Aula Ciências e tecnologias dos materiais

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ESTRUTURA ATÔMICA 
LIGAÇÕES INTERATÔMICAS 
 
PORQUE ESTUDAR A ESTRUTURA 
ATÔMICA E AS LIGAÇÕES 
INTERATÔMICAS DOS SÓLIDOS? 
 
ESTRUTURA ATÔMICA 
 
• Para conhecer os fatores que governam as propriedades dos 
materiais é necessário levar em consideração a estrutura geral 
do átomo. 
 
• A força de atração entre átomos resiste a tensão e controla a 
deformação. A condutividade elétrica é consequência da 
mobilidade dos elétrons livres do metal. 
 
 
 
ESTRUTURA ATÔMICA 
• Átomo 
 
Por que, em geral, os pesos atômicos dos elementos não são 
números inteiros? 
ESTRUTURA ATÔMICA 
• Se refere a média ponderada das massas atômicas; 
• E para o cálculo do peso atômico se utiliza UMA 
(Unidade de massa atômica) de 1/12. 
 
MODELOS ATÔMICOS 
 
 
- Modelo atômico de Bohr 
 
- Modelo mecânico ondulatório 
LIGAÇÕES INTERATÔMICAS 
• Configuração eletrônica: 
 
 
 
 
 
 
 
• Sódio: 1s²2s²2p63s¹ 
 
• Ex: Configuração eletrônica dos íons F3+ S2- . 
 
• Propriedades importante dos Materiais sólidos: 
 
 - dependem das interação entre eles ou moléculas constituintes; 
 - dependem dos arranjos geométricos dos átomos. 
 
Ligações: 
 
-Propiciam resistência; 
-Propiciam propriedades elétricas, térmicas, químicas, magnéticas, aos 
materiais. 
 
Entender as ligações interatômicas é o primeiro passo em direção à 
compreensão/explicação das propriedades dos materiais. 
 
LIGAÇÕES INTERATÔMICAS 
LIGAÇÕES INTERATÔMICAS 
 
As ligações químicas tem forte influência sobre diversas propriedades 
dos materiais. 
 
Os elétrons de valência (do último nível) são os que participam das 
ligações químicas. 
 
Os átomos buscam a configuração mais estável dos gases nobres (com 2 
ou 8 elétrons). 
 
Dependendo da energia envolvida nas ligações elas podem ser divididas 
em: 
 Fortes 
 Fracas 
Ligações fortes: 
 Iônicas 
 Covalentes 
 Metálicas 
Ligações fracas: 
 
 Van der waals 
 
 
LIGAÇÕES INTERATÔMICAS 
Quanto maior a energia envolvida na ligação química há uma 
tendência de: 
 
• maior ser o ponto de fusão do composto 
• maior a resistência mecânica 
• maior a dureza 
• maior o módulo de elasticidade 
• maior a estabilidade química 
• menor a dilatação térmica 
INFLUÊNCIA DA ENERGIA DA LIGAÇÃO EM 
ALGUMAS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Na
+ 
Cl- Na
+ 
Cl- 
Na
+ 
Cl- 
Na
+ 
Cl- 
Na
+ 
Cl- 
Cl- Na
+ 
Na
+ 
Cl- 
Cl- Na
+ 
Na
+ 
Na
+ 
Cl- 
Cl- 
Força de ligação 
de Coulomb 
• É não-direcional 
 Empilhamento de íons 
sem orientação 
preferencial. 
 O empilhamento é 
governado pelo arranjo 
geométrico dos íons e 
pela necessidade de 
manter a neutralidade 
elétrica do sólido. 
 A magnitude é igual 
em todas as direções 
ao redor do íon. 
LIGAÇÃO IÔNICA 
ENERGIA DE LIGAÇÃO 
Os materiais iônicos são 
duros e quebradiços e, 
além disso, isolantes 
elétricos e térmicos. 
 É a ligação 
predominante nos 
materiais cerâmicos. 
 
• É forte  PF dos materiais é geralmente 
alto. 
 Sólido iônico E (kJ/mol) PF (oC) 
NaCl 766 801 
MgO 3932 2800 
Fonte: Smith, 1998. 
LIGAÇÃO COVALENTE 
 Compartilhamento de elétrons entre átomos 
adjacentes. 
 
C H H 
H 
H 
Elétron 
compartilhado 
do C 
Elétron 
compartilhado 
do H 
Molécula de 
metano (CH4) 
Ocorre entre átomos 
com pequenas 
diferenças de 
eletronegatividade e 
que estão próximos 
uns dos outros na 
tabela periódica. 
 
LIGAÇÃO COVALENTE 
 
LIGAÇÃO COVALENTE 
 É direcional. 
 Ocorre entre átomos 
específicos e pode existir 
somente na direção entre 
um átomo e o outro que 
participa no 
compartilhamento de 
elétrons. 
 Exemplos: diamante e 
silício. 
LIGAÇÃO METÁLICA 
 É encontrada nos metais e suas ligas. 
  Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade 
(apresentam no máximo 3 elétrons de valência). 
  Elétrons de valência não estão ligados a nenhum 
átomo em particular, apresenta caráter não-direcional. 
 
LIGAÇÃO METÁLICA 
 
 Em geral, quanto menos elétrons de valência um átomo 
possuir, mais fracamente eles estarão ligados ao "caroço" 
iônico, e mais metálica será a ligação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 À medida que crescem o número de elétrons de valência e 
a rigidez com que eles se prendem ao núcleo, mais 
localizados eles ficam no espaço. 
 A energia pode ser fraca ou forte. 
ENERGIA DE LIGAÇÃO 
Elemento E 
(kJ/mol) 
PF 
(oC) 
K+ 89,6 63,5 
Ca2+ 177,0 851,0 
Energia em função da distância entre 
um par de átomos metálicos. 
Fonte: Smith, 1998. 
LIGAÇÃO QUÍMICA – PONTO DE FUSÃO 
Quanto mais forte a força de ligação, maior o ponto de 
fusão. 
PROPRIEDADES DE MATERIAIS 
COM LIGAÇÃO METÁLICA 
 
 Maleável e dúctil - Quando é aplicada uma força a um 
metal, as camadas de átomos podem deslizar facilmente 
umas sobre as outras. 
 
Materiais – a classificação das ligações 
Por que o diamante tem um ponto de fusão mais alto 
que o polietileno? (ambos fazem ligações covalentes) 
Poletileno 
PF= 120ºC 
Diamante 
PF=3.550ºC 
Por que o diamante tem ponto de fusão mais alto que o 
polietileno? (Ambos apresentam ligação covalente) 
LIGAÇÃO VERSUS PROPRIEDADE 
De fato ambos os materiais possuem ligação covalente, porém a diferença 
está na presença de ligações secundárias que há no polietileno. A interação 
intermolecular entre as cadeias poliméricas do polietileno faz com que haja 
o deslocamento das cadeias umas sobre as outras favorecendo um baixo 
ponto de fusão e características mecânicas diferentes quando comparado 
ao diamante. As ligações secundárias entre as cadeias poliméricas no 
polietileno são muito mais marcantes do que as primárias (CANEVAROLO, 
2006). 
COEFICIENTE DE EXPANSÃO TÉRMICA 
PROPRIEDADES DE MATERIAIS COM 
LIGAÇÃO IÔNICA 
 São duros e frágeis 
 Isolantes – Íons não podem se mover. 
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 
 
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 
Poliamida 
Policloreto de vinila 
CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DE ALGUNS 
POLÍMEROS À TEMPERATURA AMBIENTE 
Material LRT 
(MPa) 
Limite de 
escoamento 
(MPa) 
Alongamento 
na fratura (%) 
PEBD 8,3 – 31,4 9,0 – 14,5 100 – 650 
PVC 40,7 – 51,7 40,7 – 44,8 40 – 80 
PS 35,9 – 51,7 --- 1,2 – 2,5 
PET 48,3 – 72,4 59,3 30 - 300 
Fonte: Callister, 2002. 
POLIMORFISMO DO CARBONO – 
DIAMANTE E GRAFITA 
ESTRUTURA DO DIAMANTE 
 
Átomos de 
carbono unidos 
por ligação 
covalente em 
um arranjo 
tetraédrico 
ESTRUTURA DA GRAFITE 
Arranjos dos átomos 
de carbono em uma 
camada. 
Arranjos das camadas. 
Ligação 
forte 
Ligação 
fraca 
Ligação 
forte 
 
PROPRIEDADES DA GRAFITE 
O único não-metal que 
conduz eletricidade 
 
 
Cada átomo de carbono 
tem um eletron que não 
é utilizado na ligação. 
 
Livre para mover Capaz de conduzir eletricidade