2 - Estrutura atômica e ligação interatômica

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Ciências dos Materiais
ESTRUTURA ATÔMICA E 
LIGAÇÃO INTERATÔMICA
2/13/14
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CONCEITOS FUNDAMENTAIS
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
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▪ Átomo: núcleo (prótons + nêutrons) envolvido por elétrons em movimento 
▪ Prótons vs Elétrons (cargas opostas): 1,60 x 10-19 C 
▪ Massas: 
▪ Prótons e nêutrons: 1,67 x 10-27 kg 
▪ Elétrons: 9,11 x 10-31 kg 
▪ No prótons = No atômico (Z) 
▪ Peso atômico = média ponderada das massas atômicas (A) dos isótopos dos átomos que 
ocorrem naturalmente 
▪ A = Z + N 
▪ 1 uma/átomo (ou molécula) = 1 g/mol 
▪ uma = unidade de massa atômica
Ciências dos Materiais
MODELOS ATÔMICOS
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
2/13/143
Bohr
Mecânico-
ondulatório
Ciências dos Materiais
NÚMEROS QUÂNTICOS
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
2/13/144Ciências dos Materiais
CONFIGURAÇÕES 
ELETRÔNICAS
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
2/13/145Ciências dos Materiais
TABELA PERIÓDICA
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
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LIGAÇÕES QUÍMICAS: Primárias – Iônica
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
Cloreto de sódio → tanto o cátion Na+ 
quanto o ânion Cl– ficam com seus orbitais 
externos completos.
▪ Envolve a transferência de elétrons de um átomo 
para outro; 
▪ Grande diferença de eletronegatividade entre os 
elementos; 
▪ A ligação iônica resulta da atração eletrostática 
entre dois íons de cargas opostas; 
▪ Forças de atração → Coulomb → variam com o 
inverso da distância interatômica.
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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
LIGAÇÕES QUÍMICAS: Primárias – Covalente
▪ Envolve o compartilhamento dos elétrons de 
valência de átomos adjacentes; 
▪ Pequena diferença de eletronegatividade entre os 
elementos.
Representação esquemática da 
ligação covalente na sílica ( SiO2 )
Representação esquemática da ligação 
covalente na molécula de metano ( CH4 )
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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
LIGAÇÕES QUÍMICAS: Primárias – Metálica
Ilustração esquemática da ligação metálica
▪ Átomos dos metais possuem de um a três 
elétrons de valência; 
▪ A ligação resultante é não-direcional (não 
existe direção preferencial); 
▪ Os elétrons de valência passam a se 
comportar como elétrons “livres” : 
✓ Apresentam a mesma probabilidade de 
se associar a um grande número de 
átomos vizinhos; 
✓ Formam uma “nuvem eletrônica”.
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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
LIGAÇÕES QUÍMICAS: Secundárias (Van der Waals)
Ligações de Van de Waals no PVC (entre duas 
moléculas distintas)
▪ Ocorrem atrações entre 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 permanentes e induzidos; 
✓ dipolos induzidos flutuantes.
2/13/1410Ciências dos Materiais
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
LIGAÇÕES QUÍMICAS: Secundárias (Van der Waals)
Dipolo Molecular Permanente
Dipolos Induzidos Flutuantes
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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
▪ É um caso especial de ligação entre moléculas 
polares; 
▪ É o tipo de ligação secundária mais forte; 
▪ Ocorre entre moléculas em que o H está ligado 
covalentemente ao flúor (como no HF), ao 
oxigênio (como na água) ou ao nitrogênio (por 
exemplo, NH3).
Ponte de hidrogênio no HF
Ponte de hidrogênio na molécula da água
LIGAÇÕES QUÍMICAS: Pontes de Hidrogênio
2/13/1412Ciências dos Materiais
▪ Os modelos iônicos e covalentes são situações extremas numa condição de ligação 
química. 
% caráter iônico = [1 - exp(-0.25{Xa - Xb}^2) .100% 
▪ A porcentagem do caráter iônico de uma ligação química entre dois elementos é 
proporcional à diferença entre os valores de eletronegatividade (Xa-Xb) desses elementos.
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
LIGAÇÕES QUÍMICAS: Caráter Iônico
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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
Iônica: Energia 600–1500 kJ/mol. Materiais duros, frágeis (pouca tenacidade) e isolantes 
termicamente (ex: cerâmicos). Os cerâmicos, que são compostos de materiais metálicos e não 
metálicos (MgO, SiO2, CSi, vidros, etc.) podem apresentar também ligações covalentes. 
Covalente: Energia 500–1300 kJ/mol. Compartilhamento de elétrons de valência entre 
átomos adjacentes. Ligações fortes e direcionais. Ocorre nos polímeros, em substâncias como 
o CH4, e em semicondutores (Si, Ge). 
Metálica: Energia 100–850 kJ/mol. Metais e suas ligas (com 1, 2 ou 3 elétrons de valência). 
Boa condutividade elétrica e térmica. Pode ser relativamente fraca, como no mercúrio (Hg: Tf 
= -38,87 ºC) ou extremamente forte como no tungstênio (W: Tf = 3380 ºC). 
Van der Waals: Energia < 2 kJ/mol, ou até 10 kJ/mol para pontes de hidrogênio. Fracas. São 
mais importantes em gases inertes e moléculas covalentes. Os polímeros são flexíveis e 
pouco resistentes porque enquanto dentro da cadeia polimérica a ligação pode ser forte 
(covalente), a ligação entre uma cadeia e outra se estabelece mediante forças fracas de Van 
der Waals. Também por isso a temperatura de fusão dos polímeros é baixa.
COMPARATIVO
2/13/1414Ciências dos Materiais
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
▪Quando dois átomos se aproximam, 
eles exercem uma força um no outro: 
Fresultante (Fn) = Fatração (Fa)+ Frepulsão (Fr)
a) Forças de atração e de repulsão em função da distância 
interatômica (r) para dois átomos isolados. 
b) Energia potencial em função da distância interatômica (r) 
para dois átomos isolados.
FORÇAS E ENERGIA DE LIGAÇÃO
2/13/1415Ciências dos Materiais
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
▪ A distância de ligação entre dois átomos é a distância correspondente ao ponto de mínima 
energia (soma dos dois raios atômicos). 
a) Para metais puros, todos os átomos têm o mesmo raio atômico; 
b) Para sólidos iônicos, os raios atômicos são diferentes, uma vez que íons adjacentes 
nunca são idênticos.
LIGAÇÕES QUÍMICAS
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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
▪ Em escala atômica, a deformação plástica é 
manifestada como uma pequena alteração na 
distância interatômica e na energia da ligação; 
▪ Quanto maior o poço de potencial, maior será a 
energia de ligação → maior a resistência à 
separação de átomos adjacentes; 
▪ Propriedades mecânicas tais como módulo de 
elasticidade e dureza são dependentes da 
energia de ligação;
LIGAÇÕES QUÍMICAS
Relação entre algumas propriedades e as 
curvas de força e energia de ligação
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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
▪ O módulo de elasticidade depende 
da forma da curva de F(r). 
▪ Derivada da curva de F(r) no ponto 
r = r0 com valor elevado → maior 
módulo de elasticidade → material 
b (menor energia de ligação) é 
mais dúctil que o material a.
ro = ponto onde forças de atração e 
repulsão são iguais
LIGAÇÕES QUÍMICAS
MÓDULO DE ELASTICIDADE
Relação entre algumas propriedades e 
as curvas de força e energia de ligação
ro
ro
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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
LIGAÇÕES QUÍMICAS
COEFICIENTE DE DILATAÇÃO TÉRMICA
Relação entre algumas propriedades e 
as curvas de força e energia de ligação
Obs.: IAE = interatomic energy
▪ Um “poço” profundo e estreito (elevadas 
energias de ligação) está relacionado a um 
baixo coeficiente de expansão térmica.
2/13/1419Ciências dos Materiais
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
▪ Materiais que apresentam grandes 
energiasde ligação (poços de potencial 
p r o f u n d o s ) t a m b é m a p r e s e n t a m 
temperaturas de fusão e de ebulição 
elevadas.
LIGAÇÕES QUÍMICAS
Relação entre algumas propriedades e as 
curvas de força e energia de ligação
COEFICIENTE DE DILATAÇÃO TÉRMICA
2/13/1420Ciências dos Materiais
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
▪ Materiais que apresentam grandes energias de ligação (poços de potencial profundos) 
também apresentam temperaturas de fusão e de ebulição elevadas.
LIGAÇÃO IÔNICA
2/13/1421Ciências dos Materiais
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
▪ Materiais que apresentam grandes energias de ligação (poços de potencial profundos) 
também apresentam temperaturas de fusão e de ebulição elevadas.
LIGAÇÕES QUÍMICAS
2/13/1422Ciências dos Materiais
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
Por que os materiais ligados covalentemente 
possuem, em geral, menor massa específica 
do que os materiais ligados ionicamente ou 
por meio de ligações metálicas?
2/13/1423Ciências dos Materiais
2/13/1424
ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA
Exercícios 2.17.a, 2.18 a 2.23
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OBRIGADO!!!
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