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1 LIGAÇÃO METÁLICA QUÍMICA INORGÂNICA PROFA. VALESKA S. AGUIAR A LIGAÇÃO METÁLICA Atração interatômica forte Estrutura formada por íons positivos e elétrons “livres” A LIGAÇÃO METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA Compartilhamento de elétrons Não-direcional Cada elétron tem uma propriedade igual de estar associado a qualquer átomo de um grande número de átomos adjacentes A LIGAÇÃO METÁLICA A deslocalização dos elétrons está associada ao material todo Nuvem de elétrons Alta condutividade elétrica dos metais Conjunto de íons positivos imersos em um mar de elétrons Altos pontos de fusão e ebulição dos metais Maleabilidade e ductilidade dos metais A LIGAÇÃO METÁLICA O conceito de vale ou poço de energia se aplica para esta ligação também! Ângulos de ligação e números de coordenação tendem a ser altos (8 a 12) MOTIVO: CONSIDERAR EMPACOTAMENTO EFETIVO DOS ÁTOMOS 2 ASSIM COMO OS SÓLIDOS IÔNICOS, OS SÓLIDOS METÁLICOS TAMBÉM SE ORGANIZAM NO ESPAÇO, FORMANDO ESTRUTURAS CRISTALINAS ESTRUTURA CRISTALINA Maneira segundo a qual os átomos, íons ou moléculas estão espacialmente arranjados. E l a s v a r i am de sde e s t ru tu r a s rela<vamente simples, como ocorre nos metais, até estruturas excessivamente complexas, como as exibidas pelos materiais cerâmicos e poliméricos. ESTRUTURA CRISTALINA • Ligações metálicas, não direcionais à mínimas restrições em relação à quan<dade e à posição dos átomos vizinhos mais próximos. • Número rela<vamente elevado de vizinhos e empacotamento compacto para a maioria das estruturas cristalinas dos metais. • Para estes, ao se u<lizar o modelo de esferas rígidas, cada esfera representa um núcleo iônico (e as esferas se tocam). ESTRUTURA CRISTALINA • A tabela a seguir apresenta os raios atômicos para diversos metais. • Três estruturas cristalinas rela<vamente simples são encontradas para a maioria dos metais mais comuns: cúbica de face centrada (CFC), cúbica de corpo centrado (CCC) e hexagonal compacta (HC). • Os metais não cristalizam no sistema hexagonal simples (ausente 3 átomos centrais), pois o fator de empacotamento é muito baixo. Metal Estrutura Cristalina Raio atômico (nm) Metal Estrutura Cristalina Raio atômico (nm) Alumínio CFC 0,1431 Molibdênio CCC 0,1363 Cádmio HC 0,1490 Níquel CFC 0,1246 Cromo CCC 0,1249 Platina CFC 0,1387 Cobalto HC 0,1253 Prata CFC 0,1445 Cobre CFC 0,1278 Tântalo CCC 0,1430 Ouro CFC 0,1442 Titânio HC 0,1445 Ferro (α) CCC 0,1241 Tungstênio (α) CCC 0,1371 Chumbo CFC 0,1750 Zinco HC 0,1332 A estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC) Possui célula unitária com geometria cúbica, com átomos localizados em cada um dos vér<ces e nos centros de todas as faces do cubo. Essas esferas ou núcleos iônicos se tocam umas nas outras ao longo de uma diagonal da face. Exemplos: cobre, alumínio, prata, ouro, níquel, pla<na, paládio, chumbo e ferro-𝞬. 3 A estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) Possui uma célula unitária com átomos localizados em todos os oito vér<ces e um único átomo no centro do cubo. O cromo, o ferro-𝛼, molibdênio, nióbio, tântalo, sódio, lí<o, vanádio e o tungstênio, assim como vários outros metais, exibem uma estrutura CCC. • Monumento construído para a Exposição Universal de 1958, em Bruxelas. • Representa a rede cristalina do ferro (cúbica de corpo centrado). • Estrutura em aço reves<da por alumínio, de 102 metros de altura, é composta por nove esferas de 18 metros de diâmetro, e representa as nove províncias Belgas (após 1 de Janeiro de 1995 passaram a ser 10). • As esferas são ligadas entre si por tubos de 29 m de comprimento e 3 metros de diâmetro. • O peso total é de 2400 toneladas. • A estrutura foi concebida (durante 18 meses) pelo Engenheiro André Waterkeyn e demorou 18 meses para ser construída. A estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) A estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) A estrutura cristalina hexagonal compacta (HC) • Célula unitária hexagonal. HC • As faces superior e inferior da célula unitária são compostas por seis átomos que formam hexágonos regulares e que estão ao redor de um único átomo central. Zinco, cádmio, cobalto, berílio, zircônio, <tânio e magnésio. HC • Um outro plano que contribui com três átomos adicionais para a célula unitária está localizado entre os planos superior e inferior. 4 HC • Os átomos nesse plano intermediário possuem como vizinhos mais próximos átomos nos dois planos adjacentes. HC • Um sexto de cada um dos 12 átomos localizados nos vér<ces das faces superior e inferior, metade de cada um dos átomos no centro das faces superior e inferior e todos os três átomos interiores do plano intermediário. HC – NÚMERO DE ÁTOMOS NUMA CÉLULA UNITÁRIA • O equivalente a seis átomos está con<do em cada célula unitária. 12 1 + 2 1 + 3 = 6 6 2 HC • O número de coordenação e o fator de empacotamento atômicos para a estrutura cristalina HC são os mesmos que para a estrutura CFC, 12 e 0,74, respec<vamente. Alguns metais e não-metais podem ter ma is de uma es t ru tura c r is ta l ina dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo. G e r a l m e n t e a s t r a n s f o r m a ç õ e s polimórficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas. 5 METAL ESTRUTURA NA TEMPERATURA AMBIENTE EM OUTRAS TEMPERATURAS Ca CFC CCC (>447ºC) Co HC CFC (>427ºC) Hf HC CFC (>1.742ºC) Fe CCC CFC (912-1.394ºC) CCC (>1.394ºC) Li CCC HC (<-193ºC) Na CCC HC (<-233ºC) Sr CFC CCC (>557ºC) Tl HC CCC (>234ºC) Ti HC CCC (>883ºC) Y HC CCC (>1.481ºC) Zr HC CCC (>872ºC) A distribuição dos átomos em um plano cristalográfico depende da estrutura cristalina Materiais Monocristalinos • Arranjo periódico (único cristal) se estende por todo o material sem interrupção. • As células unitárias se ligam da mesma maneira e possuem a mesma orientação. 6 Materiais Policristalinos • Formado por muitos cristais pequenos, os grãos. • A orientação cristalográfica varia de grão para grão, formando os contornos de grão (regiões que separam c r i s t a i s d e d i f e r e n t e s orientações). • Textura é uma orientação preferencial dos grãos. Empacotamento cúbico simples (pouco ocorrido: Po) AAA - Apenas empacotamento - Empacotamento com estrutura da cela unitária - Estrutura cristalina com a noção do empacotamento Empacotamento cúbico corpo centrado ABAB - Apenas empacotamento - Empacotamento com estrutura da cela unitária - Estrutura cristalina com a noção de empacotamento Empacotamento cúbico face centrada ABCABC - Apenas empacotamento - Empacotamento com estrutura da cela unitária - Estrutura cristalina com a noção de empacotamento Empacotamento Cúbico de Face Centrada Empacotamento Cúbico de Face Centrada 7 Empacotamento Cúbico de Corpo Centrado Empacotamento Hexagonal Compacta Empacotamento hexagonal compacto ABAB Cela unitária no empacotamento hexagonal compacto ABAB Estrutura cristalina do empacotamento hexagonal Empacotamento Hexagonal Compacta Imperfeições pontuais: - Lacunas - Interstíceos - Átomos estranhos - substitucionais - intersticiais formação de soluções sólidas 8 Buracos tetraédricos Buracos octaédricos Falhasde empilhamento – comuns nos materiais cúbicos de face centrada (CFC). Ocorrem quando, em uma pequena região do material, há uma falha na sequência de empilhamento dos planos compactos. Nos cristais CFC esta sequência é do tipo ABCABCABCABC..., Nos cristais hexagonais compactos (HC) ela é ABABABABAB... Uma sequência ABCABABCABC... em uma região do cristal CFC, caracteriza uma falha de empilhamento, que vem a ser uma pequena região HC dentro do cristal CFC. Modelo do mar de elétrons • Núcleos em um mar de e-. • Brilho metálico. • Maleabilidade. Força aplicada 9 Teoria de Bandas. Extensão da TOM: N átomos originam N orbitais de energia muito próxima. • N/2 são preenchidos. A banda de valência. • N/2 ficam vazios. A banda de condução. 10 11 Semicondutor Metal Metal Isolante Energia Num material isolante é necessário aplicar muita energia (por exemplo, muita tensão elétrica) para passar os elétrons da banda de valência para a banda de condução já que a banda proibida é muito larga. Pelo contrário, num material condutor a passagem dos elétrons da banda de valência para a banda de condução faz-se facilmente já que não existe banda proibida. Os materiais semicondutores estão numa situação intermediária entre os materiais isolantes e condutores. SEMICONDUTORES 12 SEMICONDUTORES Semicondutores intrínsecos: band gap fixo. Ex: CDs, absorve luz violeta e parte da azul, e reflete a luz menos energética: aparência amarelo brilhante. GaAs: band gap pequeno, toda a luz visível é absorvida: preto. SEMICONDUTORES SEMICONDUTORES CONCENTRAÇÃO DOS PORTADORES DE CARGA SEMICONDUTORES Semicondutores extrínsecos: o band gap é controlado por meio da adição de impurezas: dopagem. O nível de energia do P fica logo abaixo da banda de condução do Si. P usa 5 elétrons para se ligar ao Si, e o excedente pode ser doado. Semicondutor do tipo n se refere a negativo, o tipo de carga que é MÓVEL. O nível de energia do Al fica logo acima da banda de valência do Si. Elétrons podem entrar no orbital do Al, deixando um BURACO na banda de valência. A carga positiva pode se mover e este é portanto um semicondutor tipo p. DOPAGEM DE SEMICONDUTORES 13 DOPAGEM DE SEMICONDUTORES DOPAGEM DE SEMICONDUTORES DOPAGEM DE SEMICONDUTORES Banda de condução Nível doador Banda de valência Banda de condução Nível aceptor Banda de valência Semicondutor tipo n Semicondutor tipo p A aplicação da teoria de bandas aos semicondutores do tipo n e tipo p mostra que níveis de energia são adicionados pelas impurezas. • Tipo n: existem níveis de energia para os elétrons do topo do gap de energia, e estes elétrons podem ser facilmente excitados para a banda de condução (átomos de impurezas: com 5 elétrons de valência). • Tipo p: buracos no fundo do gap de energia permitem que elétrons de valência sejam excitados para este nível, gerando buracos extras na banda de valência (átomos de impurezas: com 3 elétrons de valência). DOPAGEM DE SEMICONDUTORES DOPAGEM DE SEMICONDUTORES 14 SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
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