Aula 5 ligação metálica

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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 
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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.	
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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.	
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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. 
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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. 
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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	
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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 
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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 
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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. 
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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 
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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 
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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 
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SEMICONDUTORES 
INTRÍNSECOS 
SEMICONDUTORES 
INTRÍNSECOS