Aula 02 Átomos e Ligações Químicas

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Aula 02 
Ciências e Tecnologia dos Materiais
Temas abordados na Aula 01
1) Átomo – Estrutura Atômica;
2) Ligações Químicas Primárias e Secundárias;
3) Classificação dos Materiais;
4) Propriedades do Materiais em Relação às ligações 
químicas;
6) Exercícios Propostos.
1 – Arranjo dos Átomos no Estado Sólido
Para estudarmos os materiais, devemos entender seu arranjo atômico, a definição
de átomo e a evolução do conceito atômico, visto que o avanço nas tecnologias de
análise da matéria, evoluíram com a evolução do modelo atômico.
Definição de átomo
A palavra átomo vem do grego e significa aquilo que não pode ser dividido, entretanto, atualmente
esse conceito está errado, pois o átomo pode ser dividido em subpartículas, tais como elétrons,
prótons e nêutrons, como veremos em seguida.
Modelos Atômicos
1 – Modelo Atômico de Dalton
Na hipótese de Dalton, os átomos:
i) de um mesmo elemento são idênticos;
ii) de elementos diferentes apresentam massa diferente;
iii) quando formam um composto, constituem uma combinação de átomos;
iv) são esferas rígidas e indivisíveis.
Átomo segundo o
modelo de Dalton.
2 – Modelo Atômico de Thomson
Através do experimento do tubo de raios catódicos, semelhante ao
tudo de imagem, de um televisor de tubo, Thomson observou que
partículas carregadas negativamente, eram atraídas para o diodo
positivo. Essas partículas, foram denominadas por Thomson de
elétrons.
Modelo atômico de Thomson,
semelhante a um pudim de ameixas,
com as ameixas sendo os elétrons e o
pudim sendo a parte positiva do átomo.
3 – Modelo de Rutherford
Ernest Rutherford, a fim de analisar a estrutura da matéria, através do
experimento de Geiger - Marsden, em que se direciona-se partículas alfa
(núcleos de átomos de Hélio) em um folha de ouro. Rutherford observou
que haviam regiões em que essas partículas não atravessavam. Essas
regiões, ele denominou de núcleo, região mais densa do átomo. Nela, ele
conclui que ficariam os prótons, cuja massa é aproximadamente 2000 vezes
maior que a massa do elétron. Mais tarde, o físico inglês James Chawdwick,
descobriu uma partícula neutra, cuja massa era aproximadamente à massa
do próton, denominada de nêutron.
No modelo de Rutherford, os prótons e nêutrons se localizam no
núcleo e os elétrons circulam o núcleo, região denominada de
eletrosfera.
4 – Modelo de Bohr
Niels Bohr propôs um modelo diferente ao de Rutherford, pois
segundo esse modelo, viola duas hipóteses da Mecânica
Quântica:
i) Segundo a mecânica clássica, uma carga negativa,
colocada em movimento ao redor de uma carga positiva
estacionária, adquire movimento espiralado em sua direção
acabando por colidir com ela;
ii) ii) Essa carga em movimento perde energia, emitindo
radiação. Ora, o átomo no seu estado normal não emite
radiação.
i) Os elétrons giram ao redor do núcleo em órbitas, denominadas níveis de energia ou
camadas eletrônicas, representadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q;
ii) Os elétrons não perdem energia quando giram em determinadas órbitas;
iii) Em cada órbita, o elétrons tem energia específica, ou seja, quanto mais próximo do
núcleo, menor a energia do elétrons e, quanto mais afastado, maior será a energia do
elétron em relação ao núcleo;
iv) O elétron pode saltas de uma órbita para outra, de menor ou maior energia, ou seja,
quando salta para um nível energético menor, emite radiação na forma de um fóton e,
quando salta para um nível mais energético, absorve energia na forma de um fóton.
Entretanto, os elétrons nunca estará em uma posição entre dois níveis.
Bohr propôs que:
Número Atômico e Massa Atômica
O número atômico (Z) é denominado a quantidade de prótons e elétrons, no
estado fundamental. Dessa forma, se um átomo apresenta Z = 6, no caso, o
Carbono, ele terá 6 prótons e 6 elétrons.
A massa atômica é definida pela soma das massas do prótons e nêutrons, visto que as
massas dessas partículas são aproximadamente iguais e são 2000 vezes maior que a
massa do elétron, sendo a massa dos elétrons, desprezível. Dessa forma:
A = Z + n
Onde: A é a massa atômica;
Z é o número atômico;
n é a quantidade de nêutrons do átomo.
Exemplo: Seja um átomo:
𝑍
𝐴𝑋, 𝑐𝑜𝑚 𝐴 = 32 𝑒 𝑍 = 16, 𝑛𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑢𝑛𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙.
Quantos nêutrons tem o átomo Z?
Solução:
n = A – Z = 32 – 16 = 16 nêutrons.
Para o Átomos de 79Au com massa
atômica de 197, calcule a quantidade de
nêutrons.
Diagrama de Pauling
Diagrama criado pelo químico Linus Pauling
que permite escrever a distribuição
eletrônica dos átomos em subníveis, que
Pauling denominou como s, p, d e f. Cada
subnível apresentam quantidades
diferentes de elétrons, tal que:
s – 2 elétrons;
p – 6 elétrons;
d – 10 elétrons;
f – 14 elétrons.
Exemplo: Faça a distribuição dos átomos abaixo.
i) 16S – 1s
2 2s2 2p6 3s2 3p4
Dessa forma, a distribuição em camadas é: K = 2, L = 8, M = 6;
ii) 47Ag – 1s
2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d9
Dessa forma, a distribuição em camadas é: k = 2, L = 8, M = 18, N = 18, O = 1.
Obs.: Apesar do subnível eletrônico 5s apresentar 2 elétrons, o mesmo cede 1 elétron para
o subnível 4d, de modo a melhorar a estabilidade da prata.
2 – Ligações Químicas 
Agora, para entender as propriedades dos materiais, devemos analisar sua
natureza atômica, ou seja, analisar a forma com que os átomos de um material se
ligam e, também, a forma com as moléculas se ajustam. Essas interações serão
denominadas aqui como Ligações Primárias e Ligações Secundárias.
1 – Ligações Primárias
São assim denominadas, pois tratam-se de ligações entre átomos, a fim de se formar moléculas. São
exemplos de ligações primárias: a ligação iônica, a ligação covalente e a ligação metálica.
i) Ligação Iônica
Essa ligação primária é caracterizada pela ligação de metais (átomos susceptíveis à perda de elétrons na camada
de valência) com ametais ou não-metais, como mostrado na tabela periódica. Dessa forma, o metal doa elétrons
para o ametal, com ambos átomos ficando estáveis.
A ligação iônica aparece principalmente em materiais cerâmicos,
sendo o oxigênio, o principal ametal. A alumina ou mais conhecido
como óxido de alumínio, é um exemplo de substância formada por
ligação iônica, pertencente à classe das cerâmicas.
Estrutura do NaCl, composto formado por ligação iônica
Mecanismo da Ligação
13Al – apresenta 3 elétrons na camada de valência, esse fato se dá, por esse
átomo pertencer à família 3A, como mostra a tabela acima. Dessa forma, temos:
Al+3 – cátion de alumínio, mostrando que perde 3 elétrons.
Já o oxigênio, 8O, apresenta 6 elétrons na camada de valência, por isso,
necessita de 2 elétrons para se estabilizar, apresentando a configuração:
O-2 – ânion de oxigênio, mostrando que ganha 2 elétrons.
Dessa forma, colocamos o alumínio (cátion) na frente do oxigênio (ânion), tal que:
𝐴𝑙+3𝑂−2 → 𝐴𝑙2𝑂3
Regra do Octeto – os átomos se ligam, de modo a obterem 8 elétrons na camada de valência, quantidade
semelhante à dos gases nobres.
Na ligação iônica, devido à interação entre metais e ametais, esses átomos são
denominados:
Cátions – átomos que perdem elétrons na ligação iônica;
Aníons – átomos que recebem elétrons na ligação iônica.
Exemplos de substâncias formadas por ligação iônica
1) NaCl (cloreto de sódio) – conhecido como sal de cozinha.
11Na – como o sódio (Natrium) pertence à família 1A e, portanto, perde 1 elétron,
de modo a ficar com 8 elétrons na camada de valência.
17Cl – como o cloro pertence à família 7A, ganhando um elétron, pois apresenta 7
elétrons na camada de valência.
Mecanismo
𝑁𝑎+1𝐶𝑙−1 → 𝑁𝑎𝐶𝑙
2) CaO (óxido de cálcio) – Cal Virgem, Cal viva ou cal
20Ca – como o cálcio pertence à família2A, perde 2 elétrons, de modo a ficar com 8 elétrons na camada de
valência.
8O - como o oxigênio pertence à família 6A, ganha 2 elétrons, de modo a ficar com 8 elétrons na camada de
valência.
Mecanismo
𝐶𝑎+2𝑂−2 → 𝐶𝑎𝑂
Como o Cálcio perde 2 elétrons e o oxigênio ganha 2 elétrons, a proporção de
átomos de ambos na molécula é de 1 para 1, por isso, temos a molécula CaO.
Propriedades dos Compostos Iônicos
• Elevados Pontos de Fusão e Ebulição;
• Apresentam-se no estado sólidos à temperatura ambiente;
• Condutores elétricos em solução aquosa;
• Solúveis em solventes polares;
• Não condutores no estado sólido;
• Apresentam alta dureza à temperatura ambiente.
A alumina (Al2O3, material cerâmica
formado por ligação iônica.Sulfeto de Sódio (Na2S) um composto
iônico muito usado na indústria de
corantes.
ii) Ligação Covalente
Ligação que ocorre entre ametais e, como ambos não tem a natureza de perder
elétrons, ocorre um compartilhamento de elétrons entre os átomos ligantes. Essa
ligação ocorre em materiais poliméricos, como compostos orgânicos. A ligação
covalente ocorre, propiciando o compartilhamento, levando os átomos ligantes,
apresentarem 8 elétrons na camada de valência, obedecendo a regra do octeto.
Formação da Molécula do Metano
Observe a ligação entre átomos de Hidrogênio e um átomo de Carbono, a fim de formar a molécula de
metano, um gás inflamável, conhecido como gás de lixo, presente principalmente em locais onde se
encontra matéria orgânica em decomposição.
12C – o carbono apresenta 4 elétrons na camada de valência e, portanto,
precisa compartilhar com átomos ligantes, 4 elétrons, de modo a obter 8 na
camada de valência.
1H – o hidrogênio apresenta 1 elétrons na camada de valência e, portanto,
precisa compartilhar esse elétron, de modo a ficar com 2 elétrons, semelhante
ao gás nobre He (Hélio).
Nesse caso, temos 4 Hidrogênios para 1 Carbono, tendo a molécula de CH4
A ligação covalente, de acordo com a eletronegatividade dos átomos ligantes,
pode geral uma molécula polar ou apolar, isso explica, em caso de misturas, o fato
de fluidos serem miscíveis ou imiscíveis, ou seja, se formam mesma fase
homogênea ou heterogênea. Como exemplo, podemos citar a mistura de água,
uma molécula polar com a gasolina, formada por octanos. Dessa forma, podemos
afirmar que:
i) Substâncias moleculares (formadas por ligação covalente) polares se misturam e não se
misturam com substâncias apolares;
ii) Substâncias moleculares apolares se misturam e não se misturam com substâncias polares.
Propriedades dos Compostos Moleculares
• Apresentam-se à temperatura ambiente nos estados sólido, líquido e gasoso
dependendo da ligação secundária que realizam e de sua massa molecular;
• Apresentam baixo ponto de fusão e ebulição;
• Geralmente são insolúveis em água, mas solúveis em solventes orgânicos;
• Geralmente não são condutores elétricos quando puros, com exceção do
grafite;
• Quando sólidos, apresentam baixa dureza.
Grafite (Cn) é um composto
molecular que se apresenta
no estado sólido. Gasolina com alta octanagem (C8H18
– C10H22) composto molecular que
se apresenta no estado líquido.
Dióxido de Enxofre é um composto
molecular que se apresenta no estado
gasoso e é um dos principais
causadores da chuva ácida.
iii) Ligação Metálica
A terceira espécie em adição ás ligações primárias vistas até agora, é a ligação
metálica. Seu modelo não é de construção simples como os dois anteriores. Este
tipo de ligação ocorre entre os átomos de metais e suas ligas. Os átomos dos
elementos metálicos apresentam forte tendência de perderem seus elétrons da
última camada e transformar-se em cátions. O sólido metálico seria assim formado
pelos núcleos dos átomos mergulhados nessa “nuvem” eletrônica, que pertence ao
conjunto. Estes elétrons podem ser considerados como pertencentes ao metal
como um todo. Esses elétrons, entretanto, são simultaneamente atraídos por
outros íons, que então perdem novamente e assim por diante. Por isso, apesar de
predominarem íons positivos e elétrons livres, diz-se que os átomos de um metal
são eletricamente neutros. A figura abaixo mostra uma nuvem de elétrons livres
entre os íons em um metal.
A ligação metálica constitui uma
nuvem de elétrons que circulam
os átomos, isso permite esses
materiais serem excelentes
condutores de eletricidade.
O modelo dos elétrons
livres permite explicar a
condutividade elétrica dos
metais e também sua boa
condutividade e calor, pois
esses espaços entre os
átomos na ligação metálica
permitem o trânsito rápido
de elétrons e de calor.
Propriedades devido à Ligação Metálica
• Bons condutores elétricos;
• Bons condutores térmicos;
• Elevados pontos de fusão e ebulição;
• Resistência à tração;
• Densidade elevada;
• Apresentam-se no estado sólido à temperatura ambiente;
• Maleabilidade;
• Ductilidade.
A ligação metálica permite formar as ligas
metálicas, como podemos observar abaixo.
Latão 
Principais ligas metálicas
1 – Bronze – liga metálica formada de Cobre (Cu) e Estanho (Sn);
2 – Latão – liga metálica formada de Cobre (Cu) e Zinco (Zn);
3 – Ouro 18K (quilate) – liga metálica formada por Ouro (Au) 75% com outros
metais como Prata (Ag), Cobre (Au) em 25%;
4 – Amálgama dental – liga metálica formada por Mercúrio (Hg), prata (Ag) e
Estanho (Sn);
5 – Aço Inoxidável – liga metálica formada por Ferro (Fe), Carbono (C), Cromo (Cr)
e Níquel (Ni).
Ouro 18K
Aço Inox
Bronze
Amálgama 
dental
2 – Ligações Secundárias
São ligações realizadas entre moléculas. São 3 tipos:
i) Ligações de Dipolo Permanente
As forças secundárias são denominadas Forças de van der Waals em homenagem ao
cientista holandês Johannes Diderik van der Waals. A ligação ou interação intermolecular
Dipolo Permanente é a mais forte ligação secundária e ocorre entre moléculas polares, ou
seja, moléculas como mostrado abaixo:
Molécula polar é uma molécula que apresentam polos, ou seja, é
formada por um composto mais eletronegativo em relação ao(s) outro(s).
Molécula da água (H2O).
Propriedades da Ligação Dipolo Permanente
• Quando o composto é iônico, se apresentam no estado sólido,
caracterizando-se por alta dureza e solubilidade em água;
• Quando o composto é molecular, se apresentam nos estados
sólido, líquido e gasoso, dependendo dos elementos da
molécula;
• As pontes ou ligações de hidrogênio são ligações de dipolo
que envolvem a interação do hidrogênio com o Oxigênio, Flúor
e Nitrogênio.
Explique por que o H – F se
apresente no estado líquido e o
H – Cl se apresenta no estado
gasoso, visto que ambos
compostos são moleculares e
polares.
ii)Ligações de Dipolo Induzido por Molécula Polar
Momentos de dipolo permanentes existem em algumas moléculas em virtude de um
arranjo assimétrico de regiões carregadas positivamente ou negativamente; tais
moléculas são denominadas moleculares polares. O ácido clorídrico é um exemplo
de um momento de dipolo permanente, que surge a partir de cargas positivas e
negativas líquidas que estão respectivamente associadas com as extremidades do
hidrogênio e do cloro da molécula de HCl.
Representação da molécula de HCl.
Observe que apesar das semelhanças entre as moléculas
de H – Cl e H – F, o ácido fluorídrico apresenta-se no
estado líquido à temperatura ambiente pois realiza pontes
de hidrogênio enquanto o ácido clorídrico realiza ligações
dipolo induzido.
iii) Ligações de Dipolo Induzido por Molécula Apolar
Exemplos de moléculas que realizam esse tipo de ligação:
H2, O2, Cl2, N2, F2.
Características da Ligação:
i) ligações intermoleculares muito fracas;
ii) Ponto de Ebulição muito baixo;
iii)Substâncias se apresentam no estado gasoso.
Explique por que o CO2, uma molécula apolar
não é solúvel em água e, portanto, tende a sair
dessa substância? Lembre-se que bebidas
gaseificadas tendem a perderem o gás quando
expostas à atmosfera.
Estas forças atrativas podem existir entre grande número de átomos ou moléculas,
cujas forças são temporárias e flutua com o tempo. Esse tipo de ligação ocorre
quando há a liquefação e solidificação de gases inertes
Exerícios
1)Associe o material e o tipo de ligação química primária associada ao material.
A – Aço 1020; 1 – Ligação Iônica;
B – Polipropileno; 2 – Ligação Metálica;
C – Cloreto de Sódio (NaCl); 3 – Ligação Covalente.
2) Para entender algumas propriedades dos materiais, tais como ponto de fusão baixo ou alto,
condutividade elétrica, elasticidade frente à aplicação de forças mecânicas, estão associados à ligações
químicas primárias e secundárias. Dessa forma, associe cada propriedade à cada ligação abaixo:
1 – Condutividade elétrica A – ligação Dipolo Permanente;
2 – Alta Capacidade de Deformação Elástica B – Ligação Metálica;
3 – Alto Ponto de Fusão C – Ligação de Dipolo Induzido flutuante
4 – Baixo Ponto de Fusão D – Ligação de Dipolo Induzido Polar
Solução: A – 1; B – 3; C – 2.
Solução: 1 – B; 2 – C; 3 – A; 4 – C.
3)Um material muito usado na produção de materiais ___________ é o óxido de
magnésio (MgO), retirado de argilas. Esse tipo de composto é formado através da
ligação primária do tipo ______________, o que lhe confere uma ligação
secundária do tipo_____________________, responsável por seu alto ponto de
fusão. A alternativa que confere a sequência correta para as lacunas é:
a) metálicos – covalente – dipolo permanente;
b) poliméricos – iônica – dipolo induzido;
c) cerâmicos – covalente – dipolo induzido flutuante;
d) metálicos – metálica – dipolo permanente;
e) cerâmicos – iônica – dipolo induzido polar.
4) Associe cada molécula ao tipo de ligação química primária que o forma, junto à classificação do grupo de
material que pertence, como no exemplo:
a) NaCl – formado por ligação iônica, pertence à classe das cerâmicas.
b) Polietileno – formado por ligações covalentes, pertence à classe dos polímeros;
c) Duralumínio ® – formado por ligações metálicas, pertence à classe dos metais;
d) CaO – formado por ligação iônica, pertence à classe das cerâmicas.
e) CaCO3 (carbonato de cálcio, principal composto do Cimento Portland® – formado
por ligação iônica entre o carbonato CO3 e o Cálcio. Pertence à classe das cerâmicas.
Exercícios Propostos
1)O modelo atômico que introduz o núcleo atômico, devido ao bombardeamento de
uma folha de ouro, usando partículas do elemento radioativo Polônio é:
a) O modelo atômico de Bohr b) O modelo atômico de Rutherford
c) O modelo atômico de Thomson d) O modelo atômico de Demócrito
e) O modelo atômico de Dalton
2) É um material formado por ligações covalentes e, suas moléculas se interagem através de ligações do
tipo dipolo fracas, o que permite ser um material flexível e, em muitos caso, lhe conferindo baixos pontos
de fusão em relação à outros materiais, estamos falando dos:
a) materiais compósitos b) metais c) cerâmicas
d) nanomateriais e) polímeros
3)Ligas metálicas são muito usadas na indústria de modo a buscar ganhar em propriedades
mecânicas e térmicas, dependendo do tipo de composição da liga. No aço inoxidável, a
presença de uma substância é fundamental, de modo a reduzir a taxa de oxidação do aço e,
portanto o Ferro, principal componente dessa liga, estamos falando do:
a) cromo b) cobre c) carbono
d) alumínio e) prata.
4) A semicondutância é uma propriedade de certos materiais, nas quais permite
uma condição em que o material apresente na camada de valência elétrons livres,
que lhe confere a capacidade de conduzir eletricidade, entretanto, em pequenas
tensões, resultando em baixo aquecimento. Das substâncias, àquela que apresenta
semicondutância é:
a) SiO2 b) MnO
c) Al2O3 d) Mg3N2
e) Na2O
5) Dois átomos, A, cuja último subnível eletrônico é 5s2 faz ligação com outro átomo cujo último subnível é 4p3,
nessas condições, o composto formado é:
a) um composto molecular cuja fórmula molecular é A3B2;
b) um composto iônico cuja fórmula molecular é A3B2;
c) um composto iônico cuja fórmula molecular é A2B3;
d) uma liga metálica;
e) um composto molecular cuja fórmula molecular é A2B3.