CTM I Ligaes Interatomicas em Slidos JOCA
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CTM I Ligaes Interatomicas em Slidos JOCA


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Ligações Interatômicas em 
Sólidos 
Prof. Dr. Jorge Carlos Pereira 2018.2 
2 
Roteiro da aula 
Motivação 
Introdução: conceitos gerais 
Classificação das ligações interatômicas em sólidos 
Ligações Primárias 
Ligação Iônica 
Ligação Covalente 
Ligação Metálica 
Ligação Mista 
Ligações Secundárias 
Ligação van der Waals - Dipolo Induzido e Permanente 
Pontes de hidrogênio 
Exercícios 
Considerações finais 
Referências 
 
 
3 
Motivação 
Ligações Interatômicas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
C-Diamante C-grafite 
CaF2 - Fluorita 
Cobre 
Ouro 
Gelo Tubos de polietileno 
FeS2 - Pirita Sal gema 
4 
Motivação 
\uf071 Porquê estudar as ligações interatômicas 
em sólidos? 
 
 Geralmente, o tipo de ligação interatômica 
 explica a propriedade do material. 
 
 Exemplo: 
 O carbono pode existir na forma de grafite que é dúctil, escuro e 
condutor elétrico, e na forma de diamante é extremamente 
 duro, brilhante e isolante elétrico mas condutor térmico. 
 
 
 Essa diferença nas propriedades é diretamente atribuída ao tipo 
 de ligação química que é encontrada na grafite e não no diamante. 
 
5 
Motivação 
\u2022 As propriedades importantes dos materiais sólidos: 
 
 - Dependem dos arranjos geométricos dos átomos 
 - Dependem das interações entre eles ou moléculas constituintes. 
\uf0d8 Entender as ligações interatômicas é o primeiro passo em direção 
à compreensão/explicação das propriedades dos materiais. 
 Em materiais sólidos: 
 
 - Os átomos são mantidos nas suas posições por ligações. 
Ligações: 
 
- Propiciam resistência 
 
- Propiciam propriedades elétricas e térmicas aos materiais 
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ÁTOMO: unidade básica da estrutura 
 interna de qualquer material 
Composição: 
\u2022 Núcleo que contém prótons e neutrons 
\u2022 Elétrons \u201cgirando\u201d em torno do núcleo 
\u2022 Elétrons e prótons são carregados eletricamente, 
 enquanto neutrons são neutros: 
\u2022 Elétrons carregados negativamente; 
\u2022 Prótons carregados positivamente; 
\u2022 Carga elétrica: 1,6 x 10-19 C. 
Prótons e neutrons possuem ± a mesma massa: 
\u2022 1,67 x 10-27 kg 
\u2022 Elétrons possuem massa muito menor: 
\u2022 9,11 x 10-31 kg 
Elétrons \u201cgirando\u201d em volta do 
núcleo em níveis de energia discretos. 
 
Núcleo: prótons - dão o número atômico (Z) 
 neutrons - dão o número isotópico (N) 
Responsáveis 
pela ligação 
atômica 
 Átomo eletricamente neutro: 
 - Nº de elétrons = Nº prótons 
 Introdução - Conceitos Gerais: 
7 
Introdução - Conceitos Gerais: 
\u2022 Orbitais e níveis de energia 
 
 
\uf076 Os elétrons são atraídos pelos prótons 
\uf076 Os elétrons se distribuem em orbitais (diferente de órbita) 
 
\u2013 Níveis de energia bem definidos (discretos - modelo quântico) 
\u2022 Os elétrons não podem assumir níveis intermediários 
\u2022 Para trocar de nível, os elétrons tem que receber a energia exata 
que diferencia dois níveis. 
 
\u2013 A energia é função da distância dos elétrons ao núcleo 
\u2022 Entendimento dos números quânticos ( n, l, ml , spin) 
\u2022 Quanto mais perto do núcleo mais ligado estará o elétron 
\u2022 Quanto mais longe do núcleo menos ligado 
 
\u2013 Se o elétron recebe energia suficiente, ele é arrancado, se torna 
um elétron livre e o átomo é ionizado. 
8 
Introdução - Conceitos Gerais: 
\u2022 Modelo clássico vs modelo quântico 
 
 
Órbita Orbital 
Vs 
9 
 
\uf076 Os átomos tem tendência natural para se ligarem e 
assim adquirirem uma configuração eletrônica mais 
estável, diminuindo a sua energia potencial. 
 
 
 Diminuição da energia livre de Gibbs da substância. 
 
Introdução - Conceitos Gerais: 
\u2022 O que acontece quando aproximamos dois 
átomos, inicialmente separados por uma distância 
infinita? 
 
 
r - distância interatômica 
10 
Introdução - Conceitos Gerais: 
\uf071 Forças e Energias de Ligação: 
 
 
\uf0ae Quanto mais próximos os 
átomos maior a força atrativa 
entre eles, mas se houver 
sobreposição das camadas 
internas as forças repulsivas 
serão dominantes. 
\uf0ae A distância entre 2 átomos é 
determinada pelo balanço das 
forças atrativas e repulsivas. 
\uf0ae Quando a soma das forças 
atrativas e repulsivas é zero, 
os átomos estão na chamada 
distância de equilíbrio, ro . 
 
Força atrativa 
Força repulsiva 
Distância de 
equilíbrio 
Distância interatômica 
Força 
total 
11 
Introdução - Conceitos Gerais: 
\uf071 Forças de ligação: 
 
 
\uf0ae A inclinação da curva no ponto de 
equilíbrio dá a força necessária para 
separar os átomos sem promover a 
quebra da ligação. 
 
\uf0ae Os materiais que apresentam uma 
inclinação acentuada são considerados 
materiais rígidos. Ao contrário, materiais 
que apresentam uma inclinação mais 
tênue (suave) são bastante flexíveis. 
 
\uf0ae A rigidez está também associada com 
módulo de elasticidade (E) que é 
determinado da inclinação da curva 
tensão versus deformação obtida no 
ensaio mecânico de resistência à tração. 
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Introdução - Conceitos Gerais: 
\uf071 Forças de ligação: Força Total ou Força Resultante 
 
 \uf0aeFTOTAL = FA + FR 
 
\uf0aeFAtração= -A/r
2 
\uf0aeFRepulsão= B/r
n 
\uf0aeA, B e n são valores que dependem do 
sistema iônico em questão 
\uf0ae r - distância interatômica 
 
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Introdução - Conceitos Gerais: 
\uf071 Resumindo: Forças de Ligação 
 
 \uf0ae FT = FA + FR = 0 
 
- Quando FA e FR se contrabalançam, existe um estado de 
equílibrio. Os centros dos dois átomos permanecerão 
separados pela distância de equílibrio, r0 . 
 
- Para muitos átomos, r0 é aproximadamente de 0,3 nm. 
Nessa posição, qualquer tentativa de separar os átomos 
será contrabalançada pela força atrativa, enquanto uma 
tentativa de aproximar os átomos sofrerá a resistência da 
crescente força repulsiva. 
 
14 
Introdução - Conceitos Gerais: 
\uf071 Forças de ligação: 
 
 
\uf0ae Força atrativa : obedece à Lei de Coulomb 
 
 
\u2022 r - é a distância interatômica 
\u2022 z1 e z2 - são as valências dos 2 tipos de íons 
\u2022 e - é a carga do elétron (1,602*10-19 C) 
\u2022 \uf0650 - é a permissividade do vácuo (8,85*10
-12 F/m) 
A B 
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Introdução - Conceitos Gerais: 
\uf071 Energias de ligação: 
 
 
\uf0ae Algumas vezes é mais conveniente trabalhar com energia (potencial) do 
que com forças de ligações. 
\uf0ae Matematicamente, energia (E) e força de ligações (F) estão relacionadas por : 
ET =\uf0f2 FT .dr e (ET = \uf0f2 FA . dr + \uf0f2 FB .dr ) 
 
\uf0ae A menor energia é o ponto de equilíbrio. 
\u2022Eo é a energia mínima que teria que 
fornecer para separar 2 átomos. 
\u2022Quanto mais profundo o poço de 
Epotencial mais estável será o composto, e 
então maior será a temperatura de fusão do 
material. 
\u2022 Uma vez que é requerida mais energia 
para aproximar os átomos do que para 
afastá-los a curva não é simétrica. Por 
essa razão, a maioria dos materiais tendem 
a se expandir quando aquecidos. 
ro 
Eo 
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Introdução - Conceitos Gerais: 
\uf071 Curva de energia potencial vs distância interatômica: 
 
 
\uf076 Assimetria da curva 
(é requerida mais energia para 
aproximar os átomos do que para 
afastá-los) 
 Expansão térmica 
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Introdução - Conceitos Gerais: 
\uf071 Energias de ligação: 
\uf071 Cerâmicas, metais e polímeros 
 
 
Expansão 
térmica 
Espaçamento 
 interatômico, \u3c7 
Energia 
Polímeros 
(baixo E, elevado \u3b1 ) 
Cerâmicas 
(elevado E, baixo \u3b1 ) 
Metais 
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Introdução - Conceitos Gerais: 
\uf071 Forças e Energias de ligação: 
 
 
\uf0ae Quando energia é fornecida a um material, a vibração 
térmica faz com que os átomos oscilem próximos ao