MODULO I - Ligação química, Estrutura cristalina

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MÓDULO 1: Ligação química, Estrutura cristalina. 
 
Estrutura Atômica e Ligação Química 
 Cada átomo é composto por: 
 Núcleo → prótons e nêutrons. 
 Eletrosfera → elétrons, que circundam o núcleo. 
 Elétrons e prótons são carregados eletricamente. 
 elétrons tem carga negativa; 
 prótons tem carga positiva; 
 nêutrons não tem carga. 
 A magnitude da carga do próton e do elétron é 1,602 x 10-19 C. 
 As massas são muito pequenas: 
 Prótons e nêutrons possuem massas quase iguais e que valem 1,673 x 10-27 kg 
e 1,675 x10-27 kg, respectivamente. 
 Elétrons tem massa igual a 9,1095 x 10-31 kg. 
 Cada elemento é caracterizado: 
 Pelo seu número atômico → número de prótons dentro do núcleo. 
 Pela sua massa atômica → soma do número de prótons e do número de 
nêutrons dentro do núcleo. 
 
As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do tipo de 
ligação entre os átomos. O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons 
envolvidos na ligação, os quais são influenciados pelos prótons e nêutrons que formam o 
núcleo atômico. Os prótons e nêutrons caracterizam quimicamente o elemento e seus 
isótopos. 
 
Ligações Atômicas 
Existem mais de 100 elementos químicos. Deles, no entanto apenas 1/3 aparece com 
frequência na natureza. 
 
Tipos de ligações 
Ligações interatômicas podem ser classificadas quanto às suas intensidades em ligações 
primárias ou fortes e ligações secundárias ou fracas. 
Ligações primárias: iônica, covalente e metálica. 
Ligação secundária: Força de Van der Waals. 
 
As ligações químicas são as responsáveis pelas principais propriedades dos materiais. 
Desta forma, devido à ligação metálica, com seus elétrons livres, os metais são excelentes 
condutores de calor e energia elétrica, enquanto que os polímeros e cerâmicas são 
excelentes isolantes, uma vez que os elétrons nas respectivas ligações químicas, 
covalentes e iônicas, estão compartilhados ou foram cedidos ao átomo vizinho. 
 
Ligação iônica: na ligação iônica um ou mais elétrons são transferidos de um átomo 
eletropositivo (metal) para outro mais eletronegativo (não metal). Exemplos: cloreto de 
sódio (NaCl) e fluoreto de cálcio (CaF2). 
 Envolve uma ligação entre metal + não metal 
 Envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro. 
 A ligação iônica resulta da atração eletrostática entre dois íons de cargas opostas. 
 A ligação é não-direcional. 
 Grande diferença de eletronegatividade entre os elementos. 
 É a ligação predominante nos materiais cerâmicos. 
 Os materiais são duros e quebradiços. 
 Bons isolantes térmicos e elétricos. 
 
Ligação covalente: ligação covalente ou molecular é aquela que se dá por 
compartilhamento de um ou mais elétrons por dois ou mais átomos. Formam-se então um 
ou mais pares comuns que pertencem a ambos os átomos. Quando 2 ou mais átomos se 
ligam exclusivamente por ligação covalente, o conjunto formado é chamado de 
MOLÉCULA. 
A ligação covalente é a principal responsável pela formação das estruturas moleculares 
dos compostos orgânicos e pelas estruturas moleculares dos polímeros. Ex. polietileno 
Alguns compostos cerâmicos, tais como, carbeto de silício (SiC), nitreto de boro (BN) 
têm caráter covalente predominante, assim como o diamante. 
 Envolve compartilhamente dos elétrons de valência de átomos adjacentes. 
 A ligação resultante é altamente direcional. 
 Pequena diferença de eletronegatividade entre os elementos. 
 É a ligação predominante nos compostos orgânicos, em polímeros e 
semicondutores. 
 
 
Ligação Metálica: os elétrons apresentam-se desvinculados de átomos específicos, 
formando uma nuvem de elétrons. 
Os metais têm um, dois ou no máximo três elétrons de valência. Esses elétrons não estão 
ligados a um único átomo, mas estão mais ou menos livres para se movimentarem por 
todo o material. 
Modelo simplificado: 
 Átomos dos metais possuem de um a três elétrons de valência. 
 A ligação resultante é não-direcional. 
 Os elétrons de valência passam a se comportar como elétrons “livres”: 
 Apresentam a mesma probabilidade de se associar a um grande número de 
elétrons vizinhos. 
 Formam uma “nuvem de elétrons”. 
 São bons condutores. 
 
Ligações secundárias – Ligação de Van der Waals 
Ocorrem atrações entre os dipolos gerados pela assimetria de cargas. O mecanismo dessas 
ligações é similar ao das ligações iônicas, porém não existem elétrons transferidos. 
As ligações dipolares podem ser entre: 
 Dipolos permanentes. 
 Dipolos induzidos. 
 Ponte de hidrogênio. 
 
 
Exercícios: 
1. Quais os tipos de ligações químicas existentes nos materiais metálicos, cerâmicos e 
poliméricos. 
Resp.: Materiais metálicos apresentam ligações químicas primárias do tipo metálica, os 
materiais cerâmicos apresentam ligações químicas primárias do tipo iônica ou covalente 
e os materiais poliméricos apresentam ligações químicas primárias do tipo covalente e 
ligações secundárias do tipo Ligações de van der Waals. 
 
2. Por que o diamante é duro e o polietileno é mole? 
Resp.: O diamante apresenta exclusivamente ligações covalentes na sua estrutura, 
enquanto que o polietileno apresenta ligações covalentes no interior da cadeias 
poliméricas (ligação intramolecular), as quais por sua vez interagem entre si através de 
ligações de van der Waals (ligação intermolecular), mais fraca que as ligações químicas. 
 
 
Estrutura Cristalina 
Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade segundo a 
qual seus átomos ou íons estão arranjados uns em relação aos outros. Um material 
cristalino e aquele em que os átomos estão situados de acordo com uma matriz que se 
repete, ou que e periódica, ao longo de grandes distancias atômicas. 
Aqueles materiais que não se cristalizam, essa ordem atômica de longo alcance está 
ausente; esses materiais são chamados de não cristalinos ou amorfos. Algumas das 
propriedades dos sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, 
da maneira pela qual os átomos, íons ou moléculas estão arranjados no espaço. 
Ao descrever as estruturas cristalinas, os átomos são considerados como se fossem esferas 
sólidas com diâmetros bem definidos. Isso e conhecido por modelo da esfera rígida 
atômica, no qual as esferas que representam os átomos vizinhos mais próximos tocam 
umas nas outras. Rede cristalina é uma matriz tridimensional de pontos que coincidem 
com posições dos átomos (ou os centros de esferas). 
 
Cristalografia: ciência que descreve os cristais e estuda as leis de sua formação e 
estrutura. 
 
Estrutura cristalina – os átomos estão arrumados de forma a constituírem uma rede 
cristalina regular no espaço, com posições definidas entre si. 
 
Célula unitária – o menor volume que, por repetição no espaço, reproduz o reticulado 
cristalino. Uma célula unitária e escolhida para representar a simetria da estrutura 
cristalina, onde todas as posições de átomos no cristal podem ser geradas através de 
translações das distancias integrais da célula unitária ao longo de cada uma das suas 
arestas. Assim sendo a célula unitária consiste na unidade estrutural básica ou bloco 
construtivo básico da estrutura cristalina. 
 
 
Estrutura Cristalina nos Metais 
A ligação nesse grupo de materiais é metálica, e sua natureza é não direcional. 
Existem três estruturas cristalinas relativamente simples para a maioria dos metais mais 
comuns, sãoelas: 
1. Cúbica de Faces Centradas (CFC); 
2. Cúbica de Corpo Centrado (CCC); 
3. Hexagonal Compacta (HC). 
 
 
Estrutura CFC 
A estrutura cristalina encontrada em muitos metais possui uma célula unitária com 
geometria cúbica, com os átomos localizados em cada um dos vértices (1/8 de átomos em 
cada vértice) e meio átomo nos centros de todas as faces do cubo. Essa estrutura e 
adequadamente chamada de estrutura cristalina cúbica de faces centradas (CFC). Alguns 
dos matais mais familiares que possuem essa estrutura cristalina são o cobre, o alumínio, 
a prata e o ouro. 
A aresta da célula unitária CFC possui a seguinte dimensão: 
acfc = 4R/(2)
1/2 
 
Estrutura CCC 
Outra estrutura cristalina metálica comumente encontrada também possui célula unitária 
cúbica, com 1/8 de átomo localizados em todos os oito vértices e um único outro átomo 
localizado no centro do cubo. Essa estrutura e conhecida por estrutura cristalina cúbica 
de corpo centrado (CCC). O cromo, o ferro e o tungstênio, assim como diversos outros 
metais, exibem uma estrutura cristalina do tipo CCC. 
A aresta da célula unitária CCC possui a seguinte dimensão: 
accc= 4R /(3)
1/2 
 
Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta (HC) 
A última estrutura cristalina comumente encontrada nos metais possui uma célula unitária 
com formato hexagonal. As faces superior e inferior da célula unitária são compostas por 
seis átomos que formam hexágonos regulares e que se encontram ao redor de um único 
átomo central. Outro plano que contribui com três átomos adicionais para a célula unitária 
está localizado entre os planos superior e inferior. Os átomos localizados nesse plano 
intermediário possuem como vizinhos mais próximos átomos em ambos os planos 
adjacentes. O equivalente a seis átomos esta contido em cada célula unitária; um sexto de 
cada um dos 12 átomos localizados nos vértices das faces superior e inferior, metade de 
cada um dos dois átomos no centro das faces superior e inferior, e todos os três átomos 
interiores que compõe o plano intermediário. Os metais HC são o cádmio, o magnésio, o 
titânio e o zinco. 
 
Exercícios 
 
1. Na célula unitária do sistema cúbico simples há efetivamente: 
a) 8 átomos 
b) 6 átomos 
c) 4 átomos 
d) 2 átomos 
e) 1 átomo 
Resp.: e) Como há apenas 1/8 de átomo por vértice e 8 vértices ela é representada por 1 
único átomo 
 
2. O Diamante e a grafita são duas substâncias formadas a partir de átomos de carbono e, 
no entanto apresentam propriedades muito diferentes. Assinale a alternativa errada. 
a) No diamante a ligação entre os átomos de carbono tem uma geometria hexagonal 
que dá simetria espacial ao cristal conferindo-lhe altíssima dureza. 
b) O grafite pode conduzir eletricidade. 
c) No diamante a ligação entre os átomos de carbono tem geometria tetraédrica. 
d) O grafite tem estrutura cristalina hexagonal compacta. 
e) As ligações dos átomos de carbono no diamante são de natureza covalente. 
Resp.: a)