, ou seja, a magnitude da 
ligação é igual em todas as direções ao redor do íon. 
39 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
IÔNICA 
 
• A ligação é forte E= 150-300 kcal/mol (Tf dos materiais com 
esse tipo de ligação é geralmente alto). 
 
• A ligação predominante nos materiais CERÂMICOS. 
CONSIDERAÇÕES 
40 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
CONSIDERAÇÕES SOBRE LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE 
 
• Muito poucos compostos exibem ligação iônica e covalente 
puras. 
 
• A maioria das ligações iônicas tem um certo grau de ligação 
covalente e vice-versa, transferem e compartilham elétrons. 
41 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
 
• O grau do tipo de ligação depende da eletronegadividade dos 
átomos constituintes. 
 
• Quanto maior a diferença nas eletronegatividades mais iônica 
é a ligação. 
 
• Quanto menor a diferença nas eletronegatividades mais 
covalente é a ligação. 
VAN DER WAALS 
42 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS 
 
• Comparadas às ligações primárias, as ligações de Van der 
Waals são consideradas fracas. 
 
• São ligações secundárias ou físicas. 
 
• A polarização (formação de dipólos) devido a estrutura da 
ligação produz forças atrativas e repulsivas entre átomos e 
moléculas. 
43 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS 
 
• A ligação de Van der Waals é Não direcional. 
 
• A ligação é fraca. E < 10 kcal/mol. 
44 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAAL 
45 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
Material Ligação Tfusão (°C) 
 
NaCl Iônica 801 
C (diamante) Covalente ≈3550 
Cu Metálica 1085 
Polietileno Cov./Sec. ≈120 
H2O Sec 0 
DIAMANTE 
46 
4. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
GRAFITA DIAMANTE 
Ligação 
fraca 
Ligação forte 
Os átomos de carbono na grafita também são unidos fortemente 
através de ligações COVALENTES, mas só dentro de um plano, 
diferentemente da rede 3D das ligações do diamante. Estes planos de 
átomos de carbono simplesmente empilham-se uns sobre os outros, 
sendo as forças de união entre os planos, muito fracas. Os planos de 
átomos de carbono podem então deslizar facilmente uns sobre os 
outros, e por isto a grafita é importante lubrificante! 
RESUMO 
47 
RESUMO DA AULA 
BIBLIOGRAFIA 
1. Introdução à estrutura atômica nos sólidos. 
1.1. Conceitos Fundamentais. 
 
2. Modelos Atômicos. 
 
3. Ligação Atômica nos Sólidos. 
3.1. Forças e Energias de Ligação. 
3.2. Tipos de ligações. 
3.2.1. Ligações Interatômicas Primárias. 
3.2.2. Ligações Secundárias. 
48 
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR: 
BIBLIOGRAFIA BÁSICA: 
EXERCÍCIO PARA FAZER EM CASA 
[1]. CALLISTER Jr, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma 
introdução, Rio de Janeiro, 5a Ed. LTC. 2002. 
 
[2]. SHACKELFORD, J. F. Ciência e Engenharia de Materiais. São 
Paulo, 6ª Ed. Pearson Prentice Hall. 2008. 
 
[3]. VAN VLACK, L. H. Princípios de Ciência e Tecnologia dos 
Materiais. Rio de Janeiro, 4ª Ed. Elsevier. 2003. 
 
[4]. CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica Vol. 1, São Paulo. Ed. 
Pearson,1976. 
49 
EXERCÍCIO PARA FAZER EM CASA 
TEMA DA PRÓXIMA AULA 
Responder Lista de Exercícios No. 1 
 
Entrega: 
Folha A4 
Manuscrito com caneta azul ou preta 
Data de entrega sugerida - 05/06/2018 
50 
TEMA DA PRÓXIMA AULA 
ESTRUTURA CRISTALINA NOS SÓLIDOS 
FIM