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

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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

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Motivação

Ligações Interatômicas

C-Diamante C-grafite

CaF2 - Fluorita

Cobre

Ouro

Gelo Tubos de polietileno

FeS2 - Pirita Sal gema

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Motivação

 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.

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Motivação

• As propriedades importantes dos materiais sólidos:

 - Dependem dos arranjos geométricos dos átomos

 - Dependem das interações entre eles ou moléculas constituintes.

 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:

• Núcleo que contém prótons e neutrons
• Elétrons “girando” em torno do núcleo
• Elétrons e prótons são carregados eletricamente,
 enquanto neutrons são neutros:

• Elétrons carregados negativamente;
• Prótons carregados positivamente;
• Carga elétrica: 1,6 x 10-19 C.
Prótons e neutrons possuem ± a mesma massa:

• 1,67 x 10-27 kg
• Elétrons possuem massa muito menor:
• 9,11 x 10-31 kg

Elétrons “girando” 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:

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Introdução - Conceitos Gerais:

• Orbitais e níveis de energia

 Os elétrons são atraídos pelos prótons

 Os elétrons se distribuem em orbitais (diferente de órbita)

– Níveis de energia bem definidos (discretos - modelo quântico)

• Os elétrons não podem assumir níveis intermediários

• Para trocar de nível, os elétrons tem que receber a energia exata
que diferencia dois níveis.

– A energia é função da distância dos elétrons ao núcleo

• Entendimento dos números quânticos ( n, l, ml , spin)

• Quanto mais perto do núcleo mais ligado estará o elétron

• Quanto mais longe do núcleo menos ligado

– Se o elétron recebe energia suficiente, ele é arrancado, se torna
um elétron livre e o átomo é ionizado.

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Introdução - Conceitos Gerais:

• Modelo clássico vs modelo quântico

Órbita Orbital

Vs

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 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:

• O que acontece quando aproximamos dois

átomos, inicialmente separados por uma distância

infinita?

r - distância interatômica

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Introdução - Conceitos Gerais:

 Forças e Energias de Ligação:

 Quanto mais próximos os

átomos maior a força atrativa

entre eles, mas se houver

sobreposição das camadas

internas as forças repulsivas

serão dominantes.

 A distância entre 2 átomos é

determinada pelo balanço das

forças atrativas e repulsivas.

 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

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Introdução - Conceitos Gerais:

 Forças de ligação:

 A inclinação da curva no ponto de

equilíbrio dá a força necessária para
separar os átomos sem promover a
quebra da ligação.

 Os materiais que apresentam uma
inclinação acentuada são considerados
materiais rígidos. Ao contrário, materiais
que apresentam uma inclinação mais
tênue (suave) são bastante flexíveis.

 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:

 Forças de ligação: Força Total ou Força Resultante

 FTOTAL = FA + FR

FAtração= -A/r
2

FRepulsão= B/r
n

A, B e n são valores que dependem do

sistema iônico em questão

 r - distância interatômica

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Introdução - Conceitos Gerais:

 Resumindo: Forças de Ligação

  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.

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Introdução - Conceitos Gerais:

 Forças de ligação:

 Força atrativa : obedece à Lei de Coulomb

• r - é a distância interatômica
• z1 e z2 - são as valências dos 2 tipos de íons
• e - é a carga do elétron (1,602*10-19 C)
• 0 - é a permissividade do vácuo (8,85*10

-12 F/m)

A B

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Introdução - Conceitos Gerais:

 Energias de ligação:

 Algumas vezes é mais conveniente trabalhar com energia (potencial) do

que com forças de ligações.

 Matematicamente, energia (E) e força de ligações (F) estão relacionadas por :

ET = FT .dr e (ET =  FA . dr +  FB .dr )

 A menor energia é o ponto de equilíbrio.

•Eo é a energia mínima que teria que
fornecer para separar 2 átomos.

•Quanto mais profundo o poço de
Epotencial mais estável será o composto, e

então maior será a temperatura de fusão do

material.

• 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:

 Curva de energia potencial vs distância interatômica:

 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:

 Energias de ligação:

 Cerâmicas, metais e polímeros

Expansão

térmica

Espaçamento

 interatômico, χ

Energia

Polímeros
(baixo E, elevado α )

Cerâmicas
(elevado E, baixo α )

Metais

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Introdução - Conceitos Gerais:

 Forças e Energias de ligação:

 Quando energia é fornecida a um material, a vibração

térmica faz com que os átomos oscilem próximos ao