02- ligacoes quimicas e estruturas cristalinas - CM

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LIGAÇÕES QUÍMICAS 
Ciência dos Materiais 
Profa. Déborah Oliveira Almeida Carvalho 
As ligações químicas são uniões estabelecidas entre átomos para formarem as 
moléculas, que constituem a estrutura básica de uma substância ou composto. Na 
Natureza existem aproximadamente uma centena de elementos químicos. Os átomos 
destes elementos químicos ao se unirem formam a grande diversidade de substâncias 
químicas. 
A união estabelecida entre átomos não ocorre de qualquer forma, deve haver condições 
apropriadas para que a ligação entre os átomos ocorra, tais como: afinidade, contato, 
energia etc. 
As ligações químicas podem ocorrer através da doação e recepção de elétrons entre os 
átomos (ligação iônica). Como exemplo NaCl (cloreto de sódio). Compostos iônicos 
conduzem electricidade no estado líquido ou dissolvido. Eles normalmente têm um alto 
ponto de fusão e alto ponto de ebulição. 
Outro tipo de ligações químicas ocorre através do compartilhamento de elétrons: a 
ligação covalente. Como exemplo H2O (água). 
Existe também a ligação metálica onde os elétrons das últimas camadas dos átomos 
do metal saltam e passam a se movimentar livremente entre os átomos criando uma força 
de atração entre os átomos do metal, neste caso, não há perda de elétrons. 
 
Ligações Químicas 
Os átomos, ao se combinarem, tenderão a adquirir a configuração do gás 
nobre mais próximo, que é de oito elétrons na última camada (octeto) para 
atingir a estabilidade. 
Regra do Octeto: 
Exemplo: 
 
11Na : 1s2 2s2 2p6 3s1 (K=2 – L=8 – M=1) 
 
o átomo de sódio tende a ceder um elétron para se estabilizar, 
formando o cátion sódio, que possui configuração de gás nobre. 
 
11Na+ : 1s2 2s2 2p6 (K=2 – L=8) 
 
Observação: Alguns átomos (H, Li, Be) estabilizam-se, segundo a 
configuração eletrônica gás nobre hélio (1s2). 
Ligação Iônica (ou Eletrovalente) 
 
•  Caracteriza-se pela transferência de elétrons de um átomo que perde 
elétrons para outro átomo que ganha elétrons. 
•  Atração eletrostática entre íons de cargas opostas (cátion e ânion) 
•  Ocorre normalmente entre: 
 
 METAL e AMETAL ou 
 
METAL e HIDROGÊNIO. 
 Ligação entre o sódio (metal) e o cloro (ametal): 
 
11Na - 2 - 8 – 1 (tende a ceder um elétron) 
 
17Cl - 2 - 8 – 7 (tende a receber um elétron) 
Na x + Clo o o
o
o
o o
Na[ ] + +
oo
o
o
oo
oCl[ ] -x
[Na]+ [Cl]-
NaCl
‚ Ligação entre o cálcio (metal) e o cloro (ametal) 
 
20Ca - 2 - 8 - 8 - 2 ( tende a ceder 2 elétrons) 
 
17Cl - 2 - 8 - 7 (tende a receber um elétron) 
 
x + [ ] -xCa
oo
o
o
oo
oCl
oo
o
o
oo
oCl
Ca[ ] 2+ + 2 x
oo
o
o
oo
oCl
CaCl2
 
Método Prático para Escrever a Fórmula de um Composto Iônico: 
 
[ CÁTION ] [ ÂNION ]
x+ y-
xy
Família Carga dos íon 
1A +1 
2A +2 
3A +3 
5A - 3 
6A - 2 
7A / H - 1 
Exemplo: Composto iônico formado pelos elementos Alumínio (Al) e Oxigênio (O). 
 
Al (3A) : 2 – 8 - 3 / O (6A) : 2 – 8 - 6 
 [ Al ]
3+
[ O ]
2-
2 3
Fórmula Molecular: Al2O3 
Características dos Compostos Iônicos: 
Ø  São sólidos nas condições ambiente; 
 
Ø  Possuem elevados pontos de fusão e ebulição; 
 
Ø  Conduzem a corrente elétrica quando fundidos ou em solução aquosa, devido à 
presença de íons livres. 
 
Fórmula eletrônica ou 
de Lewis 
Fórmula estrutural plana 
 
 
Fórmula molecular 
 
 
 
 
Cl2 
Ligação Covalente ou Molecular 
•  Caracteriza-se pelo compartilhamento (emparelhamento) de elétrons. 
•  Ocorre normalmente entre: 
 AMETAL e AMETAL 
ou 
AMETAL e HIDROGÊNIO 
 
Exemplos: 
 
1- Ligação química entre 2 átomos de cloro 
 
17Cl : 2-8-7 (tende a receber 1e-) 
 
o
oo
o
oo
oCl
x
Cl
x
xx
x
xx ClCl
 
Fórmula eletrônica ou de 
Lewis Fórmula estrutural plana Fórmula molecular 
 
CO2 
2-Ligação química entre os átomos de carbono e oxigênio 
 
6C : 2 - 4 ( tende a receber 4e-) 
 
8O : 2 - 6 (tende a receber 2e-) 
OCOooxx Ox xx
xxo
xoC
xx
xx
O
 Principais Características Dos Compostos Moleculares: 
 
ü Apresentam-se nos estados sólido, líquido e gasoso; 
ü possuem pontos de fusão e ebulição geralmente baixos; 
ü Não conduzem a corrente elétrica (com algumas exceções. 
 
Ex: ácidos na presença de solvente ionizante (por exemplo: água). 
 Ligação Metálica: 
 
 
Ø  Ocorre entre átomos metálicos (metal + metal). 
Ø  Como os metais possuem uma baixa eletrone-gatividade, os 
mesmos perdem seus elétrons muito facilmente. Esses elétrons livres 
formam uma nuvem eletrônica que mantém os íons metálicos sempre 
unidos formando a chamada ligação metálica. 
Esquema da Ligação Metálica 
I- Interações Dipolo Instantâneo - Dipolo Induzido 
(Forças de Van Der Waals ou Forças de London): 
 
São interações que ocorrem entre moléculas apolares ou gases nobres 
nos estados sólido e líquido. 
Exemplos: I2(s), C6H6(l), Ar(s) 
 Forças Intermoleculares: 
Intensidades das Forças Intermoleculares: 
 
Ponte de Hidrogênio > Dipolo - Dipolo Permanente >
Dipolo Instantâneo - 
Dipolo Induzido 
II-Interações Dipolo - Dipolo Permanente: 
 
São interações que ocorrem entre moléculas polares. 
Exemplo: molécula do HCl 
III- Ponte ou Ligação de Hidrogênio: 
 
ESTRUTURA 
CRISTALINA 
11 
ESTRUTURA CRISTALINA 
12 
ARRANJO ATÔMICO 
Por quê estudar? 
•  As propriedades de alguns materiais estão diretamente associadas à 
sua estrutura cristalina (ex: magnésio e berílio que têm a mesma 
estrutura se deformam muito menos que ouro e prata que têm outra 
estrutura cristalina) 
•  Explica a diferença significativa nas propriedades de materiais 
cristalinos e não cristalinos de mesma composição (materiais 
cerâmicos e poliméricos não-cristalinos tendem a ser opticamente 
transparentes enquanto cristalinos não) 
•  Os materiais sólidos podem ser classificados em cristalinos ou não-
cristalinos de acordo com a regularidade na qual os átomos ou íons 
se dispõem em relação à seus vizinhos. 
•  Material cristalino é aquele no qual os átomos encontram-se 
ordenados sobre longas distâncias atômicas formando uma estrutura 
tridimensional que se chama de rede cristalina 
•  Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam 
estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação 
•  Nos materiais não-cristalinos ou amorfos não existe ordem de longo alcance 
na disposição dos átomos 
•  As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura cristalina, 
ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente 
dispostos. 
•  Há um número grande de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas 
simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas exibidas pelos 
cerâmicos e polímeros 
CÉLULA UNITÁRIA 
(unidade básica repetitiva da estrutura tridimensional) 
•  Consiste num pequeno grupos de átomos que formam um modelo 
repetitivo ao longo da estrutura tridimensional (analogia com elos da 
corrente) 
•  A célula unitária é escolhida para representar a simetria da 
estrutura cristalina 
Célula Unitária 
Os átomos são representados como esferas rígidas 
ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS 
•  Como a ligação metálica é não-direcional não há restrições quanto ao 
número e posições dos vizinhos mais próximos. 
•  Então, a estrutura cristalina dos metais têm geralmente um número 
grande de vizinhos e alto empacotamento atômico. 
•  Três são as estruturas cristalinas mais comuns em metais: Cúbica de 
corpo centrado, cúbica de face centrada e hexagonal compacta. 
SISTEMA CÚBICO 
Os átomos podem ser agrupados dentro do sistema cúbico em 3 diferentes 
tipos de repetição. 
– Cúbico simples (CS) 
– Cúbico de corpo centrado (CCC) 
– Cúbicode face centrada (CFC) 
 
SISTEMA CÚBICO SIMPLES 
w  Apenas 1/8 de cada átomo cai 
dentro da célula unitária, ou 
seja, a célula unitária contém 
apenas 1 átomo. 
w  Essa é a razão que os metais 
não cristalizam na estrutura 
cúbica simples (devido ao 
baixo empacotamento 
atômico) 
Parâmetro de rede 
a 
NÚMERO DE COORDENAÇÃO PARA CS 
w  Número de coordenação è corresponde ao número de átomos vizinhos mais 
próximos 
w  Para a estrutura cúbica simples o número de coordenação é 6. 
RELAÇÃO ENTRE O RAIO ATÔMICO (R) E O PARÂMETRO DE REDE (a) 
PARA O SITEMA CÚBICO SIMPLES 
w  No sistema cúbico simples os átomos 
se tocam na face 
a= 2 R 
 
FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO PARA CÚBICO 
SIMPLES 
 
Fator de empacotamento = Número de átomos x Volume dos átomos 
 Volume da célula unitária 
 
Vol. dos átomos=número de átomos x Vol. Esfera (4πR3/3) 
Vol. Da célula=Vol. Cubo = a3 
w  Fator de empacotamento = 4πR3/3 
 (2R) 3 
 
O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CÚBICA SIMPLES É O,52 
EST. CÚBICA DE CORPO CENTRADO 
w  O parâmetro de rede e o raio atômico estão relacionados neste sistema por: 
accc= 4R /(3)1/2 
w  Na est. CCC cada átomo dos vertices do cubo é dividido com 8 células 
unitárias 
w  Já o átomo do centro pertence somente a sua célula unitária. 
w  Cada átomo de uma estrutura ccc é cercado por 8 átomos adjacentes 
w  Há 2 átomos por célula unitária na estrutura CCC 
w  O Fe, Cr, W cristalizam em CCC 
Filme 
RELAÇÃO ENTRE O RAIO ATÔMICO (R) E O PARÂMETRO DE REDE (a) 
PARA O SITEMA CCC 
w  No sistema CCC os átomos se 
tocam ao longo da diagonal do 
cubo: (3) 1/2.a=4R 
 
accc= 4R/ (3)1/2 
w  Para a estrutura CCC o número de coordenação é 8. 
NÚMERO DE COORDENAÇÃO 
Para a estrutura CCC o número de coordenação é 8 
1/8 de átomo 
1 átomo inteiro 
FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO PARA CCC 
Fator de empacotamento = Número de átomos x Volume dos átomos 
 Volume da célula unitária 
 
O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CC É O,68 
 
(demonstre) 
EST. CÚBICA DE FACE CENTRADA 
(CFC) 
w  O parâmetro de rede e o raio atômico estão relacionados 
para este sistema por: 
acfc = 4R/(2)1/2 =2R . (2)1/2 
w  Na est. CFC cada átomo dos vertices do cubo é dividido 
com 8 células unitátias 
w  Já os átomos das faces pertencem somente a duas 
células unitárias 
w  Há 4 átomos por célula unitária na estrutura CFC 
w  É o sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Fe, 
Cu, Pb, Ag, Ni,...) 
NÚMERO DE COORDENAÇÃO PARA CFC 
 
Para a estrutura CFC o número de 
coordenação é 12. 
Demonstre que acfc = 2R (2)1/2 
 
a2 + a2 = (4R)2 
2 a2 = 16 R2 
a2 = 16/2 R2 
a2 = 8 R2 
a= 2R (2)1/2 
DEMONSTRE QUE O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CFC É O,74 
 
w  Fator de empacotamento= Número de átomos X Volume dos átomos 
 Volume da célula unitária 
Vol. dos átomos=Vol. Esfera= 4πR3/3 
Vol. Da célula=Vol. Cubo = a3 
Fator de empacotamento = 4 X 4πR3/3 
 (2R (2)1/2)3 
Fator de empacotamento = 16/3πR3 
 16 R3(2)1/2 
 
Fator de empacotamento = 0,74 
 
EST. HEXAGONAL COMPACTA 
w  Os metais em geral não cristalizam no sistema hexagonal simples pq o fator de 
empacotamento é muito baixo, exceto cristais com mais de um tipo de átomo 
w  O sistema Hexagonal Compacta é mais comum nos metais (ex: Mg, Zn) 
w  Na HC cada átomo de uma dada camada está diretamente abaixo ou acima dos 
interstícios formados entre as camadas adjacentes 
w  Cada átomo tangencia 3 átomos da camada de cima, 6 átomos no seu próprio 
plano e 3 na camada de baixo do seu plano 
w  O número de coordenação para a estrutura HC é 12 e, portanto, o fator de 
empacotamento é o mesmo da cfc, ou seja, 0,74. 
Relação entre R e a: 
 a= 2R 
Há 2 parâmetros de rede representando os parâmetros 
Basais (a) e de altura (c) 
RAIO ATÔMICO E ESTRUTURA CRISTALINA DE ALGUNS METAIS 
24 
AS 14 REDES DE BRAVAIS 
Dos 7 sistemas cristalinos 
podemos identificar 14 tipos 
diferentes de células unitárias, 
conhecidas com redes de 
Bravais. Cada uma destas 
células unitárias tem certas 
características que ajudam a 
d i ferenciá- las das outras 
células unitárias. Além do mais, 
estas características também 
auxiliam na definição das 
propriedades de um material 
particular. 
25 
POLIMORFISMO OU ALOTROPIA 
w  Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma 
estrutura cristalina dependendo da temperatura e 
pressão. Esse fenômeno é conhecido como 
polimorfismo. 
w  Geralmente as transformações polimórficas são 
acompanhadas de mudanças na densidade e 
mudanças de outras propriedades físicas. 
26 
EXEMPLO DE MATERIAIS QUE 
EXIBEM POLIMORFISMO 
w  Ferro 
w  Titânio 
w  Carbono (grafite e diamente) 
w  SiC (chega ter 20 modificações 
cristalinas) 
w  Etc. 
27 
ALOTROPIA DO FERRO 
w  Na temperatura ambiente, o 
Ferro têm estrutura ccc, número 
de coordenação 8, fator de 
empacotamento de 0,68 e um raio 
atômico de 1,241Å. 
w  A 910°C, o Ferro passa para 
estrutura cfc, número de 
coordenação 12, fator de 
empacotamento de 0,74 e um 
raio atômico de 1,292Å. 
w  A 1394°C o ferro passa 
novamente para ccc. ccc 
cfc 
ccc 
Até 910°C 
De 910-1394°C 
De 1394°C-PF 
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 ALOTROPIA DO TITÂNIO 
FASE α 
w  Existe até 883ºC 
w  Apresenta estrutura hexagonal compacta 
w  É mole 
FASE β 
w  Existe a partir de 883ºC 
w  Apresenta estrutura ccc 
w  É dura